Tipos de Redes

Comparação Entre Tecnologias

No cenário atual, as redes com fio são opções mais seguras, velozes e, muitas vezes, mais baratas se comparadas às redes sem fio, fato que pode mudar no futuro, com o desenvolvimento de novas tecnologias para redes sem fios.

A grande vantagem das redes sem novos fios e das redes sem fios no ambiente domiciliar se comparadas às redes com fio é que não é necessário uma nova estrutura de cabeamento e, com isso, pode-se obter uma redução dos custos, já que não é necessário, por exemplo, fazer obras para passar os fios e comprar cabos para fazer a conexão dos dispositivos.

Redes sem fio

Rede sem fio é um meio de transmissão que pode reduzir custos por não precisar de cabeamento, além de oferecer certa comodidade devido à maior mobilidade. Esse meio trabalha com velocidade média-alta, porém é sujeita a interferências e é menos seguro em relação à intrusos.

• Bluetooth

Bluetooth é uma rede de curta distância usada para interligar celulares, palmtops e outros dispositivos de uso pessoal. Permite conectar aparelhos próximos substituindo o uso de cabos.

A principal vantagem do Bluetooth é o baixo consumo elétrico, além do uso de chips mais simples que o torna na maioria das vezes mais barato do que equipamentos Wi-Fi.

Porém, o alcance do Bluetooth é pequeno e a velocidade de transmissão é baixa, o que não é um grande problema para aplicações simples que não exijam tráfego pesado de dados. Além do mais, o sinal do Bluetooth é muito fraco, logo, é atenuado facilmente por obstáculos. Não é um sistema muito seguro, mas como o alcance do sinal é pequeno, acaba sendo menos propenso a ataques.

Quando uma comunicação Bluetooth é estabelecida, ela é chamada de piconet. O dispositivo que iniciou a comunicação assume o papel de dispositivo central (master), enquanto os demais se tornam dispositivos subordinados (slave), podendo suportar até 7 dispositivos subordinados ativos.

• IEEE 802.11

Também chamada de Wi-Fi, atualmente é a mais difundida e utilizada forma de conexão wireless em redes locais. É também utilizada na automação residencial. Dentre suas vantagens, uma muito importante é o sucesso da mesma no mercado (hoje em dia grande parte dos computadores portáteis saem da fábrica com Wi-Fi), tornando a conexão entre os dispositivos mais fácil, já que na maioria das vezes não é necessário adquirir equipamentos extras.

Utilizando o protocolo de controle de acesso ao meio (protocolo Mac) DFWMAC (Distributed Foundation Wireless Medium Access Control) essa forma de conexão permite uma velocidade de transmissão de média para alta, apesar do custo relativamente elevado, mas que vem caindo cada vez mais no decorrer dos anos.

DFWMAC suporta dois métodos de acesso: Função de Coordenação Distribuída (DCF) ou Função de Coordenação Pontual (PCF).

DCF trabalha baseado no esquema CSMA/CA, evitando colisões, para isso ele monitora o meio, se estiver livre a estação transmite o pacote.

PCF é uma função opcional que é construída sobre DCF para transmissões de quadros assíncronos. Utiliza o conceito de super-quadro para que o PCF assuma o controle da transmissão, de modo a evitar colisões. Inicialmente, controlado pela PCF, o acesso é ordenado e, evitando a ocorrência de colisões. Logo após, controlado pela DCF, o acesso baseia-se na disputa pela posse do meio, podendo ocorrer colisões.

• HomeRF

O HomeRF (Home Radio Frequency) é um padrão de redes sem fio que trabalha com frequência de rádio, que utiliza a técnica de acesso múltiplo por salto em frequência (FHSS). A transmissão é realizada usando a banda de 2.4 GHz, que não é uma banda licenciada, por isso outros aparelhos podem utilizam essa mesma banda, o que pode gerar interferência. Para amenizar esse problema o HomeRF utiliza técnicas de salto de frequência (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS), utilizando uma banda muito maior do que a necessária e dividindo-a em vários canais e, assim, o receptor e transmissor saltam por esses canais de forma pseudo-aleatória.

