Principais topologias de redes ethernet

Topologia de rede é algo que um profissional da área de automação precisará entender quase que obrigatoriamente. Pelo menos os conceitos básicos. Em todas as etapas de um projeto de automação, desde a fase de especificação, configuração, implementação e manutenção, alguém precisará de saber sobre topologia de rede, a não ser que seja um projeto bem simples. E mesmo se o profissional não souber conceitos técnicos, irá utilizar de forma prática e até mesmo intuitiva. Mas dependendo da complexibilidade, o profissional não irá fugir de precisar saber conceitos acerca de topologia de rede ethernet, desde os mais simples até os avançados. E neste post traremos uma base do que se trata esta tal topologia de rede ethernet.

Vale lembrar, que apesar de estarmos falando de rede ethernet, alguns conceitos são possíveis de relacionar a outros tipos de redes, como Profibus, serial etc. Outra coisa, apesar de nosso foco ser indústria, que é o mundo da tecnologia da automação, ou TA, as topologias de redes ethernet são aplicáveis ao mundo da tecnologia da informação, ou TI. Logo, os conceitos que são vistos aqui se aplicam não somente para indústria, mas para áreas relacionadas a predial, comercial, sistemas de segurança, infraestrutura, dentre outras.

Bom… Chega de introdução e vamos aos conceitos!

Topologia de rede: O que é e por que é importante?

Para começar, vamos falar o que é topologia de rede.

A topologia de rede detalha como os dispositivos (ativos) em um sistema estão conectados entre si. Esta interligação determina também como a informação trafega neste sistema. Geralmente a topologia de rede é ilustrada em um documento contendo o esquema de interligação física entre estações, CLPs, switches, roteadores etc. De posse deste documento, o profissional tem uma visão mais detalhada do sistema e consegue entender como os dispositivos estão conectados e a solucionar mais rapidamente problemas de conectividade.

A configuração física com que estes dispositivos estão conectados irá determinar qual o tipo de topologia está sendo adotada pelo sistema. Vamos ver dois exemplos bem simples de topologia de rede:

Dois exemplos de topologia de rede usando os mesmos dispositivos

Os dois exemplos da imagem possuem exatamente os mesmos dispositivos, porém o que mudou foi a forma com que eles estão interligados entre si, isto é, a topologia de rede é diferente para os dois casos.

Uma das vantagens que do protocolo ethernet deve-se aos vários tipos de topologias que ele permite implementar, porém a escolha do tipo de topologia a ser implementada afeta diretamente na performance, confiabilidade, funcionalidades e complexibilidade de implementação / manutenção. Sabendo disto, é crucial fazer um estudo para determinar qual topologia é adequada a determinado sistema. Ao definir uma topologia para um sistema, o projetista deverá lembrar destes itens que ela afeta.

Tipos de topologia de rede

É possível implementar diversos tipos de topologia de rede, cada uma com suas características, vantagens e desvantagens. Entender estes itens permitirá ao projetista tomar decisões de escolha que atende de forma mais adequada ao sistema que será implantado. Algumas das principais topologias de rede serão abordadas neste post.

Topologia de rede tipo barramento

As vezes chamada de rede backbone, na configuração deste tipo de topologia, os dispositivos são conectados um após o outro, formando um caminho comum de fluxo de dados:

Topologia de rede tipo barramento (bus)

Este tipo de topologia de rede é utilizado quando não se necessita de redundância de caminho para o fluxo de dados, como em uma topologia tipo anel.

Vantagens da rede tipo barramento

Facilidade: Esta topologia de rede é uma das mais fáceis de serem implantadas. Fácil porque é feita apenas conectando um dispositivo ao outro adjacente, logo adicionar novos dispositivos é bem simples. Seu design é bem simples e é fácil de interpretar.

Custo baixo de implementação: Implementar uma topologia de rede tipo barramento requer menos cabeamento do que as demais topologias. Se os dispositivos possuem duas portas ethernet embutidas, é dispensável até mesmo o uso de switch.

