redes 1 cap1-2- v0.91
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Redes de Computadores I
Fernando Cerutti, Dr.
Florianópolis, Janeiro de 2010.
Palavras do professor
Bem-vindo a disciplina de redes de computadores I. Você, como aluno dos cursos de
das áreas tecnológicas, está convidado a iniciar uma viagem através de um mundo
invisível, imaginário, mas super importante nos dias atuais. Essa viagem é recheada de
novidades intrigantes: O que acontece no percurso da informação desde o seu
computador, no momento que você requisita uma página Web através de um clique do
mouse (ou envia um e-mail), até o computador de destino, responsável pelo recebimento
dessa requisição? Você sairá da sua confortável sala climatizada para percorrer as
tubulações e as portas de entrada e saída dos dispositivos e tecnologias nas mais
variadas constituições: Cabos de par trançado, fibras ópticas, Servidores e clientes de
rede, placas ethernet, comutadores, pontes, modems, roteadores, filtros de pacotes.
Você verá que cada tecnologia apresenta suas vantagens e seus problemas, e podemos
escolher as tecnologias para transportar nossa informação de forma semelhante a que
escolhemos a nossa empresa aérea, o ônibus, o condutor e a estrada pela qual iremos
trafegar.
Durante nosso estudo, podemos imaginar que a informação, nossa estrela principal, foi
encomendada por um cliente distante, e como toda encomenda, será “empacotada” e
transportada através de uma estrada ou pelo ar. A estrada pode ser ampla (fibras ópticas)
ou mais estreita (fios de cobre em geral).
Podemos imaginar ainda que a informação, antes de chegar na “estrada”, passou por
vários procedimentos que são os responsáveis pelos controles do percurso, como a
determinação dos endereços, e as checagens de erros. Tais procedimentos são inseridos
um a um em de forma estruturada em camadas específicas para cada função.
Tais camadas podem ser vistas como os andares de um prédio, no qual cada andar
possui protocolos programados para executar tarefas bem determinadas. Os protocolos
de rede são os responsáveis pela transmissão dos sinais e os controles durante a
transmissão.
Procedimentos
Figura 1 – Camadas de protocolos e procedimentos estruturados em uma “arquitetura de
redes”
A divisão em camadas (andares) e funções é necessária para o entendimento desse
universo amplo, onde as peças separadas podem ser compreendidas mais facilmente.
Essa organização em camadas é denominada “arquitetura de redes”.
Protocolos
Protocolos
Protocolos
O que acontece com a encomenda até a chegada ao cliente final você ficará sabendo ao
longo da disciplina, um conteúdo fundamental na sua jornada rumo a Gestão da
tecnologia da Informação.
Aperte o cinto, a viagem vai começar e a nossa rede é rápida.
Unidade 1 Introdução a Comunicação de Dados e Redes de Computadores Objetivos de aprendizagem
Esta unidade tem como propósito trazer um conhecimento básico na área de
comunicação de dados, fundamental para que você compreenda o restante do conteúdo.
Ao final da unidade você estará apto a:
Identificar os principais órgãos envolvidos na padronização das redes
Conceituar rede e comunicação de dados e protocolos
Identificar os componentes de uma rede de computadores.
Plano de estudo A seguir estão descritas as seções desta unidade. Para manter a “jornada” bem
organizada e registrada, ao final de cada “estação”, assinale o quadro marcando os
“trajetos” já percorridos.
Seção 1 – A Comunicação de dados
Seção 2 – O que é uma rede de computadores?
Seção 3 – Histórico das redes
Seção 4 – Os componentes de uma rede
Seção 5 - Os protocolos
Para início de estudo
Estudar redes e comunicação de dados pode ser algo muito chato, pois a quantidade de
informação disponível é imensa (e as siglas, um terror, são milhares). Quase todos têm
uma opinião a respeito dos problemas. “A Internet está fora, deve ser uma falha no
provedor...”. Esta situação é comum nas empresas, e um dos nossos objetivos nessa
disciplina é tentar entender um pouco mais a respeito das tecnologias, os mecanismos
que funcionam (ou tentam funcionar) para que tenhamos uma rede operacional.
Nessa unidade, você verá os conceitos mais fundamentais a respeito das redes, e
conhecerá os organismos responsáveis pela manutenção das regras do jogo na área da
comunicação entre os computadores.
Seção 1 – A Comunicação de dados
A comunicação de dados trata da transmissão de sinais através de um meio físico, de
uma forma confiável e eficiente. Os tópicos mais importantes são a transmissão de
sinais, os meios de transmissão, codificação dos sinais, multiplexação. Os meios
físicos são as ruas por onde trafega nosso proto-boy. Perceba que na nossa analogia com
a pizzaria, os meios físicos podem variar como as estradas e ruas: as fibras ópticas podem
ser representadas pelas grandes rodovias, com muitas pistas. Os meios mais limitados
(fios de cobre) podem ser representados pelas ruas estreitas.
Porque um sistema de comunicação de dados?
As pessoas precisam de um sistema de comunicação por dois motivos básicos:
Aumentar o poder computacional
Na maioria dos casos, aumentar o tamanho do computador disponível
não é possível, ou mesmo não resolveria o problema de capacidade
computacional.
Compartilhar recursos
Todos precisam trocar informações, arquivos, bancos de dados
estando em locais geograficamente dispersos.
Objetivo da comunicação:
O principal objetivo de um sistema de comunicação é trocar informação (dados) entre
dois sistemas remotos. Podemos entender como remotos dois sistemas computacionais
que não possuem compartilhamento de memória RAM. (Randomic Access Memory). Os
sistemas com mais de uma CPU e a mesma memória RAM não precisam enviar
informações um ao outro, uma vez que todas as CPUs tem acesso aos mesmos endereços
da memória.
Componentes de um sistema de comunicação
Um sistema de comunicação de dados deve ter os seguintes componentes básicos:
• Fonte
— Gera os dados que serão transmitidos (ex, computador)
• Transmissor
— Converte os dados em sinais possiveis de se transmitir (ex.: placa de rede
ou modem)
—
• Sistema de transmissão
— Transporta os dados (ex.: Sistema telefonico)
Figura 1 - Modelo de comunicação
Fig 2 – Componentes de um sistema de comunicação de dados
Fonte:Stallings, Data and computer communications, 7ª ed, Pearson Education. (2004)
• Receptor
— Converte os sinais recebidos em dados (ex.: modem ou placa de rede)
• Destino
— Recebe os dados convertidos
Todos esses componentes possuem complexidades adicionais. Por exemplo, os sistemas
de transmissão podem ser divididos em outros componentes:
Sinal (analógico/digital),
meio físico (fio de cobre, fibra óptica, ar),
protocolos (PPP, ADSL)
e dispositivos de rede (comutadores, roteadores)
Seção 2 – O que é uma rede de computadores? A todo instante você se depara com algum computador ou terminal de rede. Nos caixas
automáticos dos bancos, nos terminais das lojas, na sua casa, nos órgãos públicos, nas
academias, nos clubes, bares... Parece que as redes de computadores estão em todas as
partes. Isso é verdade, talvez a Internet venha a ser a 3ª.maior rede do mundo, em termos
de capilaridade, perdendo apenas para as redes elétrica e de telefonia. Apesar de menor, a
Internet cresce mais rapidamente que muitas redes, ficando com uma taxa de crescimento
menor apenas que a rede de telefones móveis (os quais estão ficando cada vez mais
próximos de tornarem-se computadores de fato)
Figura 3 – Crescimento da telefonia móvel
Fonte: Nokia, obtido em
http://opengardensblog.futuretext.com/archives/2006/05/
Bola Fora:
O presidente da Digital, em 1977 (nessa época a Digital era a 2ª.
maior fabricante de computadores do planeta, ficando atrás apenas da
IBM), decretou: “Não existe nenhum motivo para que um indivíduo
possua um computador em sua casa.” Em 1981, 4 anos após a IBM
lançou no mercado o IBM-PC (personal computer). O primeiro PC
rodava com um microprocessador Intel 8088, clock de 4.77 MHz
usando o MS-DOS da Microsoft como sistema operacional e...
...bom, o resto da história você conhece !!
Agora que você já conhece a idéia fundamental por trás da comunicação de dados, fica
mais fácil definir rede de computadores:
Uma rede é um conjunto de dispositivos
computacionais conectados através de uma
estrutura de comunicação de dados, com a
finalidade de compartilhar recursos.
Depois disso, podem restar algumas perguntas:
Que dispositivos?
Tais dispositivos incluem interfaces de redes, servidores, estações de trabalho,
impressoras (além dos dispositivos de comunicação como hubs, transceivers, repetidores,
comutadores, pontes e roteadores). Você conhecerá um pouco mais disso tudo na seção
4, e mais tarde, com mais detalhes, na unidade 5.
O que é dispositivo conectado?
Dois dispositivos computacionais são ditos conectados quando podem trocar algum tipo
de informação entre eles, utilizando para isso um protocolo.
Um protocolo de rede faz parte da estrutura de comunicação de dados, e pode ser visto
como uma norma de comunicação, que deve ser utilizada pelos participantes, como as
regras gramaticais de um idioma (você verá mais sobre os protocolos na seção 5).
Quais recursos?
Uma rede trata basicamente da tecnologia e da arquitetura utilizada para conectar os
dispositivos de comunicação. Os recursos que desejamos compartilhar são vários.
Talvez os mais comuns sejam: Mensagens, arquivos, disco rígidos, impressoras, fax.
Podemos desejar interatividade nessa comunicação, como nas salas de bate-papo,
telefonia e videoconferência.
Diversidade
Uma rede pode ser composta por vários sistemas operacionais, e por dispositivos de
diferentes fabricantes. Pode ter vários tamanhos e abrangências, bem como formatos
físicos direntes. (Veja mais adiante, na Unidade 4, uma classificação mais completa).
Componentes genéricos de uma rede de computadores
Basicamente uma rede de computadores pode ser caracterizada por um conjunto de
hardwares e softwares, conforme a figura abaixo.
Figura 2 - Componentes de uma rede
Os dispositivos e os protocolos serão descritos com mais detalhes na seção 5 e ao longo
de outros capítulo deste livro. Os enlaces (meios físicos por onde trafegam os sinais
que representam as informações) serão analisados no capítulo 2.
Internet
Outro conceito importante é a Internet. A Internet não é considerada por muitos autores
como uma rede, mas uma conexão entre redes diversas. Tais autores consideram que
uma rede deve possuir uma tecnologia única, o que evidentemente exclui a Internet,
uma verdadeira panacéia de tipos de redes.
Seção 3 – Padrões e Histórico das redes
Histórico
Durante o século 20, a tecnologia chave foi Informação. Geração, processamento e
distribuição da Informação foram cruciais para a humanidade. Entre os anos de 1900 e
2000 desenvolveram-se os sistemas telefônicos, foram inventados o rádio e a TV, os
computadores e os satélites de comunicação. Como conseqüência, essas áreas
convergiram e as diferenças entre a coleta, transporte, armazenamento e processamento
das informações foram rapidamente desaparecendo.
Os avanços na capacidade de comunicação permitiram cada vez mais
acesso as fontes de informação. Você pode obter informações sobre a evolução dos
sistemas de comunicação em:
http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_communication_technology
Na história da humanidade, os avanços tecnológicos deram-se de maneira
extremamente lenta. Somente nos últimos 150 anos é que os avanços começaram de fato
a acontecer de forma significativa. O fator que propiciou esse salto foi justamente a
conectividade. Somente quando foi possível aos seres humanos formas de comunicação
mais efetivas e abrangentes é que a tecnologia expandiu-se.
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100
Avanços tecnológicos
3500 aC=fenícios inventam o alfabeto14 dC=Romanos criam 1o. serviço Postal 150 anos?
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100
Avanços tecnológicos
3500 aC=fenícios inventam o alfabeto14 dC=Romanos criam 1o. serviço Postal 150 anos?
Figura 3 - Evolução tecnológica na história da humanidade
Do you Know?
3.1. Modelos de interação, processamento e comunicação:
A interação entre os usuários e os computadores, bem como o processamento da
informação e a comunicação entre as máquinas passou por diversos estágios até chegar
aos modelos atuais, os quais com certeza não serão “tão atuais” em um intervalo de
tempo bem pequeno.
3.1.1. O telégrafo
O eletromagneto, inventado em 1825 pelo britânico William Sturgeon,
serviu de base para toda a evolução em larga escala das comunicações eletrônicas. Tal
evolução foi iniciada com a invenção do telégrafo(fig 5) em 1835 por Samuel Morse.
Fig 5 – O telégrafo, primeiro dispositivo de comunicação eletrônico
Fonte: United States Patent and Trademark Office (PTO or USPTO) , disponível em
http://www.uspto.gov/patft/index.html
Baseado no eletromagneto, Morse criou um código binário para representar os
diferentes caracteres alfanuméricos (figura 5). A primeira linha telegráfica ligou
Washington a Baltimore (aproximadamente 70 Km) , inaugurando as comunicações
eletrônicas de longa distância .
A primeira conexão entre dois
computadores foi realizada em
1940. George Stibitz utilizou as
linhas de telégrafo para enviar
arquivos entre Dartmouth
College (New Hampshire,
USA, para os laboratórios Bell,
em New York.
Figura 5 – Código Morse, representando de forma binária todos os caracteres.
Fonte: http://www.dkimages.com/discover/previews/795/940283.JPG
Após a ampla aceitação do telégrafo, a comunicação por sinais elétricos
deu origem a grandes sistemas de comunicação como telefone,
rádio e televisão.
Veja mais sobre Morse e sua pequena revolucionária invenção em:
http://inventors.about.com/od/tstartinventions/a/telegraph.htm
3.1.2. Computadores baseados em sinais elétricos
Em 1946, projetado pelo Departamento de Material de Guerra do Exercito
dos EUA foi criado o ENIAC - Eletronic Numerical Interpreter and Calculator
(Computador e Integrador Numérico Eletrônico) –fig 3. O ENIAC foi projetado por
John W. Mauchly e J. Presper Eckert, na Universidade de Pensilvânia-EUA. Foi o
primeiro computador digital eletrônico, com um comprimento de quase 30 metros, um
peso de 30 toneladas e mais de 17.000 tubos. Hoje, seu notebook pode armazenar
milhões de vezes mais informação, com uma velocidade aproximadamente 50.000 vezes
maior.
Figura 3 ENIAC -primeiro computador digital eletrônico.
Fonte: http://www.computerhistory.org
3.1.3. Processamento em lote (batch)
Na década de 1950 o processamento das informações era realizado sem nenhuma
forma de interação direta entre os usuários e a maquina: os
usuários submetiam suas tarefas (jobs) utilizando leitoras de
cartões ou fitas magnéticas.
O processamento era realizado em lote (batch) e seus resultados eram gerados
conforme a ordem de submissao dos jobs. Os resultados de processamentos
podiam ser armazenados em fitas ou impressos.
Conceito de Job (tarefa):
Sequência de ativações (instâncias) cada uma composta por um conjunto de
instruções que, na ausência de outras atividades, é executada pela CPU sem
interrupção
Fig xxx- execução de um Job – Fonte: Luiz Almeida, 2007
Fig 4 – Algoritmo do processamento em lote (batch). Fonte:
http://www.hollyfield.kingston.sch.uk/gcseit/GCSE/process.htm
3.1.4. Time Sharing
O Sistema operacional se encarregava do escalonamento. Os usuários
ficaram mais distantes, nas salas de terminais. Estas salas poderiam inclusive situar-se a
muitos quilômetros de distância, conectadas ao computador através de linhas dedicadas
para transmissão (fig abaixo).
Este foi o caso da solução apresentada pela IBM em 1971, denominada IBM
3270 Information Display System, projetado para estender o poder de processamento do
computador do Datacenter para localidades remotas (fig abaixo)
Fig xxx - Sistema de processamento “time sharing”. Fonte:
http://cupzinfreeze.co.cc/model-communication-method-and-data-transmission/
3.1.5. Processamento distribuído
O sistema de processamento de dados distribuído (fig xxx abaixo) é uma forma
evolutiva do sistema de time-sharing. Quando um sistema computacional possui
recursos para processar seus dados e conectar-se com outro sistema através de uma rede,
a definição de time-sharing deve ser revisada. O “Distributed Data Processing System”
podem ser definidos como um sistema computacional geograficamente disperso,
conectado através de uma rede, de forma que cada CPU execute suas tarefas
independentemente e possui a habilidade de relacioná-las com as tarefas e resultados
dos outros sistemas computacionais conectados a essa rede.
Figura xxx – Sistema de processamento distribuído. Fonte: Motus and Rodd, 1994.
Nos sistemas distribuídos, as tarefas são fragmentadas em funções que residem em
diferentes processadores e memórias.
3.1.6. Sistemas de tempo real (Real Time Systems)
Sistema de tempo real é um sistema de processamento de dados que requer
um volume de transações em velocidades suficientes para controlar ou monitorar
um processo físico. Isto porque os requisitos das transações devem ser obtidos ao
mesmo tempo, como parte de um sistema global de controle.
Tempo Real é a propriedade que caracteriza a capacidade de um sistema
computacional de estabelecer correspondências entre diferentes sistemas de medição
e/ou contagem de tempo (Motus and Rodd, 1994).
Os sistemas de tempo real possuem funcionalidades as quais devem ser
desempenhadas ou prestadas dentro de intervalos de tempo finitos impostos por um
processo físico.
A técnica permite ao sistema enviar os dados a um computador central, que
os processa imediatamente após o recebimento desses dados e retorna os resultados ao
remetente assim que o processamento termina.
Tempo-real não significa rapidez mas apenas um ritmo de
evolução próprio de um certo processo físico.
Quando um sistema de controle ou monitoração consegue
acompanhar o estado de um dado processo físico e, se
necessário, atuar a tempo sobre ele, então trata-se de um
sistema de tempo-real.
• Todos os seres vivos são sistemas de tempo-real
relativamente aos
seus habitats naturais, os quais determinam o respectivo
tempo-real.
• Por outro lado, quando construímos máquinas
(programáveis) para
interagir com processos físicos, necessitamos de usar
técnicas de
programação e infraestruturas de SW que nos permitam ter
confiança na capacidade de atuação pontual.
Fonte: Luiz Almeida, 2007
3.1.7. Cliente / servidor
Nesse tipo de comunicação, uma máquina solicita um serviço (cliente, como um
browser) e a máquina que presta o serviço (um web server, por exemplo) envia uma
resposta, que pode ser uma página html.
Figura -4 - cliente/servidor (Tanembaum, 4ª. ed – 2004)
3.1.8. Peer-to-peer Nesse modelo (colega-a-colega), não existe cliente ou servidor. Qualquer máquina pode
ser cliente e simultaneamente servir às requisições de outras máquinas. Nesse modelo
se encontram os principais grupos de compartilhamento de arquivos, como o Kazaa, e-
mule, edonkey, imash.
Figura -5 -Modelo de comunicação peer-to-peer (P2P) (Tanembaum, 4ª. ed – 2004)
3.1.9. Cloud Computing
......
3.2. Evolução das redes
A história das redes de dados e da Internet se confundem com o
Departamento de Defesa dos EUA (DoD), através da ARPA - Advanced Research
Projects Agency (www.arpa.mil ), em conjunto com o MIT - Massachusetts Institute of
Technology (http://www.mit.edu ). Esses dois organismos mantiveram os principais
pesquisadores na área das ciências computacionais no início da década de 60. A rede
ARPANET não parou de crescer.
(a) December 1969. (b) July 1970. (c) March 1971. (d) April 1972. (e) September 1972.
Figura 6 -Crescimento da ARPANet – (Tanembaum, 2004 – 4ª ed.)
Em 1981 ocorreu o lançamento do IBM PC, o qual propiciou acesso a recursos
computacionais locais e manteve o acesso remoto ao mainframe usando software
emulador e interfaces de comunicação através de cabos.
Com o advento do PC e, principalmente após a criação da dupla HTTP/HTML, em
1991, o crescimento da rede foi exponencial. O site do Internet Software Consortium
mantém um levantamento anual do número de hosts na Internet (figura 6)
Figura 7 - Crescimento do número de hosts
Fig xxx – Diagrama de exemplo de interconexões de redes (internets). (Stallings,
Business Data Comunications – 2006)
Muitas pessoas participaram dos projetos iniciais da Internet. Quase todos os maiores
pioneiros podem ser vistos em http://www.ibiblio.org/pioneers/index.html. Vint Cerf é
considerado o “Pai da Internet”. Bob Metcalfe inventou a tecnologia Ethernet, que
domina as interfaces de rede até hoje.
Outros pesquisadores foram muito importantes, principalmente no desenvolvimento do
TCP/IP, que impulsionou a rede. John Postel é um desses caras. A página de Postel,
http://www.postel.org, é um tributo a dedicação e criações do pesquisador. Postel
participou da criação, entre outros protocolos, do IP, do TCP, do SMTP (serviço de e-
mail) e da resolução de nomes (DNS). Foi editor das RFCs por 30 anos.
Você pode acessar mais sobre a história da Internet em Português:
http://simonevb.com/hobbestimeline/ . Outro site interessante sobre a história das
comunicações, inclusive a Internet é http://www.mediahistory.umn.edu (em Inglês)
3.2.1. Novas gerações de redes
3.3. Padrões
Atualmente, vários organismos internacionais estão voltados para a padronização das
normas de funcionamento dos dispositivos usados na troca de informações. Protocolos,
componentes de rede, interfaces, todas as tecnologias utilizadas precisam de padrões para
que consigam operar entre elas. A seguir, você entrará em contato com os principais
organismos da área de redes e comunicação de dados.
3.3.1. Organização da Internet
O conjunto de protocolos que é o motor da Internet, denominado
oficialmente de “TCP/IP Internet Protocol Suite” não possui proprietários, não pertence
a um fornecedor específico. Antes do TCP/IP, somente os órgãos de padronização (ITU-
T, por exemplo) e os fabricantes principais (IBM, Digital) possuíam propostas para
protocolos de rede.
Como não existe uma empresa ou entidade privada que coordene e organize
a Internet, quem é o responsável pelo funcionamento da rede?
Quando a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) resolveu
em 1979 expandir as pesquisas em torno da comutação de pacotes, tecnologia que
“Seja liberal naquilo que você aceita,e conservador
naquilo que você propaga”. J. Postel.
conectava algumas redes na metade da década de 1970, surgiu um grupo denominado
IRG – Internet Research Group, destinado a desenvolver o embrião da pilha TCP/IP. O
grupo evoluiu, em 1983, para formar o IAB – Internet Architecture Board, responsável
por conduzir o funcionamento e a evolução da Internet. Desde então, vários segmentos e
organismos foram sendo criados para auxiliar nas tarefas de padronização e condução
das pesquisas em volta da pilha TCP/IP. Veremos a seguir os principais elementos desse
corpo gestor da Internet.
Você pode encontrar um volume muito grande de informações sobre a pilha TCP/IP em:
http://www.tcpipguide.com
3.3.2. Internet Architecture Board
http://www.iab.org
O IAB é designado tanto como um comitê do Internet Engineering Task
Force (IETF) quanto um corpo consultivo da Internet Society (ISOC). Suas
responsabilidades incluem a supervisão das atividades do IETF, supervisão dos
processos de padronização da Internet (Internet Standards Process) e indicação dos
editores dos ducumentos que padronizam a Internet (RFCs). O IAB também é o
responsavel pela gerência dos registros de parâmetros dos protocolos criados pelo
IETF.
3.3.3. Internet Assigned Numbers Authority (IANA)
http://www.iana.org O IANA é o corpo responsável pela coordenação de alguns elementos chave que mantém a
Internet rodando corretamente. Embora a Internet seja mundialmente vista como uma rede
livre de coordenação centralizada, existe a necessidade de coordenação técnica em alguns
segmentos centrais da rede. Essa coordenação global é exercida pelo IANA.
Especificamente, o IANA aloca e mantém a integridade e unicidade de códigos e sistemas
de numeração que são utilizados nos padrões técnicos (protocolos) que regem o
funcionamento da Internet.
3.3.4. ISOC – Internet Society
http://www.isoc.org
Mantém vários grupos responsáveis por funções centrais no funcionamento e evolução da
Internet. Entre elas, se destacam o IETF, IANA, W3C.
3.3.5. IETF – The Internet Engineering Task Force
http://www.ietf.org
O IETF é uma organização que reúne fabricantes, pesquisadores, projetistas,
operadores de redes. Essa comunidade está envolvida com a operação e a evolução da
arquitetura da Internet. Sem dúvida, a organização mais destacada em termos de normas e
padrões para os protocolos e procedimentos relacionados com a Internet, notadamente a
arquitetura TCP/IP.
O IETF mantém grupos de trabalho divididos por área, como roteamento, segurança, e
outros. Possui uma metodologia de padronização baseada em RFCs (Request for
Comments), documentos que normatizam o funcionamento da Internet.
Os protocolos padronizados estão citados na RFC 3600, denominada Internet Official
Protocol Standards, de 2003, que pode ser visualizada no link:
http://www.ietf.org/rfc/rfc3600.txt
3.3.6. ITU - International Communications Union.
http://www.itu.int
Esse organismo, como o nome está indicando, é responsável pela
padronização do setor de telecomunicações. Aqui os padrões também são pagos. Entre
outras coisas, o ITU é responsável pelo protocolo de comunicação de voz sobre IP
H.323 e pelas normas de comunicação do protocolo ATM entre as operadoras de
Telecomunicações – SIP – session initiation protocol – rfc 3261 e 3262
3.3.7. ANSI – American National Standards Institute.
http://www.ansi.org/
Responsável por alguns padrões importantes na área de redes e
comunicação de dados (por exemplo, as redes FDDI, que funcionam a 100 Mbps em
anéis de fibra óptica). O ANSI é uma instituição privada norte-americana, destinada a
promover os padrões daquele país em nível internacional.
3.3.8. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers,
Inc.
http://www.ieee.org .
É uma associação profissional, que trabalha para pesquisa e padronização
nas áreas de engenharia e computação, com muitas publicações e conferências
renomadas nessa área. Existem várias áreas de trabalho e uma delas nos interessa
particularmente: O grupo 802, que regulamenta as redes locais e metropolitanas, entre
elas as tecnologias ethernet (IEEE 802.3) e token ring (IEEE 802.5), as duas líderes em
redes locais. Os padrões podem ser obtidos em http://standards.ieee.org/
3.3.9. TIA/EIA
http://www.tiaonline.org/
Normalmente associados aos cabeamentos, pinagens e conectores, os
padrões da Electronic Industries Alliance (EIA) participam da elaboração de tecnologias
de comunicação, bem como produtos e serviços. Á aliança é responsável por vários
grupos de padronização, inclusive a Telecommunications Industry Association (TIA).
3.3.10. Outras Instituições (Fórums, Associações)
Algumas tecnologias possuem fórums de discussão, que tentam agilizar o
estabelecimento dos padrões, antecipando-se aos organismos oficiais. Tais fórums são
compostos por fabricantes e pesquisadores interessados na tecnologia em questão. Por
exemplo, um fórum muito atuante é o das tecnologias de banda larga, o Broadband
Forum. Veja em http://www.broadband-forum.org/ Outra organização de fabricantes é
a Aliança gigabit ethernet. http://www.10gea.org. Temos ainda uma associação para
discutir os avanços e diretrizes das redes metro-ethernet em
http://www.metroethernetforum.org, e para questões que envolvem fibre channel:
http://www.fibrechannel.org/. Se a sua preucupação é entender um pouco sobre
Infiniband, visite: http://www.infinibandta.org/home. Um fórum sobre o padrão IEEE
802.16 (wimax) pode ser encontrado em http://www.wimaxforum.org .
Seção 4 – Os componentes de uma rede
Uma rede de comunicação de dados possui vários componentes, o que pode fazer dela
um sistema computacional bastante complexo.
Os componentes podem ser divididos em 2 grupos básicos: Hardware e Software
4.1 - Componentes de hardware: Incluem todos os dispositivos físicos que fazem parte
da comunicação Você verá mais sobre os componentes na unidade 5.
Componente Camada de atuação Foto
Enlaces Abaixo da física (lembre-se
que as camadas constituem-se
de software)
Hub
Atua na camada 1,
propagando o sinal
elétrico/óptico em todas as
portas
Repeater
Faz o mesmo papel do hub,
regenerando o sinal e
propagando para outra porta.
Pode ser considerado um hub
de uma porta.
Placa de rede /
interface
Faz a ligação do host com o
enlace. Converte as
informações em bits, e os bits
em informações
Bridge
Faz a conexão entre duas
redes através da camada de
enlace. Pode conectar redes de
tecnologias diferentes, como
Ethernet e Token Ring. A
bridge deu origem aos
switches
Switch
Um switch reune um conjunto
grande de funções. Podem ser
considerados Bridges com
várias portas. Armazenam os
pacotes, repassam para os
destinatários na porta de
destino. Evitam colisões.
Router
Comutador de pacotes de
camada 3 (datagramas).
Possui outras denominações:
Sistemas intermediarios,
Intermediate system ou IS
(usado pela ISO)
Gateway (Muito usado
pela comunidade
IP/Internet)
Switch de camada 3
Modem
Modulador/Demodulador.
Equipamento de codificação.
Converte sinais analógicos e
digitais
Host
Máquina o usuário. Possui
outras denominações:
Host (Comunidade
IP/Internet)
Data terminal equipment,
ou DTE (usado pelo
padrão X.25)
End system, ou ES (usado
pela ISO)
Estação
Gateway
Máquina que comuta
datagramas (camada 3). Nome
dado aos roteadores pela
comunidade IP/Internet
WLAN Controller Controlador de pontos de
acesso (Access Points). Possui
a inteligência de uma rede
WLAN – Wireless LAN.
Conecta todos os APs de uma
rede sem fio aos switches de
acesso.
Access Points Pontos de acesso a rede sem
fio (wireless) Podem ser
autônomos (possuem
inteligência para autenticar e
dar privilégios) ou slaves, os
quais precisam de um
controlador (WLAN
controller)
Transceivers São dispositivos que
transformam os sinais do
mundo óptico para o elétrico e
vice-versa. Os transceivers
mais comuns hoje em dia são
os SFPs (Small form-factor
pluggable)
Veja mais sobre os SFPs em
ftp://ftp.seagate.com/sff/INF-
8074.PDF
Firewall, filtros de
conteúdo
Dispositivos que tem a função
de bloquear o acesso indevido
aos recursos em uma rede de
computadores.
Maquinas Virtuais
4.2 – Componentes de Software:
a) Os sistemas operacionais: Responsáveis pelo controle do uso da CPU,
memorias, discos e periféricos, como a interface de rede. Alguns controlam
ainda as tabelas de endereços e de caminhos. Tais sistemas residem nos switches
e routers.
Unix (HP-UX, Solaris, AIX)
Linux (Red-Hat, Debian, Suse) -> Obs.: São muitas as distribuições de Linux.
Veja uma lista quase completa em http://www.linux.org/dist/list.html
Existem algumas especializadas para rodar em hardware antigo ou obsoleto
(http://www.sahw.com/wp/archivos/2006/07/20/diez-distribuciones-linux-ligeras-para-
uso-en-equipos-poco-potentes-yo-obsoletos/)
Além disso existem versões de Linux que baseiam-se em sistemas Unix derivados
do BSD (Berkeley System Distribution). Em contraste com as numerosas
distribuições Linux, existe apenas três BSDs de código livre.
Cada projeto BSD mantém sua própria árvore de código fonte e seu próprio kernel.
Na prática, as divergências entre o código à nível de usuário parece ser ainda menor
entre os projetos BSD do que entre os vários Linux.
O FreeBSD tem um projeto que visa alta performance e facilidade de uso
para usuários finais, e é o favorito de provedores de conteúdo da rede
mundial de computadores. Ele pode ser usado em PCs e Compaqs com
processadores Alpha. O projeto FreeBSD possui significativamente mais
usuários do que os outros projetos.
O NetBSD tem foco na máxima portabilidade. Ele roda em arquiteturas
desde palmtops até servidores de grande porte (high end), e vem sendo usado
até em missões espaciais da NASA. Uma boa escolha para rodar em
equipamentos antigos que não sejam Intel.
O OpenBSD tem um desenho voltado a segurança e pureza de código: ele
usa uma combinação dos conceitos de código livre com rigorosas revisões
para criar um sistema correto e auditável, tornando-o a escolha de
organizações voltadas a importância da segurança da informação, como
bancos e departamentos do governo. Roda em várias plataformas.
Existem ainda dois sistemas operacionais BSD adicionais que não são de código
livre:
O BSD/OS é o mais antigo dos derivados do 4.4BSD. Ele não tem código
livre, mas as licenças de seu código fonte são disponíveis a um preço
relativamente baixo.
O Mac OS X é a versão do sistema operacional da linha Macintosh da Apple
Computers Inc. Ao contrário do resto do sistema operacional, o kernel é
código livre. Como parte desse desenvolvimento, desenvolvedores chave da
Apple tem acesso de modificações na árvore do FreeBSD.
Novell Netware
Windows
Sistemas especializados em comutação e roteamento (ex.: IOS, Junos)
b)os protocolos
HTTP (páginas de hipertexto)
SMTP (transporte de correio eletrônico)
FTP (transferência de arquivos)
c) as aplicações (clientes, que solicitam o serviço – browser, por
exemplo- e servidoras, que prestam os serviços – servidor web, por
exemplo).
Seção 5 - Os protocolos de rede
Um protocolo de rede é uma norma de comunicação,
implementada através de software. Define a forma e a
ordem das mensagens, e as ações realizadas para a
comunicação entre duas entidades.
Para reduzir a complexidade do projeto dos protocolos, eles são divididos em
camadas ou níveis, uma camada sobre a outra, como os andares de um prédio. O número de
camadas, o nome, o conteúdo de cada uma e a função delas pode variar de modelo para
modelo. Em todos os modelos, porém, as camadas inferiores prestam serviços para as
camadas superiores, e as superiores solicitam os serviços das inferiores. Os protocolos
acessam os serviços da camada inferior através dos SAP – Services Access Points ou Pontos
de Acesso aos Serviços
Fig xxx- Os SAPs Pontos de acesso aos serviços. Fonte: Held – 2001 – Data
communications and Networking Devices)
Note que cada camada possui funções especializadas, e não interfere nas
funções das camadas acima e abaixo.
A especificação formal de um serviço se dá por um conjunto de primitivas
(operações) disponíveis para que um usuário ou outra entidade (Software) possa
acessá-lo.
Divididas em quatro classes:
o Request: Entidade quer que o serviço faça algo;
o Indication: Entidade será informada sobre um evento;
o Response: Entidade quer responder a um evento;
o Confirm: A resposta a uma solicitação anterior chegou.
Os modelos de protocolos de redes mais utilizados são 3:
OSI
TCP/IP
Modelo híbrido
5.1. Modelo de referência ISO/OSI (RM-OSI ou Reference Model -
Open Systems Interconnections)
É o modelo de referência de protocolos de comunicações mais utilizado, e serve de base
para todos os arquitetos de soluções de redes. Constituído por sete camadas, numeradas de
baixo para cima. A camada 1 corresponde a camada física e a camada 7 é a camada de
aplicação, onde funcionam os softwares visíveis aos usuários (email, browsers web, etc).
Perceba, na figura abaixo, que o enlace físico (cabos, ar) por onde os sinais trafegam fica
abaixo da camada física, a qual apenas determina as características da codificação
(diferenças de intensidade dos pulsos luminosos, diferenças de potencial elétrico) e outras
especificações de conectividade.
Fig xxx As 7 camadas do modelo OSI – fonte:
http://www.alegsa.com.ar/Dic/Modelo%20OSI.php
Figura xxx As funções das 7 camadas do modelo OSI. Fonte: willianstallings.com
ISO corresponde á International Organization for Standardization, ou
Organização Internacional para Padronização. A
idéia é "padronizar" para organizar e agilizar os processos.
A ordem numérica das camadas é decrescente, ou seja, o processo
começa na camada física, onde os sinais elétricos são convertidos em
zeros e uns, e termina na camada de aplicação.
.
Outra coisa interessante, é qual a PDU (Protocol Data Unit, ou Unidade de Dados de
Protocolo) cada camada em específico trata..
Obs.: É de extrema importância ressaltar que a camada superior só entende os dados
porque a camada inferior os formata para um formato comum, inteligível para as duas
atuantes no processo, como mostrado a seguir.
PDU-> protocol Data Unit (unidade de dados de protocolo). Cada camada ou protocolo
tem PDUs específicas.
MTU-> Maximum transfer Unit (Unidade máxima de transferência, representa a
“capacidade”, em bytes, do nosso “container digital”).
Exemplo:
TCP/UDP -> Segmento
IP-> Datagramas (os datagramas são quebrados em pacotes para poderem “entrar” nas
PDUs de camada 2, as quais possuem MTUs menores que o IP.
Camada de enlace (normalmente Ethernet)-> Frame ou quadro
Camada Física
É onde se inicia o todo processo (no lado receptor). O sinal que vem do meio
(Cabos UTP ou FO por exemplo), chega à camada física em formato de sinais elétricos
(ou luminosos) e se transforma em bits (0 e 1). Como no cabo trafegam apenas sinais
elétricos de baixa freqüência, a camada física identifica como 0 sinal elétrico com (por
exemplo) –5 volts e 1 como sinal elétrico com (por exemplo) +5 volts (esses valores de
DDP variam conforme a tecnologia das interfaces e o método de sinalização, os quais
veremos mais adiante. Vejam na figura abaixo o exemplo com a Senóide.
A camada física trata de variáveis como distância máxima dos cabos (por exemplo no
caso do UTP são 90m), conectores físicos (tipo BNC do coaxial, SC para fibra óptica ou
RJ45 do UTP), pulsos elétricos (no caso de cabo metálico) ou pulsos de luz (no caso da
fibra ótica), etc. Resumindo, ela recebe os dados e começa o processo, ou insere os
dados finalizando o processo, de acordo com a ordem. Podemos associa-la a cabos e
conectores. Exemplo de alguns dispositivos que atuam na camada física são os Hubs,
tranceivers, cabos, etc. Sua PDU são os BITS.
Camada de Enlace Após a camada física ter formatado os dados de maneira que a camada de enlace os
entenda, inicia-se a segunda parte do processo. Um aspecto interessante é que a camada
de enlace já entende um endereço, o endereço físico (MAC Address – Media Access
Control ou Controle de acesso a meio). Veja uma lista completa dos fabricantes
autorizados a vender interfaces de rede em: http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt.
A camada e enlace trata as topologias lógicas de rede, dispositivos como Switch, placa
de rede, interfaces, etc., e é responsável por todo o processo de comutação. Após o
recebimento dos bits, ela os converte de maneira inteligível, os transforma em unidade
de dado, subtrai o endereço físico e encaminha para a camada de rede que continua o
processo. Sua PDU é o Frame ou QUADRO.
Camada de Rede Pensando em WAN (Wide Area Network), é a camada que é mais importante. A
camada 3 é responsável pelo roteamento do datagramas no processo de internetworking.
A partir de dispositivos como roteadores, ela decide qual o melhor caminho (o qual na
maioria das vezes será o que possui menos saltos) para os dados, bem como a
construção de uma tabela de rotas. A camada 3 possui um endereço lógico (o endereço
IP). Exemplo de protocolos de endereçamento lógico são o IP e o IPX.
Exemplo de dispositivo atuante nessa camada é o Roteador, que sem dúvida é o
principal agente no processo de internetworking, pois este determina as melhores rotas
baseados no seus critérios, endereça os dados pelas redes, e gerencia suas tabelas de
rotas, a qual é dinâmica. A PDU da camada 3 é o Datagrama (o qual pode ser dividido
em PACOTES).
Camada de transporte A camada de transporte é responsável pela qualidade na entrega/recebimento dos dados.
A camada 4 gerencia o processo de transporte, para assegurar de maneira confiável (se o
protocolo escolhido for o TCP) o sucesso no transporte dos dados. Então, após os
datagramas virem da camada de rede, já com seus "remetentes/destinatários", é hora de
entregá-los, na porta de destino (TCP ou UDP port. As portas dos servidores n\são ditas
Well-Know Ports e variam de 0 a 1023 – veja em:
http://www.iana.org/assignments/port-numbers) os protocolos de transporte mais
conhecidos são o TCP e o UDP (o SPX, da Novell, já teve seu período de utilização,
mas agora é pouco usado). A PDU da camada 4 é o SEGMENTO.
Camada de sessão A camada de sessão é responsável pelo processo da troca de dados/comunicação. A
camada 5 é responsável por iniciar, gerenciar e terminar a conexão entre hosts. Para
obter êxito no processo de comunicação, a camada de sessão têm que se preocupar com
a sincronização entre hosts, para que a sessão aberta entre eles se mantenha
funcionando. Exemplo, ou mais especificamente, aplicativos que atuam na camada de
sessão é o SIP( session Initiation Protocol) ou o ICQ,. A partir daí, a camada de sessão e
as camadas superiores vão tratar como PDU os DADOS.
Camada de Apresentação A camada 6 atua como intermediaria no processo frente às suas camadas adjacentes. Ela
cuida da formatação dos dados, e da representação destes, e ela é a camada responsável
por fazer com que duas redes diferentes (por exemplo, uma TCP/IP e outra IPX/SPX) se
comuniquem, "traduzindo" os dados no processo de comunicação.
Camada de Aplicação
A camada de aplicação e a que mais notamos no dia a dia, pois interagimos direto com
ela através de softwares como cliente de correio, programas de mensagens instantâneas,
browsers, etc. Atuam o DNS, o Telnet, o FTP, HTTP, SNMP, SMTP, e outros. E ela
pode tanto iniciar quanto finalizar o processo, pois como a camada física, se encontra
em um dos extremos do modelo!
5.2. TCP/IP
o A arquitetura TCP/IP foi aquela que impulsionou a Internet, numa evolução da ARPA-
Net. O TCP/IP foi escrito de forma a simplificar a comunicação e possibilitar a
interoperação de dispositivos e tecnologias totalmente diferentes.
A arquitetura do conjunto TCP/IP foi projetda com base no modelo das camadas
do OSI, porém com várias simplificações.
Figura xxx Comparação entre as camadas OSI/TCP-IP Fonte: Comer, 2005
5.3. Modelo híbrido
O modelo híbrido surgiu da necessidade didática de comunicação entre os
instrutores e os alunos. Analisando a Figura 7, você pode perceber como ficaria confuso
referenciar um protocolo como sendo de “camada 4” quando tinhamos o OSI (7 camadas) e
o TCP/IP (4 camadas). A camada 4 para o OSI é a de transporte, e para o TCP/IP é a de
aplicação. O modelo híbrido passou a ser usado pelos principais autores da área de redes
(Comer, Kurose, Tanembaum, Peterson). No nosso estudo, adotaremos o modelo híbrido
como referência para as camadas, exceto quando for explicitamente indicada outra pilha de
protocolos.
Considerações sobre os protocolos:
• Podem ser implementados em software ou em hardware.
• Geralmente as camadas mais inferiores são implementadas no próprio chip da placa
de comunicação.
• Na implementação definem-se pontos deixados em aberto durante a especificação
do protocolo:
– Valores dos tempos de retransmissão;
– Estratégias específicas de manipulação de buffers, controle de fluxo.
Questões genéricas que devem ser tratadas nos projetos de protocolos:
• Mecanismo para identificar emissores e receptores (e os processos em cada
extremidade)
o Endereçamento. • Forma como os dados devem ser transportados:
o Simplex: Dados trafegam em apenas uma direção;
o Half-duplex: Trafegam em ambas as direções, mas não
simultaneamente; o Full-duplex: Trafegam em ambas as direções, simultaneamente.
• Circuitos físicos não perfeitos
o Controle de erro (detecção e/ou correção) Normalmente é realizada
apenas a detecção de erros, pois a correção exige recursos
computacionais demasiados, o que acabaria gerando atrasos. A
detecção se dá somente nos cabeçalhos, e não nos dados dos usuários.
Detectar erros nos dados envolveria a abertura dos envelopes digitais
até na camada de aplicaçao. O destinatário é quem deve se
responsabilizar por essa tarefa.
Figura 9- Modelos de camadas
Um conjunto de protocolos e camadas é denominado de Arquitetura de Rede.
A especificação de uma arquitetura deve ter todas as informações para alguém implementar
um programa ou construir um dispositivo de hardware para uma ou mais camadas,
obedecendo as normas do protocolo.
Figura 8 - Modelo genérico para 5 camadas
Comunicações horizontais e verticais
Dentro de uma mesma camada para hosts diferentes (comunicação horizontal),
e camadas diferentes no mesmo host (comunicação vertical).
Encapsulação
Ao adicionar informações de controle da rede (cabeçalhos – figura xxx) o
processo de encapsulamento aumenta a quantidade de informação a ser transmitida, e
exige mais recursos computacionais para a verificação destes cabeçalhos. Esse fato é
conhecido como “Overhead” ou sobrecarga.
Exemplo de cabeçalho para o protocolo ICMP
Quanto mais alta a camada a ser analisada, mais cabeçalhos devem ser
verificados. Ao se analisarem as camadas superiores (aplicação, transporte)
necessariamente haverá redução de desempenho. Analises dos cabeçalhos das camadas
inferiores (enlace, rede) degradam menos. Podemos imaginar o processo como a
abertura de um envelope contido dentro de outros envelopes. Os mais internos
corresponderiam as camadas superiores, e os externos as primeiras camadas. Fica mais
fácil verificar as informações de controle dos envelopes externos.
Figura abcx – Os fluxos horizontais e verticais e o processo de encapsulação nas camadas de uma
arquitetura genérica. M= mensagem, H=cabeçalho e T= Trailer
Veja mais sobre encapsulação em uma animação shockwave no endereço: http://www.humboldt.edu/~aeb3/telecom/Encapsulation.html
Unidade 2
Camada física - Sinais, multiplexação e banda em um canal Nesta unidade, serão estudados os componentes da camada física. Os tipos de
sinalização, os meios de transmissão. Como você viu, as arquiteturas dos protocolos
apresentam divisões em camadas. Nesse curso, adotamos o modelo híbrido de
arquitetura, que associa os modelos OSI e TCP/IP. A camada física, apesar de não
especificada no modelo TCP/IP, está presente nos modelos OSI e híbrido (Erro! Fonte
de referência não encontrada.). Ela é a camada mais inferior da pilha, sendo
responsável pela interface com os meios de transmissão. Tais interfaces comunicam o
host com a rede, determinando os parâmetros mecânicos, elétricos e temporais.
A camada física determina como os bits serão representados (sinalização), detecta o
início e o final das transmissões, e as direções dos fluxos (simplex, half duplex e full
duplex). Você vai observar que é dificil transpor algumas barreiras físicas e que existe
uma imposição da natureza sobre as possibilidades e limites de utilização de um canal
para transmitir sinais.
A camada física corresponde às vias de
escoamento do tráfego. Nelas, existem alguns controles básicos
que encontramos também nos protocolos: O tipo do veículo que
pode trafegar em cada pista, os sinais de trânsito, permitindo ou
Acesso a rede
bloqueando a passagem. As colisões, quando ocorrem. Os
engarrafamentos, os estreitamentos de pista, as larguras e
velocidades máximas.
Os diferentes meios de transporte podem ser
comparados aos meios de transmissão: você pode imaginar uma
estrada não pavimentada como sendo uma linha de transmissão
analógica, de grandes retardos, e taxas de erros como um
modem assíncrono de 56 Kbps. Uma estrada pavimentada
poderia ser então nossos pares trançados (esses azuis que
conectam o micro a tomada de rede).
Uma fibra óptica poderia ser o ar por onde
trafegam os aviões, de qualquer velocidade. Os satélites
poderiam ser comparados aos navios, uma vez que podem
transportar muita informação, mas são relativamente lentos
devido a sua distância em relação a superfície do planeta.
Ao final da unidade,voce estará apto para:
Identificar os tipos de sinais
Definir multiplexação de um canal
Entender o conceito de Largura de banda
Diferenciar os meios físicos de transmissão
Entender os principais problemas dos sinais
Sessão 1 – Tipos de sinal
Sessão 2 - Largura de banda
Sessão 3 – Multiplexação
Sessão 4 – Codificação
Sessão 5 – Os meios de transmissão e os problemas dos sinais nos meios físicos
Sessão 1 – Tipos de sinal
Sinais e transmissão de dados
Definições importantes na comunicação de dados (Stallings,
2004): Dados são entidades que contém algum significado, ou informações.
Sinais são representações elétricas ou eletromagnéticas OU ÓPTICAS dos
dados
Sinalização é a propagação física do sinal através de um meio físico adequado.
Transmissão é a comunicação de dados pela propagação e processamento
dos sinais
Legenda:
A figura 7 (a) representa um sinal analógico e a fig 7(b) representa um sinal digital
(Stallings, 2004)
O que é um sinal? Um sinal é um fenômeno físico, que representa um fluxo de
informações. Portanto, um sinal pode transportar os dados em um meio físico (fios de
cobre, fibras ópticas, ar)
Tipos de sinais:
Basicamente, temos dois tipos de sinais de dados:
Analógicos
Nesse tipo, existe uma variação contínua da intensidade em relação
ao tempo. Não existe descontinuidade.
Dados analógicos possuem valores continuos em um dado intervalo. O exemplo
mais comum pode ser dado pelo áudio, percebido pelos humanos em forma de
ondas acústicas (figura 8). A voz humana tipicamente contém frequencias entre
100 Hz e 7 kHz outro exemplo de dados analógicos são os vídeos em TVs
convencionais.
Figura 8 – Freqüências comuns de áudio – Sinais analógicos
Digitais
Nos sinais digitais a intensidade se mantém em um nível constante e então muda para
outro nível de intensidade (Figura 9)
Figura 10 - Sinal Digital
Um sinal digital é uma sequência de pulsos discretos, descontínuos.
Os sinais digitais têm uma amplitude fixa, mas a largura do pulso e a freqüência podem
ser alteradas. Os sinais digitais de fontes modernas podem ser aproximados a uma onda
quadrada, que, aparentemente, tem transições instantâneas de estados de baixa para alta
voltagem, sem ondulação.
Cada pulso é um elemento do sinal. Nos casos mais simples, existe uma
correspondência 1 para um entre os bits transportados e os elementos dos sinais.
Exemplo de codificações onde existe correspondencia 1-1 (NRZI) e 2-1 (Manchester)
Figura 11 - Número de elementos na sinalização de 1 bit
Bauds
Um baud é o número de símbolos (elementos) do sinal usados para
representar um bit.
No caso da figura 7, um 1 bit é representado por 1 baud na codificação
NRZI e 2 bauds na Manchester. Durante um baud, um símbolo é
enviado no canal. Quando um canal digital é amostrado, o número de
amostras por segundo é medido em bauds
Exemplo: Se voce tem um modem com taxa de 2400 bauds significa
que seu modem pode amostrar 2400 simbolos por segundo. Embora
isso possa parecer pouco, cada símbolo pode representar mais de um
bit, dependendo da modulação. Se o seu modem usa uma técnica
chamada QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), dois bits são
representados a cada alteração de fase.
Tarefas de um sistema de comunicação
Podemos listar as seguintes tarefas como sendo responsabilidade do sistema de
comunicação (Stallings, 2005):
Interfaces humano/maquina/maquina/humano
Geração do sinal
Sincronização
Detecção e correção de erros
Controle de fluxos
Endereçamento
Roteamento
Recuperação
Formatação das mensagens
Segurança
Gerência da rede
Sessão 2 - Largura de banda e atrasos
Largura de Banda A largura de banda (bandwidth) e o atraso (tempo necessário para que uma unidade
de informação percorra a rede desde a origem até o destino) são dois conceitos
fundamentais para analisarmos o desempenho de uma rede.
A largura de banda de um enlace pode ser definida de duas formas: fisicamente,
pode-se dizer que:
“é a faixa de frequências que pode passar pelo enlace com perdas mínimas”.
Por exemplo, para transmitir um sinal de voz na linha telefônica precisamos de uma
banda de 3000 Hz, pois a voz humana usa frequências de 300 a 3300 Hz.
A taxa de transmissão das interfaces (bits por segundo ou bps) normalmente é
confundida com largura de banda.
Sob essa óptica, uma interface fast ethernet (padrão IEEE 802.3u) teria uma banda
de 100 Mbps. Essa quantidade normalmente não é alcançada na prática, devido aos
problemas de implementação das tecnologias. A palavra “throughput” ou vazão,
normalmente é usada para definir o desempenho que um enlace fornece entre duas
interfaces. Por exemplo, um enlace de 10 Mbps poderia fornecer uma vazão de,
digamos, 4 Mbps, devido às deficiências de implementação.
Esse conceito de largura de banda provém da Física, e gera alguma ambigüidade
quando transportado para o universo computacional. Alguns autores denominam
largura de banda digital aquilo que seria correto chamar-se de taxa de transmissão
de bits (bit rate). A taxa de transmissão não se relaciona com o meio de
transmissão e sim com a capacidade da interface de rede, por exemplo 100 Mbps.
Em geral, qualquer forma de onda digital tem largura de banda infinita. Quando
tentamos transmitir essa onda como um sinal através de qualquer meio físico, o
sistema de transmissão irá limitar a largura de banda que pode ser transmitida.
Existe uma relação direta entre a taxa de transmissão e a largura de banda:
Quanto maior a taxa de dados de um sinal, maior é a largura
de banda necessária no canal de transmissão.
Atraso Atraso é o tempo necessário para que uma unidade de informação deixe a origem e
chegue ao destino.
O atraso pode ser decomposto em vários tipos, dependendo da localização do trajeto
que está sendo analisado. Basicamente, existem 5 tipos de atraso nas redes de
dados:
Propagação,
Transmissão,
Empacotamento,
Enfileiramento
e Processamento.
Eles serão analisados separadamente na próxima unidade. Quando somamos todos
esses atrasos, obtemos o Atraso Total fim a fim, que é o tempo despendido pela
informação entre dois nós da rede.
Quando analisamos o atraso total fim-a-fim podemos imaginar a informação
percorrendo uma tubulação como a da Figura 12.
A tubulação pode ser vista como um túnel por onde
trafegam os veículos em uma rodovia. O veículo
transporta a unidade de dados (motorista). O atraso nodal
total seria o tempo necessário para que o veículo deixasse
a origem e chegasse ao destino.
Figura 12 - O enlace como uma tubulação
Originados nas
interfaces
Podemos imaginar a largura do tunel como a banda disponível para a passagem da
informação. Quanto mais banda, mais furgões podem passar simultaneamente pelo
túnel. Note que aumentar a largura do túnel (mais banda) não significa tornar os furgões
mais rápidos. Significa apenas que mais furgões podem trafegar simultaneamente.
Existe uma abstração importante para imaginarmos o desempenho de um enlace. Se
multiplacarmos a banda pelo atraso, podemos ter a quantidade de bits que estão no canal
de comunicação em determinado instante.
O produto BANDAxATRASO indica quantos bits estão em um canal, antes de serem
recebidos na interface de destino.
Isso significa que, se a interface de destino detectar algum erro
e solicitar um cancelamento da transmissão, esses bits já estarão
no percurso entre as duas interfaces, o que pode gerar
problemas em redes de desempenho muito elevado.
Isso porque quanto maior o desempenho, mais bits estarão nesse trajeto.
Exemplo: em um canal de 50 Mbps com um atraso de 40 ms teremos:
50 X 106
bits/segundo X 40 X 10-3
segundos= 2.000.000 bits
Sessão 3 – Multiplexação
Multiplexar é transmitir sinais de várias sessões de comunicação em um meio físico
compartilhado. A técnica é muito útil para reduzir o numero de enlaces, que
normalmente possuem custos elevados.
Figura 13 - Sessões em enlaces individuais
Quando poucas sessões forem necessárias, o número de enlaces individuais não chega a
ser um problema. Mas muitas sessões significam muitos enlaces. Enlaces=s(s-1)/2
Exemplo: 100 estações= 100*99/2=4.950 enlaces
Figura 14 - Multiplexação - Sessões compartilhando enlace único. Fonte: Kurose & Ross, 2007
Os canais de comunicação podem ser multiplexados segundo 3 técnicas básicas:
Tempo (TDM ou Time Division Multiplexing) Nessa técnica, o canal de comunicação é divido em vários “slots” ou períodos de tempo.
Cada estação pode transmitir em um período, usando toda a frequência (banda)
disponível. Ou seja, limita-se o tempo de transmissão, libera-se a frequência plena do
canal.
Figura 15 - Time division multiplexing (Held, 1998)
Frequência (FDM ou Frequency Division Multiplexing) Nessa técnica ocorre o inverso da anterior: Limita-se uma faixa de frequencia para cada
estação, que pode então transmitir por periodos de tempo indefinidos . Um exemplo é a
transmissão de rádios em AM. Vários canais são alocados nas frequencias entre 500 e
1500 kHz. Cada estação de rádio usa uma faixa de frequencias, sem limites de tempo.
Figura 16 - Frequency Division Multiplexing. Fonte: Held, 1998
Comprimento de onda (WDM ou Wavelength Divison Multiplexing) Nessa técnica, cada estação irá transmitir em comprimentos de onda específicos, que
são filtrados ao passar pelo comutador.
Figura 17 – Wavelenght Division Multiplexing (Fonte: SUDHIR DIXIT, IP over WDM:
building the next-generation optical internet, 2003)
Características (http://www.gta.ufrj.br/grad/04_1/wdm/wdm.pdf )
•Flexibilidade de capacidade;
•Transparência a sinais transmitidos;
•Permissão de crescimento gradual da capacidade;
•Atendimento de demanda inesperada.
As técnicas de WDM
CWDM:Coarse WDM ou WDM esparso
•Multiplexação de até16 comprimentos de onda entre 1310 e 1610;
•Baixa Densidade -20 nm entre canais;
•Custo acessível
DWDM:Dense WDM;
•Multiplexação de até128 comprimentos de onda entre 1492.25 nm e1611.79 nm;
•Alta densidade -0,8 nm (100GHz) entre canais;
•Aplicações ponto a ponto
WWDM -Wide WDM;
Multiplexação de até 4 comprimentos na janela óptica de 1310 nm;
Suporte para fibras multimodo e monomodo;
Aplicações em LAN’s e protocolo 10 GE (10 GigabitEthernet).
Especificação 10GBase-LX4/LW4;
Utilização de duas fibras com WWDM;
Espaço de 24.5 nm entre canais.
U-DWDM: Ultra –DWDM;
•Multiplexação de até256 comprimentos de onda;
•Taxa de transmissão pode chegar a 40 Gb/s para cada canal;
•Espaçamento de 10 GHz (0,08 nm) entre canais.
WDMA -Wavelength Division Multiple Access;
•Pertencente à subcamada MAC (Media Access Control);
•Finalidade de alocação de canais de acesso múltiplo;
•Utilizado em LAN’s de fibra óptica.
O espectro do sinal é dividido em canais usando WDM;
•Atribuição de dois canais a cada estação de uma LAN:
-Canal de controle;
-Canal de dados;
•Canais divididos em grupos de slots de tempo.
As técnicas de multiplexação na camada óptica têm evoluído muito rapidamente.
Atualmente, pode-se polarizar os comprimentos de onda, fazendo com que diferentes
eixos transmitam informações de fontes diversas, o que amplia consideravelmente a
capacidade de transmissão nas fibras ópticas (fig xxx abaixo).
