Tipos de Topologia de Rede Explicados

Ao construir uma rede de computadores, é necessário definir qual topologia de rede você deseja usar. Existem vários tipos de topologias de rede utilizadas atualmente, cada uma com seus prós e contras. A topologia que você escolhe determina o desempenho ideal da sua rede, opções de escalabilidade, facilidade de manutenção e os custos de construção da rede. Por isso, é importante selecionar o tipo de topologia de rede adequado.

Este post do blog aborda tipos de topologia de rede, suas vantagens e desvantagens. Ele também fornece recomendações sobre qual topologia de rede usar em diferentes cenários. Exemplos práticos do uso de tipos específicos de topologias de rede podem ajudá-lo a entender quando cada topologia pode ser aplicada.

O que é Topologia de Rede?

A topologia de rede ou configuração de rede define a estrutura da rede e como os componentes de rede estão conectados. Os tipos de topologia de rede são geralmente representados com diagramas de topologia de rede para conveniência e clareza. Existem dois tipos de topologia de rede: física e lógica.

Topologia físicadescreve como os dispositivos de rede (chamados de computadores, estações ou nós) estão conectados fisicamente em uma rede de computadores. O esquema geométrico, conexões, interconexões, localização do dispositivo, número de adaptadores de rede utilizados, tipos de adaptadores de rede, tipo de cabo, conectores de cabo e outros equipamentos de rede são aspectos da topologia de rede física.

A topologia lógica representa o fluxo de dados de uma estação para outra, como os dados são transmitidos e recebidos, o caminho dos dados na rede e quais protocolos são usados. A topologia lógica da rede explica como os dados são transferidos sobre uma topologia física. Os recursos de rede virtual e em nuvem fazem parte da topologia lógica.

A topologia de rede ponto a ponto

é a topologia de rede mais simples usada quando apenas dois computadores ou outros dispositivos de rede estão conectados entre si. Um único cabo é usado nesse caso. O exemplo mais comum da topologia de rede ponto a ponto é conectar dois computadores (que possuem adaptadores de rede Ethernet com portas RJ-45) com um cabo de par trançado (UTP Cat 5e, FTP Cat 5e, STP Cat 5e, etc.). O tipo de topologia ponto a ponto também é chamado de topologia P2P.Consulte a última seção da postagem do blog para aprender sobre os diferentes Tipos de Cabos.

O cabo de crossover Ethernet da categoria 5e é um cabo que possui quatro pares trançados de fios. O cabo possui conectores RJ-45 em ambas as extremidades, com a fiação T568A em uma extremidade do cabo e T568B na outra. O cabo de crossover é usado para conectar dispositivos de rede do mesmo tipo, como duas placas Ethernet de computadores diferentes. As placas de rede modernas podem funcionar com um cabo de remendo sem um cabo de crossover ao conectar dois computadores usando a topologia de rede ponto a ponto. A conexão é possível graças ao suporte Ethernet Auto MDI-X (interface cruzada dependente do meio).

Os cabos de remendo ou cabos de patch são usados para conectar um cartão de rede de um computador a um switch e para conectar switches entre si. Ambas as extremidades de um cabo de remendo são crimpadas usando o padrão T568B (T568A também pode ser usado para ambas as extremidades do cabo de remendo, mas essa prática não é comum).

Topologia de Rede em Barramento

Em uma topologia de barramento, o cabo principal é chamado de cabo comum ou cabo principal. As estações são conectadas a este cabo principal usando outros cabos chamados de linhas de derivação. O dispositivo de “tap” é usado para conectar linhas de derivação ao cabo principal. Um cabo coaxial RG-58 com uma impedância de cerca de 50-52 Ohms é geralmente usado para construir a rede em uma topologia de barramento. Conectores BNC (Bayonet Neill-Concelman) são usados para conectar partes da rede e conectar um cabo ao cartão de rede. Terminadores são dispositivos instalados em cada extremidade do cabo principal para absorver sinais e evitar refletir os sinais de volta para o barramento (refletir sinais de volta causa problemas sérios na rede).

A dificuldade de instalação da topologia de barramento é média. A topologia requer menos cabos do que outros tipos de topologia de rede e custa menos. Essa topologia de rede é usada para redes pequenas. A escalabilidade é baixa porque o comprimento do cabo principal é limitado e também o número de estações que podem ser conectadas ao cabo principal. Todo dispositivo de rede é conectado a um único cabo.

A bus topology makes detecting network failures difficult. If the main cable is corrupted, the network goes down. Every additional node slows down the speed of data transmission in the network. Data can be sent only in one direction and is half-duplex. When one station sends a packet to a target station, the packet is sent to all stations (broadcast communication). However, only the target station receives the packet (after verifying the destination MAC address in the data frame). This working principle causes network overload and is not rational. The network of the bus network topology type works in half-duplex mode.

O modo de meia-duplex não permite que estações na rede transmitam e recebam dados ao mesmo tempo. A largura de banda do canal inteiro é usada quando os dados são transferidos em qualquer direção. Quando uma estação está enviando dados, outras estações só podem receber dados.

No modo full-duplex, ambas as estações podem transmitir e receber dados simultaneamente. A capacidade do link é compartilhada entre sinais indo em uma direção e sinais indo em outra direção. O link deve ter dois caminhos físicos separados para enviar e receber dados. Como alternativa, toda a capacidade pode ser dividida entre sinais indo em ambas as direções.