Desvantagens da rede tipo barramento

Embora seu design simples a torne econômica do ponto de vista de implementação/manutenção, este tipo de topologia tem suas desvantagens:

Lentidão: O fato de que este tipo de topologia possui apenas um único caminho para o fluxo de dados pode trazer problemas de conectividade para este tipo de topologia, pois toda a informação da rede tem apenas um caminho para percorrer. À medida em que mais dispositivos são adicionados à rede e se há muito “diálogo” entre eles, mais fluxo de dados percorre esta rede e dependendo do volume de dados, a taxa de transmissão começará a diminuir. Assim como uma via de trânsito com poucas faixas ficará congestionada e com lentidão com um fluxo muito alto de veículos, uma rede também fica lenta quando o fluxo de dados é maior do que ela suporta. Por isto, este tipo de rede é indicado para redes com baixo fluxo de dados.

Colisões: Em redes onde a comunicação ocorre de forma Half-duplex, os dados podem ser transmitidos de forma unidirecional ao logo do barramento. Quando dois dispositivos tentam “conversar” entre si, em uma topologia de rede, comunicação Half-duplex ocorrerão colisões de pacotes de dados, o que deixará a comunicação instável e influenciará na lentidão da rede.

Menos disponibilidade em evento de falha: Como há apenas um caminho único de dados, esta topologia não é muito robusta na ocorrência de uma falha. A interrupção de comunicação em um dispositivo da rede (Seja por desligamento, falha etc.) irá carretar na perda de comunicação em todos os dispositivos à jusante.

Propagação de falha em uma rede tipo barramento

Exemplos em que é utilizada

Geralmente este tipo de topologia é utilizado em sistemas simples, sem um tráfego pesado de informações e quando a redundância não é necessária. Não é uma regra, mas este tipo de topologia é utilizado em um sistema onde todos os dispositivos trabalham em conjunto e com dependência entre si, de forma que se um dispositivo do conjunto vier a falhar, todos os demais poderiam parar também, pois o conjunto precisaria de todos funcionando. Ou também onde a parada de um dispositivo poderia acarretar a parada dos demais sem prejudicar o processo.

A topologia de rede tipo barramento é muito utilizada em outros tipos de protocolos, como o Modbus, Profibus DP e PA, por exemplo.

Topologia de rede tipo estrela (star)

O nome já sugere o layout desta topologia. Na topologia de rede tipo estrela, todos os dispositivos são conectados entre si via um dispositivo central:

Topologia de rede tipo estrela (star)

Este dispositivo central geralmente é um switch / Hub / roteador que deve ser dimensionado de modo a ter portas o suficiente para a conexão da quantidade necessária de dispositivos da rede.

Em uma topologia de rede tipo estrela, quando um dispositivo precisa se comunicar com outro, a informação trafega diretamente entre eles, passando antes pelo switch / hub / roteador central, sem precisar trafegar entre outros dispositivos intermediários, como acontece na topologia tipo barramento. Esta comunicação direta se traduz em desempenho no tráfego de dados entre os dispositivos.

Vantagens da topologia de rede tipo estrela

Facilidade e baixo custo de implantação: Este tipo de topologia é fácil de implantar porque cada dispositivo precisa apenas ter um único cabo que o interliga ao dispositivo central. Esta configuração por si não demanda uma quantidade grande de cabeamento, mas se este dispositivo central e os demais forem bem distribuídos, o comprimento de cabo fica mais otimizado ainda.

Facilidade de diagnósticos / manutenção: Topologias em estrela também podem simplificar o processo de solução de problemas de desempenho de rede. Como cada dispositivo de rede se conecta a um único switch, essa topologia é fácil de gerenciar. Você pode adicionar ou remover nós facilmente do switch central sem colocar toda a rede offline. Além disso, se um cabo falhar, apenas um dispositivo será afetado, oferecendo proteção contra falhas a essas topologias.

Desvantagens da topologia de rede tipo estrela

Dependência do dispositivo central: A integridade de toda a rede depende do bom funcionamento do dispositivo central. Se este parar de funcionar, a rede também deixará de funcionar. Este fato implica que este dispositivo central deve ter um cuidado maior. Monitora-lo e gerenciá-lo central é essencial. Há algumas aplicações que utilizam switches de alimentação redundante para garantir a disponibilidade dele. Se uma alimentação falhar, ele será mantido em funcionamento pela outra. Talvez o investimento neste dispositivo central pode aumentar os custos de instalação.

