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Redes de Computadores
IntroduçãoIntrodução
Reinaldo [email protected]
EvoluçãoConceitos
Topologias
Evolução na comunicaçãoComunicação sempre foi uma necessidade humana, buscando aproximar comunidades distantes
Sinais de fumaçaPombo-correioTelégrafo (século XIX) - Código MorseRedes TelefônicasRedes de Distribuição: TV, Rádio, TV a cabo
Evolução no processamentoIniciada durante a década de 50, com o surgimento dos primeiros sistemas de computadores
Baseados em grandes equipamentos para processamento e armazenamento de informações
Evolução no processamentoProcessamento batch (1950)Terminais interativos (1960) - sistemas operacionais de tempo compartilhado.Problemas:
C fi bilid dConfiabilidadeConfiguração do sistema não agradava ao usuárioDependência de um gerenciamento centralizado
Evolução no processamentoTecnologia digital e micro eletrônica
Mini e micro computadores pessoais com preço reduzido (1970)
• descentralização• individualização• individualização
Evolução no processamentoRedes Locais
compartilhamento de recursosdistribuição e paralelismocorreio eletrônicotransferência de arquivostransferência de arquivos
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Evolução da Informática Evolução da Informática ççnas Empresasnas Empresas
Centro de Processamento
de Dados
Departamento Pessoal Departamento Financeiro
Processamento Batch
Diretoria
Sala deReuniões
Departamento Comercial
Centro de Processamento
de Dados
Departamento Pessoal Departamento Financeiro
S l d
Processamento On-Line
Diretoria
Sala deReuniões
Departamento Comercial
Centro de Processamento
de Dados
Departamento Pessoal Departamento Financeiro
S l d
Computadores Pessoais
Diretoria
Sala deReuniões
Departamento Comercial
Centro de Processamento
de Dados
Departamento PessoalDepartamento Financeiro
S l d
Redes Locais de Computadores
Diretoria
Sala deReuniões
Departamento Comercial
Sala de Distribuição
Centro de Processamento
de Dados
Departamento Pessoal Departamento Financeiro
Integração Total
Diretoria
Departamento Comercial
Sala de Reuniões
Diretoria
Departamento Comercial
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Funções das RedesCompartilhar dispositivos periféricos ($$$)
ImpressorasCD-ROM/CD-RWScannersF / dFax/modemsUnidades de fita
Interagir com outros usuários na redeGerenciar agendas de grupoEnviar e receber correio eletrônicoViabilizar reuniões eletrônicas
Funções das RedesSegurança
Permitir que a duplicação de informações seja feita facilmente entre dois computadoresHoje em dia já é mais um problema que uma vantagem
Disponibilidade de serviçosPermite que um serviço importante continue funcionando em outra máquina quando a principal falha, e.g. sistemas bancários redundantes, sistemas de usinas nucleares, etc.
Diversão e disseminação de informaçõesJogos em redeAcesso a notícias e bases de informações públicas e privadas
ShoppingShoppingEletrônicoEletrônico
TeleTele--conferênciaconferência
Aplicações possíveis
Video sob Video sob demandademanda
Home BankingHome BankingDistribuição via Distribuição via Redes de GPSRedes de GPS
Integração Eletrônica Integração Eletrônica de Documentosde Documentos
Outras...Outras...
DefiniçõesO que é uma rede de computadores?“Conjunto de módulos processadores capazes de trocar
informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação.”
