REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA

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1 CENTRO FEDERAL DE ENSINO TECNOLÓGICO DE SANTA CATARINA UNIDADE DESCENTRALIZADA DE SÃO JOSÉ NÚCLEO DE TELECOMUNICAÇÕES REDES DE COMPUTADORES E A CAMADA FÍSICA CAPÍTULO 1 Introdução à Comunicação de dados Prof. JORGE HENRIQUE B. CASAGRANDE M.Sc ABRIL 2006

2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO A COMUNICAÇÃO DE DADOS Mundo Digital X Mundo Analógico Definições Importantes em Comunicações de Dados Códigos de Comunicação Código BAUDOT (CCITT-2) Código EBCDIC Código ASCII - American Standard For Code Information Interchange Unicode SAMPA Motivações para a Comunicação entre Computadores Um Sistema Básico de Comunicação de Dados Terminais e Computadores INTRODUÇÃO A COMUNICAÇÃO DE DADOS 2

3 0.1Mundo Digital X Mundo Analógico A estrutura dos computadores atuais é baseada na utilização de informações digitais binárias, mas até algum tempo atrás, ainda se utilizava em algumas aplicações o chamado computador analógico. Os computadores analógicos utilizavam sinais analógicos em circuitos complicados e processavam um número muito pequeno de informações. Seus circuitos básicos eram integradores, diferenciadores, somadores, etc. Os sinais analógicos se caracterizam pôr possuir um número infinito de valores de uma grandeza em função do tempo e o seu processamento pode ser em muitos casos bastante complexo. (a) sinais analógicos (a) sinais digitais Figura Sinais Analógicos X Sinais Digitais O computador digital, pela sua flexibilidade, substitui com grandes vantagens o analógico. Os sinais digitais se caracterizam pôr apresentar níveis discretos de valores de uma grandeza elétrica que, segundo uma lei de formação, correspondem a uma informação que se deseja processar. A estrutura do processamento da dados tem como base a informação codificada segundo uma base digital binária. 0.2Definições Importantes em Comunicações de Dados 3

4 BIT: (binary digit): É a unidade discreta com valor elementar de armazenamento e transmissão de informações. Pode assumir valores 0 ou 1. Quando armazenado em um meio magnético (disco ou fita magnética) ocupa um espaço físico e quando transmitido através de uma rede, ocupa o meio de transmissão pôr um intervalo de tempo. BYTE: Ao associarmos um conjunto de bit s, cuja a representação assume um sentido próprio e compatível com a arquitetura de processamento adotada, estamos definindo o byte. O byte é hoje considerado um agrupamento de 8 bits. CARACTERE: Um conjunto de bits que obedece a uma lei de formação (código) e tem um símbolo como representação gráfica é denominada de caractere. INFORMAÇÃO: Um conjunto de caracteres que represente um texto, um gráfico, uma imagem ou mesmo um som, processados em um computador para um específico fim é uma informação. As informações podem ser processadas em tempo real e enviadas, se necessário for, para um outro sistema de processamento. