REDES DE COMPUTADORES

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1 Eriko Carlo Maia Porto UNESA Universidade Estácio de Sá Última revisão Julho/2003 REDES DE COMPUTADORES COMUNICAÇÃO DE DADOS 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.

2 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, respectivamente, 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.

3 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 começa a ser medido (início dos tempos).

4 SINAIS SENOIDAIS Várias ondas senoidais com diferentes valores de amplitude, frequência e fase ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO

5 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. As curvas de ganho em meios de transmissão correspondem à característica de filtros passafaixa.

6 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, não determinístico, provocado por diversas fontes

7 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: C = 2 W log 2 L bps

8 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 log 10 S/N. Teorema de Shannon para um canal com ruído: C = W log 2 (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)

9 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

10 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 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 (2 8 ). 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 (c) quantização das amostras utilizando 4 bits

11 PCM Sinais analógicos de telefonia são digitalizados a uma taxa de 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 Hz e 16 bits por amostra, o que gera uma taxa de 705,6 kbps para mono e 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.

12 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. FDM

13 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 possuir um cabeçalho.

14 TDM t 1 t 2 A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A SÍNCRONO B C D A1 B1 B2 C2 ASSÍNCRONO TDM ESTRUTURA DE UM CANAL T1

15 TDM MULTIPLEXAÇÃO DE CANAIS T1 HIERARQUIA DE SINAIS DIGITAIS Japão EUA (T1) Europa (E1) 5º NÍVEL 4º NÍVEL 3º NÍVEL 397,200 Mbps x 4 97,728 Mbps 274,176 Mbps x 3 x 6 32,064 Mbps 44,736 Mbps x 5 x 7 564,962 Mbps x 4 139,264 Mbps x 4 34,368 Mbps x 4 2º NÍVEL 1º NÍVEL 6,312 Mbps x 4 1,544 Mbps 8,448 Mbps x 4 2,048 Mbps PDH Plesyochronous Digital Hierarchy x kbps x 30

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

17 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

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

19 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. Aterramento difícil.

20 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

21 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

22 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 mm CABO COAXIAL GROSSO ESQUEMA DE LIGAÇÃO

23 CABO COAXIAL FINO ESQUEMA DE LIGAÇÃO FIBRA ÓTICA Utiliza sinais de luz codificados na faixa do infravermelho a 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 plástico, por onde é feita a transmissão da luz.

24 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. São de três tipos: monomodo, multimodo degrau e multimodo com índice gradual.

25 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, fazendo os modos chegarem ao extremo da fibra praticamente ao mesmo tempo. Reduz o efeito da dispersão modal.

26 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. FIBRA ÓTICA (TIPOS)

27 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.

28 RADIODIFUSÃO (a) Radioenlace por visada direta (b) Radioenlace por tropodifusão RADIOENLACE POR SATÉLITE GEOS Geostationary Orbit Satellites. Situados a 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 antenas e transmissores potentes.

29 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 de configuração e reconfiguração.

30 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 grupos fechados seguros.

31 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 Capítulo 2