REDES DE
COMPUTADORES 2
Sumário
1. Algoritmos de Roteamento...4
1.1 Princípio da Otimização...4
1.2 Roteamento pelo Caminho Mais Curto... 5
1.3 Roteamento com Vetor de Distância... 6
1.4 Roteamento por Estado de Enlace... 7
1.5 Roteamento Hierárquico... 9
1.6 Exercícios...10
2. Transmissão de Informação...11
2.1 Informação e Sinal... 11
2.2 Banda Passante...12
2.3 Taxa de Transmissão Máxima de um Canal...13
2.4 Multiplexação... 14 2.4.1 Multiplexação na Freqüência... 14 2.4.2 Multiplexação no Tempo... 15 2.5 Modulação... 15 2.5.1 PCM... 16 2.6 Comutação... 16 2.6.1 Comutação de Circuitos... 16 2.6.2 Comutação de Mensagens...17 2.6.3 Comutação de Pacotes...18
2.6.4 Comutação Rápida de Pacotes... 18
2.7 Codificação e Transmissão de Sinais Digitais em Banda Básica... 18
2.7.1 Transmissão Assíncrona...19
2.7.2 Transmissão Síncrona... 19
2.8 Técnicas de Detecção de Erros... 20
2.8.1 Paridade...20 2.8.2 CRC...21 2.8.3 Paridade Cruzada... 21 2.9 Exercícios...21 3. Meios de Transmissão... 23 3.1 Par Trançado... 23 3.2 Cabo Coaxial...24 3.3 Fibra Ótica... 25
3.4 Transmissão Sem Fio...27
3.4.1 Rádio... 27
3.4.2 Microondas...27
3.4.3 Ondas Milimétricas e Infravermelhas... 28
3.4.4 Ondas de Luz...28
3.5 Rádio Celular... 28
3.5.1 Telefones Celulares Analógicos...28
3.5.1.1 AMPS (Advanced Mobile Phone System)... 28
3.6 Satélite... 29
3.6.1 Satélites de Baixa Órbita...30
3.7 Exercícios...30
4. Camada de Enlace de Dados...31
4.1 Serviços Oferecidos à Camada de Rede... 31
4.3 Controle de Erros... 33
4.4 Controle de Fluxo... 33
4.5 Exemplos de Protocolos de Enlace de Dados... 34
4.5.1 HDLC (High-level Data Link Control)... 34
4.5.2 A Camada de Enlace de Dados na Internet... 35
4.5.2.1 SLIP (Serial Line IP)... 35
4.5.2.2 PPP (Point to Point Protocol)... 36
4.6 Subcamada de Acesso ao Meio...36
4.6.1 Alocação de Canais... 37
4.6.2 Protocolos de Acesso Múltiplo... 37
4.6.2.1 Aloha... 37
4.6.2.2 CSMA (Carrier Sense Multiple Access)... 38
4.6.3 Protocolos de Acesso Ordenado...40
4.6.3.1 Polling... 40
4.6.3.2 Slot...41
4.6.3.3 Inserção de Retardo... 41
4.6.3.4 Passagem de Permissão... 42
4.6.4 Protocolos para Redes Sem Fio...43
4.6.4.1 MACA e MACAW... 43
4.7 Exercícios...44
5. Padrões para os Níveis Físico e de Enlace...46
5.1 O Padrão IEEE 802...46
5.2 IEEE 802.3 (CSMA/CD)... 47
5.2.1 Sintaxe do Protocolo da Camada MAC... 47
5.2.2 Semântica do Protocolo da Camada MAC...47
5.2.3 Camada Física... 48 5.2.3.1 Especificação 10BASE5...48 5.2.3.2 Especificação 10BASE2...49 5.2.3.3 Especificação 10BASE-T...50 5.2.3.4 Especificação 10BASE-F... 50 5.2.4 Cabeamento...51
5.3 IEEE 802.3u (Fast Ethernet)... 51
5.4 IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet)... 53
5.5 IEEE 802.11 (LAN Sem Fio)...54
5.5.1 Camada Física... 54 5.5.2 Subcamada MAC... 54 5.5.3 Arquitetura... 55 5.6 IEEE 802.2 (LLC)...56 5.6.1 Multiplexação...56 5.6.2 Classes de Serviços... 57 5.7 Exercícios...57 6. Protocolos de Switching... 58 6.1 Pontes Transparentes... 58
6.1.1 Pontes Spanning Tree...59
6.2 Pontes de Mídia Misturada... 60
6.3 Pontes com Roteamento na Origem...60
6.4 Switches Ethernet... 61
6.5 Exercícios...62
1. Algoritmos de Roteamento
A principal função da camada de rede é rotear pacotes da máquina origem para a máquina destino da melhor forma possível. Na maioria dos casos os pacotes necessitarão de vários hops (saltos entre roteadores) para chegar ao seu destino.
O algoritmo de roteamento é a parte do software da camada de rede responsável pela decisão sobre qual linha de saída a ser usada na transmissão do pacote de entra. Se a sub-rede utilizar datagramas internamente, esta decisão deverá ser tomada para todos os pacotes de dados recebidos. Se a sub-rede utilizar circuitos virtuais internamente, as decisões de roteamento serão tomadas somente quando o circuito virtual estiver sendo estabelecido.
Independente do tipo de serviço utilizado, existem determinadas propriedades que são desejáveis em um algoritmo de roteamento:
• Correção – sempre convergir para rotas corretas. • Simplicidade – ser de fácil entendimento.
• Robustez – continuar funcionando mesmo em presença de falhas de hardware. • Estabilidade – convergir para um estado de equilíbrio.
• Eqüidade – hosts devem receber fatias justas de tráfego. • Otimização – conseguir a maior vazão possível na sub-rede.
Embora a eqüidade e a otimização possam parecer óbvias, elas possuem objetivos contraditórios.
Os algoritmos de roteamento podem ser agrupados em adaptativos e não-adaptativos. Os
algoritmos não-adaptativos não baseiam suas decisões de roteamento em medidas ou estimativas
do tráfego e da topologia atuais. A escolha da rota a ser utilizada é previamente calculada e transferida para os roteadores quando a rede é inicializada. Tal procedimento também é conhecido como roteamento estático.
Os algoritmos adaptativos mudam suas decisões de roteamento para refletir mudanças na topologia e/ou no tráfego. Tal procedimento também é conhecido como roteamento dinâmico.
1.1 Princípio da Otimização
O princípio da otimização estabelece que, se o roteador B estiver no caminho ótimo entre o roteador A e o roteador C, o caminho ótimo de B a C também estará na mesma rota.
Como conseqüência direta do princípio da otimização, pode-se observar que o conjunto de rotas ótimas de todas as origens para um determinado destino forma uma árvore com raiz no destino. Uma árvore como essa é chamada de árvore de escoamento (sink tree), e como toda árvore, representa uma topologia livre de loops. A figura abaixo mostra um exemplo de uma árvore se escoamento para uma rede. O objetivo de todos os algoritmos de roteamento é descobrir e utilizar as árvores de escoamento em todos os roteadores.
Na prática existem complicações. Enlaces e roteadores podem parar e voltar durante a operação, e diferentes roteadores podem ter diferentes idéias sobre a topologia atual. Além disso, cada roteador deve obter individualmente as informações sobre a base do cálculo de sua árvore de escoamento ou obter estes dados de algum outro meio.
1.2 Roteamento pelo Caminho Mais Curto
O protocolo de roteamento pelo caminho mais curto é um protocolo estático cuja idéia é criar um grafo da sub-rede, com cada nó do grafo representando um roteador e cada arco indicando um enlace. Para escolher uma rota entre um determinado par de roteadores, o algoritmo simplesmente encontra o caminho mais curto entre eles no grafo.
Uma forma de medir o comprimento do caminho é em número de hops (número de enlaces que devem ser utilizados). Utilizando essa unidade métrica na figura acima, os caminhos ABC e ABE são igualmente longos. Uma outra unidade métrica é a distância geográfica, caso em que ABC é mais longo que ABE.
Outra unidade métrica é baseada no tráfego nos enlaces. Nesse grafo, o caminho mais curto é o caminho mais rápido, e não o caminho com menos arcos ou com menor distância.