O 10BASE2 faz parte das especificações IEEE 802.3 usadas para redes Ethernet com cabo coaxial. O comprimento máximo do cabo varia entre 185 e 200 metros. O comprimento máximo do cabo coaxial grosso para o padrão 10BASE5 é de 200 metros.

O CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) é a tecnologia usada para evitar colisões (quando dois ou mais dispositivos transmitem dados ao mesmo tempo e isso leva à corrupção dos dados transmitidos) na rede. Esse protocolo decide qual estação em que momento pode transmitir dados. O IEEE 802.3 é o padrão que define os métodos de acesso à LAN (rede de área local) usando o protocolo CSMA/CD.

Token Bus

O IEEE 802.4 é o padrão Token Bus que é usado para criar um anel lógico de tokens em redes construídas usando a topologia de barramento. Um token é passado de uma estação para outra em uma sequência definida que representa o anel lógico na direção horária ou anti-horária. Na imagem a seguir, para a Estação 3, os vizinhos são a Estação 1 e a Estação 5, e uma delas é selecionada para transmitir dados dependendo da direção. Somente o detentor do token (a estação que possui o token) pode transmitir quadros na rede. O IEEE 802.4 é mais complexo do que o protocolo IEEE 802.3.

O formato do quadro Token Bus. O tamanho total do quadro é de 8202 bytes, e o quadro é composto por 8 campos.

• O preâmbulo (1 byte) é usado para sincronização.
• O delimitador de início (1 byte) é o campo usado para marcar o início do quadro.
• O controle do quadro (1 byte) verifica se este quadro é um quadro de controle ou um quadro de dados.
• O endereço de destino (2-6 bytes) especifica o endereço da estação de destino.
• O endereço de origem (2-6 bytes) especifica o endereço da estação de origem.
• A carga útil (0-8182 bytes) é um campo de comprimento variável para transportar os dados úteis da camada de rede. 8182 bytes é o valor máximo se o endereço de 2 bytes for usado. Se o comprimento do endereço for de 6 bytes, então o tamanho máximo do campo de carga útil é de 8174 bytes, conforme necessário.
• O checksum (4 bytes) é usado para detecção de erros.
• O delimitador de fim (1 byte) marca o fim do quadro.

A topologia de rede em barramento não é recomendada para redes ao transferir uma grande quantidade de tráfego. Levando em consideração que a topologia de rede em barramento com cabos coaxiais foi usada na década de 1990, e a velocidade máxima é de 10 Mbit/s, você não deve usar essa topologia para construir sua rede nos dias de hoje.

Topologia de Rede em Anel

A topologia de rede em anel é uma modificação da topologia de barramento. Na topologia de rede em anel, cada estação está conectada a outras duas estações em cada lado. As duas outras estações são vizinhas desta estação. Os dados viajam sequencialmente em uma direção, portanto, a rede funciona em modo half-duplex. Não há terminadores, e a última estação está conectada à primeira estação no anel. A topologia de anel é mais rápida do que a topologia de barramento. O cabo coaxial e os conectores usados para instalar uma rede de topologia de anel são os mesmos usados para a topologia de rede de barramento.

Se você construir uma grande rede usando a topologia de anel, use repetidores para evitar perda de dados ao transferir dados pela rede entre estações em fragmentos de cabo longos. Geralmente, cada estação funciona como um repetidor e amplifica o sinal. Após a transmissão de dados, os dados viajam ao longo do anel e passam por nós intermediários até que esses dados sejam recebidos pelo dispositivo de destino.

Você pode ter latência mais alta se o número de estações conectadas à rede for alto. Por exemplo, se houver 100 computadores na rede, e o primeiro computador envia um pacote para o 100º computador no anel, o pacote deve passar por 99 estações para chegar ao computador de destino. Lembre-se de que os dados são transferidos sequencialmente. Todos os nós devem permanecer ativos para transmitir dados, e por esse motivo, a topologia de anel é classificada como uma topologia de rede ativa. O risco de colisões de pacotes é reduzido porque apenas um nó na rede pode enviar pacotes de cada vez. Esse método permite largura de banda igual para cada nó na rede.

Anel de tokens

A rede de anel de token é a implementação do padrão IEEE 802.5. Esta topologia funciona usando o sistema baseado em token. O token ring é a tecnologia introduzida em 1984 pela IBM. O token é o marcador que viaja sobre o loop em uma direção. Apenas o nó que possui o token pode transmitir dados.

A primeira estação que começa a trabalhar na rede se torna a estação de monitoramento ou o monitor ativo, controla o estado da rede e remove frames flutuantes do anel. Caso contrário, frames flutuantes continuam circulando no anel por tempo ilimitado. O monitor ativo também é usado para evitar tokens perdidos (gerando um novo token) e para erros de clock.

O formato do quadro IEEE 802.5 para uma rede de anel de token é exibido no diagrama abaixo.

• Delimitador de início (1 byte) é usado para sincronização e para notificação de uma estação de que um token está chegando.
• Controle de acesso (1 byte) é o campo que contém o bit do token, bit do monitor e bits de prioridade.
• Controle de quadro (1 byte)
• Endereço de destino (6 bytes) – define um endereço MAC do dispositivo de destino.
• Endereço de origem (6 bytes) – define um endereço MAC do remetente.
• Carga útil (0 bytes ou mais) é os dados úteis (pacote IP) que são transferidos em um quadro, e o tamanho da carga útil pode variar de 0 a tempo máximo de retenção do token.
• Checksum (4 bytes), que também é chamado de sequência de verificação do quadro ou CRC (verificação de redundância cíclica), é usado para verificar erros no quadro. Quadros corrompidos são descartados.
• O delimitador de fim (1 byte) marca o fim do quadro.
• O status do quadro (1 byte) é um campo usado para terminar um quadro de dados e serve como ACK. Este campo pode ser definido por um receptor e indica se o endereço MAC foi reconhecido e o quadro foi copiado.