“O sistema de comunicação vai se constituir de um arranjo topológico interligando os vários módulos processadores através de enlaces físicos (meios de transmissão) e de um conjunto de regras com o fim de organizar a comunicação (protocolos)”
[Soares, 1995]
Definições
Sistema deEstação Estação
Sistema deComunicação
EstaçãoEstação
DefiniçãoRedes de Computadores:
Conjunto de computadores autônomos interconectados
Sistemas Distribuídos:Conjunto de computadores autônomos interconectados que aparecem para o usuário como um único computador
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Hardware de redesTipos de interconexões:
Ponto-a-ponto:
Difusão (broadcast):
Tecnologia de transmissãoRedes de difusão
Um canal é compartilhado por todosPermitem multi-difusão (multicasting)Redes de pequenas dimensões
Redes ponto a pontoAs mensagens trafegam por nós intermediáriosRedes de grandes dimensões
Escala
Rede pessoal (PAN): 1mRede local (LAN): 10m (sala), 100m (edifício), 1km (campus)Rede metropolitana (MAN): 10km (cidade)Rede metropolitana (MAN): 10km (cidade)Rede geograficamente distribuída (WAN): 100km (país), 1.000km (continente)A Internet: 10.000km (planeta)
Rede pessoal (PAN)Personal Area Network
Dispositivos ao redor do usuário trabalhando juntos e compartilhando informações e serviçosUtiliza tecnologia sem fio
Redes Locais (LANs)Características principais:
Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Baixas taxas de erros (alta confiabilidade)Dimensões restritasPropriedade privadaEm geral utilizam a interligação em broadcastBaixo custo
Redes Metropolitanas (MANs)Características principais:
Altas taxas de transferência de dados (10/100Mbps)Baixas taxas de errosDimensões maiores que uma LANRedes públicas ou de pesquisaNão possuem elementos internos de comutaçãoAlto custo
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Redes de Longo Alcance (WANs)Características principais:
Baixas taxas de transferência de dados (10Mbps)Baixa confiabilidadeRedes públicasAlto custo (enlaces físicos)Em geral utilizam ligação ponto-a-pontoA sub-rede de comunicação possui elementos comutadores de pacotes
Exemplo:Rede Serpro, ARPANet (extinta), Internet/BR
Redes de Longo Alcance (WANs)Internet/BR (em 2007)
Redes de Longo Alcance (WANs)Exemplos de WAN:
Sub-rede
Roteador
Redes de Longo Alcance (WANs)Exemplos de WAN:
Sub-rede
LAN da UFAL
LAN do CEFET-AL
Linha Privada da TelemarPaga pelo UFAL
Roteador
Conceitos fundamentaisElementos físicos de uma rede
Estações ou sistemas finais (hosts)Sub-sistemas de comunicação (roteadores)Linhas ou enlaces de comunicação (links)( )
Elementos lógicosRegras de comunicação (protocolos)Serviços oferecidos pela rede
Sistemas finais (hosts)
ISP
ISPCompanhia
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Sistemas finais (hosts)Exemplos de sistemas finais
Computadores pessoais de usuários conectados via ISPs por acesso discado ou outro meio (cable TV)C d li d d l l d Computadores ligados a uma rede local de uma empresa ou campusLaptop conectado via telefone celularPDAs (palmtops) Câmera digitalMáquina de lavar roupas
Sistemas finais (hosts)Exemplos de sistemas finais
Servidores de aplicações de empresas e instituições
• Servidores Web (quem devolve a página para você)• Servidores de email (quem encaminha seus emails)(q )• Servidores de FTP (quem controla quem pode pegar um
arquivo num download)
Os sistemas finais formam a borda ou fronteira da uma rede
Dividem-se em clientes e servidores
Sistemas finais (hosts)Clientes
São PCs domésticos, PDAs e equipamentos eletrônicos em geralProcuram ter uma interface (hardware ou
ft ) i á l i t iti fá il d software) amigável, intuitiva e fácil de usarPodem possuir recursos multimídiaSão ferramentas do dia-a-dia das pessoas
Sistemas finais (hosts)Servidores
São computadores com uma capacidade de processamento e armazenamento muito maior que as dos clientesSão utilizados pelos prestadores de serviços São utilizados pelos prestadores de serviços (ISPs, empresas de processamento de dados, bancos, instituições de ensino, governo, etc.)Em geral funcionam 24h por dia, 7 dias por semana e 12 meses por anoPossuem acesso restrito
Sistemas finais (hosts)Modelo cliente/servidor:
www.cefet-al.br ?
ClienteHardware/SO: PC/Windows
Software: Mozila Firefox
ServidorHardware/SO: Sun/SolarisSoftware: Apache Server
[arquivo da página do CEFET-AL]
Sistemas finais (hosts)
Modelo Peer-to-PeerCada estação é, ao mesmo tempo, cliente e servidorExemplo de aplicações: KaZaa, Napster (finado)
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Elementos internos (roteadores)
ISP
ISPCompanhia
Elementos internos (roteadores)Decidem pela melhor rota ou caminho a ser tomado por uma mensagem em trânsitoO destinatário pode estar diretamente conectado ao roteador ou nãoCada roteador possui portas onde se conectam os enlaces ou linhas de comunicação
Quanto mais portas mais complicado/demorado é para um roteador decidir para onde encaminhar a mensagem em trânsito
Elementos internos (roteadores)Como são os roteadores fisicamente?
Computador PC rodando um software específico que faz o roteamento
• As portas num PC são as placas de rede que devem ser adicionadas ao seu barramentoadicionadas ao seu barramento
Hardware específico (computador dedicado)• O fabricante indica quantas portas o roteador possui e a
velocidade de cada uma delas• Empresas fabricantes de roteadores: Cisco, Cyclades,
IBM, 3Com, Digitel
Elementos internos (roteadores)Exemplos de roteadores
Roteador CISCO
Elementos internos (roteadores)Exemplos de roteadores
Roteador CISCO
Elementos internos (roteadores)Exemplos de roteadores
Roteador Cyclades
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Enlaces de comunicação (links)
ISP
ISPCompanhia
Enlaces de comunicação (links)Propagam as mensagens entre duas ou mais estações
Os enlaces são formados por meios físicos de transmissão de sinais ópticos ou eletro-magnéticos
Ar (rádio freqüência, canais de satélite, etc.)Fios metálicos (cobre, etc.)Fibra ótica
Cada meio tem vantagens e limitações (+depois)
Enlaces de comunicação (links)
Exemplos:
Redes de acessoResidencial:
Modem discado: até 56KbpsADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): banda larga: até 8Mbps downlinkHFC (Hybrid Fiber Coaxial): TV a cabo; acesso compartilhado das casas de um condomínio ou um bairro
Modem discadoAté 56 kbps com acesso direto ao roteador (menos em tese)Não é possível navegar e telefonar ao mesmo tempo: não pode estar “sempre on-line”
ADSL: asymmetric digital subscriber line
Acesso residencial: redes ponto-a-ponto
y gAté 1 Mbps de upstream (hoje tipicamente < 256 kbps)Até 8 Mbps de downstream (hoje tipicamente < 1 Mbps)OFDM: 50 kHz – 1 MHz para downstream
• 4 kHz–50 kHz para upstream• 0 kHz–4 kHz para telefonia comum
HFC: híbrido fibra e coaxialAssimétrico: até 30 Mbps upstream, 2 Mbps downstream
R d d b fib li idê i t d
Acesso residencial: cable modems
Rede de cabo e fibra liga residências ao roteador do ISP
Acesso compartilhado das casas de um condomínio ou de um bairro
Deployment: disponível via companhias de TV a cabo
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Tipicamente 500 a 5.000 casas
Arquiteturas de redes a cabo: visão geral
casa
ponto final do cabo
rede de distribuiçãode cabo (simplificada)
Arquiteturas de redes a cabo: visão geral
casa
ponto final do cabo
rede de distribuiçãode cabo (simplificada)
servidor(es)
Arquiteturas de redes a cabo: visão geral
casa
ponto final do cabo
rede de distribuiçãode cabo (simplificada)
canais
VIDEO
VIDEO
VIDEO
VIDEO
VIDEO
VIDEO
DATA
DATA
CONTROL
1 2 3 4 5 6 7 8 9
FDM:
Arquiteturas de redes a cabo: visão geral
casa
ponto final do cabo
rede de distribuiçãode cabo (simplificada)
canais
Redes de acessoInstitucional:
LANs (Local Area Networks): Ethernet –10/100Mbps, Gigabit Ethernet
Sem fio:WLANs (Wireless LANs): utiliza ondas de rádio; comum: 11 e 54 Mbps
Meios físicosMeios guiados
Os sinais se propagam em meios sólidos: par trançado, cabo coaxial, fibra óptica
Meios não guiadosAs ondas se propagam na atmosfera e no espaço: rádio
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Internet – um exemploO que é a Internet?
Milhões de elementos de computação interligados: hosts ou sistemas finaisExecutando aplicações distribuídasConectados por enlaces de comunicação e roteadoresSeguindo protocolosFormando uma rede de redes
Internet – um exemploISP local
ISP regional
redecorporativa
roteador estaçãoservidor
móvel
Intranet e extranetMesma tecnologia da Internet
IntranetRedes privadas sem acesso externoRedes privadas sem acesso externo
Extranet“Intranet extendida”, com acesso externo restrito a pessoas autorizadas
ProtocolosO que é um protocolo?
Conjunto de regras que definem o envio e recebimento das informações (mensagens)
Oi
Protocolo humano Protocolo de Redes de Comp.
Oi
Oi
Que horas são?
2:00
TCP pedido de conexão
TCP resposta de conexão
<arquivo>tempo
Get http://gaia.cs.umass.edu/index.htm
Estrutura da rede (Internet)Bordas da rede:
hostsNúcleo da rede:
rotedoresRedes de acesso e meios físicos:
enlaces de comunicação
Bordas da redeServiço orientado à conexão:
Estabelecimento prévio de condições para o envio de dados (aperto de mão)
Serviço não orientado à conexão:Dados enviados sem “acordo” prévio
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ComutaçãoComo os enlaces serão compartilhados entre as diversas estações comunicantes?
Comutação ou chaveamentoComutação ou chaveamentoForma como será realizada a alocação de recursos para a transmissão na rede
Modalidades de comutação Comutação de circuitosComutação de pacotes
Comutação de circuitosOs recursos necessários ao longo de um caminho (enlaces, buffers, banda, etc) são reservadosdurante o tempo em que durar a comunicaçãoRecursos dedicados: não há compartilhamentoF ã d i it i t lFormação de um circuito virtualNecessidade de estabelecimento da conexão fim-a-fimExemplos:
Rede telefônica
Comutação de circuitos
ISP
ISPCompanhia
Comutação de circuitosOs recursos da rede são divididos em “pedaços”
Exemplo: Um canal de 100Mbps pode ser dividido em 20 canais de 5Mbps
A d did d ã “ d ” d t é A cada pedido de conexão um “pedaço” deste é reservado
Recursos não utilizados ficam ociosos pelo tempo em que durar a ausência de comunicação não há compartilhamento (recursos dedicados após reserva)
Comutação de pacotesA mensagem a ser transmitida é dividida em pacotes (pedaços menores)
Cada pacote utiliza toda a largura de banda do lenlace
Após transmitir um pacote, o enlace ou canal fica disponível para quem desejar transmitir (não há reserva de recursos)
O enlace fica reservado a um pacote apenas durante o tempo de transmissão do pacote
Comutação de pacotesCada fluxo de dados fim-a-fim é dividido em pacotes:
Recursos compartilhados e usados sob demandaCada pacote usa toda a banda
A
B
C10 Mbits/sEthernet
1.5 Mbits/s
multiplexação estatística
fila de pacotes esperandopelo enlace de saída
A
B
C10 Mbits/sEthernet
1.5 Mbits/s
multiplexação estatística
fila de pacotes esperandopelo enlace de saída
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Comutação de pacotesComo não há reserva de recursos:
Pedidos por recursos podem extrapolar a capacidade real instalada!Congestionametos: pacotes são enfileirados nos elementos intermediários da rede para serem elementos intermediários da rede para serem processados e transmitidosStore-and-forward: pacotes movem-se um passo de cada vez
• Cada roteador armazena os pacotes recebidos numa fila, processa-os e, quando houver disponibilidade de enlace, transmite-os para o próximo elemento (roteador ou host)
Comutação de pacotesExemplo:
L
L = 7.5 MbitsR = 1.5 MbpsAtraso = 15 segundos (3*L/R)
R R R
L/R = tempo de transmissão de uma mensagem L com uma taxa de R bps
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
= LAN= WAN= WAN
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
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Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
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Comutação de pacotesExemplo:
M1
M2==
Pacotes versus CircuitosComutação por pacotes é melhor?