Fig xxx Polarização combinada com WDM. Fonte: WWW.necus.com
Sites de referencia: http://www.gta.ufrj.br/grad/04_1/wdm/wdm.pdf
Fibras ópticas -uma realidade reconhecida e aprovada: http://www.rnp.br/newsgen/0203/fibras_opticas.html
•Sistema de Transporte DWDM:http://www.poncedaher.com.br/papers/dwdm/ •DWDM e CWDM -Tecnologias para Alta Capacidade: http://www.rnp.br/_arquivo/wrnp2/2003/cwdm_dwdm.pdf
Sessão 4 – Codificação Os sinais se propagam através de um meio físico (enlaces, ou links). Os dados binários
que o nó de origem quer transmitir precisam então ser codificados em sinais, de modo
que os bits possam percorrer a distância até o destino. No destino, os sinais precisam ser
decodificados novamente em dados binários.
Os sinais, na prática, correspondem a duas voltagens diferentes nos fios de cobre ou
potências com níveis diferentes quando o meio é a fibra óptica.
Técnicas para codificar caracteres
4.1. Baudot
Em 1874, Jean-Maurice-Emile Baudot desenvolveu um conjunto de
códigos para representar os bits nos sistemas de telégrafos ou nos sinais de radio. Um
teclado de 5 teclas foi desenvolvido para a codificação. Em 1901, Donald Murray
implementou algumas modificações e tornou o código um padrão mundial, o
“ International Telegraph Alphabet 1 (ITA1)”, posteriormente substituído pelo ITA2.
Caracteres como o Line Feed (LF) possuem um código de 5 bits igual a 00010.
ITA2-code
Usar apenas 5 bits para representar os caracteres possui uma limitação
importante, pois só se pode representar 2^5 =(32) combinações (ou caracteres).
Funciona bem para alfabetos pequenos como o Inglês, mas não é o suficiente para
inserção de pontuações e caracteres de controle.
4.2. Binary Coded Decimal (BCD)
O código BCD usa uma série de 4 bits denominada nibble para representar
um número decimal, conforme a tabela abaixo:
Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
BCD 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001
Dessa forma, o número 1456 será representado pela seqüência 0001 0100
0101 0110. Embora a técnica eletrônica para os calculos seja bastante complexa, fica
fácil a conversão dos números em displays numéricos, por exemplo. Você verá mais
sobre a aplicação do BCD nas codificações 4B5B e 8B10B a seguir nessa seção.
4.3. American Standard Code for Information Interchange (ASCII)
Originalmente publicado em 1963, ASCII baseia-se em 7 bits para
representar os caracteres do alfabeto Inglês. Após várias revisões, o código ASCII
suporta agora 95 caracteres possíveis de imprimir e 33 caracteres de controle (um total
de 27 = 128). O código ASCII é agora a versão Norte Americana da norma ITU-T / ISO
646 conhecida como International Alphabet 5 (IA5).
International DP 94 00103 (ASCII)
4.4. Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (EBCDIC)
Em 1964, a IBM criou o EBCDIC, o qual é um sistema de códigos de 8 bits,
projetado para substituir o BCD nos sistemas computacionais. Um byte EBCDIC é
dividido em 2 nibbles. Os primeiros 4 bits são denominados “zona” e representam a
categoria, ou classe do character. Os 4 últimos bits são chamados de “dígito” e
identificam um character específico. Diferentes países adaptaram o EBCDIC para seus
alfabetos próprios. Os chineses, por exemplo, usaram 16 bits no código, o que permitiu
representar os caracteres chineses (216
=65.536 combinações, parece o suficiente ) . A
IBM numerou os diferentes conjuntos de caracteres do mundo inteiro com um
identificador denominado Coded Character Set Identifier (CCSID).
4.5. Unicode
O Unicode é uma iniciativa para prover meios de padronizar os conjuntos de caracteres, de forma multilingual, para que os processos computacionais possam operar de forma unificada. Em 1991 o Unicode Consortium publicou a primeira versão do Unicode (em 2006 a versão Unicode 5.0 foi lançada).
Exemplos de Unicode:
UTF-7 — uma codificação de 7 bits considerada obsoleta.
UTF-8 — codificação de 8 bits, com tamanho variável, a qual maximiza a
compatibilidade com a codificação ASCII. É de uso comum e pode ser considerada de
fato um superconjunto da ASCII. O IETF usa a codificação Unicode UTF-8quando
determina os padrões suportados pelos protocolos de email e outros tráfegos na
Internet.
UTF-EBCDIC — uma codificação de 8 bits de tamanho variável, a qual maximize a
compatibilidade com a codificação EBCDIC.
UTF-16 — codificação de 16 bits, de tamanho variável. A UTF-16 é considerada de uso
comum.
UTF-32 — codificação de 32 bits, de tamanho fixo.
4.6. Sinalização dos canais
A responsabilidade de codificar o sinal e inserí-lo no meio físico é das interfaces de
rede. Cada interface tem uma tecnologia, e pode envolver uma série de protocolos.
Existem vários tipos de codificação. Por exemplo, para a tecnologia ethernet, uma
subcamada responsável pela sinalização irá gerar um código do tipo Manchester nas
taxas de 10Mbps em fios de cobre. A sinalização irá mudar para NRZI em taxas de
100Mbps nas Fibras ópticas. Você vai ver agora alguns detalhes a respeito de 6 das
principais técnicas de codificação e sinalização:
NRZ,
NRZI,
Manchester,
4B5B,
8B10B,
MLT3
4.6.1. Codificação NRZ
O nome é obscuro “Sem retorno ao zero”, ou “Non return to zero”. É a forma mais
simples de codificar sinais e por isso a mais utilizada. O mapeamento é feito
representando um bit um para os sinais de nível mais alto e um bit zero para os sinais de
nível mais baixo (Figura 18).
Figura 18 - Codificação NRZ (Fonte: http://www.interfacebus.com/NRZ_Definition.html)
A utilização dessa codificação possibilita mensagens compactas, com um mínimo de
transições entre os pulsos e uma resistência alta aos distúrbios eletromagnéticos
externos.
As interfaces que utilizam essa codificação possuem baixas taxas de transmissão de bits
por unidade de tempo. Exemplos são as interfaces RS-232 (taxas de 20 kbps,
especificada pela norma EIA/TIA-232) e a CAN (Controller área Network, especificada
pelas normas ISO 11898/11519). A figura 19 abaixo mostra a codificação NRZ sendo
utilizada para representar um byte na interface RS-232, com um bit de start e um bit de
stop.
Figura 20-Um byte em interface RS-232 codificado com NRZ (Fonte:
http://www.interfacebus.com/Design_Connector_RS232.html)
O problema com a NRZ é quando ocorre uma sequência
longa de bits zero ou um. O sinal permanece alto ou baixo
no enlace por um período muito longo, o que leva a uma
dessincronização das interfaces.
Foram criadas muitas variantes da NRZ para minimizar o problema das longas
seqüências de bits iguais:
NRZ-L: [Non-Return-to-Zero-Level]
NRZ-M [Non-Return-to-Zero-Mark]
NRZ-S [Non-Return-to-Zero-Space]
NRZ-C [Non-Return-to-Zero-Change Encoding]
NRZI [Non-Return-to-Zero-Inverted Encoding]
A variante mais utilizada é a NRZI, a qual veremos com mais detalhes a seguir.
4.6.2. Codificação NRZI
Essa codificação é denominada “sem retorno ao zero inversão no um” (non-return-to-
zero, invert-on-one) Funciona assim:
Os sinais 1 são alternadamente representados por um sinal alto ou baixo (Voce deve
lembrar que nas fibras ópticas o que muda é a intensidade do sinal para representar
zeros e uns).
Nenhuma alteração é feita no sinal para representar um zero.
Figura -21 - Codificação NRZI –( Fonte: High Speed LAN Technology Handbook
Dhiman D. Chowdhury, D. D. – 2000)
Com essa técnica, o problema de vários 1s seguidos fica eliminado, mas ainda existe
com uma seqüência de zeros. Usada em interfaces FDDI (Fiber Distributed
Data Interface - definida pela norma ISO 9314-1/2/3) e USB (Universal
Serial Bus – www.usb.org).
4.6.3. Manchester
Essa codificação é usada normalmente para transmitir em fios de cobre a taxas de 10
Mbps. Para cada 0 e 1 transmitido através do meio físico acontecem os seguintes
passos:
A representação do bit tem uma transição de voltagem no meio da
codificação.
Para um bit 1, a primeira metade é alta, e a segunda é baixa.
Para um bit 0, a primeira metade é baixa e a segunda é alta.
Exemplo: Transmissão de um byte 101111001
Figura 22 - Codificação Manchester –
(Fonte:http://www.elecfans.com/article/83/116/2009/2009012323164.html)
A codificação manchester sempre provoca uma alteração na voltagem, evitando a perda
de sincronismo mesmo em longas seqüências de zeros ou 1s.
4.6.4. 4B5B
Usada nas tecnologias Fast Ethernet, FDDI, Token Ring. Para cada conjunto de
nibbles (4 bits do Binary Coded Decimal - BCD) é inserido um 5º bit que evita
longas seqüências (tempo) sem alteração do sinal. O conjunto de 5 bits é
denominado 4B/5B Code-Groups
As opções de codificação foram feitas de forma que nenhum codigo de 5-bits possui
mais de 2 zeros consecutivos.
Name 4b 5b Description
0 0000 11110 hex data 0
1 0001 01001 hex data 1
2 0010 10100 hex data 2
3 0011 10101 hex data 3
4 0100 01010 hex data 4
5 0101 01011 hex data 5
6 0110 01110 hex data 6
7 0111 01111 hex data 7
8 1000 10010 hex data 8
9 1001 10011 hex data 9
A 1010 10110 hex data A
B 1011 10111 hex data B
C 1100 11010 hex data C
D 1101 11011 hex data D
E 1110 11100 hex data E
F 1111 11101 hex data F
Q -NONE- 00000 Quiet (signal lost)
I -NONE- 11111 Idle
J -NONE- 11000 Start #1
K -NONE- 10001 Start #2
T -NONE- 01101 End
R -NONE- 00111 Reset
S -NONE- 11001 Set
H -NONE- 00100 Halt
Veja animação da codificação 4b5b associada a NRZI em:
http://www.frontiernet.net/~prof_tcarr/4B-5B/applet.html#APPLET
4.6.5. 8B10B
Na codificação 8B10B os dados são analisados e convertidos para grupos de códigos de
10 bits . O conjunto de 8 bits (octeto) de dados é em dois conjuntos: os 3 bits mais
significativos e o segundo grupo contém os 5 bits restantes.
A sequencia máxima de 0 e 1 permitida pela técnica é de 5x0 & 5x1 ou 4x1 & 6x0 ou 6x1
&4x0, com o intuito de manter a sincronização das interfaces
O uso de10 bits de transmissão para cada 8 bits de dados reduz significativamente a taxa
de transmissão dos dados no enlace. Por exemplo, se você deseja transmitir os dados em
uma taxa efetiva de 1 Gbps, a taxa da interface deve ser pelo menos 10/8=1,25 Gbps.
4.6.6. MLT-3 Signals
Multi-Level 3 encoding (MLT-3) é uma tecnica de sinalização eficiente que foi
introduzido pelo CDDI e adotado pelo 100BASE-TX (IEEE 802.3u em par
trançado UTP). Requer menos banda que a sinalização NRZI usada pelo FDDI
e 100BASE-FX. Isso ajuda bastante, porque o UTP cat 5 realmente tem menos
banda que a fibra óptica
Como a NRZI, a tecnica MLT-3 faz uma transição para cada bit 1 e permanence a
mesma para os bits 0. Entretanto, as transições são feitas em 3 níveis de sinais. O sinal
muda um nível por vez, como segue:
1. Low to middle
2. Middle to high
3. High to middle
4. Middle to low
O resultado é que o número de transições entre os níveis alto e baixo de voltagem fica
reduzido. Isso se traduz em freqüências menores, tornando possível colocar 100Mbps
em cabos de categoria 5 .
A Figura 23 mostra a codificação de um string binario 11010001 pela MLT-3. Os níveis
medio, alto e baixo podm ser representados por [-, 0, +] ou [-1, 0, and 1]
Figura 23 - Codificação MLT3 Fonte: Held, 1998
A MLT-3 apresenta o mesmo problema da NRZI para longas repetições de 0, o que
pode gerar uma perda do tempo de bit no lado do receptor. A solução encontrada foi a
mesma: A cada 4-bit nibble é convertido em 5-bit code-group usando a tradução
4B/5B. A combinação da 4B/5B e dos sinais MLT-3 possibilita transmitir a 100 Mbps
em enlaces com 31.25MHz de banda.
4.7. Modulação
Os sinais digitais devem ser modulados para transporte nos meios analógicos. A
situação mais comum aqui é usar a linha de telefonia para enviar dados através de um
Modem (Modulador/Demodulador). A modulação é a alteração do sinal para marcar a
troca do bit. O número de amostras do canal digital é medido em bauds. Cada baud
contém um símbolo
As técnicas mais freqüentes
são
Figura 24:
Modulação de amplitude
Modulação de frequencia
Modulação de fase
Figura 24 - Técnicas de modulação. Fonte: Stallings 2005
4.1.1. Amplitude
Em ondas, é a maior das distâncias que uma onda atinge de
sua posição média. Quanto maior a energia da onda, maior a
sua amplitude
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)
Nesta forma de modulação, os símbolos são mapeados em um diagrama de fase e
quadratura, sendo que cada símbolo apresenta uma distância específica da origem do
diagrama que representa a sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual
todos os símbolos estão a igual distância da origem. Isto significa que as informações
são inseridas nos parâmetros de amplitude e quadratura da onda portadora.
4.1.2. PSK (Phase Shift Keying)
O PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros
de fase da portadora. Neste sistema de modulação, quando há uma transição de um bit 0 para um bit 1
ou de um bit 1 para um bit 0, a onda portadora sofre
uma alteração de fase de 180 graus. Esta forma de particular do PSK é chamada de
BPSK (Binary Phase Shift Keying).Quando não há nenhuma destas transições, ou seja,
quando bits subseqüentes são iguais,
a portadora continua a ser transmitida com a mesma fase.
Esta variação de fase em função da transição de bit do sinal é ilustrada na figura a seguir
4.1.3. FSK (Frequency Shift Keying)
A modulação FSK atribui freqüências diferentes para a portadora em função do bit que
é transmitido. Portanto, quando um bit 0 é transmitido, a portadora assume uma
freqüência correspondente a um bit 0 durante o período de duração de um bit. Quando
um bit 1 é transmitido, a freqüência da portadora é modificada para um valor
correspondente a um bit 1 e analogamente, permanece nesta freqüência durante o
período de duração de 1 bit, como mostrado na figura a seguir.
Alternativamente, podem-se, por exemplo, utilizar 4 freqüências de transmissão
diferentes, cada uma delas correspondendo a 2 bits. Este modo é chamado de 4FSK. Isto
aumentaria a taxa de bits transmitidos, mas em contrapartida aumenta também a banda
de freqüência de transmissão utilizada.
A modulação FSK apresenta o inconveniente de ocupar uma banda de freqüência
bastante alta, devido a estas variações bruscas de freqüência em função da transição de
bits, além possibilitar taxas de transmissão relativamente baixas.
4.2. Conceitos importantes:
Vários conceitos importantes na transmissão dos dados ficam confusos, devido a grande
quantidade de informações necessárias ao entendimento do assunto. Você deve lembrar
de alguns:
Largura de banda: (Bandwidth):
o Faixa de frequencia possível de transmitir em um enlace. É uma propriedade física
do meio, medida em Hz.
Baud
o Quantidade de amostras por segundo. Cada amostra envia um símbolo.
Símbolo
o Como um bit pode ser representado (depende da modulação). A modulação
determina o numero de bits por símbolo.
Taxa de bits
o Quantidade de bits possíveis de inserir em um enlace, por unidade de tempo.
Numero de simbolos por segundo vezes numero de bits/simbolo.
Sessão 5 – Os meios físicos e problemas dos sinais Nesta seção você verá quais os principais meios usados para transmitir os sinais, e
também os problemas que os pobres bits enfrentam para percorrer as distâncias entre a
fonte e o destino.
Na nossa analogia da rodovia, os meios físicos são
correspondentes as vias de transporte, por onde trafegam
nossos veículos (frames de camada 2).
Os meios físicos servem de substrato para a propagação dos bits, convertidos em sinais
eletromagnéticos ou pulsos ópticos. Os bits se propagam entre uma interface de origem
e uma de destino. Numa interconexão de redes, como é a Internet, podemos ter vários
pares transmissor/receptor entre o ponto inicial (fonte) e o final (destino). Entre cada par
transmissor/receptor, os meios físicos podem assumir diferentes formas.
Os meios físicos podem ser dividos em 2 grupos: Guiados e não guiados
Guiados (guided)
a) Fios de cobre 1. UTP – Unshilded Twited Pair ou Par trançado não blindado.
Os fios são trançados em pares. Cada par consiste de um fio usado par os sinais
positivos e outro para os negativos. Qualquer ruído que ocorra em um dos fios do par irá
aparecer no outro também. Como eles estão com polaridades contrárias, possuem 180
graus de deslocamento de fase, o que cancela o ruído na extremidade receptora.
Figura 25 – UTP
2. STP – Shilded Twisted Pair - Par trançado blindado.
O grau de redução da interferência é determinado pelo
número de trançagens por unidade de comprimento.
Para melhorar a rejeição aos ruídos, uma malha
recobre os pares de fios que estão trançados.
Figura 26 - STP - Par Trançado Blindado
O revestimento pode ser em pares individuais e em
torno de todos os pares, ou somente em torno de todos
os pares em conjunto (Screened Twisted Pair)
Figura 27 – ScTP – Screened Twisted Pair
Mais informações sobre cabeamento de par trançado:
http://www.siemon.com/us/standards/default.asp#OUTLET
Cabeamento estruturado
Electromagnetic Interference Voice and data telecommunications cabling should not be run adjacent and parallel to power cabling – even along short distances – unless one or both cable types are shielded and grounded. For low voltage communication cables, a minimum 5-inch distance is required from any fluorescent lighting fixture or power line over 2 kVA =5*2,45=12,25 cm and up to 24 inches from any power line over 5 kVA*. = 24*2,45 cm= 58,8 cm In general, telecommunications cabling is routed separately, or several feet away from power cabling. Similarly, telecommunications cabling is routed away from large motors, generators, induction heaters, arc welders, x-ray equipment and radio frequency, microwave or radar sources. *Note: Distance recommendations from (1990) TIA/EIA-569 are reproduced
here by popular request. For current recommendations, refer to NEC/NFPA 70, Article 800-52. Distancias máximas: segmento de 90 m, 5 metros para conectar a estação na tomada da parede e mais 5 metros para conectar o path pannel no switch
3. Cabos Coaxiais
Consistem em um condutor cilíndrico externo oco que circunda um conjunto interno
feito de dois elementos condutores. Um condutor de cobre, no centro. Circundando-o,
há uma camada de isolamento flexível (insulator) - Figura 28. Sobre esse material de
isolamento, há uma malha de cobre ou uma folha metálica (shield) que funciona como o
segundo fio no circuito e como uma blindagem para o condutor interno.
Essa segunda camada, ou blindagem, pode ajudar a reduzir a quantidade de interferência
externa. Cobrindo essa blindagem, está o revestimento do cabo (jacket).
Figura 28 – Cabo Coaxial
b) Cabos de Fibras ópticas As fibras ópticas consistem de fibras de vidro ou polímeros de carbono (mais atuais)
que transportam sinais a altas freqüências em volta do espectro de luz visível. O tubo de
vidro central é denominado de Núcleo, tipicamente com 62,5 microns (1 micron = 10-6
metros). Em volta do núcleo, um envoltório (cladding) também de vidro, em camadas
concêntricas, para evitar a perda dos feixes luminosos. Esse envoltório possui 125
microns de diametro. Uma fibra com essas medidas núcleo/casca é dita 62,5/125. Em
volta da casca existe um protetor de plástico. Nas fibras, a freqüência das ondas como
medida de banda dá lugar ao comprimento de onda, medido em nanômetros ou
bilionésimos de metros.
Figura 29 -Cabo de Fibra óptica
Indice de refração da luz
Envia sinal de luz codificado, na freqüência do infravermelho (1012 a 1014
Hz) • Utiliza o Índice de refração da luz para enviar o sinal. • O índice de refração é a diferença entre a velocidade da luz no vácuo e em outro meio (usamos o ar como ~1).
Quando a luz passa de um meio para outro com índice de refração menor, • O ângulo do feixe de luz com a normal aumenta. • Após um determinado ângulo crítico de incidência, • os feixes não são refratados, mas refletidos.
Tipos de fibra
Dois tipos básicos de fibra: Multimode (MMF) e Singlemode (SMF)
Características das fibras Multimdo: (Muitos feixes luminosos)
Fonte luminosa: LED (Light Emitting Diode)
Atenuação 3.5 dB/Km (perde 3.5 dB de potencia no sinal por quilometro)
Comprimento de onda da fonte luminosa: 850 nM
Dimensões diâmetros nucleo/casca: 62.5/125
Características das fibras Singlemode: (Um feixe luminoso)
Fonte luminosa: Laser
Atenuação 1 dB/Km
Comprimento de onda da fonte luminosa 1170 nM
Dimensões diâmetros nucleo/casca: 9/50
Comparação entre as fones de luz para os cabos de fibra:
Vantagens dos cabos de fibra:
Imunidade a interferências
a) RFI - Radio Frequency Interference
b) EMI -Electromagnetic Interference
Grande capacidades de banda
Imune a corrosão
Atenuação bem menor que o cobre
Ocupa menos espaço
Suporta taxas de transmissão maiores
Desvantagens dos cabos de fibra:
Curvas limitadas (pode quebrar facilmente)
Preço (compensador em altas taxas)
Dificuldade de emendar
1. MMF
2. SMF
Figura 30 - Tipos de fibra
Figura 31 - Conectores tipo ST
Figura 32 - Conectores tipo SC e Duplex
Name Dupl
ex
Size
(RJ45
Relati
ve)
Picture
ST (Lucent) Half 200%
Name Dupl
ex
Size
(RJ45
Relati
ve)
Picture
SC
(EIA/TIA568) Half 200%
FC/PC Half 200%
SMA Half
D4 Half
Name Dupl
ex
Size
(RJ45
Relati
ve)
Picture
LC (Lucent) Half 100%
MU Half 100%
MT-RJ Full 100%
SC-DC/SC-QC
(Siecor nowCorning &
IBM)
Full 100%
Volition VF-
45(3M) Full 100%
Name Dupl
ex
Size
(RJ45
Relati
ve)
Picture
TIA FOCIS-6
"Fiber Jack"
(Panduit Opti-
Jack)
Full 100%
MTP/MPO
(USCONEC &
Molex)
Multi-
fiber (4-
12)
E2000
Name Dupl
ex
Size
(RJ45
Relati
ve)
Picture
SMC
Biconic
MPX (AMP/Tyco)
Multi-
fiber (Up to
12)
OGI (3M) Multi-
fiber
Name Dupl
ex
Size
(RJ45
Relati
ve)
Picture
ESCON -
Enterprise
Systems
CONnection
(IBM)
Full
FDDI - Fiber
Distributed
Data Interface
(ANSI)
Full
Comparison of Small Form Factor Connectors A - SC-DC B - LC C - MT-RJ D - Duplex SC E - Volition F - Fiber-Jack
Meios físicos Não guiados (unguided)
Essas formas de transportar sinais não necessitam conexão direta
entre uma estação e outra. Os canais de comunicação são criados
usando-se as frequências do espectro eletromagnético (Tabela 1).
1. Rádio freqüência
Ondas terrestres – Propagam-se limitadas pela altura da atmosfera, e seguem a curvatura do globo
(Figura 33). Ondas de rádio, frequencias menores (VLF, LF, MF na Tabela 1). São
omnidirecionais, ou seja, propagam-se em todas as direções a partir da estação de
transmissão.
Figura 33 - Ondas terestres - Baixas frequencias
Reflexão na Ionosfera (Sky waves)
o Possuem alcance maior, as frequencias são elevadas (HF, VHF, UHF...)
Figura 34 - Reflexão na Ionosfera - Frequencias elevadas
Name Frequency (Hertz) Examples
Gamma Rays 1019
+
X-Rays 1017
Ultra-Violet Light 7.5 x 1015
Visible Light 4.3 x 1014
Infrared Light 3 x 1011
EHF - Extremely High
Frequencies
30 GHz (Giga = 109) Radar
SHF - Super High Frequencies 3 GHz Satellite & Microwaves
UHF - Ultra High Frequencies 300 MHz (Mega = 106) UHF TV (Ch. 14-83)
VHF - Very High Frequencies 30 MHz FM & TV (Ch2 - 13)
HF - High Frequencies 3 MHz2 Short Wave Radio
MF - Medium Frequencies 300 kHz (kilo = 103) AM Radio (535 a 1705 kHz)
LF - Low Frequencies 30 kHz Navigation
VLF - Very Low Frequencies 3 kHz Submarine Communications
VF - Voice Frequencies 300 Hz Audio
ELF - Extremely Low
Frequencies
30 Hz Power Transmission
Tabela 1 - Freqüências do espectro eletromagnetico
Radio Frequencias – As
frequencias maiores (Very,
Ultra, Super, Extremely)
receberam esses nomes porque
ninguém esperava que fossem
descobertas frequencias
maiores que 10Mhz (HF).
2. Micro-ondas LoS- Line of sight (linha de visada) A transmissão por micro-ondas (Microwave
transmission) comporta-se de forma diferente da
radiofreqüência normal. A transmissão é direcional, e
precisa de uma linha de visada (as estações devem ser
visíveis de uma para outra)- Figura 35.
Figura 35 - Propagação na linha de visada (maximo 50 kilômetros, devido a curvatura do
globo)
Em casos onde não existe linha de visada, devem-se
inserir repetidores (Figura 36).
Figura 36 - Estações sem linha de visada usando repetidores
As micro-ondas operam em freqüências muito altas, entre 3 a 10 (10^11 possiveis
atualmente) GHz. Isso permite que transportem grandes quantidades de dados, pois a
largura de banda é alta.
Vantagens:
a. Muita largura de banda.
b. Torres pequenas, ocupam pouca area na terra
c. Frequencia alta e baixo comprimento de onda, requerem antenas pequenas
Desvantagens:
a. Atenuação por objetos sólidos: Chuva, pássaros, neve, fumaça
b. Refletida em superficies planas (agua, metais)Reflected from flat surfaces like water
and metal.
c. Difração em volta de objetos sólidos.
d. Refração na atmosfera, causando projeção do sinal além do recptor.
e. Regulamentadas, é necessário adquirir licença de uso.
Existem acordos internacionais e nacionais para
prevenir o uso caótico do espectro. Como todos
querem mais banda, as frequencias são
cobiçadas. Esses acordos determinam as faixas
de frequencia das rádios (AM, FM), TVs e
celulares. São regulados também os usos das
companias telefônicas, polícias, navegações,
militares. O ITU-R é o responsável pelas
regulamentações internacionais, embora alguns
países possuam regras conflitantes.
Equipamentos que operam em um país podem
ser barrados em outros.
(Stallings, 2005)
3. Laser O uso de laser para transportar dados está bem difundido pois possui grande banda , é
uniderecional e não está na faixa regulamentada. O laser não se propaga corretamente
com chuva, neve, névoa ou fumaça. Uma grande aplicação do laser é na conexão de
redes locais entre dois prédios. Relativamente barato e fácil de instalar, apesar de ser
difícil de focar o fotoreceptor se as distâncias forem grandes.
4. Infra vermelho A faixa do infra-vermelho é largamente usada para transmissão de dados em curta
distância. Os conrole-remotos dos equipamentos domésticos (TV, DVD, Players de toda
espécie) utilizam ondas na frequencia do infravermelho. É um método barato e
relativamente unidirecional. Não ultrapassa paredes sólidas, o que é uma vantagem. A
vizinha não pode trocar seu canal de futebol, ou baixar o volume do seu MP3 player.
5. Satélite
http://ctd.lerc.nasa.gov/rleonard/
Na sua concepção mais rudimentar, poderíamos ver um satelite artificial como um repetidor
de micro-ondas no céu. Vários transponders ficam ouvindo uma faixa própria do espectro,
amplificam o sinal que está chegando (uplink) e retransmite em outra frequencia, para evitar
interferência no sinal que está chegando.
Em geral, quando os comprimentos de
onda ficam menores, o comportamento
das ondas se aproxima mais da luz e se
afasta do comportamento das ondas de
rádio.
O sinal de descida (downlink) pode ser amplo, cobrindo uma superficie ampla do planeta,
ou estreito, cobrindo uma area de apenas centenas de quilometros de diametro.
A altiude do satélite determina uma série de fatores que influenciam no desempenho da
tecnologia. Existem três grande grupos em função dessa altitude: Os GEO, os MEO e os
LEO .
Figura 37 - Altitudes, atrasos e número de satélites necessários conforme o tipo (2º. Tanembaum,
2004)
Geo- São os satélites colocados em órbita sobre a linha do equador, em uma altitude de
35.800 km, a qual corresponde a uma volta em torno da superfície do planeta a cada 24
horas, permitindo que o satélite pareça estacionário quando observado da Terra. Como
cada equipamento precisa de 2 graus de distância do outro para evitar interferências,
temos apenas 3600/2=180 vagas no espaço.
Figura 38- Satelite geoestacionário/geossincrono
Os sistemas GPS usam os satélites MEO – a 17000 Km, com 24 satelites.
MEO: Mediam Earth Orbit, são os satélites de órbita média, situam-se entre 6.000 e
15.000 kilometros de altitude. È nessa classe que estão os satélites dos sistemas GPS,
que identificam o posicionamento de uma estação móvel na superfície do planeta com
uma precisão muito grande. Têm uma latência (atraso) de 35 a 85 ms e são necessários
10 satélites para fazer a cobertura plena do globo.
LEO: Low Earth Orbit (Baixa órbita terrestre) Como movem-se muito rapidamente,
são necessários muitos deles (50 ou mais) para uma cobertura ampla. Por outro lado,
como estão próximos da superfície (até 5000 Km) o retardo é baixo ( 1 a 7 ms).
Problemas dos bits nos meios físicos
São vários os problemas que os miseráveis sinais irão encontrar nos meios físicos, que
impõe barreiras ao funcionamento da rede. Os principais são os atrasos, os ruidos, a
atenuação e a dispersão.
Atrasos
Nas redes de dados (comutação por pacotes, veja seção xxxx), podem existir muitos
fatores de atraso na chegada dos sinais. Kurose e Ross destacam 4 tipos principais de
atrasos: Propagação, Transmissão, Fila e Processamento. Pode-se acrescentar ainda o
atraso de “empacotamento”, o qual ocorre no momento da amostragem dos sinais
analógicos que serão então digitalizados. Embora os atrasos sejam prejudiciais na
maioria das situações, as variações dos atrasos entre um pacote e outro podem ser bem
mais problemáticos. Tais variações dos atrasos são denominadas “Jitter”, no universo
das telecomunicações, e “Packet Delay Variation” (PDV, ou “variação do atraso dos
pacotes”) no prisma da transmissão de dados através da Internet.
Atenuação
(By Tanembaum4a. ed)
Erro Erros são introduzidos pelos demais problemas na transmissão do sinal, como ruídos e
dispersões. Normalmente são usadas técnicas de detecção, mas não de correção. Como
os dados para detectar um erro são enviados em conjunto com as informações, não se
pode ter certeza que tais dados estejam totalmente corretos no momento do
recebimento. Por exemplo, o transmissor envia uma sequencia Dados-verificação,
representados por DV. O receptor vai receber uma sequência D’V’. Perceba que o
parâmetro de verificação V’ pode ser diferente do V original.
Ruído
É uma adição não desejada aos sinais eletromagnéticos, ópticos e de voltagem.
Nenhum sinal elétrico é sem ruído. O importante é manter a razão sinal-ruído (S/R) o
mais alta possível.
sinal
ruído
Figura 39 - Ruido e a conjunção com o sinal
Dispersão
A dispersão acontece quando o sinal se espalha com o tempo. É causada pelos tipos de
meios envolvidos. Se acontecer com alguma intensidade, um bit pode interferir no
próximo bit e confundí-lo com os bits anteriores e posteriores.
Figura 40 - Dispersão do sinal
Pode ser
interpretado
como 1
Distorção
A distorção ocorre pelas influencias diferenciadas do meio em cada frequência do sinal
sendo transmitido
Distorção do sinal em um canal de transmissão. Fonte: Held, 1998
Fig xxx- Sensibilidade das aplicações em relação as variáveis de QoS (qualidade de
Serviço) de uma rede de dados. Fonte: Tanembaum, 2004
Fig xxx Jitter representado como proporção de pacotes com atrasos. Fonte: Tanembaum, 2004
Fonte: http://www.siemon.com/br/whitepapers/10G-Assurance.asp
Para saber mais
Redes em geral e TCP/IP:
http://members.tripod.com/%7eVBKumar/networking.html
Cabos: http://www.siemon.com/br/
Alocação de frequencias do spectro:
http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.html
Multiplexação
http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Multiplexing
Satélites:
http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/
http://www.sia.org/
Chegou o momento de testar os conhecimentos. Vamos lá, procure não chutar.
Atividades de Auto-Avaliação – Unidade 2 Marque V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas
1)Quanto aos sinais, podemos afirmar que:
[ v ] Um sinal é um fenômeno físico, e na transmissão de dados representa os bits
[ f ] Os sinais analógicos são descontínuos, discretos
[ f ] Nos sinais digitais a intensidade é constante e não se altera
[ v ] Na codificação NRZI um sinal corresponde a um bit
[ v ] Geração do sinal, detecção de erros e sincronização são tarefas do sistema
de comunicação
2) Quanto a largura de banda, podemos afirmar que:
[ v ] Largura de banda pode ser definida com quantidade de sinal possível em um
meio físico
[ f ] O atraso é uma medida da quantidade de bits no canal de comunicação
[ v ] Quando multiplicamos a banda pelo atraso, obtemos a quantidade de bits no
canal de comunicação
[ v ] As vazões em um canal nem sempre correspondem a banda disponível
[ f ] A taxa de transmissão de um interface (por exemplo, fast ethernet com 100
Mbps) não pode ser considerada largura de banda
3) Quanto a multiplexação dos canais, podemos afirmar que:
[ f ] Multiplexar é aumentar a banda
[ f ] Uma divisão do canal em ferequencias diferentes limita o tempo de
transmissão das estações
[ f ] A técnica TDM consome mais tempo que a FDM
[ v ] As fibras ópticas podem ter vários canais virtuais se usamos técnicas WDM
[ v ] A técnica TDM limita o tempo de cada estação
4) Quanto as técnicas de codificação dos sinais podemos afirmar que:
[ v ] A técnica NRZ apresenta problemas com longas sequencias de sinais
repetidos
[ f ] A técnica NRZI evita os problemas com muitos zeros repetidos
[ v ] A técnica Manchester sempre inverte o sinal, mesmo dentro do mesmo bit
[ f ] Nas fibras ópticas a variação do tempo determina a codificação
[ v ] Nas interfaces ethernet, os códigos são NRZI a taxas de 100 Mbps e
Manchester nas taxas de 10 Mbps
5) Quantos aos meios físicos e problemas dos sinais, podemos afirmar que:
[ f ] As fibras são mais rápidas que os fios de cobre
[ v ] As fibras possuem mais banda que os fios de cobre
[ v ] os fios de cobre atenuam mais que as fibras ópticas
[ v ] Os satélites possuem retardos elevados, mas grandes coberturas
[ f ] O infravermelho passa paredes de alvenaria, e as microondas não passam
[ v ] A dispersão é um problema que pode sobrepor os sinais representando bits
diferentes