A dificuldade da instalação da topologia em anel é média. Se você deseja adicionar ou remover um dispositivo de rede, é necessário alterar apenas dois links. A topologia em anel não é cara de instalar. Mas a lista de vantagens termina aqui.

Agora vamos destacar as desvantagens da topologia de rede em anel. Cada fragmento da rede pode ser um ponto de falha. Uma falha pode ser causada por um cabo quebrado, adaptador de rede danificado de um computador, desconexão de cabo, etc. No caso de falha de link, toda a rede falha porque um sinal não pode viajar para frente e passar pelo ponto de falha. A falha de uma estação causa a falha de toda a rede. Todos os dados viajam ao redor do anel passando por todos os nós até chegar ao nó de destino. A solução de problemas é difícil.

Todos os nós na rede da topologia em anel compartilham largura de banda. Como resultado, ao adicionar mais nós ao anel, ocorrem atrasos na comunicação e degradação do desempenho da rede. Para reconfigurar a rede ou adicionar/remover nós, a rede deve ser desconectada e permanecer offline. O tempo de inatividade da rede não é conveniente e econômico para uma organização. Assim, a topologia de rede em anel não é a melhor escolha para construir uma rede escalável e confiável.

A topologia em anel em redes locais foi popular nos anos 1990 até o início do uso em massa do padrão Ethernet com cabos de par trançado e topologia de estrela mais progressiva. Atualmente, a topologia em anel não é usada e não é recomendada para uso doméstico e de escritório devido à baixa velocidade de rede de 4 ou 16 Mbit/s e às outras desvantagens mencionadas anteriormente.

O anel duplo

O anel duplo é uma versão modificada da topologia em anel. Adicionar uma segunda conexão entre os nós em um anel permite a transferência de dados em ambas as direções e faz com que a rede funcione em modo full-duplex. Os dados são enviados em direções horária e anti-horária na rede. Se uma ligação no primeiro anel falhar, o segundo anel pode ser usado como backup de ligação para continuar a operação da rede até que o problema no primeiro anel seja resolvido.

O anel óptico em redes modernas utiliza a topologia em anel. Essa topologia de rede é principalmente usada por provedores de serviços de internet (ISP) e provedores de serviços gerenciados (MSP) para criar conexões em redes de área ampla.

Tecnologias e padrões usados para criar um anel de fibra óptica:

• Resilient Packet Ring (RPR), conhecido como IEEE 802.17
• STP (Spanning Tree Protocol) para evitar loops na rede
• Multiple section shared protection ring (MS-SPRing/4, MS-SPRing/2, etc.)
• Subnetwork connection protection (SNCP)
• Four-fiber bidirectional line-switched rings (BLSR/4), BLSR/2, etc.
• Synchronous transport module (STM-4, STM-16, STM-64, etc.)
• Rede Óptica Síncrona (SONET) e Hierarquia Digital Síncrona (SDH)

Equipamentos de rede profissionais, como switches, que suportam os padrões apropriados são usados para criar um anel de fibra. O preço desse hardware é alto. O anel óptico com alta disponibilidade é usado para conectar nós em diferentes distritos de uma cidade ou em diferentes cidades ao círculo de alta disponibilidade e alta velocidade.

Topologia de Rede Estrela

A topologia estrela é a topologia de rede mais comum usada hoje em dia pelos muitos benefícios que ela oferece. Esta topologia requer uma unidade centralizada, chamada de switch, e todos os outros dispositivos de rede são conectados a este switch com seu próprio cabo de rede. Um switch possui múltiplas portas (geralmente 4, 5, 8, 16, 24, 48, etc.), e todas as estações necessárias são conectadas ao switch para interagir umas com as outras na rede. Não há conexões físicas diretas entre as duas estações neste caso. Se duas estações interagem uma com a outra na rede, um quadro sai do adaptador de rede do remetente e é enviado para o switch, e então o switch retransmite o quadro para o cartão de rede da estação de destino.

A topologia de rede estrela é fácil de expandir. Se não houver portas livres em um switch, troque o switch por um com mais portas ou conecte um segundo switch ao switch existente com um cabo de remendo para expandir a rede da topologia estrela. Note que quando a rede está altamente carregada, essa conexão entre switches é um gargalo porque a taxa de transferência de dados entre estações conectadas a switches diferentes pode ser menor do que a taxa de transferência de dados entre estações conectadas a portas do mesmo switch quando. Se precisar adicionar uma estação à rede, pegue um cabo de remendo, insira uma ponta no adaptador de rede do dispositivo final e outra ponta no switch.

Se uma das estações conectadas a um switch falhar, a rede continua funcionando sem interrupções. Se um switch ficar offline, a rede não poderá operar. Os modos full-duplex e half-duplex são suportados na topologia de rede estrela. Essa topologia é fácil em termos de manutenção.

Ao conectar dispositivos de rede, evite loops. Se houver mais de duas conexões entre dois dispositivos de rede que trabalham na segunda camada, um loop é criado. Por exemplo, se você conectar dois switches usando dois cabos de remendo ou inserir um cabo de remendo em duas portas de um switch, você obtém um loop. O loop leva a interrupções na comunicação dentro da rede e tempestades de transmissão que continuam até você remover o cabo de rede não necessário e desligar o switch. Se quiser criar conexões redundantes, use dispositivos com múltiplos adaptadores de rede que suportem agrupamento de NIC ou agregação de link.

