Explicando Home Networking: Fundamentos

Neste artigo apresento a vocês os fundamentos necessários para entender as Redes Domésticas.

Um roteador sem fio típico com portas LAN para rede ethernet, porta WAN e antenas para clientes Wi-Fi

1) Rede cabeada (wired networking)

Uma rede cabeada é basicamente um grupo de dispositivos ligados uns aos outros utilizando cabos de rede, mais frequentemente, com ajuda de um roteador, o que nos leva ao primeiro termo networking (rede).

Roteador (router): Este é o dispositivo central de uma rede doméstica onde você pode conectar uma extremidade de um cabo de rede. A outra extremidade do cabo vai para um dispositivo que tem uma porta de rede. Se você quiser adicionar mais dispositivos a um roteador, você vai precisar de mais cabos e mais portas no roteador. Essas portas, tanto no roteador quanto nos dispositivos finais, são chamadas portas Ethernet. Elas também são conhecidas como portas RJ45. No momento em que você conecta um dispositivo em um roteador você tem uma rede. Dispositivos de rede que vêm com uma porta de rede RJ45 são chamados de dispositivos Ethernet.

Nota: Tecnicamente, você pode pular um roteador e conectar dois computadores usando um cabo de rede para formar uma rede de dois. No entanto, isso requer configurar manualmente os endereços IP, usando um cabo crossover especial para a conexão funcionar. Você realmente não quer fazer isso.

Parte traseira de um roteador típico: a porta WAN é a amarela e as portas LAN são as azuis.

Portas LAN (Ethernet): Um roteador doméstico normalmente tem quatro portas LAN, ou seja, fora da caixa pode sediar uma rede de até quatro dispositivos. Se você quer ter uma rede maior vai precisar de recorrer a um switch (ou hub) que adiciona mais portas LAN no roteador. Geralmente, um roteador em casa pode suportar cerca de 250 dispositivos. A maioria das casas e até mesmo as pequenas empresas não precisam mais do que isso. Atualmente existem dois padrões principais de velocidade para portas LAN: o Ethernet, que limita a 100Mbps (ou cerca de 13Mbps) e o Gigabit Ethernet, que chega até 1Gbps (ou cerca de 125 Mbps). Em outras palavras, leva cerca de um minuto para transferir o conteúdo de um CD de dados (cerca de 700MB ou cerca de 250 músicas digitais) através de uma conexão Ethernet. Com a Gigabit Ethernet, o mesmo trabalho leva apenas cerca de 5 segundos. Na vida real, a velocidade média de uma conexão Ethernet é de cerca de 8 Mbps, e de uma conexão Gigabit Ethernet algo em torno de 45Mbps a 80Mbps. A velocidade real de uma conexão de rede depende de muitos fatores tais como os dispositivos finais, a qualidade do cabo, a quantidade de tráfego, e assim por diante.

Regra de ouro: A velocidade de uma conexão de rede é determinada pela menor velocidade de qualquer parte envolvida. Por exemplo, a fim de ter uma conexão Gigabit Ethernet entre dois computadores, os dois computadores, o roteador ao qual eles estão conectados, e os cabos usados para conectá-los, todos precisam suportar Gigabit Ethernet. Se você conectar um dispositivo Gigabit Ethernet e um dispositivo Ethernet a um roteador, a conexão entre os dois irá limitar-se à velocidade da Ethernet, que é de 100 Mbps.

Em suma, as portas LAN, em um roteador, permite que os dispositivos com Ethernet conectem-se uns aos outros e compartilhem dados. Para que possam também acessar a Internet, o roteador precisa ter também uma porta Wide Area Network (WAN).

Típico cabo de rede CAT5e

Switches vs hubs: Os hubs e switches são usados para adicionar mais portas LAN a uma rede. Eles ajudam a aumentar o número de clientes Ethernet que a rede pode hospedar. A principal diferença entre os hubs e os switches é que o hub usa um canal compartilhado por todas as suas portas, enquanto o switch tem um canal dedicado para cada uma de suas portas. Isto significa que quanto mais clientes você conectar a um hub, mais lenta a taxa de dados fica, enquanto que com o switch a velocidade não muda de acordo com o número de clientes conectados. Por esta razão, hubs são muito mais baratos do que os switches com a mesma quantidade de portas.