Os valores dos arcos podem ser calculados como uma função da distância, da largura de banda, do tráfego médio, do custo de comunicação, do comprimento médio de fila, do retardo detectado e de outros fatores. Alterando a função de atribuição de pesos, o algoritmo calcularia o caminho mais curto medido de acordo com determinados critérios que podem ser ou não combinados.
Existem diversos algoritmos para o cálculo do caminho mais curto. O mais conhecido deles foi desenvolvido por Dijkstra em 1959, onde cada nó é rotulado (entre parênteses) por sua distância até o nó de origem ao longo do menor caminho conhecido até então. Inicialmente nenhum caminho é conhecido e todos os nós são rotulados com infinito. A medida que o algoritmo prossegue e os caminhos são encontrados, os valores podem mudar, refletindo melhores caminhos. Um valor pode ser provisório ou permanente.
Para encontrar o caminho mais curto de A até D marca-se o nó A como permanente, o que é indicado por um círculo preenchido. Depois é examinado, um a um, cada nó adjacente a A alterando o rótulo de cada um deles para a distância até A. Sempre que um nó é rotulado novamente, ele também é rotulado com o nó a partir do qual o teste foi feito; assim, pode-se reconstruir o caminho final posteriormente. Após examinar cada nó adjacente a A verifica-se todos os nós provisoriamente rotulados no grafo tornando permanente o de menor rótulo, que passa a ser o novo nó ativo.
O próximo a ser verificado deve ser o nó B. Examina-se todos os nós adjacentes a ele. Se a soma do valor de D e a distância entre B e o nó que está sendo considerado for inferior ao valor desse nó, este será um caminho mais curto e, portanto, o nó será rotulado novamente.
1.3 Roteamento com Vetor de Distância
O roteamento com vetor de distância é um algoritmo dinâmico que opera fazendo com que cada roteador mantenha uma tabela que fornece a melhor distância conhecida a cada destino e determina qual linha deve ser utilizada para se chegar lá. Essas tabelas são atualizadas através da troca de informações com os vizinhos.
O algoritmo de roteamento com vetor de distância recebe também outros nomes. Trata-se do algoritmo de roteamento ARPANET original que também foi utilizado na Internet com o nome RIP. Alguns roteadores utilizam protocolos com vetor de distância mais aperfeiçoados.
Cada roteador mantém uma tabela de roteamento indexada por cada roteador da sub-rede. Cada entrada contém duas partes: a linha de saída preferencial a ser utilizada para esse destino e uma estimativa do tempo ou distância até o destino. A unidade métrica utilizada pode ser o número de hops, o retardo de tempo, o número total de pacotes enfileirados no caminho ou algo semelhante.
Presume-se que o roteador conheça a distância até cada um de seus vizinhos. Se a unidade métrica for o hop, a distância será de apenas um hop. Se a unidade métrica for o comprimento da fila, o roteador examinará cada uma das filas. Se a unidade métrica for o retardo, o roteador poderá medi-lo com pacotes ECHO que o receptor exibe e retransmite o mais rápido possível.
O processo de atualização das tabelas de roteamento é mostrado na figura acima. A parte (a) mostra uma sub-rede. As quatro primeiras colunas da parte (b) mostram os vetores de retardo recebidos dos vizinhos do roteador J. A alega ter um retardo de 12 ms até B, um retardo de 25 ms até C, um retardo de 40 ms até D, etc. Supondo que J tenha medido ou estimado seu retardo para seus vizinhos, A, I, H e K, como 8, 10, 12 e 6 ms, respectivamente.
Como J calcula sua nova rota para o roteador G? Ele sabe que pode chegar a A em 8 ms e A alega ser capaz de chegar a G em 18 ms; portanto, J sabe que pode contar com um retardo de 26 ms para G se encaminhar pacotes de G para A. Da mesma forma, ele calcula o retardo para G via I, H e K como 41 (31+10), 18 (6+12) e 37 (31+6) ms, respectivamente. O melhor desses valores é 18; portanto, será criada uma entrada na tabela de roteamento em que o retardo para G seja de 18 ms e em que a rota a ser utilizada passe por H. O mesmo cálculo é feito para todos os outros destinos, com a nova tabela de roteamento mostrada na última coluna da figura.
1.4 Roteamento por Estado de Enlace
O roteamento com vetor de distância era utilizado na ARPANET até 1979, quando então foi substituído pelo roteamento por estado de enlace. Essa substituição foi basicamente motivada por dois problemas. Primeiro, a unidade métrica de retardo era o comprimento de fila, não se levando em conta a largura de banda. Segundo, o algoritmo geralmente levava muito tempo para convergir.
A idéia do roteamento por estado de enlace é simples. Cada roteador deve: 1. Descobrir seus vizinhos e aprender seus endereços de rede.
2. Medir o retardo ou o custo para cada um de seus vizinhos. 3. Criar um pacote que diga tudo o que acaba de ser aprendido. 4. Enviar esse pacote a todos os outros roteadores.
5. Calcular o melhor caminho para cada um dos outros roteadores.
Assim, a topologia completa e todos os retardos são medidos e distribuídos para cada roteador. Em seguida, o algoritmo de Dijkstra pode ser usado para encontrar o caminho mais curto.
Determinação dos Vizinhos
Quando um roteador é inicializado, ele envia um pacote HELLO em cada linha. O roteador da outra extremidade envia de volta uma resposta identificando-se. Esses nomes devem ser globalmente exclusivos.
Quando mais de dois roteadores são conectados por uma LAN é preciso introduzir um artifício. A figura (a) abaixo ilustra uma LAN para a qual três roteadores (A, C e F) são diretamente conectados, e cada um desses roteadores é conectado a um ou mais roteadores adicionais.
Uma forma de modelar a LAN é considerá-la como um nó, como mostra a figura (b). Nela é introduzido um nó artificial N, ao qual A, C e F são conectados.
Medição do Custo da Linha
A forma mais simples de determinar o retardo é enviar um pacote ECHO pela linha, que o outro lado deve transmitir de volta imediatamente. Medindo o tempo de ida e volta e dividindo-o
por dois, o roteador pode obter uma estimativa razoável do retardo. Para obter resultados melhores pode-se fazer o teste mais de uma vez e usar a média.
Criação de Pacotes por Estado de Enlace
O pacote começa com a identidade do transmissor, seguida do número de seqüência, da idade, e de uma lista de vizinhos. É fornecido o retardo referente a cada vizinho. Um exemplo de sub-rede é ilustrado na figura abaixo, sendo os retardos mostrados através de linhas. Os pacotes de estado de enlace correspondentes a todos os seis roteadores também são mostrados na figura.
Pode-se criá-los periodicamente ou criá-los durante a ocorrência de algum evento significativo, como uma linha ou um vizinho que sai do ar, entra no ar, ou altera suas propriedades.
Distribuição dos Pacotes de Estado de Enlace
A medida que os pacotes são distribuídos e instalados, os roteadores que obtiverem os primeiros pacotes mudarão suas rotas. Conseqüentemente, os diferentes roteadores podem estar usando diferentes versões da topologia, o que pode levar a inconsistências, loops, máquinas inatingíveis e outros problemas.
A idéia fundamental para distribuição é usar a inundação de pacotes para distribuir os pacotes por estado de enlace. Para manter o controle do processo, cada pacote contém um número de seqüência que é incrementado para cada pacote enviado. Quando é recebido, o novo pacote de estado de enlace é conferido na lista de pacotes já verificados. Se for novo, o pacote será encaminhado a todas as linhas, menos para aquela em que chegou. Se for uma cópia, o pacote será descartado. Se for recebido um pacote com número de seqüência inferior ao mais alto detectado até o momento, ele será rejeitado.
Alguns problemas podem ocorrer com este algoritmo da forma como está definido. Primeiro, se os números de seqüência se repetirem haverá problemas. A solução é usar um número de seqüência de 32 bits. Com um pacote de estado de enlace por segundo, seriam necessários 137 anos para um número se repetir.
Segundo, se um roteador apresentar falha, ele perderá o controle de seu número de seqüência. Terceiro, se um número de seqüência for adulterado e o número 65.540 for recebido no lugar de 4 (erro de 1 bit),os pacotes de 5 a 65.540 serão considerados obsoletos.
