O que é rede de computadores?

Antes de nos aprofundarmos em tópicos de rede mais complexos, é importante entender os componentes fundamentais de rede, incluindo:

• Endereço IP: um endereço IP é o número exclusivo atribuído a cada dispositivo de rede em uma rede de Internet Protocol (IP); cada endereço IP identifica a rede de host do dispositivo e sua localização na rede. Quando um dispositivo envia dados para outro, os dados incluem um "cabeçalho" que contém os endereços IP de ambos os dispositivos, o de envio e o de recebimento.

• Nós: Um nó é um ponto de conexão de rede que pode receber, enviar, criar ou armazenar dados. É essencialmente qualquer dispositivo de rede - computadores, impressoras, modems, pontes ou switches - que pode reconhecer, processar e transmitir informações para outro nó de rede. Cada nó requer alguma forma de identificação (como um endereço IP ou MAC) para receber acesso à rede.

• Roteadores: Um roteador é um dispositivo físico ou virtual que envia “pacotes” de dados entre redes. Os roteadores analisam os dados dentro dos pacotes para determinar o melhor caminho de transmissão e usam algoritmos de roteamento sofisticados para encaminhar pacotes de dados até que eles cheguem ao nó de destino.
  

• Switches: Um switch é um dispositivo que conecta dispositivos de rede e gerencia a comunicação nó a nó em uma rede, garantindo que os pacotes de dados cheguem ao destino pretendido. Ao contrário dos roteadores, que enviam informações entre redes, os switches enviam informações entre os nós de uma rede.

  Portanto, "comutação" se refere a como os dados são transferidos entre dispositivos em uma rede. As redes dependem de três tipos principais de comutação:

  • A comutação de circuitos estabelece um caminho de comunicação de dados dedicado entre os nós em uma rede, de modo que nenhum outro tráfego possa percorrer o mesmo caminho. A comutação de circuitos garante que a largura de banda total esteja disponível durante cada transmissão.

     

  • A comutação de mensagens envia mensagens inteiras do nó de origem para o nó de destino, com a mensagem viajando de comutador para comutador até alcançar o destino.

     

  • Comutação de pacotes envolve a fragmentação dos dados em componentes independentes para tornar a transmissão de dados menos exigente em relação aos recursos da rede. Com o encaminhamento de pacotes, os pacotes—e não as streams de dados completas—viajam pela rede até seu destino final.

     

• Portas: uma porta indica uma conexão específica entre dispositivos de rede, com cada porta identificada por um número. Se um endereço IP for análogo ao endereço de um hotel, as portas serão as suítes e os números dos quartos. Os computadores usam números de porta para determinar qual aplicação, serviço ou processo deve receber quais mensagens.

• Gateways: os gateways são dispositivos de hardware que facilitam a comunicação entre duas redes diferentes. Roteadores, firewalls e outros dispositivos de gateway utilizam transformadores de taxa, tradutores de protocolos e outras tecnologias para possibilitar a comunicação entre redes entre dispositivos incompatíveis.
  

A arquitetura de rede de computadores estabelece o framework teórico de uma rede de computadores, incluindo princípios de design e protocolos de comunicação.

Tipos principais de arquiteturas de rede

• Arquiteturas ponto a ponto (P2P): em uma arquitetura P2P, dois ou mais computadores são conectados como “pares”, o que significa que eles têm poder e privilégios iguais na rede. Uma rede P2P não requer um servidor central para coordenação. Em vez disso, cada computador na rede atua como um cliente (um computador que precisa acessar um serviço) e um servidor (um computador que fornece serviços aos clientes). Cada peer na rede disponibiliza alguns de seus recursos para outros dispositivos de rede, compartilhando armazenamento, memória, largura de banda e poder de processamento em toda a rede.

• Arquiteturas cliente-servidor: Em uma rede cliente-servidor, um servidor central (ou grupo de servidores) gerencia recursos e fornece serviços a dispositivos clientes na rede; nessa arquitetura, os clientes não compartilham seus recursos e só interagem por meio do servidor. As arquiteturas cliente-servidor são frequentemente chamadas de arquiteturas em camadas devido às suas múltiplas camadas.

• Arquiteturas híbridas: Arquiteturas híbridas incorporam elementos dos modelos P2P e cliente-servidor.

Enquanto a arquitetura representa a framework teórica de uma rede, a topologia é a implementação prática da framework arquitetônica. A topologia de rede descreve a disposição física e lógica dos nós e links em uma rede, incluindo todo o hardware (roteadores, switches, cabos), software (aplicações e sistemas operacionais) e meios de transmissão (conexões com ou sem fio).

As topologias de rede comuns incluem barramento, anel, estrela e engrenagem.

Em uma topologia de rede de barramento, cada nó de rede está diretamente conectado a um cabo principal. Em uma topologia de anel, os nós estão conectados em um loop, então cada dispositivo tem exatamente dois vizinhos. Pares adjacentes são conectados diretamente e pares não adjacentes são conectados indiretamente por meio de nós intermediários. As topologias de rede em estrela apresentam um único hub central, através do qual todos os nós estão indiretamente conectados.