Utiliza um protocolo chamado Shared Wireless Access Protocol (SWAP), em que as interfaces de rede se comunicam diretamente sem necessidade de um ponto de acesso, diminuindo o custo total da rede, porém, comprometendo o alcance do sinal. SWAP suporta acesso por TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo) para transferência de dados e CSMA/CA para transferência de alta velocidade de pacotes.

Se tratando de segurança, o HomeRF utiliza chave de criptografia de 128 bits para manter o sigilo das informações. Utiliza também identificador de rede (NWID) de 24 bits para evitar possíveis intrusos.

Redes com fio

Os dados são transmitidos através de cabos.

• Ethernet

 É provavelmten a forma mais utilizada para conectar os computadores e equipamentos em uma rede.

Existem basicamente 3 tipos de cabos de rede: Par trançado, fibra óptica e coaxial.

Os cabos de par trançado criam uma barreira eletromagnética (devido às tranças), protegendo a transmissão de interferência externa; é o tipo de cabeamento mais comum.

Cabos coaxiais estão sendo cada vez menos usados, por serem menos flexíveis, mais propensos a mal contato e porque só podem ser usados em redes de 10 megabits. Nos cabos coaxiais, o condutor central é protegido de interferências externas por uma malha metálica.

Cabos de fibra óptica são usados principalmente em comunicações de longa distância. Como esses cabos são muito finos, pode-se incluir vários deles em um cabo de pouca expessura, o que é uma vantagem, sem contar que a capacidade de transmissão de cada fio é alta, além de não sofrerem com a interferência eletromagnética já que transmitem luz e não sinais elétricos. Porém, os cabos de fibra óptica são muito caros devido ao complicado processo de fabricação. Por isso, são mais utilizados em comunicações de longa distância, pois o sinal se degrada menos com a distância e, com isso, são necessários menos repetidores de sinal.

Redes sem novos fios

Outra maneira de transmitir dados é utilizando o cabeamento existente na residência. Já estão disponíveis tecnologias que permitem utilizar os cabos telefônicos (HomePNA) ou da rede elétrica (PLC), que normalmente já estão instalados em qualquer casa, para enviar e receber dados. Com isso, é possível reduzir os custos, já que com a utilização do cabeamento existente, não é necessário fazer obras para passar novos fios ou comprar equipamentos para instalar uma rede sem fios, que pode causar interferência em outros equipamentos próximos.

• PLC

A tecnologia PLC (powerline comunication) utiliza o cabeamento da rede elétrica para transmitir dados, "injetando" sinais de radio frequência na rede de energia elétrica. Para haver distinção dos sinais, a faixa de frequência usada na comunicação é bem diferente da utilizada na rede elétrica, sendo vantajosa por utilizar o cabeamento da rede elétrica, dispensando a instalação de novos cabos. Porém, como os fios de energia não foram feitos para transmitir dados, são necessários filtros para evitar interferência de outros dispositivos de comunicação que utilizam a mesma frequência de sinal.

• Homeplug

O HomePlug é uma tecnologia que permite utilizar a própria fiação elétrica da casa para transmissão de dados. Apesar de cabos elétricos não serem um meio adequado para isso, o HomePlug consegue atingir uma velocidade relativamente alta de transmissão (até 20 megabits). Não há um limite de dispositivos que podem ser adicionados à rede, mas como a rede é compartilhada, o desempenho cai conforme aumenta o número de dispositivos conectados, o que pode ser um problema para conjuntos residenciais e prédios, já que o sinal se propaga por toda a rede elétrica até o transformador, que normalmente é compartilhado entre todos. Assim, se muitas pessoas usarem a rede ao mesmo tempo, a qualidade do serviço irá diminuir. Para garantir a privacidade dos usuários, o padrão utiliza o algoritmo de encriptação DES.

• X10

O X-10 foi desenvolvido entre 1976 e 1978 com o objetivo de transmitir dados em linhas elétricas de baixa tensão, baixa velocidade e muito baixo custo. É o protocolo mais antigo usados nas aplicações domóticas. Permite um controle remoto das aplicações elétricas. Usado em pequenos edifícios sobre a rede elétrica, "os módulos ligam-se às tomadas já existentes e enviam sinais pela rede elétrica, com um protocolo de comunicações próprio (X10)."

Figura 6: Dispositivos X-10. Fonte: http://www.smarthome.com/images/x10dgm.gif

A transmissão dos dados (bits) através da rede elétrica é feita a cada passagem por zero de uma fase da mesma. O X-10 especifica um total de 256 endereços diferentes. Não há restrições para o uso de múltiplos transmissores, pois eles podem ser ajustados para códigos diferentes, na mesma fiação.

Cada bit "1" numa transmissão X-10 é um burst de 120KHz e cada bit "0" é a ausência deste burst. No protocolo X-10 cada bit é enviado com seu valor verdadeiro e complementado, e cada sequência de código é enviada duas vezes, assim garantindo segurança na transmissão. Todos os comandos devem iniciar com o header 1110. Seguido de 4 bits referentes ao Código da Casa (House Code), que sendo enviados junto com seus respectivos complementos, são na verdade 8 bits. E mais 5 bits (que leva 10 bits devido ao envio do valor verdadeiro e do complementar) referentes ao código da função. E por fim há uma pausa para a maioria das funções (algumas não exigem essa pausa).

Figura 7: Transmissão X-10. Fonte: http://albt.tripod.com/x10_ex.jpg

Figura 8: Códigos de comandos. Fonte: http://albt.tripod.com/x10_comm_codes.jpg

Devido ao longo tempo de mercado e à tecnologia implementada, os produtos X-10 têm um preço mais competitivo, sendo líderes no mercado Norte-Americano, além dos equipamentos normalmente serem de fácil instalação, podendo ser realizadas até mesmo pelos próprios usuários.

Existem, porém, problemas relacionados à essa tecnologia como, por exemplo, em casas grandes em que o X-10 tem problemas para cobrir toda essa área, o que pode ser resolvido com amplificadores de sinais. Alguns aparelhos possuem filtros de alta frequência, o que acabaria filtrando algumas funções. Não possui outros meios físicos, tais como par-trançado, cabo coaxial, infra-vermelho ou fibra óptica. A maioria dos dispositivos X-10 só se comunicam em um sentido, não sendo possível saber se algumas funções enviadas foram recebidas pelo(s) devido(s) dispositivo(s).

• HomePNA

Utiliza o cabeamento da rede telefônica para transmitir dados. Possui duas versões: a 1.0 que transmite dados a 1mbps (já obsoleta) e a 2.0 que transmite dados a 10mbps (mais utilizada atualmente). Por ter frequências diferentes, os sinais não interferem com as ligações de voz. Só é viável caso já tenha extensões telefônicas próximas aos computadores, caso contrário, a Ethernet, por ser mais barata e mais rápida, é mais vantajosa. Permite uma distância máxima de 330 metros, podendo conectar 50 computadores (se necessário, podem ser conectados mais computadores, porém, quanto maior, maior o número de colisões de pacotes e pior o desempenho). Os equipamentos são relativamente baratos, o que devem garantir sua sobrevivência por um tempo. Possui uma arquitetura ponto-a-ponto. Baseia-se no método CSMA/CD para acesso ao meio.

Redes mistas

Utiliza diferentes meios de transmissão na comunicação, como fibra ótica, ondas de radio (rádio-frequência), par trançado, entre outros.

A seguir alguns exemplos dentre os padrões mais conhecidos:

• LONWorks

Os dispositivos LONWorks usam um controlador (Neuron Chip) que atribui um ID único a cada dispositivo dentro da rede do LONWorks. A comunicação é feita independentemente do meio físico e pode ser implementada em diferentes meios (cabos de par entrançado, fibra ótica, cabo coaxial, entre outros). O controle dos dados é feito através do protocolo LonTalk, que faz o endereçamento e o transporte da informação ponto-a-ponto.