Os hubs são um pouco obsoletos, pois o preço dos switches caiu significativamente nos últimos anos. O preço de um switch geralmente varia de acordo com seu padrão (Ethernet ou Gigabit Ethernet, com o último sendo mais caro), e o número de portas (quanto mais portas, maior o custo).

Você pode encontrar um switch de apenas quatro portas, até 24 portas ou mais. Note que o total de clientes extras que podem ser adicionados a uma rede é igual ao número total de portas do switch menos uma. Por exemplo, um switch de quatro portas irá adicionar mais três clientes para a rede. Isso porque você precisa usar uma das portas para conectar o switch à rede, a qual, por sinal, também utiliza uma outra porta de rede existente. Com isto em mente, certifique-se de comprar um switch com muito mais portas do que a quantidade de clientes que você pretende adicionar à rede.

Porta WAN: Geralmente, um roteador tem apenas uma porta WAN. (Alguns roteadores empresariais vêm com duas portas WAN e por isso pode-se usar dois serviços de Internet distintos ao mesmo tempo.) Em qualquer roteador, a porta WAN é sempre separada das portas LAN e muitas vezes vem em uma cor diferente para se diferenciar. A porta WAN é exatamente igual à porta LAN, apenas com um uso diferente: conectar-se a uma fonte de Internet, como um modem de banda larga. A WAN permite que o roteador se conecte à Internet e compartilhe a conexão com todos os dispositivos Ethernet conectados a ele.

Nota: Uma vez que a maioria das conexões de Internet são mais lentas do que uma conexão de 100 Mbps (uma conexão rápida, por exemplo, é de cerca de 50Mbps para download e cerca de 6 Mbps para upload), uma porta Ethernet WAN é suficiente na maioria dos casos. No entanto, roteadores Gigabit Ethernet também tendem a vir com uma porta Gigabit WAN. Dito isto, a mudança de um roteador Ethernet para um roteador Gigabit Ethernet geralmente não se traduz em velocidades mais rápidas de Internet. Normalmente esta mudança só ajuda dispositivos dentro de sua rede local (LAN) a se conectar a um outro mais rápido.

Modem de banda larga (broadband modem): Muitas vezes chamado de um modem DSL ou cable modem, um modem de banda larga é um dispositivo que liga a conexão com a Internet de um provedor de serviço a um computador ou a um roteador, tornando a Internet disponível para os consumidores. Geralmente, um modem tem uma porta LAN (para ligar à porta WAN de um roteador ou a um dispositivo Ethernet) e uma porta de serviços relacionados, como uma porta de telefone (modems DSL) ou uma porta coaxial (cable modems), que se liga à linha de serviço. Se você tem apenas o modem, você vai ser capaz de conectar apenas um dispositivo Ethernet, como um computador, com a Internet. Para conectar mais de um dispositivo à Internet, você vai precisar de um roteador. Alguns provedores oferecem um dispositivo duplo que é uma combinação de modem com roteador ou roteador wireless (sem fio), tudo em um.

Cabos de rede: Estes são os cabos usados para conectar dispositivos de rede a um roteador ou a um switch. Eles também são conhecidos como cabos de Categoria 5 ou cabos CAT5. Atualmente, a maioria, se não todos os cabos CAT5 no mercado, são na verdade CAT5e, que é capaz de fornecer velocidades de dados Gigabit Ethernet. O mais recente padrão de rede de cabeamento atualmente em uso é CAT6, que é projetado para ser mais rápido e mais confiável do que o CAT5e. A diferença entre os dois é a fiação no interior do cabo e em ambas as extremidades do mesmo. O CAT5e e o CAT6 podem ser usados alternadamente e, em minha experiência pessoal, são basicamente os mesmos, com a diferença de que o CAT6 é mais caro. Para a maioria dos usos domésticos, o que o CAT5e tem para oferecer é mais do que suficiente. Na verdade, você provavelmente não vai notar nenhuma diferença se você alternar para CAT6, mas não faz mal usá-lo se você pode pagar.

