05 - Camada de Física. 10 de novembro de 2014

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2 Conteúdo 2/33

3 3/33 Camada física Camada OSI mais baixa: PHY Natureza do meio Constituição Forma (dimensões dos fios) Parâmetros físicos (impedância, atenuação) Modo de interconexão física Mapeamento entre sinais do meio e bits Procedimento de modulação e multiplexação, se houver Padrões IEEE 802 Comunicação em 1 passo em meio não confiável

4 4/33 Camada física segundo OSI Características muito variadas Conexão pode 1-para-1 ou 1-para-N Funções Ativação e desativação da ligação física Transmissão da unidade de dados de serviços físicos Multiplexação Gerenciamento da camada física

5 5/33 Função: ativação e desativação Ativação e desativação da ligação física Camada de enlace de dados pode pedir ativação/desativação da ligação fisica Inclui função de retransmissão para integração de circuitos de dados

6 6/33 Função: transmissão Transmissão da unidade de dados de serviços físicos Síncrono ou assíncrono Reconhecimento da unidade de dados sendo transmitida (opcional)

7 7/33 Função: multiplexação Multiplexação (opcional) Permitir que 2 ou mais conexões físicas sejam efetuadas simultâneamento em um único circuito de dados Reconhecimento do quadro correspondente a específicas conexões físicas

8 8/33 Função: gerenciamento Documento específico: ISO NOTE: The area of physical media connections in OSI requires further study.

9 9/33 Subcamadas da camada física Subcamada de codificação (inferior) Negociação e codificação de transmissão 8b/10b Subcamada de ligação ao meio (intermediária) Montagem de quadros Temporização e codificação Detecção e sincronização de octetos Subcamada de dependência ao meio (superior) Define detalhes de transmissor e receptor de bits dependentes do meio

10 10/33 Meios de transmissão Cabo coaxial Cabo par trançado Fibra ótica Ondas outros

11 11/33 Meio: Cabo coaxial Capa de isolamento dielétrico condutor Blindagem Figura: Cabo coaxial fino 10Base2

12 12/33 Cabo Twinaxial Figura: 100Gb Ethernet e Cabos SATA 3

13 Meio: Par tranc ado 13/33

14 14/33 Meio: Fibra ótica Figura: 1: núcleo de 8 micrometros; 2: revestimento com menos índice de refração de 125 micrometros; 3: proteção de plástico de 250 micrometros; 4 camada mais rígida de 400 micrometros.

15 15/33 Figura: Fusão de fibras óticas: ar quente ou ácido sulfúrico aquecido para remoção da proteção do vidro

16 16/33 Meio: Ondas Antenas direcionais e omni-direcionais Frequências de onda (2.4Ghz microondas) WiFi IEEE

17 17/33 Codificação de Sinais Digitais Em circuitos, um bit 0/1 em geral é codificado por tensão alta/tensão baixa Ondas quadradas de formato irregular Código Polar Ondas quadradas polarizadas -V;+V Código Manchester Transição entre bits ocorre no meio do tempo entre bits Se tensão sobe: 1, se desce 0 CSMA/CD IEEE E outros... Modulação: de ondas quadradas para senoides

18 18/33 Sinal Digital Relógio ON/OFF Polar NRZ Unipolar RZ Manchester Manchester Dif. CMI Figura: Formas de codificação de sinais digitais.

19 19/33 Análise de Fourier Funções periódicas g(t), com período T frequência f = 1/T pode ser escrita na forma: g(t) = 1 2 c + a n sin(2πnft) + b n cos(2πnft) n=1 n=1 onde: a n e b n são amplitudes dos termos de ondas n c é constante do nível da função g(t) Sinais de duração finita, sem período, podem ser enxergados como repetidos. Parte do período [T, 2T ] será igual a [0, T ].

