REDES DE COMPUTADORES

REDES DE COMPUTADORES

COMUNICAÇÃO DE DADOS

Eriko Carlo Maia Porto UNESA – Universidade Estácio de Sá

eriko_porto@uol.com.br Última revisão – Julho/2003

PROCESSO DE COMUNICAÇÃO

1.

Geração de uma idéia na origem.

2.

Descrição da idéia por um conjunto de

símbolos.

3.

Codificação dos símbolos em uma forma

propícia a transmissão em meio físico.

4.

Transmissão dos símbolos ao destino.

5.

Decodificação e reprodução dos símbolos.

6.

Recriação da idéia original.

INFORMAÇÃO E SINAL

„

Informações – associadas a idéias ou dados

manipulados pelos agentes que as criam,

manipulam e processam.

„

Sinais – Correspondem à materialização

específica dessas informações utilizadas no

momento da transmissão. Nada mais são do

que ondas que se propagam através de

algum meio físico.

ANALÓGICO E DIGITAL

„

Os termos analógico e digital correspondem

à variação contínua ou discreta,

respectiva-mente, dos sinais.

„ Sinais analógicos – Variam continuamente com o tempo.

„ Sinais digitais – Variam discretamente com o tempo, ocupando valores (ou níveis) bem definidos durante intervalos de tempo fixos.

ANALÓGICO E DIGITAL

SINAIS SENOIDAIS

„

Todo sinal é composto e definido através de

três quantidades matemáticas:

„ Amplitude – módulo do deslocamento máximo de um sinal em relação ao nível zero.

„ Freqüência – número de vezes que um sinal se repete dentro de um intervalo de tempo fixo, geralmente 1 segundo, é medida em Hz (hertz). „ Fase – fator que determina o ponto onde o sinal

SINAIS SENOIDAIS

Várias ondas senoidais com diferentes valores de amplitude, frequência e fase

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

BANDA PASSANTE

„ Todo sinal periódico pode ser decomposto como

uma soma de sinais senoidais básicos de freqüências fixas.

„ Estes sinais básicos que formam os componentes

do sinal original são denominados harmônicos.

„ Um sinal não periódico também pode ser

decomposto em sinais básicos, porém com freqüências distintas.

„ O conjunto destes sinais básicos é denominado

espectro de freqüências.

BANDA PASSANTE

„ Banda passante – intervalo de freqüências que

compõem o sinal.

„ Largura de banda – diferença entre a maior e a

menor freqüência que compõem a banda passante.

„ Todo meio de transmissão tem características

próprias que provocam perdas nos sinais transmitidos, e que variam de acordo com as freqüências.

BANDA PASSANTE

FONTES DE DISTORÇÃO DE SINAIS

„ Ruídos – distorções impostas pelas características do

meio e devido interferências de sinais indesejáveis: „ Ruído térmico – é provocado pelo atrito dos elétrons nos

condutores, também chamado ruído branco.

„ Ruído de intermodulação – ocorre quando sinais de

freqüências diferentes compartilham o mesmo meio físico.

„ Crosstalk – interferência que ocorre entre condutores

próximos que induzem sinais mutuamente (linha cruzada).

„ Ruído impulsivo – pulso irregular com grande amplitude,

FONTES DE DISTORÇÃO DE SINAIS

„

Atenuação – degradação na potência de um

sinal devido a distância percorrida no meio

físico. A atenuação se dá devido a perdas de

energia por calor e radiação.

„

Ecos – ocorrem devido a mudança na

impedância em uma linha de transmissão,

parte do sinal é refletido e parte transmitido.

TAXA DE DADOS DO CANAL

„ Em 1924 H. Nyquist percebeu a existência de um limite máximo para a taxa de dados em um canal.

„ Nyquist provou que, se um sinal qualquer atravessasse um filtro com frequência de corte W, o sinal filtrado poderia ser completamente reconstruído a partir de apenas 2W amostras por segundo.