Rede limitada pelo dispositivo central: Embora seja fácil adicionar novos dispositivos a topologias em estrela, é importante lembrar que o switch central terá um número limitado de portas, colocando um limite fixo no tamanho da rede.

Exemplos em que é utilizada

Talvez o exemplo mais comum em que este tipo de topologia de rede é utilizado é nas residências, onde há um dispositivo central, no caso o roteador, e diversos aparelhos conectados a ele. Na indústria ela também é muito utilizada. Talvez em processos menos complexos e pequenos, há uma única rede estrela, tendo um switch principal como ponto de conexão entre todos os aparelhos, mas geralmente a este tipo de topologia é utilizado combinado a outra topologia, caracterizando uma topologia mista.

Topologia de rede tipo árvore (Tree)

A topologia de rede tipo árvore é criada quando redes em estrelas são unidas por switches de nível hierárquico maior, formando uma estrutura com várias sub-rede estrela, formando um desenho parecido como uma árvore:

Topologia de rede tipo árvore (tree)

Vantagens da topologia de rede tipo árvore

Escalabilidade: Se uma empresa ou processo precisar de ampliar, é fácil adicionar novos dispositivos a uma “sub rede em estrela” dentro da topologia em árvore ou até mesmo adicionar uma nova rede em estrela e conectá-la ao dispositivo central. É possível até conectar uma nova sub rede a uma sub rede existente.

Solução de problemas: O layout em forma hierárquica deste tipo de topologia pode tornar intuitiva a solução de problemas, permitindo a ação pontual na análise de alguma irregularidade.

Desvantagens da topologia de rede tipo árvore

Dependência do dispositivo central: Assim como na topologia de rede em árvore, este tipo de rede depende muito dos dispositivos de níveis hierárquicos maiores que unem as sub redes. Tanto na limitação de expansão, pois dependerá da quantidade do número de portas, quanto da disponibilidade, já que danos nos dispositivos de níveis hierárquicos maiores que unem as redes irá se propagar à todas as sub redes abaixo dele.

Custo: É um tipo de topologia que irá necessitar de mais cabos, comparadas às topologias em estrela e barramento e de mais dispositivos que unem as redes, como switches, hubs e roteadores. Dependendo do tamanho da rede, é também necessária investir em softwares de gerenciamento de redes, para monitorar a performance, status e diagnósticos dos dispositivos. Estes itens entram no custo de sua implementação.

Exemplos em que é utilizada

É uma topologia muito utilizada para interconectar dispositivos que estão conectados em redes distintas e fisicamente distantes, então para unir estas redes é utilizado um dispositivo entre elas.

Como exemplo em um ambiente industrial, imagine um processo dividido em múltiplas áreas fisicamente distantes entre si. Cada área poderia ter seus dispositivos interligados entre si através de uma rede em estrela, e para unir todos os dispositivos da planta, é utilizado um switch ou roteador central:

Exemplo de topologia de rede tipo árvore

Topologia de rede tipo anel (ring)

Se o sistema precisa de redundância, então a topologia em anel deve ser considerada. Na topologia de rede tipo anel, os dispositivos são conectados um ao outro como ocorre em uma topologia de rede tipo barramento, com a diferença que o último dispositivo é conectado ao primeiro, formando assim um caminho “circular”, semelhante a um anel:

Topologia de rede tipo anel (Ring)

Embora seja mais comum vermos a utilização de switches para a formação do anel, há outros dispositivos que são utilizados, como CLPs, por exemplo, desde que as portas ethernet destes dispositivos suportem este tipo de configuração de rede.

Como a topologia de rede tipo anel trabalha?

Neste tipo de topologia há um switch principal. Este switch é quem gerencia o comportamento da rede e geralmente é chamado de gerenciador da redundância (redundancy manager) ou Root bridge. Este nome depende do protocolo de redundância implementado na configuração do anel (iremos ver logo sobre estes protocolos). Todos os demais switches são participantes do anel, porém não executam a função de gerenciamento. O switch principal ao perceber que a rede está conectada em forma de anel, seleciona um segmento da rede e o desabilita logicamente, de forma que os dados trafeguem como se fosse em uma rede tipo barramento. Este segmento fica como se fosse um segmento de backup (backup

Processo de self healing em uma topologia de rede tipo anel

Este tempo de recuperação irá depender principalmente do protocolo de redundância configurados nos switches.