20 20/33 A função g(t) Para a função de Fourier: g(t) = 1 2 c + a n sin(2πnft) + b n cos(2πnft) n=1 n=1 Ao multiplicar por sin(2πkft) e integrar no intervalo [0, T ]: a n = 2 T T 0 g(t) sin(2πnft)dt Ao multiplicar por cos(2πkft) e integrar no intervalo [0, T ]: b n = 2 T T 0 Ao integrar no intervalo [0, T ]: g(t) cos(2πnft)dt c = 2 T T 0 g(t)dt

21 21/33 Exemplo Transmissão da letra b : Frequências originais Voltagem Amplitude RMS Tempo Número harmônico

22 22/33 Exemplo Transmissão da letra b : Amplitudes RMS (raiz-média-quadrática) an 2 + bn 2 Proporcional à energia transmitida Na análise de Fourier, os coeficientes de b são: a n = 1 [cos(πn/4) cos(3πn/4) + cos(6πn/4) cos(7πn/4)] πn b n = 1 [sin(3πn/4) sin(πn/4) + sin(7πn/4) sin(6πn/4)] πn c = 3/4

23 23/33 Perdas na transmissão As amplitudes dos sinais sofrem distorções para transmissão Diferentes amplitudes sofrem diferentes níveis de distorção Depende do meio, frequências sofrem pouca distorção até um limite f c hz O intervalo de frequências que sofre pouca distorção é chamado de largura de banda lógica A largura de banda é uma propriedade física do meio de transmissão Canais de TV analógica usam até 6 Mhz usam até 20Mhz de largura de banda Meta na transmissão digital é transmitir o mínimo possível para reconstrução da sequência de bits

24 24/33 Teorema de Nyquist Se a frequência máxima (ou largura de banda analógica) usada for B hz, então é possível usar 2B amostras por segundo para decodificação. taxa máxima de transmissão = 2B log 2 Vbit/s onde V é o número de níveis discretos que o canal é capaz de transmistir.

25 Teorema de Shannon Transmissões apresentam ruídos aleatórios (termais/eletromagnéticos) SNR - Razão Sinal Ruído (Signal-Noise Ratio) Potência do sinal (S) Potência do ruído (R) SNR = 10 log 10 S/N db (decibéis) transmissão máxima em bit/s = B log 2 (1 + S/N) ADSL, com largura de banda de 1 mhz Com 40dB para linhas de 1km a 2km 40 = 10 log 10 S/N, ou seja, S/N = Resulta em log 2 ( ) 13.28Mb/s Para mais que isso, aumentar largura de banda ou reduzir SNR. 25/33

26 26/33 Modulação/demodulação Modem Modulação: variação de amplitude, frequência ou fase para representar um sinal digital Modulação por chaveamento de amplitude (ASK) ASK = Amplitude-Shift keying Frequência fixa Dois níveis de amplitude (bit 0/1) Modulação por chaveamento de frequência (FSK) FSK = Frequency-Shift keying Duas frequências (bit 0/1) Token Bus IEEE Modulação por chaveamento de fase (PSK) PSK = Phase-Shift keying Bits representados por avanço ou retrocesso de fase

27 27/33 Sinal Digital ON/OFF ASK FSK PSK Figura: Modulação de sinais digitais

28 28/33 Multiplexação Multiplexação: processo de compartilhamento do meio físico Divisão por frequência: Frequency Division Multiplex (FDM) fibras óticas Divisão por tempo: Time Division Multiplex (TDM) aloca o tempo independentemente do uso Divisão por Comprimento de Onda: Wavelength Division Multiplexing Fibras óticas

29 29/33 Tipos de transmissão Simplex: comunicação em 1 sentido Half-duplex: comunicação em 2 sentidos alternada Full-duplex: comunicação em 2 sentidos simultânea Transmissão de bits Serial vs. Paralela Um bit por vez ou vários simultâneos Síncrona vs. Assíncrona De acordo com um relógio ou em momentos arbitrários

30 Codificação na camada física delimita quadros com códigos sequências de sinais de identificação Código Manchester Diferencial (IEEE 802.) Modulação FSK coerente (IEEE 802.4) é possível misturar frequências altas e baixas no período de um bit, gerando um código inválido 30/33

31 31/33 Capacidade de transmissão de um canal A frequência de propagação de um sinal é descrita pela unidade baud Um canal de 10 Mbaud propaga 10 6 variações do sinal por segundo Relação entre bauds e bits depende da codificação Para sinal digital com quadrada N bauds = N bit/s Para codificação Manchester N bauds N/2bit/s

32 32/33 Referências Material didático de Luís F. Faina (Faculdade de Computação/UFU) Material didático de George Varghese (University of California, San Diego) Redes de Computadores: Modelo OSI. Eleri Cardozo, Mauricio F. Magalhães (FEEC, Unicamp) Howto Cantenna: http: //

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