„ Realizar amostras a uma taxa superior a 2W por segundo seria inútil pois todos os componentes de alta frequência já foram filtrados. „ Teorema de Nyquist para um sinal com L níveis, onde C é a taxa de

dados máxima do canal:

TAXA DE DADOS DO CANAL

„ Em 1948 Claude Shannon aprofundou o trabalho de Nyquist e adaptou-o para o caso de um canal sujeito a ruídos randômicos. „ Na presença de ruídos a taxa máxima do canal fica bastante

comprometida.

„ O volume de ruído presente é medido pela relação de potência entre o sinal e o ruído.

„ Em geral a relação S/N (signal to noise ratio) é medida em unidades de decibéis (dB) utilizando a quantidade 10·log10S/N.

„ Teorema de Shannon para um canal com ruído:

C = W·log₂(1 + S/N) bps

MODULAÇÃO

„ Para se transmitir informação através de um meio

físico, utiliza-se uma onda com freqüência e potência adequadas para se propagar através do meio, denominada onda portadora.

„ A informação vai codificada nesta onda através de

técnicas de modulação.

„ Existem três técnicas básicas de modulação: „ Modulação por Amplitude (AM)

„ Modulação por Freqüência (FM) „ Modulação por Fase (PM)

MODULAÇÃO

„

No caso dos sinais digitais:

„ Modulação por chaveamento de amplitude (Amplitude Shift Keying – ASK)

„ Modulação por chaveamento de freqüência (Frequency Shift Keying – FSK)

„ Modulação por chaveamento de fase (Phase Shift Keying – PSK)

MODULAÇÃO

(a) Sinal digital modulador (b) Modulação por amplitude (c) Modulação por frequência (d) Modulação por fase

PCM

„ A digitalização de sinais analógicos de áudio se processa

da seguinte maneira:

„ O sinal analógico de áudio é amostrado a uma taxa constante, por exemplo 8.000 amostras por segundo. O valor de cada amostra é um número real arbitrário.

„ Cada uma das amostras é então arredondada para um dentre um número de valores finitos, operação denominada quantização. O número de valores finitos é geralmente uma potência de dois, por exemplo 256 valores de quantização (28_).

„ Cada um dos valores quantizados é representado por um número fixo de bits. Para o caso de 256 valores, cada amostra é

representada por 1 byte, o conjunto de todas as amostras forma a representação digital do sinal.

PCM

(a) onda senoidal

(b) amostragem da onda senoidal

PCM

„ Sinais analógicos de telefonia são digitalizados a uma taxa de 8.000 amostras por segundo representadas por valores de 8 bits, resultando em uma taxa de 64 kbps.

„ Este sinal digital pode ser convertido de volta (decodificado) em um sinal analógico para execução, embora ligeiramente diferente do sinal original (quantization noise).

„ Aumentando-se a taxa de amostragem e a quantidade de valores de quantização, o sinal decodificado se aproxima cada vez mais do sinal analógico original.

„ Esta técnica é denominada PCM – Pulse Code Modulation e está definida na recomendação ITU G.711.

„ CDs digitais de áudio (compact disks) também utilizam a técnica de PCM, com uma taxa de amostragem de 44.100 Hz e 16 bits por amostra, o que gera uma taxa de 705,6 kbps para mono e 1.411 Mbps para estéreo.

MULTIPLEXAÇÃO

„ Freqüência (FDM) – quando a banda passante do

meio físico for maior que a do sinal, utiliza-se o meio para a transmissão de vários sinais.

„ Tempo (TDM) – quando a capacidade do meio de

transmissão, em bits por segundo (bps), for maior que a taxa média de geração das estações

conectadas, vários sinais podem ser transmitidos intercalando-se porções de cada sinal no tempo.

MULTIPLEXAÇÃO

„ Banda básica (baseband) – o sinal é colocado na rede sem

multiplexação. Ocupa todo o espectro de freqüência do meio.

„ Banda larga (broadband) – utiliza técnicas de

multiplexação. O meio é dividido em vários canais.