Hub vs switch: Qual é a diferença?

Tanto o hub quanto o switch são utilizados para conectar vários dispositivos em uma rede local (LAN) que utiliza a topologia estrela. Quando um sinal que codifica um quadro chega a uma porta de um hub (uma estação transmissora que está conectada a esta porta com um cabo), o sinal é enviado para todas as portas do hub e, assim, para todos os dispositivos conectados ao hub. Apenas a estação cujo cartão de rede tem o endereço MAC definido como o endereço MAC de destino no quadro pode receber o quadro. Todos os outros dispositivos de rede conectados ao hub que não são dispositivos de destino e cujos adaptadores de rede têm outros endereços MAC detectam os sinais enviados e rejeitam este quadro. A desvantagem do hub é que a rede fica sobrecarregada. Em vez de enviar um quadro do hub para um cartão de rede de destino, o quadro é enviado para todos os dispositivos conectados às portas do hub. O alagamento da rede reduz a largura de banda da rede. Um hub opera na primeira camada do modelo OSI (camada física).

A switch is a more intelligent device. A switch remembers MAC addresses of connected devices and adds MAC addresses of devices connected to each port of the switch to the MAC address table. When a sender sends a frame to a target device, the frame is sent to the switch. The switch reads the MAC address of the network card of a destination station and checks the internal MAC address table to identify to which port of the switch the destination device is connected. Then, the switch sends the frame only to the port associated with the MAC address of the target device. There is no flooding and network overload. This approach ensures high network performance. There are no collisions when using a switch in a star network topology. A switch operates on the second layer of the OSI model (the data link layer). See the table below to see all OSI layers.

O Modelo de Interconexão de Sistemas Abertos (OSI)

Número da camada	Nome da camada	Unidade de Dados de Protocolo (PDU)	Exemplos de protocolos e padrões
7	Aplicação	Dados recebidos ou transmitidos por uma aplicação	HTTP, FTP, POP3, SMTP
6	Apresentação	Dados formatados para apresentação	SSL, TLS
5	Sessão	Dados passados para a conexão de rede	NetBIOS, SAP
4	Transporte	Segmentos TCP, Datagramas UDP	TCP, UDP
3	Rede	Pacotes	IPv4, IPv6
2	Enlace de dados	Quadros	Ethernet, PPP, STP, Token Ring
1	Física	Bits	100BaseTX, RS232, ISDN

A switch is more secure than a hub. Since 2011, using hubs to connect network elements is deprecated by IEEE 802.3, the set of standards and protocols for Ethernet networks.

Nota: Switches, hubs, roteadores, modems e pontos de acesso Wi-Fi pertencem ao equipamento de rede ativo. Equipamentos ativos possuem circuitos eletrônicos e precisam de energia elétrica para operar. Cabos, conectores, transceptores, painéis de conexão, suportes de rack e antenas Wi-Fi são equipamentos de rede passivos que não precisam de eletricidade. Equipamentos de rede passivos são usados para conectar equipamentos de rede ativos.

Topologia em estrela na vida real

Vamos analisar em detalhes como as redes Ethernet tradicionais usam a topologia de rede em estrela e como o padrão IEEE 802.3 funciona. Cabos de par trançado (4×2 fios) são os mais comuns. Eles geralmente são usados para essas redes, e as extremidades dos cabos são crimpadas com conectores RJ-45 (também conhecidos como 8P8C – 8 Posições 8 Contatos). Ambas as extremidades do cabo são crimpadas usando o padrão EIA/TIA 568B. Você também pode crimpá-las usando EIA/TIA 568A, pois o princípio de funcionamento permanece o mesmo, mas essa prática não é comum. Encontre mais informações sobre cabos na seção Tipos de Cabos no final desta postagem no blog.

Padrões Ethernet

10BASE-T é a primeira implementação do Ethernet e usa um cabo de par trançado (o T no nome significa par trançado, BASE significa sinalização de banda base). A velocidade máxima da rede é de 10 Mbit/s. O cabo necessário é UTP Cat.3 ou superior (apenas os pares laranja e verde são usados).

100BASE-TX, conhecido como Fast Ethernet, foi implementado em 1995 (IEEE 802.3u). Este padrão fornece uma velocidade de 100 Mbit/s na rede e requer o cabo UTP Cat 5.

1000BASE-T é conhecido como Gigabit Ethernet (GbE ou 1 GigE) e foi descrito no padrão IEEE 802.3ab (ratificado em 1999). A taxa máxima de transferência de dados é de 1000 Mbit/s (1 Gbit/s). O cabo necessário é o UTP Cat 5e.

2.5GBASE-T é o padrão referido como IEEE 802.3bz, e a velocidade máxima de transferência de dados é de 2.5 Gbit/s. O padrão IEEE 802.3bz foi aprovado em 2016. O cabo UTP Cat 5e é necessário.

5GBASE-T é semelhante ao 2.5GBASE-T mas fornece uma taxa de transferência de dados de 5 Gbit/s e requer uma classe mais alta de cabo – UTP Cat 6.

10GBASE-T é o padrão Ethernet mais rápido que usa cabos com fios de cobre com uma velocidade máxima de 10 Gbit/s. O cabo necessário é o UTP Cat 6A. O padrão IEEE 802.3an contém especificações para o uso de um par trançado para conexões de 10 Gbit/s.