Quando o segmento que teve falha voltar a operar, o switch principal irá ativá-lo novamente e desativar o segmento de backup (que havia sido ativado durante a falha), reconfigurando a rede ao seu estado inicial.

Este tipo de topologia de rede é capaz de se recuperar de uma interrupção de apenas um segmento. Se dois ou mais segmentos tiverem problemas, os dispositivos entre estas duas interrupções ficarão isolados do anel:

Topologia de rede tipo anel problemática

Protocolos de redundância e cuidados com a topologia de rede tipo anel

Embora a interligação pareça ser simples, bastando fechar um anel entre os switches, este tipo de topologia de rede requer configurações específicas nos switches, o que demanda uma mão de obra mais especializada. Não se implementa uma rede tipo em anel simplesmente saindo e ligando os switches um ao outro, sem tomar cuidado com estas configurações específicas. Se um profissional fechar a rede em anel em switches que não estão devidamente configurados, ele pode “derrubar” a rede inteira com um efeito chamado de loop de rede ou tempestade de broadcast (broadcast storm). Configurações específicas devem ser feitas nos switches para evitar este tipo de fenômeno. A principal delas é o protocolo de redundância.

O protocolo de redundância define de que forma os switches que formam o anel irão gerenciar a rede durante sua operação e como eles irão “reconfigurar” a rede em caso de interrupção de um segmento. Para isto, eles adicionam mensagens de monitoramento da integridade da rede para detectar rompimento de segmento e na ocorrência de algum, o protocolo age na reconfiguração da rede. Há vários protocolos de redundância e todos trabalham de forma similar. Não serão dados detalhes mais aprofundados sobre estes protocolos neste post, mas os protocolos mais comuns são:

RSTP: A sigla RSTP vem de Rapid Spanning Tree Protocol. É um protocolo utilizado e aceito universalmente. Ele pode ser utilizado para gerenciar redes tipo anel e tipo malha (mesh). A maioria dos switches gerenciáveis de mercado suportam o RSTP.

Hiper Ring: O nome vem de High Performance Redundancy Ring, é um protocolo considerado com “protocolo proprietário”. Isto quer dizer que apenas determinados fabricantes detém o uso dele. Ele está presente em switches da Schneider Electric e Hirschmann. O protocolo hiper ring suporta tempos de recuperação de 500ms e 300ms, em caso de falha em um segmento do anel. Diferente do RSTP, que suporta topologia de rede tipo malha e anel, este protocolo é específico para redes tipo anel.

MRP: O nome vem de Media Redundancy Protocol. É um protocolo derivado do Hiper Ring, e é muito utilizado por switches da Siemens. Também é dedicado a topologia de rede tipo anel, e possui tempo de recuperação de 500ms ou 200ms.

Vantagens da topologia de rede tipo anel

Simplicidade no design e confiabilidade: este tipo de topologia de rede é muito utilizado em sistemas em que a disponibilidade é um requisito, devido ao seu layout simples (parecido com uma rede em barramento que se fecha) e pela sua rapidez de recuperação, pois os protocolos de redundância disponíveis reconfiguram a rede em um intervalo de tempo muito curto no caso de uma interrupção de um segmento.

Fácil gerenciamento: Após instalada, é fácil de gerenciar este tipo de rede, graças a sua simplicidade física, devido a poucas conexões necessárias para se formar a rede em anel.

Desvantagens da topologia de rede tipo anel

Complexibilidade na implementação: Este tipo de rede, conforme explicado, não pode ser implementada sem ter conhecimentos de configuração de switches gerenciáveis e protocolos de redundância. Se um dispositivo sem configuração ou com configuração incorreta for inserido no anel, todo o anel irá sofrer o efeito da tempestade de broadcast (loop de rede).