„ Nas redes em banda larga, cada canal pode ser utilizado

para transportar qualquer tipo de sinal: analógico, digital, imagem ou som.

„ Os canais podem ser dedicados, chaveados, ponto-a-ponto

ou multiponto.

„ Os canais ponto-a-ponto podem ser simplex, half-duplex

ou full-duplex.

MULTIPLEXAÇÃO NO TEMPO

„ TDM síncrono – o domínio do tempo é dividido em

intervalos fixos (tamanho T) chamados frames, e cada frame é subdividido em n intervalos denominados slots ou segmentos.

„ Canal – conjunto de todos os segmentos que ocupam a

mesma posição dentro dos frames.

„ Os canais neste caso também podem ser dedicados,

chaveados, ponto-a-ponto ou multiponto.

„ Na existência de taxas de transmissão diferentes utiliza-se

multi-slot TDM ou multi-window TDM.

MULTIPLEXAÇÃO NO TEMPO

„ TDM assíncrono – as parcelas de tempo são

alocadas dinamicamente de acordo com a demanda das estações

.

„ Não há desperdício da capacidade, pois o tempo

não utilizado está sempre disponível

.

„ Cada unidade de informação transmitida deve

TDM

A B C D t₁ t₂ A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A1 B1 B2 C2 SÍNCRONO ASSÍNCRONO

TDM

ESTRUTURA DE UM CANAL T1

TDM

MULTIPLEXAÇÃO DE CANAIS T1

HIERARQUIA DE SINAIS DIGITAIS

5º NÍVEL 4º NÍVEL 3º NÍVEL 2º NÍVEL 1º NÍVEL EUA (T1)

Japão Europa (E1)

x 30 x 24 x 4 x 4 x 4 x 4 x 4 x 4 x 3 x 5 x 7 x 6 397,200 Mbps 97,728 Mbps 32,064 Mbps 274,176 Mbps 44,736 Mbps 6,312 Mbps 1,544 Mbps 564,962 Mbps 139,264 Mbps 34,368 Mbps 8,448 Mbps 2,048 Mbps

HIERARQUIA DE SINAIS DIGITAIS

TRIBUTÁRIOS CANAL BÁSICO 3º NÍVEL 2º NÍVEL 1º NÍVEL x N x 4 x 4 2488,320 Mbps 622,080 Mbps 155,520 Mbps 6,312 Mbps 2,048 Mbps 1,544 Mbps 64 Kbps x M SDH – Synchronous Digital Hierarchy

MEIOS FÍSICOS DE TRANSMISSÃO

„ Os meios físicos de transmissão diferem com

relação à banda passante, potencial para conexões ponto-a-ponto ou multiponto, limitação

geográfica, imunidade à ruído, custo e confiabilidade.

„ Qualquer meio físico capaz de transmitir

informações eletromagnéticas é passível de ser usado em redes de computadores.

„ Os mais utilizados são o par trançado, o cabo

coaxial e a fibra ótica. Em situações especiais, radiodifusão, infravermelho, satélites

PAR TRANÇADO

„ Dois fios enrolados em espiral de forma a reduzir

o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio.

„ A transmissão pode ser analógica ou digital. „ Banda passante alta.

„ Taxas de transmissão da ordem de Mbps. „ Susceptível a ruídos e interferência (crosstalk). „ Cabos com 2 ou 4 pares.

„ Conexão fácil e instalação fácil.

PAR TRANÇADO (TIPOS)

„ UTP – Unshielded Twisted Pair (não blindado). „ FTP – Foil Twisted Pair (blindado com filme

metálico).

„ STP - Shielded Twisted Pair (blindado com malha

metálica). „ S/FTP – Shielded FTP. „ F/STP – Foil STP. „ S/STP – Shielded STP.

PAR TRANÇADO

CATEGORIAS

Gbps Gbps 100 Mbps 16 Mbps 10 Mbps 250 MHz Categoria 6 155 MHz Categoria 5E (enhanced) 100 MHz Categoria 5 20 MHz Categoria 4 16 MHz Categoria 3

PAR TRANÇADO

NÃO BLINDADO (UTP)

„ Velocidade x tamanho máximo – 1 Mbps·Km. „ Freqüência máxima 30 MHz.

