O que é uma rede e o que é um protocolo (Acesso à Rede)

Quando um caixa não consegue acessar o servidor, ou quando uma loja deixa de se comunicar com a matriz, o primeiro passo é entender o que está envolvido nessa comunicação. Antes de tratar de endereço, porta ou firewall, é preciso responder a uma pergunta mais básica: o que significa dizer que vários equipamentos estão em uma mesma rede, e o que eles precisam ter em comum para conseguir se comunicar?

O que é uma rede

Uma rede de computadores é um conjunto de equipamentos interligados, por cabo, por Wi-Fi ou por outra tecnologia, para trocar informações. Fazem parte dela as estações, os servidores, as impressoras e os equipamentos responsáveis pelas ligações, como o switch, o ponto de acesso e o roteador.

Alguns termos aparecem com frequência:

• Rede local: a rede que liga os equipamentos de um mesmo local, como uma loja, chamada em inglês de LAN;
• Internet: a rede mundial formada pela interligação de redes, por meio da qual uma loja se comunica com a matriz, acessa um site ou usa o serviço de um fornecedor;
• Host: um equipamento conectado à rede que executa aplicações ou serviços e envia ou recebe dados, como uma estação, um servidor ou uma impressora de rede. Um roteador ou um switch também pode originar ou receber comunicações próprias, como as de administração do equipamento;
• Estação: a máquina usada diretamente por uma pessoa, como a do caixa;
• Servidor: a máquina que fica à disposição das demais, armazenando dados ou executando serviços usados pelas estações.

A placa de rede

Para fazer parte de uma rede, cada equipamento precisa de uma placa de rede, o componente físico, o hardware responsável por enviar e receber os dados. A placa de rede pode ser uma placa encaixada na placa-mãe, um circuito integrado à própria placa-mãe, chamado de onboard, ou um dispositivo externo ligado pela porta USB. Os dois tipos mais comuns são estes:

• Placa de rede cabeada: também chamada de placa Ethernet, tem o conector em que se encaixa o cabo de rede, o conector RJ45;
• Placa de rede sem fio: também chamada de placa Wi-Fi, troca os dados por sinal de rádio com um ponto de acesso, explicado em uma seção própria adiante.

Na ligação por cabo, a placa de rede e a porta na outra ponta do cabo podem ter luzes indicadoras. Em muitos equipamentos, uma luz de link indica que a conexão física foi estabelecida, e uma luz de atividade pode piscar durante a transmissão ou a recepção de dados. Algumas luzes também indicam a velocidade da ligação. As cores, os estados e o significado de cada luz dependem do fabricante, do modelo e, em alguns equipamentos, do modo de indicação selecionado. Mesmo com o link ativo, isso não garante que a comunicação necessária entre os equipamentos esteja funcionando corretamente.

Muitos notebooks não têm luz no conector de rede, e muitos modelos finos nem têm esse conector. Nesses modelos, a ligação por cabo passa por uma placa de rede externa, ligada pela porta USB e vendida como adaptador USB para Ethernet, ou por uma base de expansão, que pode ter as próprias luzes ou não ter nenhuma. Quando há luzes na porta à qual o cabo está ligado, elas também podem ajudar a verificar o link, conforme a indicação prevista pelo fabricante.

A interface e o adaptador

O sistema operacional, como o Windows, não trabalha diretamente com o componente físico. Ele reconhece cada ponto de ligação da máquina com uma rede como uma interface de rede, e é na interface que ficam as configurações de rede, como o endereço da máquina. Um notebook com placa cabeada e placa Wi-Fi tem duas interfaces, uma para cada ligação, e uma placa com duas portas de cabo aparece como duas interfaces.

Toda placa de rede aparece para o sistema operacional como uma interface, mas nem toda interface tem uma placa por trás. Algumas interfaces são virtuais: são criadas por programas, existem só no sistema operacional e funcionam como se fossem placas de rede. A VPN, uma ligação protegida com outra rede feita pela Internet, é um exemplo: o programa da VPN cria uma interface virtual, e os dados dessa interface saem, no fim, pela placa física da máquina, cabeada ou Wi-Fi.

No Windows, as interfaces aparecem com o nome de adaptadores, tanto as físicas quanto as virtuais. Interface e adaptador são dois nomes para o mesmo conceito, e a placa de rede é o hardware por trás de cada adaptador físico. O comando ipconfig, que exibe a configuração de rede da máquina, mostra cada interface com títulos como Adaptador Ethernet e Adaptador de Rede sem Fio.