Conectores RJ-45 são usados para cabos nos padrões Ethernet anteriores.

O comprimento máximo do cabo entre as portas de dois dispositivos de rede é de 100 metros para cada padrão mencionado acima, se os requisitos de cabo de par trançado forem atendidos. Se precisar conectar dois dispositivos de rede que estejam a 200 metros de distância, use dois segmentos de cabo de 100 m e conecte-os a um switch instalado no meio a 100 m de cada dispositivo.

Para alcançar a maior velocidade para cada padrão, você deve atender aos requisitos mínimos: usar o cabo da categoria apropriada, um switch que suporte o modo necessário e placas de rede dos dispositivos conectados ao switch. Por exemplo, se você deseja que seus dispositivos na rede operem na velocidade de 1 Gbit/s, você deve instalar placas de rede de 1-Gbit nesses dispositivos, conectá-los a um switch de 1-Gbit e usar o cabo UTP Cat 5e que é crimpado com conectores RJ-45 como um cabo de remendo usando o padrão EIA/TIA 568B. Quando todos os dispositivos conectados trabalham na velocidade de 1 Gb/s, eles funcionam apenas no modo full-duplex.

A auto-negociação é uma característica usada para determinar a velocidade de rede e o modo de transferência de dados (full-duplex ou half-duplex) ótimos para uma porta conectada à porta de outro dispositivo conectado. A auto-negociação determina automaticamente a configuração de uma porta que está conectada à outra extremidade do cabo e define a taxa de transferência de dados com base no valor mais baixo. Se você conectar uma placa de rede de 100 Mbit a um switch de 1 Gbit com um cabo de remendo (Cat 5e), então a velocidade da conexão de rede é de 100 Mbit/s. A compatibilidade reversa com padrões Ethernet anteriores de velocidade mais baixa é uma característica útil.

Formato do quadro

O comprimento de um quadro Ethernet padrão IEEE 802.3 é de 1518 bytes, e a MTU (unidade máxima de transmissão) padrão é de 1500 bytes. Se você precisa que estações na rede troquem grandes quantidades de dados, configure-as para usar quadros jumbo que permitem que os quadros usem a MTU de 9000 bytes. Quadros jumbo podem ajudar a melhorar o desempenho ao transferir dados porque a proporção de informações úteis e informações de serviço nos quadros é maior. Nem todos os dispositivos suportam quadros jumbo.

Outra vantagem de usar a topologia de rede em estrela é que as redes Ethernet que usam esse tipo de topologia física suportam marcação de VLAN. As tags VLAN são usadas para dividir uma rede física em redes lógicas usando a mesma infraestrutura física. As redes lógicas são separadas na segunda camada do modelo OSI usando tags VLAN escritas nos frames. O hardware deve suportar marcação de VLAN para usar esse recurso. O ID da VLAN pode variar de 0 a 4094. 4094 é o número máximo de redes VLAN em uma rede física.

Deixe-me cobrir os formatos de frame para redes Ethernet IEEE 802.3 que usam a topologia de rede em estrela.

• O preâmbulo (7 bytes) indica o início do frame e é usado para sincronização entre o remetente e o receptor.
• Delimitador de início de frame (1 byte) é o campo que é sempre definido como 10101011. SFD (delimitador de início de frame) marca o fim do preâmbulo e o início do frame Ethernet, preparando-se para os próximos bits do endereço de destino. Este campo é a última chance para o(s) dispositivo(s) de rede sincronizar.
• O endereço de destino (6 bytes) contém o endereço MAC de um cartão de rede de destino (por exemplo, E8:04:62:A0:B1:FF). O endereço de destino pode ser unicast, multicast, broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF).
• O endereço de origem (6 bytes) contém o endereço MAC do cartão de rede de origem do dispositivo remetente. O endereço de origem é sempre unicast.
• O tipo (tipo Ethernet) ou comprimento (2 bytes) define o comprimento do frame Ethernet. O campo de tipo indica o protocolo da camada 3 (L3) (0x0800 – IPv4, 0x86DD – IPv6), se o frame está usando marcação de VLAN 802.1q (0x8100), etc.
• Carga de dados (máximo de 1500 bytes para quadros padrão ou 9000 bytes para quadros jumbo) é um pacote L3 encapsulado que é transportado por um quadro. Um pacote é uma unidade de dados de protocolo típica para a terceira camada do modelo OSI (a camada de Rede).
• Checksum, FSC ou CRC (4 bytes) são usados para verificar a integridade do quadro. O CRC é calculado pelo remetente, então, um destinatário recebe o quadro, calcula este valor e compara com o valor CRC recebido no quadro.

A 14-byte header of an Ethernet frame contains the destination address, source address, and type (length). If VLAN tagging is used, an additional 4-byte VLAN tagging field is added to a frame after the source address field.

Conexão óptica

A topologia de rede em estrela também é usada para construir redes baseadas em cabos ópticos (fibra óptica) se precisar de segmentos de cabo mais longos ou latência menor. 10GBASE-S e 10GBASE-E são padrões modernos para redes de 10 Gbit/s usando fibra óptica para estabelecer conexões. Um switch com transceptores e conectores SFP é necessário neste caso para construir uma rede de topologia estrela.

Transceptores SR (alcance curto) são usados para uma distância de até 300 metros.

Transceptores LR (alcance longo) suportam comprimento de cabo na faixa de 300 m a 3 km.

Transceptores ER (alcance estendido) suportam comprimento de cabo de 30 km a 40 km.

O cabo óptico de modo multimodo (MM) é usado para curtas distâncias (menos de 300 m).

O cabo óptico de modo único (SM) é usado para longas distâncias (mais de 300 m).

Há transceptores que permitem conectar cabos de cobre Cat 6A com conectores RJ-45 às portas SFP+ para máxima compatibilidade. O cabo óptico é conectado aos transceptores usando conectores LC. Construir uma rede física usando cabos ópticos é mais difícil do que construir uma rede usando cabos de cobre do tipo Cat 6A.

Vantagens da topologia em estrela

A topologia em estrela é excelente. A estrela é o tipo de topologia de rede mais comum atualmente. Vamos resumir as vantagens deste tipo de topologia de rede.

• Um cartão de rede por estação é suficiente
• Instalação e manutenção fáceis
• Resolução de problemas fácil
• Alta confiabilidade e compatibilidade
• Velocidade rápida
• Suporte a cabos de par trançado e ópticos
• Flexibilidade e escalabilidade

Conexão Wi-Fi

Se uma conexão de rede sem fio é usada instalando um ponto de acesso em casa ou no escritório, a rede sem fio geralmente utiliza a topologia de rede em estrela. O padrão 802.11n (a/b/g/n) é usado neste caso. O ponto de acesso Wi-Fi atua como um switch conectado com adaptadores de rede sem fio das estações e representa a topologia em estrela.

Topologia de Rede em Árvore

A topologia de rede em árvore é uma extensão da topologia em estrela e é amplamente utilizada hoje em dia. A ideia da topologia em árvore é que você pode conectar múltiplas estrelas como galhos em uma rede complexa usando conexões entre switches. As estações são conectadas aos portos desses switches. Se um dos switches falhar, o segmento relacionado à rede fica offline. Se o switch principal localizado no topo da topologia em árvore ficar offline, as ramificações da rede não podem se conectar entre si, mas os computadores das ramificações continuam a se comunicar entre si. A falha de qualquer estação conectada à rede não afeta a ramificação da rede ou a rede inteira. A topologia em árvore é confiável e fácil de instalar, manter e solucionar problemas, e proporciona alta escalabilidade. Há uma conexão entre cada nó da rede ao usar essa topologia (veja o diagrama de topologia de rede abaixo).

Os protocolos e padrões aplicáveis à topologia em estrela são usados para a topologia em árvore (incluindo switches, cabos e conectores). Além disso, roteadores podem ser usados para dividir subredes entre si no terceiro nível do modelo OSI. Como resultado, são usados protocolos de rede do terceiro nível, e é realizada a configuração adequada do equipamento de rede. A topologia de rede em árvore é amplamente utilizada em grandes organizações porque é fácil de instalar e gerenciar. Está presente a estrutura de rede hierárquica. Opte por conectar todos os switches das ramificações de rede ao switch principal para evitar a criação de uma longa cadeia de switches que pode causar gargalos e redução no desempenho da rede ao transferir dados via segmentos entre switches.

Um exemplo de configuração de rede

Vamos ver um exemplo da topologia de rede em árvore e como esse tipo de topologia de rede é usado na prática. Por exemplo, há uma organização com vários departamentos, e cada departamento ocupa um escritório em um prédio. Os departamentos estão localizados em diferentes andares do prédio. Instalar uma rede usando uma topologia de estrela única não é racional porque isso levaria a um consumo extra de cabo para conectar todas as estações em diferentes locais do prédio a um único switch. Além disso, o número de estações pode ser maior do que o número de portas no switch. Neste caso, a solução mais racional é instalar um switch dedicado no escritório principal de cada departamento, conectar todas as estações de cada departamento ao switch apropriado e conectar todos os switches dos departamentos ao switch principal localizado na sala do servidor. O switch principal está no topo da hierarquia em árvore neste exemplo. O switch principal pode ser conectado a um roteador para acessar a internet. Se houver um departamento localizado em outro prédio, e a distância até seu switch no prédio principal for superior a 100 metros, você pode usar um switch adicional com um cabo UTP. Este switch divide a distância em segmentos que estão abaixo de 100 metros. Como alternativa, use o cabo óptico (e os conversores ou switches apropriados) para conectar este escritório remoto ao switch principal.

Para simplificar a administração e melhorar a segurança, você pode instalar roteadores para cada departamento e criar sub-redes para cada departamento. Por exemplo, os desenvolvedores estão na rede 192.168.17.0/24, os contadores estão na rede 192.168.18.0/24, os testadores estão na rede 192.168.19.0/24, os servidores estão na rede 192.168.1.0/24 (a sub-rede principal), etc.

O que é um roteador?

A router is a device that operates on the third layer of the OSI model (the network layer) and operates with packets (the PDU is a packet). A router can analyze, receive, and forward packets between different IP networks (subnetworks) by using the IP addresses of source hosts and destination hosts. Invalid packets are dropped or rejected. Different techniques are used for routing, such as NAT (network address translation), routing tables, etc. The firewall and network security are additional features of the router. Routers can select the best route to transfer packets. A packet is encapsulated into a frame.

A router has at least two network interfaces (usually LAN and WAN). There are popular models of routers that are combined with a switch in a single device. These routers have one WAN port and multiple LAN ports (usually 4-8 for small office/home office models). Professional routers have multiple ports that are not defined as LAN or WAN ports, and you should configure them manually. You can use a physical Linux server with multiple network adapters and connect this machine as a router. Connect a switch to the LAN network interface of this Linux router to have the tree network topology type.