Agora que estamos claros sobre redes cabeadas, vamos passar para rede sem fio.

2) Rede sem fio (wireless networking): Padrões e dispositivos

Uma rede sem fio é muito semelhante a uma rede cabeada com uma grande diferença: os dispositivos não usam cabos para se conectar ao roteador e um ao outro. Em vez disso, eles usam conexões sem fio, conhecida como Wireless Fidelity, ou Wi-Fi, o que é um nome amigável para o padrão de rede 802.11 apoiado pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Isso significa que os dispositivos de rede sem fio não precisam ter portas, mas apenas antenas, que às vezes estão escondidas dentro do próprio dispositivo. Em uma rede típica, geralmente há os dois dispositivos, com e sem fio, e todos eles podem falar uns com os outros. Para se ter uma conexão Wi-Fi, é necessário que haja um ponto de acesso e um cliente Wi-Fi.

Cada uma das redes Wi-Fi que um cliente,
como um Android, detecta geralmente
pertence a um ponto de acesso.

Ponto de acesso (access point): um ponto de acesso (AP) é um dispositivo central que transmite o sinal Wi-Fi para os clientes Wi-Fi conectar. Geralmente, cada rede sem fio - como aquelas que você vê aparecendo na tela do seu smartphone enquanto você anda por uma grande cidade - pertence a um ponto de acesso. Você pode comprar um AP separadamente e conectá-lo a um roteador ou switch para adicionar suporte Wi-Fi a uma rede com fio. Normalmente, contudo, você quer comprar um roteador sem fio, que é um roteador regular (uma porta WAN, quatro portas LAN, e assim por diante), com um ponto de acesso interno. Alguns roteadores vêm com mais de um ponto de acesso.

Cliente Wi-Fi: Um cliente Wi-Fi ou cliente WLAN é um dispositivo que pode detectar a transmissão de sinal de um ponto de acesso, conectar-se a ele e manter a conexão. (Este tipo de conexão Wi-Fi é estabelecida no modo de infraestrutura, mas você não tem que se lembrar disso.) A maioria dos laptops, smartphones e tablets no mercado, senão todos, vêm com capacidade de Wi-Fi embutida. Aqueles que não têm esta capacidade, podem ser atualizados para que através de uma USB ou adaptador Wi-Fi PCIe adquiram esta capacidade. Pense em um cliente Wi-Fi como um dispositivo que tem uma porta de rede invisível e um cabo de rede invisível. Este cabo metáfora é tão longo quanto a faixa de um sinal de Wi-Fi.

Nota: Tecnicamente, você pode pular um ponto de acesso e fazer dois clientes Wi-Fi se conectarem diretamente uns aos outros, no modo Ad hoc. No entanto, à semelhança do caso do cabo de rede crossover, isto é bastante complicado e ineficiente, e é muito menos usado do que o modo de infraestrutura.

Faixa de Wi-Fi (Wi-Fi range): Esta é a distância do raio do sinal Wi-Fi que um ponto de acesso pode alcançar. Normalmente, uma rede Wi-Fi é mais viável dentro de cerca de 150 metros do ponto de acesso. Esta distância, no entanto, altera com base na potência dos dispositivos envolvidos, o ambiente, e, o mais importante, o padrão Wi-Fi. Um bom ponto de acesso Wireless-N pode oferecer uma gama de até 90 metros ou ainda mais longe. O padrão Wi-Fi também determina a velocidade limite que a conexão sem fio pode ter, e é a razão pela qual o Wi-Fi fica complicado e confuso, especialmente quando as faixas de frequência Wi-Fi são mencionadas.