„ Impedância – 100 Ohms. „ Espessura – 5.1 mm. „ Instalação fácil.

„ Aterramento – não é possível. „ Imunidade a ruído – ruim.

„ Gera emissões de rádio freqüência quando usado

em taxas acima de 1 Mbps.

„ Possível crosstalk em pares adjacentes.

PAR TRANÇADO

BLINDADO COM FILME (FTP)

„

Freqüência máxima 62.5 MHz.

„

Impedância – 120 Ohms.

„

Espessura – 6.2 mm.

„

Instalação fácil.

PAR TRANÇADO

BLINDADO COM MALHA (STP)

„ Freqüência máxima 100 MHz. „ Impedância – 150 Ohms. „ Espessura – 6.5 mm. „ Instalação fácil. „ Aterramento – fácil.

„ Baixo nível de croostalk devido a blindagem e ao modo de

entrelaçamento entre os pares.

„ Menos sensível a ruído e geração de RF.

„ Adequado para instalações com equipamentos sensíveis. „ Custo bem mais elevado que o UTP.

PAR TRANÇADO

ESQUEMA DE LIGAÇÃO

CABO COAXIAL

„ É constituído de um condutor interno circundado

por um condutor externo, separados por um dielétrico, sendo todo o conjunto envolvido por um isolante.

„ Mantém as características elétricas do meio ao

longo do comprimento.

„ Taxas de transmissão mais elevadas que as do par

trançado.

„ Podem trabalhar em banda básica ou banda larga. „ As interfaces são mais caras.

CABO COAXIAL

„ Velocidade x tamanho máximo – 10 Mbps·Km. „ Imunidade a ruído – regular.

„ Conexão - média.

„ Instalação – média / difícil.

„ Pode ser bem espesso e pouco maleável. „ Tipos:

„ Coaxial fino – diâmetro 5.08 mm (RG-58) „ Coaxial grosso – diâmetro 10.16 mm

CABO COAXIAL GROSSO

ESQUEMA DE LIGAÇÃO

CABO COAXIAL FINO

ESQUEMA DE LIGAÇÃO

FIBRA ÓTICA

„ Utiliza sinais de luz codificados na faixa do

infravermelho 1012_{a 10}14_Hz.

„ Baseia-se no princípio do ângulo crítico de

refração.

„ Comunicação ponto-a-ponto.

„ Transmissão unidirecional (para full-duplex

precisa de duas fibras).

„ O cabo consiste em um filamento de sílica ou

FIBRA ÓTICA

FIBRA ÓTICA

„ Velocidade x tamanho máximo – 800 Mbps·Km. „ Imunidade a ruído - ótima (a luz é imune à

interferências eletromagnéticas).

„ Conexão – difícil, exige equipamentos caros e

especiais.

„ Instalação – média / fácil. „ Maleável e fina.

„ Isola eletricamente dois locais com terras ou centrais

elétricas diferentes.

FIBRA ÓTICA

MULTIMODO

„ Possui núcleo com diâmetro acima de 50 mícron

onde a luz se propaga por múltiplas trajetórias ou modos.

„ Modos percorrem distâncias diferentes ao longo

da fibra, fazendo com que o tempo de propagação de cada modo na fibra varie (distorção modal).

„ A distorção modal limita a banda passante da fibra

multimodo abaixo de 1 GHz·Km.

„ O núcleo grande permite o uso de LEDs. „ Interfaces mais baratas.

FIBRA ÓTICA MULTIMODO

COM ÍNDICE GRADUAL

„ O índice de refração do núcleo diminui

gradativamente do centro para as bordas.

„ A velocidade de propagação de cada modo é

diferente dependendo do ângulo de entrada no núcleo.

„ Os modos próximos do centro percorrem

distâncias menores em velocidades menores.