Conexão Wi-Fi

Assim como na topologia de rede em estrela, equipamentos de rede sem fio podem ser usados para criar segmentos de rede na topologia de árvore em uma mistura com segmentos com fio. Dois pontos de acesso Wi-Fi idênticos podem funcionar no modo ponte para conectar dois segmentos da rede (duas estrelas). Esta abordagem é útil quando é necessário conectar escritórios que estão a mais de 100 metros de distância e quando não é possível instalar um cabo entre os escritórios. O seguinte diagrama de topologia de rede em árvore explica este caso. Um switch está conectado a cada ponto de acesso Wi-Fi operando no modo ponte, dois outros pontos de acesso Wi-Fi estão conectados ao switch apropriado, e estações cliente estão conectadas a estes pontos de acesso (formando ramos da árvore que são redes da topologia de estrela).

Topologia de Rede em Malha

A mesh network topology is a configuration in which each station in the network is connected to the other stations. All devices are interconnected with each other. There are two types of mesh: a full mesh and a partial mesh. In a partially connected mesh, at least two stations of the network are connected to multiple other stations in the network. In a full mesh, each station is connected to all other stations. The number of connections for a full mesh is calculated with the formula Nc=N(N-1)/2 links, where N is the number of nodes in the network (for the full-duplex mode of communication). See the network topology diagram below.

A topologia de rede em malha fornece redundância para uma rede, mas pode ser custosa devido ao alto número de conexões e ao comprimento total do cabo utilizado. Se uma estação falhar, a rede pode continuar operando usando outros nós e conexões. Se os dados foram transferidos através do nó falho, a rota é alterada, e os dados são transmitidos através de outros nós.

Cada nó é um roteador que pode criar e modificar rotas dinamicamente para transferir dados da maneira mais racional (protocolos de roteamento dinâmico são usados neste caso). O número de saltos pode variar ao alterar a rota entre o dispositivo de origem e o de destino. As tabelas de roteamento consistem em identificador de destino, identificador de origem, métricas, tempo de vida e identificador de transmissão. O roteamento funciona na terceira camada do modelo OSI. Às vezes, técnicas de inundação são usadas em vez de roteamento. Esse tipo de topologia de rede pode ser usado para a transmissão de grandes quantidades de tráfego graças à redundância de conexão.

É difícil adicionar uma nova estação à rede porque você precisa conectá-la a várias outras estações. Adicionar ou remover nós não interrompe a operação de toda a rede. São necessários múltiplos cartões de rede por estação para estabelecer todas as conexões necessárias. Após adicionar uma nova estação, pode ser necessário instalar cartões de rede adicionais em outras estações que devem ser conectadas à nova estação. A topologia da rede em malha é escalonável, mas esse processo não é direto. A administração pode ser demorada. A topologia tolerante a falhas garante alta confiabilidade. Não há relacionamentos hierárquicos.

A topologia de rede em malha é um exemplo de conexão de vários sites na internet. Essa topologia de rede é amplamente utilizada para conexões de WAN (rede de área ampla), para redes de organizações críticas, como organizações militares, etc.

Conexão Wi-Fi

A topologia de rede em malha em redes Wi-Fi é usada para estender a cobertura de redes sem fio, chamadas de redes sem fio em malha. A arquitetura de malha de infraestrutura é a mais comum para esse tipo de topologia de rede. As tecnologias sem fio usadas para criar esse tipo de topologia de rede são Zigbee e Z-Wave, que são baseadas no protocolo IEEE 802.15.4, WirelessHART. IEEE 802.11, 802.15 e 802.16. Redes celulares também podem funcionar usando a topologia de rede em malha.

Topologia de Rede Híbrida

A topologia híbrida combina dois ou mais dos tipos de topologia de rede mencionados anteriormente. Uma combinação dos tipos de topologia de estrela e anel é um exemplo de topologia de rede híbrida. Às vezes, você pode precisar da flexibilidade de duas topologias em sua rede. A topologia híbrida geralmente é escalável e tem as vantagens de todas as topologias filhas. As desvantagens das topologias também são combinadas, tornando a instalação e a manutenção difíceis. A topologia híbrida adiciona mais complexidade à sua rede e pode exigir custos adicionais.

A topologia de estrela-anel é um dos exemplos do tipo híbrido de topologias de rede que você pode encontrar hoje em dia. Quando falamos da parte do anel, não estamos nos referindo a cabos coaxiais com conectores T e conectores BNC. Em uma rede moderna, um anel de fibra é usado para conectar nós a longas distâncias. Essa topologia de rede híbrida (anel + estrela) é usada para construir redes entre diferentes edifícios localizados distantes dentro de uma cidade ou em cidades diferentes. Usar a topologia de estrela quando a distância entre os nós é grande é difícil e causa superconsumo de cabo.

A vantagem do anel de fibra com múltiplas linhas é a ausência de um único ponto de falha. Links ópticos redundantes proporcionam alta disponibilidade e confiabilidade. Em caso de corrupção de um link óptico, canais de reserva são utilizados. Diferentes linhas de fibra entre nós do círculo podem ser rastreadas usando rotas geográficas diferentes.

Os switches/roteadores de fibra que são nós do anel estão conectados a switches/roteadores que são partes de segmentos de rede usando a topologia de rede estrela. Essa conexão tem vantagens para a construção de redes locais. Conversores de mídia de fibra são usados para conectar switches/roteadores compatíveis com cabos de fibra e conectores relacionados a switches/roteadores compatíveis com cabos de cobre crimpados com os conectores apropriados se um anel e uma estrela usam diferentes tipos de cabos e equipamentos de rede.