A solução para esses problemas é incluir a idade de cada pacote após o número de seqüência e decrementá-la uma vez por segundo. Quando a idade atingir zero, as informações desse roteador serão descartadas. O campo de idade é também decrementado por cada roteador durante o processo inicial de flooding para garantir que nenhum pacote será perdido e viverá por um período indefinido (um pacote cuja idade seja zero é descartado).
Alguns aprimoramentos nesse algoritmo o tornam mais robusto. Quando um pacote de estado de enlace chega a um roteador para o processo de flooding, ele não é imediatamente enfileirado para transmissão. Em vez disso, ele é colocado em uma área de retenção para aguardar um pouco. Se outro pacote de estado de enlace da mesma origem chegar antes, seus números de seqüência serão comparados. Se forem iguais, a cópia será descartada. Se forem diferentes, o mais antigo será descartado. Para evitar erros nas linhas roteador-roteador, todos os pacotes de estado de enlace são confirmados.
A estrutura de dados utilizada pelo roteador B da figura anterior é mostrada na figura abaixo. Cada linha corresponde a um pacote de estado de enlace recém recebido, mas ainda não totalmente processado. A tabela registra a origem do pacote, seu número de seqüência, idade e os dados correspondentes. Além disso, há flags de transmissão e confirmação para cada uma das três linhas de B (para A, C e F, respectivamente). Os flags de transmissão significam que o pacote deve ser enviado na linha indicada. Os flags de confirmação significam que deve ser confirmado ali.
Flag de
transmissão confirmaçãoFlag de
Origem Seq. Idade A C F A C F Dados
A 21 60 0 1 1 1 0 0
F 21 60 1 1 0 0 0 1
E 21 59 0 1 0 1 0 1
C 20 60 1 0 1 0 1 0
D 21 59 1 0 0 0 1 1
No exemplo, o pacote de estado de enlace de A chegou diretamente; portanto, ele deve ser enviado para C e F e confirmado para A, como indicado pelos bits de flag. Da mesma forma, o pacote vindo de F deve ser encaminhado para A e C e confirmado para F.
Entretanto, a situação com o terceiro pacote, proveniente de E, é diferente. Ele chegou duas vezes, uma vez através de EAB e outra através de EFB. Conseqüentemente, ele só precisa ser enviado para C, mas confirmado para A e F.
Se uma cópia for recebida enquanto o original ainda estiver no buffer, os bits deverão ser alterados. Por exemplo, se uma cópia do estado de C chegar de F antes de a quarta entrada da tabela ter sido encaminhada, os seis bits serão alterados para 100011, já que o pacote precisará ser confirmado para F e não há a necessidade de seu envio.
Cálculo das Novas Rotas
Uma vez que um roteador tenha acumulado um conjunto completo de pacotes de estado de enlace, ele poderá criar o grafo completo da sub-rede. Agora o algoritmo de Dijkstra pode ser executado localmente para criar o caminho mais curto.
No caso de uma sub-rede com n roteadores, cada qual com k vizinhos, a memória necessária para armazenar os dados de entrada é proporcional a k×n. No caso de sub-redes de grande porte isso pode ser um problema. O tempo de cálculo também pode ser de grande importância.
Entretanto, problemas com o hardware e com o software podem ocorrer com esse algoritmo. Se um roteador alegar ter uma linha que não possui, ou se esquecer de uma linha que tem, o gráfico da sub-rede ficará incorreto. Se um roteador falhar na hora de encaminhar pacotes ou danificá-los, haverá problemas. Por fim, se a memória do roteador se esgotar ou se ele calcular o roteamento de forma incorreta, as falhas serão inúmeras.
1.5 Roteamento Hierárquico
Conforme as redes aumentam de tamanho, as tabelas de roteamento crescem proporcionalmente. Em um determinado momento, a rede pode crescer até um ponto em que não é mais é viável que todos os roteadores tenham uma entrada para todos os outros roteadores. Portanto, o roteamento terá de ser feito hierarquicamente.
Quando o roteamento hierárquico é utilizado, os roteadores são divididos em regiões, com cada roteador conhecendo todos os detalhes sobre como rotear pacotes para destinos dentro de sua própria região, mas sem conhecer a estrutura interna de outras regiões. No caso de redes muito grandes uma hierarquia de dois níveis pode ser insuficiente, sendo necessário agrupar as regiões em
clusters, os clusters em zonas, as zonas em grupos, etc.
A figura abaixo dá um exemplo quantitativo do roteamento em uma hierarquia de dois níveis com cinco regiões. A tabela de roteamento completa do roteador 1A tem 17 entradas, enquanto quando o roteamento é feito hierarquicamente são necessárias apenas 7 entradas. Mas este tipo de roteamento implica em um provável aumento do caminho para alguns hosts.
1.6 Exercícios
1) Para que serve o roteamento?
2) Qual a diferença entre algoritmos de roteamento não-adaptativos (estáticos) e algoritmos de roteamento adaptativos (dinâmicos)?
3) O roteamento com vetor de distância precisa conhecer a topologia de toda a sub-rede para encontrar o melhor caminho?
4) O roteamento por estado de enlace precisa conhecer a topologia de toda a sub-rede para encontrar o melhor caminho?
5) Cite uma diferença entre o roteamento com vetor de distância e o roteamento por estado de enlace.
6) Considere na sub-rede da figura abaixo que todos os enlaces possuem peso 1. Enumere as melhores rotas de A até F com seus respectivos pesos.
7) Explique sucintamente como funciona o roteamento por estado de enlace.
2. Transmissão de Informação
As propriedades físicas de meios de transmissão e as características dos sinais transmitidos apresentam uma série de questões tecnológicas que influenciam na construção e no projeto de redes de computadores.
2.1 Informação e Sinal
Comunicação é o ato de transmitir informações. Ao transmitir informações espera-se
preservar seu significado e recuperar seu entendimento para permitir a sua manipulação. Um processo de comunicação admite a existência de um código ou linguagem capaz de representar informações através de símbolos compreensíveis para as partes envolvidas.
Informação é a idéia ou dado trabalhado pelos agentes que as criam, manipulam e processam. Sinais nada mais são do que ondas que se propagam através de algum meio físico. São a
materialização da informação no momento da transmissão e podem ser classificados como
analógicos ou digitais.
Os termos analógico e digital correspondem à variação contínua e discreta respectivamente. Esses termos são freqüentemente utilizados no contexto de comunicação de dados para qualificar tanto a natureza das informações quanto a característica dos sinais utilizados para a transmissão através de meios físicos.
Computadores são equipamentos que armazenam, processam e codificam informações em bits que correspondem a dois níveis discretos de tensão ou corrente, representando os valores lógicos “0” ou “1”. Chama-se esse tipo de informação de digital. Informações geradas por fontes sonoras apresentam variações contínuas de amplitude, constituindo-se no tipo de informação denominada de analógica
Os sinais também podem ser classificados como sinais analógicos e sinais digitais. Sinais analógicos variam continuamente com o tempo.
Sinais digitais caracterizam-se pela presença de pulsos nos quais a amplitude é fixa. O sinal é construído através de uma seqüência de intervalos de tamanho fixo iguais a T segundos, chamados intervalos de sinalização, durante os quais a amplitude do sinal permanece fixa, caracterizando um dos símbolos digitais transmitidos
Qualquer tipo de informação, seja analógica ou digital, pode ser transmitida através de um sinal analógico ou digital. Amostragem é a técnica pela qual os sinais analógicos são transmitidos em um meio digital, enquanto modulação é a técnica pela qual os sinais digitais são transmitidos em um meio analógico.
O bit é a unidade básica de informação dos computadores digitais. Para sua transmissão são necessários apenas dois símbolos, que podem ser facilmente representados por dois níveis dos sinais
digitais. Porém é possível se obter mais de dois níveis com sinais digitais, podendo-se atribuir mais de um bit a cada nível do sinal. Com 4 símbolos é possível transmitir sinais equivalentes a 2 bits (dibit). Com 8 símbolos é possível transmitir sinais equivalentes a 3 bits (tribit). Com 2n símbolos é
possível transmitir sinais equivalentes a n bits.