Sim, para transmissão esporádica de dados: melhor compartilhamento de recursos e não há conexão;
Não, quando necessária garantia de taxa de transmissão.
Redes de pacotes: roteamentoRedes de datagramas:
O endereço de destino determina o próximo saltoRotas podem mudar durante uma sessãoAnalogia: dirigir perguntando o caminhog g g
Redes de circuitos virtuais:Cada pacote leva um no que determina o próximo saltoRota é fixa e escolhida no estabelecimento da conexãoRoteadores guardam o estado de cada conexão
Atraso em redes de pacotes
Atransmissão
propagaçãoAtransmissão
propagação
B
processamento enfileiramento
B
processamento enfileiramento
Filas de pacotes em buffers de roteadoresTaxa de chegada de pacotes ao link ultrapassa a capacidade do link de saída
Fila de pacotes esperam por sua vez d i id ( )
Como perdas e atrasos ocorrem?
A
B
pacote sendo transmitido (atraso)
enfileiramento de pacotes (atraso)buffers livres (disponíveis): pacotes chegando descartados (perda) se não houver buffers livres
1. Processamento nos nós: • Verifica erros de bit• Determina link de saída
2. Enfileiramento• Tempo de espera no link de saída para transmissão
D d d í l d ti t d t d
Quatro fontes de atraso de pacotes
• Depende do nível de congestionamento do roteador
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3. Atraso de transmissão:• R = largura de banda do link (bps)• L = tamanho do pacote (bits)• Tempo para enviar bits ao link = L/R
4. Atraso de propagação:• d = comprimento do link físico
Atraso em redes de comutação de pacotes
d co p e o do s co• s = velocidade de propagação no meio (~2x108 m/s)• Atraso de propagação = d/s
Nota: “s” e “R” são medidas muito diferentes!
• d = atraso de processamento
proptransfilaprocno ddddd +++=
Atraso Nodal
• dproc = atraso de processamento• Tipicamente uns poucos microssegundos ou menos
• dfila = atraso de fila• Depende do congestionamento
• dtrans = atraso de transmissão• = L/R, significante para links de baixa velocidade
• dprop = atraso de propagação• Uns poucos microssegundos a centenas de milissegundos
Topologias de redesClassificação das redes quanto à topologia:
Completamente conectada
Parcialmente conectada
Topologias de redesClassificação das redes quanto à topologia:
Topologia em barra
Topologia em anel
Topologia em estrela
Topologias de redesTopologia Lógica X Topologia Física
Qual a melhor topologia? Por quê?
Parâmetros de comparaçãoConfiabilidade
• O que acontece se uma estação sai do ar?Desempenho
• As mensagens chegam ao seu destino dentro de um tempo satisfatório?
• O que acontece com a rede em momentos de pico de tráfego entre as estações?
Topologias de redesParâmetros de comparação
Custo• Equipamentos, treinamento, etc.
Possibilidade de expansão• Qual a dificuldade de adicionar novas estações à rede?• Qual a dificuldade de adicionar novas estações à rede?