Topologias de malha são um pouco mais complexas, definidas por conexões sobrepostas entre nós. Existem dois tipos de redes mesh: malha completa e malha parcial. Em uma topologia de malha completa, cada nó de rede se conecta a todos os outros nós de rede, proporcionando o mais alto nível de resiliência de rede. Em uma topologia de malha parcial, apenas alguns nós de rede se conectam, normalmente aqueles que trocam dados com mais frequência.

As topologias de engrenagem completas podem ser caras e demoradas de serem executadas, por isso elas são geralmente reservadas para redes que exigem alta redundância. A engrenagem parcial, por outro lado, oferece menos redundância, mas é mais econômica e mais simples de ser executada.

Independentemente do subtipo, as redes de engrenagem têm recursos de autoconfiguração e auto-organização; eles automatizam o processo de roteamento, para que a rede sempre encontre o caminho de dados mais rápido e confiável.

Seja o internet protocol (IP), Ethernet, LAN sem fio (WLAN) ou padrões de comunicação celular, todas as redes de computadores seguem protocolos de comunicação - conjuntos de regras que cada nó da rede deve seguir para compartilhar e receber dados. Os protocolos também dependem de gateways para permitir que dispositivos incompatíveis se comuniquem (um computador Windows tentando acessar servidores Linux, por exemplo)

Muitas redes modernas são executadas em modelos TCP/IP, que incluem quatro camadas de rede.

• Camada de acesso à rede. Também chamada de camada de link de dados ou camada física, a camada de acesso à rede de uma rede TCP/IP inclui a infraestrutura de rede (componentes de hardware e software) necessárias para a interface com o meio de rede. Ela lida com a transmissão física de dados — usando Ethernet e protocolos como o protocolo de resolução de endereços (ARP) — entre dispositivos na mesma rede.

• Camada de Internet. A camada de Internet é responsável pelo endereçamento lógico, roteamento e encaminhamento de pacotes. Ele depende principalmente do protocolo IP e do Internet Control Message Protocol (ICMP), que gerencia o endereçamento e o roteamento de pacotes em diferentes redes.

• Camada de transporte. A camada de transporte TCP/IP permite a transferência de dados entre as camadas superior e inferior da rede. Utilizando protocolos TCP e UDP, também fornece mecanismos para verificação de erros e controle de fluxo.
  
  O TCP é um protocolo baseado em conexão geralmente mais lento, porém mais confiável do que o UDP. O UDP é um protocolo sem conexão mais rápido que o TCP, mas não oferece transferência garantida. Os protocolos UDP facilitam a transmissão de pacotes para aplicativos urgentes (como streaming de vídeo e plataformas de jogos) e pesquisas DNS.

• Camada de aplicativo. A camada de aplicação do TCP/IP utiliza HTTP, FTP, Post Office Protocol 3 (POP3), SMTP, sistema de nomes de domínio (DNS) e SSH para fornecer serviços de rede diretamente às aplicações. Ele também gerencia todos os protocolos que suportam aplicações de usuário. 

Embora o TCP/IP seja mais diretamente aplicável à rede, o modelo OSI (Open Systems Interconnection, Interconexão de Sistemas Abertos), às vezeschamado de modelo de referência OSI, também teve um impacto significativo na rede de computadores e na ciência da computação, de modo geral.

O OSI é um modelo conceitual que divide a comunicação em rede em sete camadas abstratas (em vez de quatro), fornecendo uma base teórica que ajuda engenheiros e desenvolvedores a entender as complexidades da comunicação em rede. O principal valor do modelo OSI está em sua utilidade educacional e em seu papel como estrutura conceitual para projetar novos protocolos, garantindo que eles possam interoperar com sistemas e tecnologias existentes.

No entanto, o foco prático e a aplicabilidade do modelo TCP/IP no mundo real tornaram-no a espinha dorsal das redes modernas. Seu design robusto e escalável e sua abordagem de camada horizontal impulsionaram o crescimento explosivo da internet, acomodando bilhões de dispositivos e grandes quantidades de tráfego de dados.

Usando o e-mail como exemplo, vamos ver um exemplo de como os dados são migrados através de uma rede.

Se um usuário quiser enviar um e-mail, ele primeiro escreve o e-mail e depois pressiona o botão "enviar".  Quando o usuário pressiona “enviar”, um protocolo SMTP ou POP3 usa o wi-fi do remetente para direcionar a mensagem do nó do remetente e por meio dos comutadores de rede, onde ela é comprimida e dividida em segmentos cada vez menores (e, por fim, em bits ou strings de 1s e 0s).

Os gateways de rede direcionam o fluxo de bits para a rede do destinatário, convertendo dados e protocolos de comunicação conforme necessário. Quando o fluxo de bits chega ao computador do destinatário, os mesmos protocolos direcionam os dados de e-mail por meio dos comutadores de rede na rede do destinatário. No processo, a rede reconstitui a mensagem original até que o e-mail chegue, em formato legível para humanos, na caixa de entrada do destinatário (o nó receptor).