Banda de frequência (frequency band): Essas bandas são as frequências de rádio usadas pelos padrões Wi-Fi: 2.4GHz, 5GHz e 60GHz. A banda de 2,4 GHz é atualmente a mais popular, ou seja, ela é usada pala maioria dos dispositivos de redes existentes. Isso, além do fato de que os aparelhos domésticos, tais como telefones sem fio, também usarem essa banda, faz a sua qualidade de sinal geralmente pior do que a banda de 5GHz, devido à supersaturação e interferência. A banda 60GHz é usada apenas pelo padrão 802.11ad.

Dependendo do padrão, alguns dispositivos Wi-Fi usam um dos dois, 2.4GHz ou 5GHz, enquanto outros usam ambos e são chamados de dispositivos de dual-band. Poucos dispositivos também suportam 60GHz para serem dispositivos tri-band.

Seguem os padrões Wi-Fi existentes, começando pelo mais antigo:

Uma interface Web típica de um roteador D-Link

802.11b: Este foi o primeiro padrão wireless comercializado. Ele oferece uma velocidade máxima de 11 Mbps e opera somente na faixa de frequência 2.4GHz. O padrão foi o primeiro disponível em 1999 e é agora totalmente obsoleto. Clientes 802.11b, no entanto, ainda são suportados por pontos de acesso Wi-Fi de padrões posteriores.

802.11a: Semelhante ao 802.11b, em termos de idade, 802.11a oferece uma velocidade limite de 54 Mbps à custa de muito menor alcance, e usa a banda 5GHz. Também é agora obsoleto, embora ainda seja suportado por pontos de acesso de padrões posteriores.

802.11g: Introduzido em 2003, o padrão 802.11g marcou a primeira rede sem fio que foi chamada de Wi-Fi. O padrão oferece a velocidade máxima de 54 Mbps, mas opera na banda de 2,4 GHz, oferecendo assim maior alcance do que o padrão 802.11a. Ele ainda é usado em muitos dispositivos móveis, como o iPhone 3G e o iPhone 3GS. Este padrão é suportado pelos pontos de acesso de padrões posteriores.

802.11n ou Wireless-N: Disponível desde 2009, o 802.11n tem sido o mais popular padrão Wi Fi, com muitas melhorias em relação aos anteriores, como fazer a faixa da banda de 5GHz comparável à da banda de 2.4GHz. O padrão opera em ambas as bandas de 2,4 GHz e 5GHz e começou uma nova era de roteadores dual-band, aqueles que vêm com dois pontos de acesso, um para cada banda. Existem dois tipos de roteadores dual-band: roteadores de banda dupla selecionável, que podem operar em uma faixa de cada vez, e roteadores de banda dupla verdadeiros que oferecem simultaneamente sinais de Wi-Fi em ambas as bandas.

Em cada banda, o padrão Wireless-N está disponível em três configurações: single-stream, dual-stream, e three-stream, oferecendo velocidades de 150Mbps, 300Mbps e 450Mbps, respectivamente. Este por sua vez cria três tipos de roteadores de banda dupla verdadeiros: N600 (cada uma das duas bandas oferece uma velocidade limite de 300 Mbps), N750 (uma banda tem um limite de velocidade de 300 Mbps, enquanto a outra de 450 Mbps) e N900 (cada uma das duas bandas oferecem até 450Mbps de velocidade limite).

Nota: Para se ter uma conexão Wi-Fi, tanto o ponto de acesso (roteador) quanto o cliente precisam operar na mesma banda, ou 2,4 GHz ou 5GHz. Por exemplo, um cliente de 2,4 GHz, como um iPhone 4, não será capaz de se conectar a um ponto de acesso de 5GHz. No caso de um cliente suportar ambas as bandas, ele só vai usar uma das bandas para se conectar a um ponto de acesso e, se for o caso, tende a "preferir" a banda de 5 GHz que a de 2,4 GHz, para um melhor desempenho.

802.11ac ou 5G Wi-Fi: Este último padrão Wi-Fi opera somente na faixa de frequência de 5 GHz e oferece velocidades Wi-Fi de até 1.3Gbps (ou 1300 Mbps) quando utilizado na configuração three-stream. O padrão também vem com configurações dual-stream e de single-stream que limitam a 900Mbps e 450Mbps, respectivamente. (Note-se que a configuração de um single-stream do 802.11ac é tão rápido quanto o limite de configuração de three-stream do 802.11n).