Retardo de transferência• Soma dos retardos de acesso com o de transmissão• Retardo de acesso: intervalo de tempo entre a geração da
mensagem a transmitir e o momento em que a estação recebe o direito de transmiti-la no meio
• Retardo de transmissão: tempo decorrido entre o início da transmissão da mensagem até seu completo recebimento pela estação de destino
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Completamente conectadaConfiabilidade
Bastante confiável, a falha de um nó não afeta o conjuntoDesempenho
Não há necessidade de roteamento, pois há uma rota de cada estação para as demaiscada estação para as demais
CustoMuito alto (custo depende basicamente dos enlaces físicos)
ExpansãoDificuldade em manter a rede totalmente conectada
Retardo de transferênciaÉ sempre o mesmo para quaisquer duas estações
Parcialmente conectadaConfiabilidade
A falha de um nó pode comprometer a redeDesempenho
As mensagens têm um atraso de entrega dependente do nó de destinoHá necessidade de roteamento de mensagens
CustoMenor que o da topologia anterior (menos enlaces)
ExpansãoMaior facilidade de expandir sem comprometer o custo
Barra ou barramentoFuncionamento:
Uma estação transmite de cada vez, as outras "escutam"Há uma forma de garantir este direito de transmissão
Confiabilidade:F lh d ó ã t f i t d dFalha de um nó não compromete o funcionamento da rede
Desempenho:Não há necessidade de roteamento de mensagensTodas as estações “ouvem” todas as mensagens transmitidas por qualquer outra estação (broadcasting)O que acontece quando mais de uma estação transmite simultâneamente? Ocorre uma colisão
Barra ou barramentoCusto:
Baixo. A tecnologia em barra evoluiu bastante e já está acessível até para usuários de redes domésticas
Expansão:pA adição de mais estações a uma rede em barra é relativamente fácil, mas depende do meio físico empregadoPode ser feita com a rede em funcionamentoPares trançados são mais fáceis de manipular que fibra ótica, por exemplo.Há um limite no tamanho máximo do segmento (fio), no número máximo de estações definidas e na distância entre elas (padrões IEEE 802)
Barra ou barramentoRetardo de transferência:
Pode ser comprometido pelo retardo de acesso
Outras possibilidades:Li ã d i d b li t h Ligação de mais de uma barra, para ampliar o tamanho do segmento
AnelFuncionamento:
Cada estação está ligada a uma antecessora e a uma sucessoraFluxo de dados em um único sentido (baixo custo)
Confiabilidade:Confiabilidade:Dependente de cada nó e do anel em si
Desempenho:As mensagens têm um atraso constante para girar o anelCada estação deve esperar sua vez para transmitir token ou ficha de transmissão
Custo:Um pouco mais alto que uma rede em barra
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AnelExpansão:
As estações são repetidoras o anel pode ser muito grandeA inserção de novas estações pára o funcionamento da rede
Retardo de transferência:Aumenta com o tamanho do anel pois cada estação deve Aumenta com o tamanho do anel, pois cada estação deve armazenar, processar e retransmitir a mensagem para a estação seguinte (retardo de transmissão); além disso, a estação deve aguardar sua vez para transmitir (retardo de acesso)
Outras possibilidades:Anel duplo, com transmissão em sentidos opostosRelés de bypass
AnelInterface do anel:
Todas as estações devem permanecer ligadas para manter o funcionamento do anel
AnelInterface do anel:
Relés de bypassem cada estação chaveiam quando a estação é desligada, mantendo o anel fechado e funcional
AnelInterface do anel:
Duplo anelA falha de um anel ativa o outro e a rede continua operacional
EstrelaFuncionamento
Uma estação central é encarregada de distribuir as mensagens entre duas estações quaisquerTodas as outras estações se ligam fisicamente a ela
Topologias de redesTopologias mistas:
Fisicamente = estrela; logicamente = barra
concentrador
Fisicamente = estrela; logicamente = anel
concentrador
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Topologias de redesTopologias mistas:
Fisicamente = estrela; logicamente = barra
Concentrador ou HubConcentrador ou Hub
Topologias de redesTopologias mistas:
Fisicamente = estrela; logicamente = anel
Concentrador ou HubConcentrador ou Hub