Exemplos em que é utilizada

Anéis de rede ethernet são muito utilizados em sistemas que requerem alta disponibilidade. Em uma arquitetura de automação, geralmente são utilizados switches conectados uns aos outros para formar o anel e cada switch pertence a uma área. Cada área tem um controlador (CLP) que é conectado ao switch de sua respectiva área. Desta forma, o as áreas ficam interligadas formando um anel de alta disponibilidade.

Uma observação importante é que no cabeamento do anel, passa todo o fluxo de dados dos dispositivos da rede. Logo, é um link de alto tráfego de dados. Para a rede não ficar congestionada, é muito comum utilizar portas de fibra óptica dos switches para o cabeamento do anel, promovendo assim taxas de 1000Mbps (Mega bits por segundo) ou até mais, enquanto as portas RJ45 (de 10/100Mbps) são utilizadas para dispositivos participantes da rede:

Topologia de rede tipo anel – velocidades

Topologia de rede tipo anel redundante

A topologia de rede tipo anel redundante é uma variação da topologia em anel, porém com o nível de redundância elevada, já que este tipo de topologia de rede conta com um outro anel, que pode estar em paralelo ou acoplado ao anel principal. Há diferentes configurações de redundância de anel, dependendo das necessidades do projeto (técnicas e de custo), como ring coupling, Shared Switch Ring Coupling, por exemplo:

Exemplo de configurações em anéis redundantes

Entrar no mérito de explicar estes tipos de topologias já renderiam por si um post dedicado, portanto este post se limitará apenas a esta apresentação feita.

Topologia de rede tipo malha (mesh)

Outro tipo de topologia onde se tem redundância nos caminhos é a tipo malha (mesh). Neste tipo de topologia de rede, um dispositivo é conectado a vários outros dispositivos, possuindo assim duas ou mais conexões. Estes diversos caminhos que os dados podem trafegar entre os dispositivos fazem com que o layout físico desta topologia se assemelhe com uma malha:

Topologia tipo malha (mesh)

Pelo fato de oferecer vários caminhos para o tráfego de dados, a topologia de rede é mais robusta do que a topologia tipo anel. Para este tipo de topologia, da mesma forma que a topologia de rede tipo anel, é necessário fazer configurações nos switches antes de implementar a rede, com o intuito de evitar o efeito da tempestade de broadcast (loop de rede). O protocolo de redundância utilizado para este tipo de topologia é o RSTP. Assim como na topologia tipo anel, o protocolo RSTP configura logicamente quais segmentos ficarão ativos e quais serão desativados. Ele faz uma varredura na rede e avalia vários cenários de rota de fluxo de dados, e elege a rota de menor custo (mais eficiente) para o tráfego de dados entre os dispositivos.

Tomando em consideração a imagem a seguir, há 4 switches ethernet conectados uns aos outros, formando uma rede mesh. Os segmentos sólidos são os segmentos que o protocolo RSTP elegeu como segmentos principais. Os segmentos tracejados são os segmentos que o protocolo RSTP desabilitou logicamente e são considerados segmentos backups. Se um segmento principal é comprometido, o protocolo encaminha de reconfigurar a rede e criar um caminho para o tráfego de dados, habilitando um ou mais segmentos de backup, de forma a garantir a continuidade da informação:

Topologia tipo malha em operação

Outro protocolo que pode ser utilizado para este tipo de topologia é o HSR (High-availability Seamless Redundancy ou Redundância contínua de alta disponibilidade), porém é mais custoso e complexo sua implementação.

Vantagens da topologia de rede tipo malha

Robustez: O fato de possuir diversas possibilidades de rotas da informação faz com que esta rede seja tolerante a falha. Há diversas formas da rede se reconfigurar e garantir a continuidade do tráfego de dados em um evento de falha em um ou mais segmentos.

Maior tráfego de dados: Também devido ao fato de possuir vários caminhos, diversos dispositivos podem se comunicar simultaneamente, o que faz com que esta rede consiga gerenciar um tráfego maior de dados.

Facilidade na adição de novos dispositivos: É mais simples adicionar dispositivos na rede tipo mesh, já que na maioria dos casos não precisa de segmentar a rede para instalar um switch, como ocorreria em uma rede tipo anel, por exemplo.