Uma interface típica de um roteador ARRIS

Atualmente, existem apenas alguns roteadores 802.11ac no mercado, como o Netgear R6300, o Asus RT-AC66U, e o Buffalo WZR-D1800H, mas prevê-se que o padrão será cada vez mais popular quando os dispositivos, como laptops, tablets e smartphones com 802.11ac nativo, tornarem-se mais facilmente disponíveis.

Tecnicamente, o padrão 802.11ac é cerca de três vezes mais rápido do que o padrão 802.11n (ou Wireless-N) e, portanto, muito melhor para a vida da bateria (uma vez que tem de trabalhar menos para entregar a mesma quantidade de dados). No teste do mundo real até agora, eu achei que o 802.11ac é cerca de duas vezes a velocidade do Wireless-N, o que é muito bom. (Note-se que as velocidades sustentadas do mundo real dos padrões wireless são sempre muito menor do que o limite de velocidade teórica. Isto é em parte porque a velocidade limite é determinada em ambientes controlados, livres de interferências.) A velocidade mais rápida do mundo real de uma conexão 802.11ac que eu vi até agora é 42Mbps, fornecidos pelo Asus RT-AC66U, que é próximo ao de uma conexão com fio Gigabit Ethernet.

Na mesma faixa de 5GHz, dispositivos 802.11ac são compatíveis com dispositivos Wireless-N e 802.11a. Enquanto o 802.11ac não estiver disponível na faixa de 2,4 GHz, para fins de compatibilidade, um roteador 802.11ac também vem com um three-stream (450Mbps), ponto de acesso Wireless-N. Em suma, um roteador 802.11ac é basicamente um roteador N900, além de ter suporte para 802.11ac na banda de 5GHz.

Dito isto, deixe-me reformular a regra de ouro mais uma vez: A velocidade de uma conexão de rede é determinada pela menor velocidade de qualquer das partes envolvidas. Isso significa que se você usar um roteador 802.11ac com um cliente 802.11a, a conexão irá limitar-se a 54Mbps. A fim de obter a velocidade 802.11ac limite, você vai precisar usar um dispositivo que também seja 802.11ac.

802.11ad ou WiGig: O padrão de rede sem fio 802.11ad só se tornou parte do ecossistema Wi-Fi durante a CES 2013 (Feira de Tecnologia de Las Vegas). Antes disso, ele foi considerado um tipo diferente de rede sem fio.

O padrão 802.11ad usa a faixa de frequência de 60GHz para oferecer uma taxa de dados de até 7Gbps (cerca de sete vezes a velocidade do fio Gigabit Ethernet), mas tem um alcance muito mais curto (cerca de 9 metros), em comparação com outros padrões Wi-Fi. Em cima disso, em geral, requer uma linha clara de visão (sem obstáculos entre os dispositivos) para funcionar bem.

Por esta razão, o 802.11ad é melhor usado para ligar os dispositivos periféricos, tal como um computador portátil a sua estação de acoplamento (docking station). O 802.11ad, por si só, não é compatível com todos os padrões Wi-Fi existentes e não se destina a substitui-los, e sim conviver com eles.

Botão Wi-Fi Protected Setup (WPS)

3) Mais sobre rede sem fio (wireless networking)

Nas redes cabeadas a conexão é estabelecida no momento em que você conecta as extremidades de um cabo de rede nos dois respectivos dispositivos. Nas redes sem fio, é mais complicado do que isso.