Do ponto de vista do meio de transmissão, em um meio capaz de transmitir L símbolos pode-se codificar log2L bits.
Transmitir sinais digitais trás vantagens, pois como os níveis que um sinal pode ter são conhecidos, possíveis distorções que ocorrerem durante uma transmissão podem ser corrigidas no momento da recepção. Assim o sinal percebido na recepção será exatamente o mesmo transmitido. Como sinais analógicos podem ter qualquer amplitude, tais correções não podem ser aplicadas a eles.
2.2 Banda Passante
Fourier (século XIX): “Qualquer sinal periódico g(t) com período T0 pode ser considerado
como uma soma de senos e cossenos de diversas freqüências”.
onde f = 1/T0 = freqüência fundamental do sinal.
Um sinal com período T0 tem componentes de freqüências 0, f, 2f, 3f, e assim por diante, onde
f é a freqüência fundamental. Cada componente é um harmônico do sinal com as respectivas
amplitudes an e bn, e freqüências nf para o seno e o cosseno.
As análises consideram que o sinal estudado é um sinal periódico, mas os sinais que são encontrados nas transmissões de informação não costumam ser periódicos. Para tanto, considera-se que os sinais para transmissão de dados têm uma duração limitada e imagina-se que está se lidando com um sinal periódico, cuja representação no tempo durante um período é igual ao sinal original. Dessa forma é criado um sinal periódico a partir do sinal de interesse. Fazendo isso e admitindo que o período tem tamanho infinito, chega-se às fórmulas que representam a Transformada de Fourier, análoga à série de Fourier para sinais não periódicos. A transformada de Fourier G(f) de uma função
g(t) é dada por:
A banda passante de um sinal é o intervalo de freqüências que compõem este sinal. A
largura de banda desse sinal é o tamanho de sua banda passante (a diferença entre a maior e a
Um pulso retangular como uma função s(t) do tempo tem o respectivo espectro de freqüências
S(f) obtido através da transformada de Fourier. Observa-se que um pulso retangular (unidade básica
para transmissão de sinais digitais em sua forma original) é um sinal com largura de banda infinita, cujas componentes de maior importância situam-se em torno de 0 Hz.
Nenhum meio de transmissão é capaz de transmitir sinais sem que hajam perdas de energia durante o processo. A característica dos meios de transmissão é a de provocar perdas nos diversos sinais componentes em diferentes proporções, provocando a distorção do sinal resultante transmitido. O meio de transmissão atua como um filtro sobre o sinal, que sofrerá uma perda em cada uma de suas componentes de acordo com a curva característica do ganho daquele meio físico, ocasionando distorções no sinal resultante.
A medida que a largura de banda do meio vai se tornando mais estreita, atingem-se situações onde a recepção correta do sinal transmitido se torna impossível. Apesar das distorções ocasionadas pela banda passante limitada do meio físico, existe uma banda mínima a partir da qual é possível recuperar a informação sem erros.
A largura de banda do sinal digital depende do tamanho T dos pulsos (o intervalo de sinalização); em outras palavras: depende da velocidade em bits por segundo (bps) do sinal.
Qual a banda passante W necessária para se transmitir um sinal digital de 1/T bps? Ou, de forma inversa: quantos bits por segundo podemos transmitir em um meio físico cuja largura de banda é de W Hz?
2.3 Taxa de Transmissão Máxima de um Canal
Em 1928, H. Nyquist provou que se um sinal arbitrário é transmitido através de um canal sem ruído com largura de banda W Hz, o sinal resultante da filtragem pode ser completamente reconstruído pelo receptor através da amostragem do sinal transmitido, a uma freqüência de apenas
2W vezes por segundo. Amostrar com freqüência maior que 2W Hz seria desperdício porque as
componentes de freqüência maiores já foram filtradas no canal.
Para sinais digitais, isso corresponde a dizer que o número de transições de um nível de amplitude para outro no sinal original não pode ser maior do que 2W vezes por segundo. Em outras palavras, através de um canal de largura de banda igual a W Hz, pode-se transmitir um sinal digital
de no máximo 2W bauds.
Como 1 baud = log2L bps (onde L é o numero de níveis utilizado na codificação), então a
capacidade C do canal na ausência de ruído é dada por
C = 2 W log
2L bps
Em 1948 Shannon mostrou que em um canal com ruído, cuja relação sinal ruído (S/N) é medida em decibéis, a capacidade máxima de um canal é dada por
C = W log
2(1+S/N)
2.4 Multiplexação
Sempre que a banda passante de um meio físico for maior ou igual à banda passante necessária para um sinal, podemos utilizar este meio para a transmissão do sinal. Mas se a banda passante do meio for muito maior que a do sinal a ser transmitido haverá um desperdício. Existe alguma forma de utilizar esta banda passante que sobra para a transmissão de um outro sinal simultaneamente?
A técnica que permite a transmissão de mais de um sinal em um mesmo meio físico é denominada multiplexação. Existem duas formas básicas de multiplexação: a multiplexação na freqüência (Frequency Division Multiplexing - FDM) e a multiplexação no tempo (Time Division
Multiplexing - TDM).
2.4.1 Multiplexação na Freqüência
Para alojar mais de um sinal em um determinado meio passa-se um filtro em cada um dos sinais de forma a preservar somente a faixa relativa à banda passante necessária a cada um, para alojar esses sinais na forma desejada sem que um interfira no outro. O passo seguinte é deslocar a faixa de freqüências original dos sinais de forma que eles passem a ocupar faixas disjuntas, sem sobreposição.
Técnicas que permitem esse deslocamento ou shift de freqüências são conhecidas e denominadas técnicas de modulação. Dessa forma, os sinais podem ser transmitidos no meio físico, cada um deles ocupando uma banda ou canal distinto com tamanho necessário para a sua transmissão.
Um receptor que deseje recuperar um sinal transmitidos numa linha multiplexada na freqüência, deverá conhecer a faixa de freqüências que está sendo utilizada para a sua transmissão.
Dessa forma, ele poderá deslocar o sinal recebido para fazer o sinal desejado ocupar novamente a sua faixa original (de 0 a n Hz). O sinal demodulado pode a seguir ser filtrado para conter somente o sinal original.
2.4.2 Multiplexação no Tempo
A multiplexação na freqüência apesar de muito eficiente não é facilmente manipulada por um computador. Já a multiplexação no tempo pode ser tratada diretamente por componentes digitais, mas somente para dados digitais.
A multiplexação por divisão do tempo (Time Division Multiplexing - TDM) se beneficia do fato de que a capacidade (em quantidade de bits por segundo) do meio de transmissão, em muitos casos, excede a taxa média de geração de bits das estações conectadas ao meio físico. Quando isso ocorre, vários sinais podem ser transportados por um único caminho físico, intercalando-se porções de cada sinal no tempo. A multiplexação no tempo pode ser classificada em síncrona ou assíncrona.
No TDM síncrono (ou simplesmente TDM), o domínio do tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo T chamados frames; cada frame é subdividido em N subintervalos {t1, ..., tn}
denominados slots ou segmentos, que formam uma partição dos frames que, por sua vez, formam uma partição do tempo infinito.
Denomina-se canal ao conjunto de todos os segmentos, um em cada frame, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames. Diferentes canais não precisam, necessariamente, ter o mesmo tamanho.
No TDM síncrono, quando um canal é alocado, estabelece-se uma conexão que permanece dedicada à estação transmissora até o momento em que ela resolva desfazê-la. Essa forma de chaveamento é denominada chaveamento de circuitos. Quando uma estação que alocou um canal não estiver transmitindo (ou a taxa de transmissão for menor do que a taxa assegurada pelo canal), tem-se um desperdício de capacidade do meio físico, já que o canal alocado não pode ser utilizado por qualquer outra estação até o momento da desconexão.
No TDM assíncrono (também conhecido por TDM estatístico ou STDM - Statistical TDM) não há alocação de canal nem estabelecimento de conexão. Parcelas de tempo são alocadas dinamicamente de acordo com a demanda das estações. Em compensação, no TDM assíncrono cada unidade de informação transmitida deve sempre conter um cabeçalho com os endereços de origem e de destino.