Figura 9: LONWorks. Fonte: http://www.nttdata.co.jp/en/media/2002/img/011500_01.gif

• EIB (European Installation Bus)

Este protocolo foi desenvolvido pela European Instalation Bus Association e surgiu no mercado como a solução para integração de vários sistemas.

Figura 10: Aplicações EIB. Fonte: http://www.gylling.no/elmek_pdf/Gruppe45/Hva-er-EIB_-Grunnleggende-i.jpg

Utiliza dois pares de cabos paralelos. Um é utilizado como cabo de alimentação e o outro unicamente como cabo de comunicação, que é chamado de BL (Bus Line ou linha de barramento). Pode-se conectar até 64 dispositivos em uma BL. Com a utilização de LC (Line Couplers ou Acopladores de Linha) é possível utilizar até 12 BL. Este conjunto de dispositivos é chamado de BA (Bus Area ou Área de Barramento). Para se expandir o sistema ainda mais, pode-se interligar os BA utilizando dispositivos chamados BC (Backbone Couplers ou Acopladores de Backbone), com um limite máximo de 15 áreas.

Os LC e BC isolam eletricamente as diferentes linhas e áreas e ajudam a melhorar a eficiência da comunicação de dados, pois funcionam como filtros que não permitem a passagem de mensagens que não se destine àquela linha ou área específica.

A topologia pode ser barramento, estrela ou árvore. Não são permitidas ligações em anel, pois não podem se formar malhas fechadas.

Baseia-se no protocolo de transmissão de dados com detecção de erros CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance).

O EIB possui uma arquitetura descentralizada. Ele define uma relação ponto-a-ponto entre os dispositivos, permitindo a distribuição da inteligência entre os sensores e atuadores instalados.

Um dispositivo EIB é composto por um BCU ( Bus Coupling Unit ou unidade de acoplamento ao barramento), e por um AM (Application Module, ou  Módulo de Aplicação).

O BCU é responsável pela interface com a rede e pode armazenar informações como o endereço físico, um ou mais endereços de grupo e parâmetros do nó. O AM é responsável pela interface com o usuário ou dispositivo.

O protocolo EIB tem a seguinte formato:

Figura 11: Pacote EIB.

O campo Controle tem o objetivo de atribuir prioridades de transmissão em função dos dados.

O campo Endereço de Origem contém o endereço físico do dispositivo. Ele possui  4 bits para definir a área em que se encontra o dispositivo, 4 bits para definir a linha e os últimos 8 bits para definir o próprio dispositivo.

O campo Endereço de Destino tem um bit a mais que o endereço de origem para permitir que seja endereçado um grupo de dispositivos, sendo o 17º bit utilizado para indicar se o endereço representado pelos outros bitssão de um endereço físico ou de um grupo.

O campo Contador é utilizado para permitir a detecção do número de retransmissões que o pacote já efetuou.

O campo Comprimento identifica o número de bytes que o campo de informação útil contém.

O campo Confirmação é usada como mecanismo de detecção de erros na transmissão dos dados. Este campo é utilizado no dispositivo de recepção para validar a mensagem recebida e enviar ao emissor um aviso de confirmação de recebimento correto. Ele também controla o mecanismo de IACK (Immediate Acknowledge ou Confirmação Imediata).

Os erros de transmissão podem ocorrer em qualquer direção.

Se o pacote de dados não chega, o receptor transmite um sinal INAK (Immediate Not Acknowledge) e o emissor retransmite o pacote de dados.

Se a confirmação não é recebida, o emissor retransmite o pacote de dados, sendo função do receptor detectar se existe uma duplicação do pacote. O receptor deve enviar uma mensagem de confirmação quando recebe a nova mensagem.

O EIB define quatro níveis de prioridade:

• Prioridade 1 - elevada prioridade, reservada para funções de sistema.
• Prioridade 2 - reservada para funções de alarme e retransmissões.
• Prioridade 3 - prioridade operacional alta.
• Prioridade 4 - prioridade operacional baixa.

© Copyright 2009 Julio Moreira