O estado da ligação no Windows

Para cada adaptador físico, o Windows também informa o estado da ligação:

• o ícone de rede, na barra de tarefas, mostra o cabo desconectado;
• a janela Conexões de Rede, aberta pelo comando ncpa.cpl, lista os adaptadores e mostra a indicação Cabo de rede desconectado no adaptador sem ligação;
• o comando ipconfig mostra a mensagem Mídia desconectada no adaptador sem ligação;
• o comando Get-NetAdapter, no PowerShell, o interpretador de comandos mais recente do Windows, mostra cada adaptador com o estado Up, quando há ligação, ou Disconnected, quando não há, e a velocidade da ligação.

O switch

O switch Ethernet interliga as máquinas e os demais equipamentos na rede local. Ele possui várias entradas para cabos, chamadas portas, geralmente numeradas no aparelho. O cabo de cada equipamento, seja do caixa, do computador do balcão ou do servidor, sai da placa de rede e é conectado a uma dessas portas. Um ponto de acesso Wi-Fi também pode ser conectado ao switch para ligar os equipamentos sem fio à rede local.

A palavra porta tem dois sentidos em redes. A porta do switch é física: uma entrada onde se encaixa um cabo. Já a porta lógica é um número que identifica um serviço ou um programa em uma máquina, como a porta usada pelo banco de dados. Ao tratar das ligações por cabo do switch, porta é a entrada física.

Uma interface Ethernet ou Wi-Fi utiliza um endereço MAC para a comunicação na rede local. Esse endereço costuma ser atribuído pelo fabricante, mas pode ser alterado por software ou substituído por um endereço aleatório, dependendo do sistema e da configuração. Por isso, o MAC em uso identifica a interface naquela comunicação, mas não é necessariamente uma identificação fixa e imutável do equipamento.

Na rede local, os dados circulam em blocos chamados quadros, que levam o endereço MAC de origem, de quem envia, e o endereço MAC de destino, de quem deve receber. No encaminhamento Ethernet comum, o switch usa esses endereços para decidir por quais portas enviar os quadros.

Em switches com suporte a VLANs, sigla em inglês para redes locais virtuais, um mesmo equipamento pode atender várias redes separadas logicamente. Uma ligação chamada trunk pode transportar tráfego de várias VLANs, mantendo a separação entre elas. Nos exemplos a seguir, as portas usadas pelos equipamentos da filial pertencem à mesma VLAN.

O switch aprende a associação entre os endereços MAC e as portas observando os quadros que recebe. Ele registra o endereço MAC de origem, a porta de entrada e a VLAN em uma lista chamada tabela de endereços MAC. Com base nela, a entrega ocorre da seguinte forma:

1. O caixa, cujo cabo está conectado à porta 3, envia um quadro unicast, isto é, destinado a uma interface específica: a do servidor da filial.
2. O quadro entra no switch pela porta 3, e o switch registra na tabela que o endereço MAC do caixa está nessa porta, naquela VLAN.
3. O switch consulta a tabela e encontra o endereço MAC do servidor da filial associado à porta 5, na mesma VLAN, onde está conectado o cabo do servidor.
4. Como o quadro é unicast e o endereço MAC de destino já consta na tabela, o switch encaminha o quadro pela porta 5, conectada ao servidor.
5. Em outra situação, se o endereço MAC de destino de um quadro unicast ainda não constar na tabela, ou se o quadro for destinado a todos os equipamentos daquela VLAN, o que se chama broadcast, o switch normalmente envia cópias por todas as demais portas pertinentes da mesma VLAN, exceto a porta de entrada. São as portas que participam dessa VLAN e estão habilitadas para encaminhar o tráfego.

Esse encaminhamento de quadros pelos endereços MAC é chamado de comutação de camada 2. Alguns switches também possuem funções de roteamento e são chamados de switches de camada 3: eles conseguem encaminhar pacotes IP entre redes. A comunicação entre VLANs diferentes exige uma função de roteamento configurada, no próprio switch ou em outro equipamento, como o roteador.

O ponto de acesso

O ponto de acesso, chamado em inglês de access point ou AP, oferece a conexão Wi-Fi e liga os dispositivos sem fio à rede local. Em uma instalação simples, ele se conecta por cabo a uma porta do switch e encaminha os dados entre a parte sem fio e a parte cabeada da rede.

Por exemplo, um notebook no Wi-Fi da mesma rede do servidor da filial envia os dados por rádio ao ponto de acesso. Dali, eles seguem pelo cabo ao switch, que os encaminha ao servidor. O ponto de acesso faz a ligação necessária para que esse notebook alcance os recursos da rede local, mesmo sem estar ligado diretamente por cabo.