2.5 Modulação
Modulação é o processo de variação de amplitude, intensidade, freqüência, comprimento e/ou da fase de onda numa onda de transporte, que deforma uma das características de um sinal portador variando proporcionalmente ao sinal modulador. É o processo no qual a informação a ser transmitida é transformada em sinais mais apropriados à transmissão, de tal forma que poderá ser recuperada na outra parte através de um processo reverso chamado demodulação.
2.5.1 PCM
A transmissão digital é, em geral, mais vantajosa do que a analógica devido, principalmente, à possibilidade de restauração do sinal original mesmo na presença de falhas ou ruídos no sistema.
Os dispositivos capazes de codificar informações analógicas em sinais digitais são denominados CODECs (CODer/DECoder). A principal técnica utilizada pelos CODECs é denominada Pulse Code Modulation (PCM).
A técnica PCM é baseada no teorema de Nyquist, que assegura que uma taxa de amostragem de 2W vezes por segundo é o suficiente para recuperar o sinal com banda passante W Hz. Utilizando uma taxa de amostragem maior ou igual a 2W, o sinal original é amostrado e, a cada amostra, associa-se um valor proporcional à amplitude do sinal naquele ponto. Este processo é conhecido como Pulse Amplitude Modulation (PAM).
A partir dos pulsos PAM, podemos produzir os pulsos PCM através de um processo conhecido como quantização, onde cada amostra PAM é aproximada a um inteiro de n bits. A saída PCM corresponde ao resultado dessa quantização.
Podemos calcular, a partir desse processo, a taxa gerada pela transmissão de informação analógica através de sinais digitais. Considere o caso de sinais de voz, por exemplo. Se assumirmos que a banda passante necessária desses sinais tem largura igual a 4.000 Hz, a taxa de amostragem de Nyquist é, neste caso, igual a 8.000 amostras por segundo. Se escolhermos essa taxa e codificarmos cada amostra com oito bits, a taxa gerada será 8.000 x 8 = 64 Kbps.
2.6 Comutação
A função de comutação (ou chaveamento) em uma rede de comunicação refere-se à alocação dos recursos da rede para a transmissão pelos diversos dispositivos conectados. A alocação desses recursos está intimamente relacionada com a forma de multiplexação dos meios de transmissão.
2.6.1 Comutação de Circuitos
A comunicação via comutação de circuitos pressupõe a existência de um caminho dedicado de comunicação entre duas estações. A comunicação via comutação de circuitos envolve três fases:
1. Estabelecimento do circuito 2. Transferência de informação 3. Desconexão do circuito
Na fase de estabelecimento do circuito uma mensagem de controle é enviada ao destino. Conforme ela vai sendo roteada, um caminho vai sendo alocado. Quando essa mensagem de controle atinge o nó de destino um caminho foi totalmente alocado e uma mensagem de controle de confirmação é enviada de volta ao nó de origem, já utilizando o circuito alocado pela primeira mensagem. A partir daí, as estações podem se comunicar através do circuito estabelecido, até o momento em que uma das estações decida terminar a conexão.
Na comutação de circuitos o caminho alocado durante a fase de estabelecimento do circuito permanece dedicado àquelas estações até que uma delas decida desfazer o circuito. Isso significa que, caso o tráfego entre as estações não seja constante e contínuo, a capacidade do meio físico será desperdiçada. Em compensação, existe a garantia de que uma taxa de transmissão está sempre disponível quando as estações desejam se comunicar, pois não há contenção alguma de recursos.
O caminho dedicado entre a origem e o destino pode ser:
• Um caminho físico formado por uma sucessão de enlaces físicos (chaveamento espacial ou físico)
• Uma sucessão de canais de freqüência alocados em cada enlace (chaveamento de freqüências)
• Uma sucessão de canais de tempo alocados em cada enlace (chaveamento do tempo)
2.6.2 Comutação de Mensagens
Na comutação de mensagens, se uma estação deseja transmitir uma mensagem, ela adiciona o endereço de destino a essa mensagem que será então transmitida pela rede de nó em nó. Em cada nó, a mensagem inteira é recebida e o próximo caminho da rota é determinado com base no endereço contido na mensagem. Assim, uma mensagem caminha de nó em nó pela rede utilizando apenas um canal por vez, sendo armazenada e retransmitida em cada nó (processo conhecido como
Algumas características da comutação de mensagens em relação à comutação de circuitos: • O aproveitamento das linhas de comunicação é maior, já que os canais podem ser
compartilhados por várias mensagens ao longo do tempo.
• Quando o tráfego se torna alto em uma rede de comutação de circuitos, pedidos de novas conexões podem ser recusados devido à falta de recursos ou caminhos livres. As mensagens são sempre aceitas em uma rede de comutação de mensagens.
• O tempo de transferência é que aumenta devido às filas que as mensagens encontrarão em cada nó de comutação da rede.
2.6.3 Comutação de Pacotes
A comutação de pacotes é semelhante à comutação de mensagens. A principal diferença está no fato de que o tamanho da unidade de dados transmitida na comutação de pacotes é limitado. Mensagens com tamanho acima de um limite devem ser quebradas em unidades menores denominadas pacotes. Pacotes de uma mesma mensagem podem estar em transmissão simultaneamente pela rede em diferentes enlaces, o que pode reduzir o atraso de transmissão total de uma mensagem. A técnica de comutação de pacotes é também uma técnica store-and-forward.
2.6.4 Comutação Rápida de Pacotes
O maior problema encontrado em redes de comutação de pacotes reside nos altos atrasos gerados pela rede devido ao grande processamento efetuado pelos nós intermediários. Cada nó recebe pacotes, armazena-os, processa algoritmos de detecção e controle de erro e de fluxo nos enlaces a que está ligado, toma decisões de roteamento, espera que o enlace de destino esteja livre, para então encaminhar o pacote ao próximo nó. Algumas propostas para melhorar a performance de redes de comutação de pacotes surgiram e têm sido utilizadas. Todas elas baseiam-se na idéia de diminuir o processamento dos nós de comutação no interior da rede, diminuindo principalmente os controles de erro e de fluxo feitos nos enlaces. Estas técnicas são comumente denominadas de Comutação Rápida de Pacotes (Fast Packet Switching).
2.7 Codificação e Transmissão de Sinais Digitais em Banda Básica
A codificação de sinais em banda básica mais conhecida é denominada codificação NRZ (Non
Return to Zero), onde há a presença de dois níveis de tensão ou corrente, cada qual representando
um dos dois símbolos digitais (0 ou 1).
Neste esquema é definido um intervalo de sinalização durante o qual o sinal permanece inalterado de forma a caracterizar o bit transmitido. O receptor deve procurar amostrar o sinal
recebido no meio deste intervalo, onde o sinal já se encontra estável, de forma a reconhecer o nível de tensão ou corrente correto. Para uma amostragem correta, receptor e transmissor precisam ter relógios ajustados (sincronizados).
Pode-se adotar duas estratégias básicas para lidar com esse problema de sincronismo dos relógios: a transmissão assíncrona e a transmissão síncrona.
2.7.1 Transmissão Assíncrona
Na transmissão assíncrona, admite-se que a referência de tempo de transmissor e receptor não é única, apenas próxima, e tenta-se lidar com essas diferenças. A técnica de codificação de dados utilizada nesta solução é usualmente a NRZ.
No receptor, utiliza-se um oscilador com uma freqüência múltipla (n vezes maior) da freqüência do oscilador do transmissor.
Detectado o início de uma recepção, a amostragem se fará depois de passados n/2 pulsos de relógio do receptor. Admitindo que a freqüência de oscilação do receptor tenha um erro de precisão, esta não será maior do que uma fração de um período.
Mesmo pequenas defasagens, após um intervalo grande de transmissão, irão se acumular provocando o afastamento do instante de amostragem do centro do intervalo de sinalização. Por esse motivo a transmissão assíncrona é orientada à transmissão de caracteres (pequenas unidades de dados que variam, em geral, entre 5 e 8 bits) de forma a não permitir longas seqüências de bits.
Para o funcionamento correto da recepção é preciso um mecanismo que permita a detecção precisa do início da recepção de um caractere. De posse desse mecanismo, a cada caractere teremos anulado toda a defasagem que por ventura tenha se acumulado no caractere anterior, pois começamos a marcar novamente o meio dos bits, a partir do início do primeiro bit do caractere corrente.