Desvantagens da topologia de rede tipo malha

Custo: A larga quantidade de conexões entre os dispositivos faz com que este tipo de topologia de rede seja uma das mais caras a se implementar, sendo necessários mais cabeamento e switches com mais portas de comunicação.

Complexibilidade: O excesso de conexões faz com que o layout desta rede seja complexo, fazendo com que todo o ciclo de vida de engenharia (desenvolvimento, implementação, manutenção) e gerenciamento deste tipo de topologia de rede seja mais trabalhoso. É preciso ter um bom controle de mudanças na rede e uma boa documentação da arquitetura.

Overhead de informações na rede: Para gerenciar os vários caminhos de uma rede em mesh, pacotes de dados são introduzidos para monitorar o status dos caminhos (ativos e inativos). Geralmente os pacotes são leves e não pesam a rede, mas em um evento de disfunção de algum link (ou alguns) e auto reconfiguração, pode haver um aumento significativo destes pacotes.

Exemplos em que é utilizada

Este tipo de topologia é muito utilizado em sistemas wifi distribuídos e contorna os problemas de “pontos cegos” entre os dispositivos de rede, fornecendo rotas auxiliares para o fluxo de informação. Áreas onde há dispositivos móveis e obstáculos que acrescentam pontos cegos aos dispositivos são um exemplo onde este tipo de rede é utilizado.

Topologia de rede híbrida

É comum em um ambiente industrial haver a necessidade de incorporar dois ou mais tipos de topologia de rede para atender a determinados requisitos. Quando duas ou mais topologias de rede são incorporadas em uma única topologia, chamamos de topologia híbrida:

Topologia de rede tipo híbrida

A vantagem deste tipo de topologia de rede é que ela flexibiliza a arquitetura de um sistema de forma a tornar possível modelá-lo da maneira adequada, sem ficar preso a um tipo de configuração. É possível implementar diferentes topologias para diferentes tipos de aplicações.

A desvantagem deste tipo de rede, assim como nas redes em malha (mesh) é a sua complexibilidade.

Exemplos em que é utilizada

Em ambientes industriais de maior porte, dificilmente será implementado um tipo único de topologia de rede. A topologia de rede tipo híbrida é muito comum de ser implementada. Tomando como exemplo a figura a seguir:

• O link de comunicação entre os controladores é feito através de um anel de rede para reforçar a integridade de comunicação entre estes controladores;
• Para comunicar com os dispositivos do CCM, um link na configuração em barramento é lançado e passa pelos switches localizados em cada coluna deste CCM
• Os dispositivos de cada coluna são interligados ao switch destas respectivas colunas em uma configuração tipo estrela

Exemplo de Topologia de rede híbrida

E qual o melhor tipo de topologia de rede?

O protocolo de rede ethernet possibilita inúmeras possibilidades de topologia de rede. Ao especificar um tipo de topologia de rede, talvez o primeiro ponto a observar é se é necessário redundância. Caso não, topologias de rede tipo estrela, árvore, barramento e até combinação de ambas pode ser considerado. Caso a redundância seja um requisito, considere por topologias de rede tipo malha ou anel (e por que não uma combinação de anel com outras)

Conforme já dito, ocorrerá casos em que uma combinação de uma ou mais topologia será o mais adequado para o sistema e dependerá muito dos requisitos técnicos, como redundância, de custos, como os de implementação e manutenção e da performance do sistema e são estes pontos que irão definir qual a configuração mais adequada para cada sistema.

Finalizando

Há muito o que se falar quando o assunto é topologia de rede. Neste post foram introduzidos apenas conceitos básicos. Você pode ir além, consultando artigos técnicos e manuais de fabricantes de dispositivos ethernet, como Cisco, Hirschmann, Schneider Electric, Siemens etc. Quanto mais fontes você consulta, mais aprende sobre o assunto.

Como sempre, espero muito que este tempo dedicado de leitura tenha agregado algum conhecimento e valor para você. Caso sim, agradeceríamos muito se considerasse e compartilhasse, para que seja útil a mais pessoas também. Muito obrigado pela leitura, um grande abraço e até o próximo post!