Tipos de Cabos

Os cabos são componentes importantes da topologia física da rede. A velocidade da rede e os custos totais de instalação da rede dependem da topologia da rede selecionada, dos cabos e de outros equipamentos de rede. Diferentes tipos de cabos foram mencionados no post do blog ao dar exemplos reais de uso de diferentes tipos de topologia de rede. Vamos analisar os cabos mais usados para diferentes tipos de topologia de rede explicados neste post do blog para uma melhor compreensão das topologias físicas.

Cabo coaxial

O cabo coaxial é composto por um fio de cobre central como o condutor interno. O condutor central pode ser de cobre sólido ou vários fios finos de cobre, dependendo dos modelos de cabo. Este condutor interno é cercado por uma camada isolante que protege o fio central. A camada isolante é cercada por uma fita de alumínio condutora e uma blindagem de cobre entrelaçada. A camada externa é de isolamento de polímero, que pode ser preto ou branco.

O RG-58 é uma versão popular de cabo coaxial e tem uma impedância de 50 Ohm. Este cabo também é conhecido como cabo Thinnet 10Base2. O RG no nome significa “guia de rádio”. Outros exemplos de cabo coaxial são RG-6, RG-8, RG-59. Atualmente, os cabos coaxiais são utilizados para conectar antenas Wi-Fi aos equipamentos de rede apropriados (tipos de cabos 5D-FB, 8D-FB, LMR-400).

Par trançado

Os cabos de par trançado são amplamente utilizados em redes devido à simplicidade de uso, alta largura de banda e preço acessível. Dois fios de cobre isolados separados (com cerca de 1mm de diâmetro) são torcidos juntos para formar um par. De um a quatro pares são usados em diferentes tipos e categorias de cabo. A razão para a torção é reduzir os sinais de ruído. Os pares trançados são cobertos com uma blindagem isolada externa que protege o cabo contra danos mecânicos. Existem três tipos principais de cabos de par trançado: UTP, FTP e STP.

O UTP (Par Trançado Não Blindado) é um cabo composto por fios e isoladores.

FTP (Foil screened Twisted Pair) ou F/UTP é um cabo em que todos os pares torcidos juntos são cobertos com uma blindagem metálica (folha de alumínio). Um fio único adicional com menos de 1 mm de diâmetro está incluído dentro do cabo. Como resultado, os cabos FTP suportam aterramento se os conectores apropriados forem usados. Os pares torcidos individuais não têm blindagem.

STP (Shielded Twisted Pair) contém uma blindagem metálica tecida ao redor dos pares torcidos. Cada par torcido é protegido com folha de alumínio. O cabo inteiro é rígido e é mais difícil de torcer (o cabo não é tão flexível quanto o FTP e o UTP). O cabo STP fornece melhor proteção contra ruído eletromagnético e danos mecânicos.

A categoria 5e ou superior é usada hoje em dia para instalar redes. Quanto maior for a categoria, maior será a taxa de transferência de dados (100MHz, 250 MHz, 500 MHz) e a velocidade de transferência de dados suportada. Você pode usar um cabo FTP ou STP da mesma categoria em vez de um cabo UTP. O UTP Cat.3 tem apenas dois pares torcidos. O UTP Cat.5 e superior têm 4 pares torcidos. A crimpagem do cabo é fácil e pode ser feita por qualquer pessoa que tenha uma ferramenta de crimpagem de cabo.

Cabo de fibra óptica

O cabo de fibra óptica oferece a menor latência e cobre a maior distância com um único segmento de cabo (sem repetidores). O cabo de fibra óptica é fino e consiste em duas camadas de vidro. A camada de vidro central é de vidro puro que é um guia de ondas para sinais de luz por uma longa distância. O revestimento é uma camada de vidro que rodeia o núcleo e tem um índice de refração mais baixo em comparação com o núcleo. A tecnologia é baseada no princípio de reflexão interna total.

Fibras monomodo (SMF) e fibras multimodo (MMF) são utilizadas. As fibras MMF têm um diâmetro maior e são usadas para propagar múltimos raios de luz (ou modos), mas são melhores para curtas distâncias. As fibras MMF geralmente têm uma cor azul. As fibras SMF são melhores para longas distâncias e são amarelas. Os conectores populares são SC, FC, LC e ST.

O preço dos cabos de fibra óptica é elevado. A soldagem de fibra óptica é difícil em comparação com a instalação de cabos de par trançado ou cabos coaxiais. O preço dos transceptores necessários para conectar um cabo óptico a um switch ou roteador adiciona despesas. As extremidades das fibras ópticas devem sempre estar limpas, pois até mesmo um pedaço de poeira pode causar problemas significativos.

Conclusão

Este post do blog abordou topologias de rede, incluindo topologias físicas, topologias lógicas e exemplos de seu uso na vida real. Se você precisa construir uma rede local, use a topologia estrela, que é a topologia de rede mais comum hoje, ou a topologia de árvore, que é uma modificação altamente escalável da topologia estrela. As topologias de anel e malha são principalmente utilizadas por provedores de serviços de Internet, provedores de serviços gerenciados, em data centers. Essas são mais difíceis de configurar. A variedade de tipos de topologia de rede, equipamentos de rede, padrões e protocolos permitem que você instale uma rede de qualquer configuração em seu ambiente, dependendo de suas necessidades.

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