O bit de start marca o início da transmissão de um caractere. O bit de start deve sempre apresentar uma transição inicial (de 1 para 0) de forma a marcar bem a sua presença e permitir o disparo da contagem no oscilador de recepção. Após o bit de start, seguem-se o caractere, e mais um bit opcional de paridade. Por fim, um bit de stop é colocado para marcar o fim do caractere, permitir que o receptor tenha um intervalo de tempo para ter acesso ao seu registro de recepção, e também para garantir a transição no início do próximo bit de start do próximo caractere.
2.7.2 Transmissão Síncrona
Na transmissão síncrona procura-se garantir a existência de uma referência única de tempo para transmissor e receptor durante cada transmissão. Existem dois modos gerais de realizarmos essa tarefa.
O primeiro (mais simples) consiste em enviar em canal separado dos dados o relógio do circuito transmissor. A técnica de codificação de dados utilizada nesta solução é, em geral, a NRZ. Esta solução, embora teoricamente simples, apresenta alguns problemas práticos como a necessidade de dois canais de transmissão e a exigência dos circuitos apresentarem os mesmos retardos de transmissão.
O segundo modo de se realizar uma transmissão síncrona consiste em enviar dados e informação de sincronismo juntos em um mesmo canal, utilizando alguma técnica de codificação.
Ao receptor cabe separar esses dois sinais e, a partir do relógio recuperado, realizar a amostragem dos dados. Essa alternativa evita a necessidade de dois canais, com os problemas que daí advêm.
São várias as técnicas de codificação usuais em redes de computadores para a transmissão conjunta de dados e informação de sincronismo em um mesmo canal. Todas elas baseiam-se em garantir a existência de transições em qualquer que seja o padrão de bits transmitidos. Também em todas as técnicas há necessidade de envio de informação de sincronismo antes do início da transmissão.
A primeira técnica de codificação, conhecida como codificação Manchester, é a modulação em fase dos dados e relógio. Uma transição positiva no meio do intervalo de sinalização representa o bit 1, enquanto uma transição negativa representa o bit 0. Como cada célula possui uma transição, o sinal carrega seu próprio pulso de relógio.
A segunda técnica de codificação é derivada da primeira e é conhecida como codificação
Manchester Diferencial. Nela, um bit 0 é representado por uma mudança de polaridade no começo
da transmissão do bit. Um bit 1 é representado por nenhuma troca de polaridade no começo da transmissão do bit. No meio da transmissão do bit sempre há mudança de polaridade.
Durante a transmissão de dados, tanto a codificação Manchester quanto a codificação Manchester Diferencial apresentam transição no meio do intervalo de sinalização. Em situações especiais pode-se enviar símbolos especiais que não apresentam transições no meio do intervalo. Quando o sinal mantêm-se em nível baixo, é representado o símbolo J. Quando o sinal mantêm-se em nível alto, é representado o símbolo K.
Uma outra característica importante destas codificações é que a ausência de transmissão pode ser detetada pela simples ausência de transições no meio.
2.8 Técnicas de Detecção de Erros
Os sistemas de comunicação devem ser projetados de forma a possibilitar a recuperação da informação perdida por erros causados pelo meio físico. O primeiro passo para qualquer esquema de tratamento de erros é a sua detecção.
Todos os métodos de detecção de erros são baseados na inserção de bits extras na informação transmitida. Esses bits são computados pelo transmissor através de algum algoritmo que tem como entrada os bits originais a serem transmitidos.
2.8.1 Paridade
paridade ao final de cada caractere de um quadro. O valor desse bit é escolhido de forma a deixar todos os caracteres com um número par de bits (paridade par) ou com um número ímpar de bits (paridade ímpar).
Caso um número par de bits tenha sido invertido o receptor não será capaz de perceber a existência do erro.
2.8.2 CRC
Nesse esquema, um quadro de k bits, é representado por um polinômio em X, de ordem k-1, onde o coeficiente do termo Xi é dado pelo (i+1)-ésimo bit da seqüência de k bits. Assim o quadro
10110001 seria representado pelo polinômio X7 + X5 + X4 + 1.
No transmissor o polinômio de ordem k-1 é dividido, em aritmética módulo 2, por um polinômio gerador de ordem n, tendo como resultado um quociente e um resto de ordem n-1. O transmissor gera em sua saída os k bits originais, seguidos dos n bits correspondentes ao polinômio obtido como resto da divisão (chamado de Frame Check Sequence - FCS).
No receptor, um processo análogo é realizado. O resto desta divisão é comparado com os n últimos bits recebidos no quadro. Se os bits forem iguais, o receptor assume que recebeu os dados sem erros. Caso algum bit seja diferente, um erro é detectado.
Alguns polinômios geradores são largamente utilizados e padronizados. Como exemplo: • CRC-12 = X12+X11+X3+X2+X+1
• CRC-16 = X16+X15+X2+1 • CRC-CCITT = X16+X12+X5+l
• CRC-32 = X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1
O esquema baseado em CRC-12 é utilizado em seqüências de caracteres de seis bits gerando um FCS de 12 bits. Tanto CRC-16 quanto CRC-CCITT são populares para seqüências de caracteres de oito bits, ambos resultando em FCS de 16 bits. O CRC-32 foi o escolhido pelo comitê IEEE-802 para ser utilizado em redes locais, gerando um FCS de 32 bits.
2.8.3 Paridade Cruzada
Aplica-se o esquema de paridade nas linhas e colunas de uma mensagem de forma a poder detectar e corrigir o erro em 1 bit.
Exemplo: Para enviar a mensagem 1001101101110000100001010111001100010101010 101001 com paridade cruzada par, monta-se
1001101 1011100 0010000 1010111 0011000 1010101 0101001 0 0 1 1 0 0 1 0110010 1
o que leva a transmissão de 1001101010111000001000011010111100110000101010100101 001101100101.
2.9 Exercícios
1) Qual a diferença entre sinal digital e sinal analógico? Qual o melhor deles para transmissão? Justifique.
2) O que é intervalo de sinalização? 3) Marque certo (C) ou errado (E):
( ) sinais digitais podem ser transmitidos em meios digitais ( ) sinais digitais podem ser transmitidos em meios analógicos ( ) sinais analógicos podem ser transmitidos em meios analógicos ( ) sinais analógicos podem ser transmitidos em meios digitais 4) Calcule quantos níveis são necessários para transmitir um sinal tribit. 5) Qual a diferença entre se transmitir bits, dibits e tribits?
6) O que são a banda passante e a largura de banda de um sinal?
7) Qual a relação existente entre largura de banda e vazão máxima de um canal? 8) Quando se usa a multiplexação? Qual o benefício que se obtém?
9) Como funciona a multiplexação na freqüência? 10) Como funciona a multiplexação no tempo? 11) Qual a diferença entre a FDM e a TDM?
12) Como é o funcionamento do TDM síncrono e do TDM assíncrono? Em que situação cada um deles é melhor?
13) O que é a técnica de modulação? Para que serve?
14) Dado o sinal analógico da figura abaixo, qual seria a transmissão realizada caso fosse feita sua modulação usando 3 bits para representar os níveis de amostragem? Utilizar as barras verticais como intervalo de amostragem.
15) Diferencie comutação de circuitos e comutação de pacotes. Escolha o melhor para cada mídia (voz, dados e vídeo) justificando sua resposta.
16) Por que a transmissão assíncrona é dita orientada a caracteres enquanto a transmissão síncrona é dita orientada a mensagens (quadros)?
17) Como funciona a paridade para a detecção de erros?
18) Qual esquema de detecção de erros foi escolhido pelo IEEE-802 para utilização em redes locais?
3. Meios de Transmissão
Para transmitir um fluxo bruto de bits de uma máquina para outra vários meios físicos podem ser usados, cada um com suas características em termos de largura de banda, retardo, custo e facilidade de instalação e manutenção. Os meios físicos são agrupados em meios guiados, como fios de cobre e fibras óticas, e em meios não-guiados, como as ondas de rádio.