Uma vez que o sinal Wi-Fi, transmitido pelo ponto de acesso está literalmente no ar, qualquer um com um cliente Wi-Fi pode se conectar a ele, e isso pode representar um sério risco de segurança. Para evitar que isso aconteça e só deixar os clientes aprovados conectarem-se, a rede Wi-Fi precisa ser protegida por senha (ou, em termos mais técnicos, criptografada). Atualmente, existem alguns métodos usados para proteger uma rede Wi-Fi (chamados de "métodos de autenticação"): WEP, WPA e WPA2, sendo o WPA2 o mais seguro, enquanto WEP está se tornando obsoleto. O WPA2 (assim como o WPA) oferece duas maneiras para criptografar o sinal, que são Temporal Key Integrity Protocol (TKIP) e Advanced Encryption Standard (AES). O primeiro é para compatibilidade (permitindo aos clientes antigos conectar), este último permite velocidades de conexão mais rápida e é mais seguro, mas só funciona com os clientes mais recentes. Do lado do ponto de acesso ou roteador, o proprietário pode definir a senha (ou chave de criptografia) que os clientes podem usar para se conectar à rede Wi-Fi.

Se o parágrafo acima parece complicado, isso é porque a criptografia Wi-Fi é muito complicada. Para ajudar a tornar a vida mais fácil, a Wi-Fi Alliance oferece um método mais fácil chamado Wi-Fi Protected Setup.

O Portable Wi-Fi Hotspot é um recurso
disponibilizado pelo pacrão Wi-Fi Direct.

Wi-Fi Protected Setup ou WPS: Introduzido em 2007, o Wi-Fi Protected Setup é um padrão que facilita a criação de uma rede Wi-Fi segura. A implementação mais popular da WPS é o botão. Eis como funciona: no lado do roteador (ponto de acesso), você pressiona o botão WPS. A seguir, durante os próximos 2 minutos, pressione o botão WPS nos clientes Wi-Fi, e isso é tudo que você precisa para que eles se conectem ao ponto de acesso. Desta forma, você não tem que se lembrar da senha (chave de criptografia) ou digita-la. Note que este método só funciona com dispositivos que suportam WPS, a maioria dos dispositivos de rede lançados nos últimos anos.

Wi-Fi Direct: Este é um padrão que permite que os clientes Wi-Fi conectem-se uns aos outros, sem necessidade um ponto de acesso físico. Basicamente, isto permite um cliente Wi-Fi, como um smartphone, transformar-se em um ponto de acesso “soft” e transmitir sinais Wi-Fi que outros clientes Wi-Fi possam se conectar. Este padrão é muito útil quando você quiser compartilhar uma conexão de Internet. Por exemplo, você pode conectar a porta LAN do seu laptop a uma fonte de Internet, como em um hotel, e transformar seu cliente Wi-Fi em um AP “soft”, tornando possível que outros clientes Wi-Fi também possam acessar essa conexão Internet. Wi-Fi Direct é realmente mais popularmente usado em smartphones e tablets, onde os dispositivos móveis compartilham sua conexão de Internet de celular com outros dispositivos Wi Fi, em um recurso chamado Portable Wi-Fi Hotspot (Ponto de acesso Wi-Fi portátil).

4) Rede por linha de energia (power line networking)

Quando se trata de redes, você provavelmente não quer passar os cabos de rede em todo o lugar, tornando o Wi-Fi uma ótima alternativa. Infelizmente, em alguns lugares - como aquele canto no porão - um sinal de Wi-Fi pode não chegar, ou porque é muito longe ou porque há grossas paredes de concreto no meio. Neste caso, a melhor solução é um par de placas linha de energia.

Típico adaptador de linha de energia.

Adaptadores da linha de energia, basicamente, transformam a fiação elétrica de uma casa em cabos de rede para uma rede de computadores. Você precisa de pelo menos dois adaptadores de linha de energia para formar a primeira ligação da linha de energia. O primeiro adaptador é conectado ao roteador e o segundo ao dispositivo Ethernet no outro extremo. Existem alguns roteadores no mercado, como o D-Link DHP-1320, que tem suporte embutido para linha de energia, ou seja, você pode pular o primeiro adaptador.

Atualmente, existem dois padrões principais para redes de linha de energia, HomePlug AV e Powerline AV+ 500. Eles oferecem limites de velocidade de 200Mbps e 500Mbps, respectivamente.

Quer saber mais sobre a melhor forma de otimizar a sua rede Wi-Fi? Então fique ligado na próxima parte. Explicando Home Networking: Otimizando sua rede Wi-Fi.