A função de ponto de acesso faz essa ligação com os dispositivos sem fio. O encaminhamento entre redes diferentes depende da função de roteamento, explicada a seguir. Essas funções podem estar reunidas no mesmo aparelho.

O roteador

Para se comunicar por IP, uma interface utiliza um endereço IP, que permite identificar sua conexão a uma rede e encaminhar pacotes também a partir de outras redes. No cenário dos exemplos, os endereços usados na rede da filial começam com 192.168.1, e os da matriz, com 192.168.0. A máscara de rede, estudada adiante, define qual parte do endereço identifica a rede. A Internet é formada pela interligação de inúmeras redes.

Os dados que passam de uma rede para outra são transportados em pacotes, que levam o endereço IP de origem e o de destino. Dentro de cada rede local, o pacote é transportado dentro de um quadro.

O roteador é o equipamento conectado a mais de uma rede ao mesmo tempo. O roteador da filial possui uma interface na rede da filial, com o endereço 192.168.1.1, e outra interface voltada para o provedor de Internet. Por estar ligado às duas redes, o roteador consegue receber um pacote de uma delas e encaminhá-lo à outra. É isso que significa interligar redes diferentes.

O gateway padrão é o próximo salto, isto é, o destino imediato ao qual a máquina entrega pacotes para alcançar outras redes quando não há um caminho mais específico configurado. No cenário dos exemplos, essa função é desempenhada pelo roteador da filial, no endereço 192.168.1.1. A palavra inglesa gateway significa portal ou passagem. A função de gateway pode ser exercida por um equipamento físico ou virtual, inclusive por um aparelho que acumula outras funções; ela não exige um aparelho dedicado exclusivamente ao roteamento.

O comando ipconfig exibe o endereço do gateway, 192.168.1.1, no campo Gateway Padrão de cada adaptador. Em geral, o próprio roteador entrega o endereço do gateway às máquinas da rede, junto com o endereço IP de cada uma e as outras configurações de rede, por meio de um serviço chamado DHCP.

Switch e roteador trabalhando juntos

O caminho percorrido quando o caixa acessa a Internet é o seguinte:

1. O caixa verifica que o destino pertence a outra rede e entrega o pacote ao roteador.
2. O quadro sai pelo cabo do caixa e chega ao switch, endereçado ao MAC do roteador.
3. O switch envia o quadro pela porta em que o roteador está conectado.
4. O roteador encaminha o pacote para a rede do provedor, em direção ao destino.

Já entre o caixa e o servidor da filial, que estão na mesma rede, o quadro segue do caixa para o switch e do switch para o servidor, sem passar pelo roteador.

Switch e roteador no mesmo aparelho

Em lojas pequenas, um único aparelho, vendido como roteador Wi-Fi, costuma acumular as funções de switch, de ponto de acesso e de roteador:

• as portas LAN, da rede local, ficam na parte traseira do aparelho e formam um switch embutido;
• o rádio Wi-Fi, com as antenas, funciona como ponto de acesso;
• a porta WAN, às vezes identificada como Internet, faz a ligação com o provedor.

O celular com a função de compartilhar a internet por Wi-Fi, chamada de Acesso Pessoal no iPhone e de ponto de acesso Wi-Fi no Android, segue a mesma ideia: o aparelho reúne o ponto de acesso, o roteador e a ligação com a rede móvel, como o 4G ou o 5G. O nome da função no celular destaca o ponto de acesso, mas o aparelho faz também o papel de roteador.

Mesmo reunidas em um único aparelho, as funções continuam distintas, e identificar qual delas falhou ajuda a localizar o problema.

Protocolo

Interligar os equipamentos não é suficiente. O cabo do caixa pode estar conectado e o switch, ligado, e ainda assim o aplicativo de vendas não conseguir acessar o banco de dados do servidor da filial. A ligação física é apenas uma parte da comunicação, e os dois lados também precisam seguir as mesmas regras.

Protocolo é um conjunto de regras de comunicação. Um protocolo define:

• o formato das informações;
• como uma comunicação começa e termina;
• como cada lado interpreta o que recebeu;
• o que cada resposta significa;
• como certos erros são tratados.

Em uma rede, vários protocolos funcionam ao mesmo tempo, e cada um é responsável por uma parte da comunicação. Entre os mais comuns estão IP, TCP, UDP, ARP, DHCP, DNS e ICMP. Os programas também seguem protocolos. Os aplicativos da loja se comunicam com o banco de dados por meio do protocolo do próprio banco, e o serviço de sincronização utiliza um protocolo próprio.