3.1 Par Trançado
Um par trançado consiste em dois fios de cobre encapados, enrolados em espiral. O trançado dos fios tem a finalidade de reduzir a interferência elétrica entre o par de fios.
Um cabo de par trançado pode percorrer diversos quilômetros sem necessidade de amplificação, mas quando se trata de distâncias mais longas, é necessária a utilização de repetidores. Quando muitos pares trançados percorrem paralelamente uma distância muito grande, eles são envolvidos por uma capa protetora. Se não estivessem trançados, esses pares provocariam muitas interferências.
Os pares trançados podem ser usados nas transmissões analógicas ou digitais. A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida. Devido ao custo e ao desempenho obtidos, os pares trançados são usados em larga escala.
A perda de energia no par trançado aumenta com o aumento da distância. Essa perda de energia pode se dar por radiação ou por calor.
A principal desvantagem do par trançado é a sua susceptibilidade à interferência e ao ruído. Esses efeitos podem ser minimizados através de blindagem adequada.
Existem diversos tipos de cabeamento de pares trançados, alguns dos quais são importantes para as redes de computadores. Os pares trançados para redes consistem em dois fios encapados cuidadosamente trançados. Em geral, quatro pares desse tipo são agrupados dentro de uma capa plástica protetora, onde são mantidos oito fios.
Normalmente cada fio do cabo é composto por um núcleo de cobre revestido com teflon, e os fios são agrupados dentro de uma capa plástica. Tal cabo é conhecido como UTP (Unshielded
Twisted Pair - Par Trançado sem Blindagem).
Para situações onde é necessária uma maior proteção contra interferências eletromagnéticas existem cabos que possuem uma capa metálica em torno dos fios. Tal cabo é conhecido como STP (Shielded Twisted Pair - Par Trançado Blindado).
Cabo UTP Cabo STP
Segundo o padrão ANSI/EIA 568 (American National Standards Institute/Electronic
Categoria Descrição
CAT 1 Utilizado normalmente em telefonia, suportando taxas de até 1 MHz. Não é mais padrão.
CAT 2 Utilizado em redes até 4 MHz. Foi comum em redes em anel de baixa velocidade. Não é mais padrão.
CAT 3 Suporta freqüências até 16 MHz. Comum em redes Ethernet 10 Mbps.
CAT 4 Suporta freqüências até 20 MHz. Comum em redes em anel de 16 Mbps. Não é mais padrão.
CAT 5 Cabo com 4 pares suportando freqüências até 125 MHz. Utilizado em redes até 100 Mbps (2 pares) e 1 Gbps (4 pares). Tipicamente utilizado em redes Ethernet
100BaseTX e em redes ATM 155 Mbps. Foi substituído pelo CAT 5E, não sendo mais suportado.
CAT 5E CAT 5 enhanced. Utilizado em redes até 1 Gbps e experimentalmente em redes até 10 Gbps. Comum em redes Ethernet 100 Mbps, Gigabit Ethernet (1 Gbps) e ATM 155 Mbps. Oferece menos interferência entre pares que o CAT 5. Assim como o CAT 3 e o CAT 5, foi projetado para utilização com conectores RJ45.
CAT 6 Cabo com 4 pares suportando freqüências até 250 MHz. O cabo aumenta a distância entre os pares para diminuir a interferência entre eles. Possui melhor desempenho que o CAT 5E para redes Gbps. Projetado para utilização com conectores 8P8C (parecidos com RJ45).
CAT 6A CAT 6 augmented. Cabo com 4 pares suportando freqüências até 500 MHz. Criado para utilização em redes Ethernet 10 Gbps.
CAT 7 Cabo com 4 pares suportando freqüências até 600 MHz. Projetado para redes 100 Gbps. Projetado para utilizar conectores GG45 ou TERA.
3.2 Cabo Coaxial
O cabo coaxial é um meio de transmissão muito comum. Como é mais protegido do que os pares trançados, ele pode percorrer distâncias maiores em velocidades mais altas. Dois tipos de cabo coaxial são largamente utilizados. Um tipo, o cabo de 50 ohm, é comumente usado nas transmissões digitais. O outro tipo, o cabo de 75 ohm, é usado com freqüência nas transmissões analógicas.
Um cabo coaxial consiste em um fio esticado na parte central (condutor interno), envolvido por um material isolante (dielétrico). O isolante é protegido por um condutor cilíndrico, geralmente uma malha sólida entrelaçada (condutor externo). O condutor externo é coberto por uma camada plástica protetora (isolante).
Existe uma grande variedade de cabos coaxiais, cada um com características específicas com relação à faixa de freqüência, atenuação, imunidade a ruídos e interferência, etc. Os cabos de melhor qualidade são mais caros e difíceis de manusear.
Sua construção e blindagem proporcionam uma boa combinação de alta largura de banda e imunidade a ruídos. Nos cabos de 1 Km pode se chegar a uma taxa de dados de 1 Gbps a 2 Gbps.
3.3 Fibra Ótica
Um sistema de transmissão ótico tem três componentes: a origem da luz, o meio de transmissão e o detetor. Convencionalmente, um pulso de luz representa um bit 1, e a ausência de luz representa um bit 0. O detetor gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. Quando é instalada uma fonte de luz em uma extremidade de uma fibra ótica e um detetor na outra, tem-se um sistema de transmissão de dados unidirecional que aceita um sinal elétrico, converte-o e transmite-o por pulsos de luz. Na extremidade de recepção, a saída é reconvertida em um sinal elétrico.
Quando um raio de luz passa de um meio para outro, por exemplo, da sílica para o ar, o raio sofre uma refração na fronteira sílica/ar. O volume de refração depende das propriedades dos dois meios físicos. Nos ângulos cuja incidência ultrapasse um determinado valor crítico, a luz é refratada de volta para a sílica sem que nada escape para o ar. Dessa forma, um feixe de luz que incide em um ângulo crítico, ou acima dele, permanece na fibra.
Como qualquer feixe de luz que incidir na fronteira acima do ângulo crítico será refletido internamente, muitos feixes ricochetearão formando ângulos diferentes. Como cada raio tem um modo específico, uma fibra com essa propriedade é chamada de fibra multimodo.
No entanto, se o diâmetro da fibra for reduzido a alguns comprimentos de onda de luz, a fibra agirá como um guia de onda, e a luz só poderá ser propagada em linha reta, sem ricochetear, produzindo dessa forma uma fibra monomodo. As fibras monomodo são mais caras, mas podem ser usadas em distâncias maiores. As fibras monomodo atualmente disponíveis podem transmitir dados a uma velocidade de muitos Gbps em uma distância de 30 km.
As fibras óticas são feitas de vidro, que é produzido a partir da areia. A atenuação da luz através do vidro depende do comprimento de onda da luz. A atenuação do tipo de vidro usado nas fibras é mostrada na figura abaixo em decibéis por quilômetro linear de fibra.
A comunicação utiliza três bandas de comprimento de onda. Elas são centralizadas em 0,85, 1,30 e 1,55 micra, respectivamente. As duas últimas têm boas propriedades de atenuação (uma perda inferior a 5% por quilômetro). A banda de 0,85 mícron tem uma atenuação maior, mas nesse comprimento de onda os lasers e os chips podem ser produzidos a partir do mesmo material. As três bandas têm entre 25 e 30 mil GHz de largura.
Os pulsos de luz enviados através de uma fibra se expandem à medida que se propagam. Essa expansão é chamada de dispersão modal e seu volume vai depender do comprimento da onda. Uma forma de impedir que a expansão desses pulsos se sobreponha é aumentar a distância entre eles, o que implica na redução da taxa de sinalização. Mas quando os pulsos são produzidos com um formato especial relacionado ao recíproco do co-seno hiperbólico, todos os efeitos da dispersão são cancelados e é possível enviar pulsos por milhares de quilômetros sem que haja uma distorção
significativa. Esses pulsos são chamados de solitons.
Núcleo (vidro)
Revestimento
(vidro) Cobertura (plástico)
O núcleo é envolvido por uma proteção de vidro cujo índice de refração é inferior ao do núcleo, para manter a luz no núcleo. Em seguida, há um revestimento plástico, que tem a finalidade de proteger a fibra. As fibras costumam ser agrupadas em feixes, protegidos por uma capa externa.