„ O resultado é uma compensação aproximada,

FIBRA ÓTICA

MONOMODO

„ Possui núcleo muito pequeno, da ordem de 7 a 10

µm.

„ Somente um modo se propaga ao longo de toda a

fibra ótica.

„ Elimina o efeito da dispersão modal. „ Banda passante de vários GHz·Km.

„ É necessário usar LASER, para focalizar a luz no

núcleo extremamente pequeno.

„ Equipamentos e interfaces bem mais caras.

RADIODIFUSÃO

„ São as chamadas redes sem fio – wireless

networks.

„ Podem ser usadas para ligação ponto-a-ponto ou

multiponto.

„ São utilizadas em geral onde é inviável, ou até

mesmo impossível, a instalação de cabos.

„ São utilizadas também onde a confiabilidade do

meio de transmissão é indispensável.

RADIODIFUSÃO

„

Radioenlace com visada direta.

„ Limitado a aproximadamente 50 Km.

„

Radioenlace pro tropodifusão.

„ Distâncias até 450 Km (entre UHF e SHF).

„

Radioenlace por satélite.

„ Custos independem da distância.

„ Estações podem ser instaladas pelos usuários. „ Tipos – GEOS e LEOS.

RADIODIFUSÃO

(a) Radioenlace por visada direta (b) Radioenlace por

tropodifusão

RADIOENLACE POR

SATÉLITE GEOS

„ Geostationary Orbit Satellites.

„ Situados a 36.000 Km de altura sobre a linha do

Equador.

„ Giram com a mesma velocidade angular da Terra. „ Introduzem retardo na comunicação.

„ 240 a 270 µs (subida + descida).

„ Exigem grande aparato de engenharia como

RADIOENLACE POR

SATÉLITE LEOS

„ Low-Earth Orbit Satellites.

„ Por estarem mais próximos iluminam com maior

potência a superfície terrestre.

„ Permitem o uso de transceptores mais simples. „ Se movem em relação à terra.

„ Necessitam ser muitos e consecutivos para darem

cobertura permanente.

„ Aplicações – sensoriamento remoto e auxílio à

navegação.

CABEAMENTO ESTRUTURADO

„ EIA/TIA-568 – Comercial Building

Telecommunications Wiring Standard.

„ A escolha correta do tipo de cabo para um projeto

de uma rede é uma parte vital.

„ Devem ser definidas opções para tipos de cabos,

conectores, distâncias, elementos concentradores, localização dos componentes, acesso, etc.

„ Um plano de cabos estruturado minimiza os custos

CABEAMENTO ESTRUTURADO

„

As redes devem aceitar comunicações de

qualquer lugar para qualquer lugar.

„

Problemas com cabos são responsáveis por

50% do tempo de paralisação das redes.

„

A vida média de uma planta de cabos é em

torno de 15 anos.

„

2% do investimento em uma rede é de

cabeamento estruturado.

CABEAMENTO ESTRUTURADO

„ Rede estruturada – sistema de cabos integrando os

serviços de voz, vídeo, fax e dados.

„ As necessidades de qualquer usuário podem ser

obtidas com facilidade e flexibilidade.

„ Topologia física – estrela.

„ Permite mudança rápida nos serviços para cada

tomada sem interrupções.

„ Hubs inteligentes podem ser usados para criar

CABEAMENTO ESTRUTURADO

„ Rede Primária

„ Estabelece as comunicações entre edifícios dentro de uma área dominantemente pública.

„ Tendência a usar fibras óticas.

„ Rede Secundária

„ Estabelece comunicação entre os distribuidores em um edifício. „ Cabos de fibra ótica ou de cobre.

„ Denominada Rede Vertical ou Backbone.

„ Rede Ternária

„ Interliga o distribuidor do andar com as tomadas finais. „ Denominada Rede Horizontal.

REFERÊNCIAS

„ Redes de Computadores Andrew S. Tanenbaum Capítulo 2

„ Redes de Computadores Soares, Lemos & Colcher Capítulos 3 e 4

„ Data and Computer Communications William Stallings