As fibras multimodo dividem-se em 2 tipos: multimodo degrau e multimodo com índice gradual. As fibras multimodo degrau foram as primeiras a serem produzidas, e seu funcionamento é baseado na reflexão total. O termo degrau refere-se a uma descontinuidade na mudança do índice de refração entre o núcleo e o revestimento de vidro.
As fibras multimodo com índice gradual tem seu índice de refração diminuindo gradualmente, de forma contínua. Os raios de luz vão gradativamente atingindo o ângulo crítico, quando então são refletidos percorrendo o caminho inverso em direção ao núcleo. Como a luz tem maior velocidade nas partes com menor índice de refração, os raios que se afastam viajam a uma velocidade maior, apesar de percorrerem distâncias maiores. Estes fatores se compensam evitando o problema da dispersão modal.
As fibras monomodo são produzidas com diâmetros tão pequenos que apenas um modo é transmitido. Funcionam como um guia de ondas.
Nos cabos de fibra multimodo degrau, o núcleo tem cerca de 100 µm de diâmetro, enquanto nos cabos de fibra multimodo com índice gradual o núcleo tem cerca de 50 µm de diâmetro. Os cabos de fibra monomodo tem o núcleo com cerca de 9 µm.
As fibras podem ser conectadas de três diferentes formas. Elas podem ter conectores em suas extremidades e serem conectadas em soquetes de fibra. Os conectores perdem de 10% a 20% da luz, mas facilitam a reconfiguração dos sistemas.
Em uma segunda forma, elas podem ser encaixadas mecanicamente. Nesse caso, as duas extremidades são cuidadosamente colocadas uma perto da outra em uma luva especial e encaixadas em seguida. O alinhamento pode ser melhorado com a passagem de luz através da junção, seguido de pequenos ajustes cuja finalidade é maximizar o sinal. As junções mecânicas resultam em uma perda de 10% da luz.
Uma última forma é fundir dois pedaços de fibra de modo a formar uma conexão sólida. Um encaixe por fusão é quase tão bom quanto uma fibra inteira, sofrendo apenas uma pequena atenuação. Nos três tipos de encaixe, podem ocorrer reflexões no ponto de junção, e a energia refletida pode interferir no sinal.
Duas fontes de luz podem ser usadas para fazer a sinalização: os diodos emissores de luz (leds) e os lasers semicondutores. Eles têm diferentes propriedades, como mostra a tabela abaixo.
Item LED Laser Semicondutor
Taxa de dados Baixa Alta
Modo Multimodo Multimodo ou monomodo
Distância Pequena Longa
Vida Útil Longa Curta
Sensibilidade à temperatura Insignificante Sensível
Custo Baixo Alto
A extremidade de recepção de uma fibra ótica consiste em um fotodiodo, que emite um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. Um pulso de luz deve conduzir energia suficiente para ser detectado. Com pulsos de potência suficiente, a taxa de erros pode se tornar arbitrariamente pequena.
Fibras óticas são imunes a interferências eletromagnéticas e a ruídos. Por não irradiarem luz para fora do cabo, não se verifica “linha cruzada”, permitindo um isolamento completo entre transmissor e receptor.
3.4 Transmissão Sem Fio
Por sua natureza a transmissão sem fio é adequada tanto para ligações ponto a ponto quanto para ligações multiponto. É uma alternativa viável onde é difícil a instalação de cabos e seu emprego é importante para comunicações entre computadores portáteis em um ambiente de rede local. Também tem muita utilidade em aplicações onde a confiabilidade do meio de transmissão é indispensável.
A radiodifusão não é adequada quando transitam pela rede dados sigilosos, uma vez que os dados transmitidos podem ser captados por qualquer antena próxima ou na direção do fluxo. Uma forma de minimizar este problema é através da utilização de algoritmos de criptografia.
3.4.1 Rádio
As ondas de rádio são fáceis de gerar, percorrem longas distâncias e penetram em prédios facilmente. Elas também percorrem todas as direções a partir da origem. Portanto, o transmissor e o receptor não precisam estar alinhados.
As propriedades das ondas de rádio dependem da freqüência. Nas freqüências baixas, as ondas de rádio atravessam os obstáculos, mas a potência cai abruptamente à medida que a distância aumenta. Nas freqüências altas, as ondas de rádio tendem a viajar em linha reta e a ricochetear nos obstáculos. Em todas as freqüências, as ondas de rádio estão sujeitas à interferência dos motores e outros equipamentos elétricos.
Devido à capacidade que as rádios têm de percorrer longas distâncias, a interferência entre os usuários é um problema. Por essa razão, todos os governos exercem um rígido controle sobre os transmissores de rádio.
3.4.2 Microondas
Acima de 100 MHz, as ondas trafegam em linha reta e por essa razão podem ser captadas com mais facilidade. A concentração de toda a energia em um pequeno feixe através de uma antena parabólica oferece um sinal muito mais alto para a relação de ruído, mas as antenas de transmissão e recepção devem ser alinhadas com o máximo de precisão. Além disso, essa direcionalidade permite o alinhamento de vários transmissores, fazendo com que eles se comuniquem com vários receptores sem que haja interferência.
As microondas não atravessam muito bem paredes sólidas e outros objetos. A partir de 4 GHz elas são absorvidas pela água, fazendo com que a chuva seja um sério problema nestes casos.
3.4.3 Ondas Milimétricas e Infravermelhas
As ondas milimétricas e infravermelhas sem guia são usadas em larga escala na comunicação de curto alcance. Essas ondas são relativamente direcionais, baratas e fáceis de construir, mas não atravessam objetos sólidos. O fato das ondas infravermelhas não atravessarem paredes pode ser visto como uma qualidade. É por essa razão que um sistema infravermelho instalado em um ambiente fechado não interfere em um sistema semelhante instalado em salas adjacentes. E é por essa razão que os sistemas infravermelhos são mais seguros do que os sistemas de rádio, prevenindo-os contra eventuais espionagens eletrônicas.
3.4.4 Ondas de Luz
Uma aplicação moderna consiste em utilizar ondas de luz para conectar LANs em dois prédios através de raios laser instalados em seus telhados. Pela sua própria natureza, a sinalização ótica coerente que utiliza raios laser é unidirecional.
Uma das desvantagens dos feixes de raios laser é que eles não são capazes de penetrar a chuva ou a neblina. Ainda, o calor do sol pode fazer com que emanem correntes de convecção do telhado do prédio, fazendo com que a trajetória do laser seja alterada.
3.5 Rádio Celular
3.5.1 Telefones Celulares Analógicos
Em 1946, o primeiro sistema para telefones baseados em automóveis foi criado. Ele utilizava um único transmissor no topo de um edifício alto e tinha um único canal, usado para transmissões e recepções. Para conversar, o usuário tinha de apertar um botão que ativava o transmissor e desativava o receptor. Tais sistemas foram instalados em diversas cidades a partir dos anos 50.
Na década de 60, o IMTS (Improved Mobile Telephone System) foi instalado. Ele também utilizava um transmissor de alta potência no topo de uma montanha, mas agora tinha duas freqüências, uma para transmissão e outra para recepção.
O IMTS suportava 23 canais espalhados pelas freqüências de 150 a 450 MHz. Por causa do pequeno número de canais, os usuários sempre tinham de esperar muito tempo antes de obter um tom de discagem. Além disso, devido à alta potência do transmissor, os sistemas adjacentes tinham de estar a diversos quilômetros de distância para evitar a interferência.
3.5.1.1 AMPS (Advanced Mobile Phone System)
No AMPS, uma região geográfica é dividida em células, cada uma utilizando alguns conjuntos de freqüências. A idéia principal que torna o AMPS muito mais capaz do que os sistemas anteriores é o uso de células relativamente pequenas, e a reutilização de freqüências em células próximas (mas não adjacentes). Enquanto um sistema IMTS com um alcance de 100 Km pode ter uma chamada em cada freqüência, um sistema AMPS pode ter 100 células de 10 Km na mesma área e é capaz de estabelecer de 5 a 10 chamadas em cada freqüência, em células amplamente separadas. Além disso, células menores significam menor necessidade de energia, o que possibilita a existência de dispositivos menores e mais baratos.
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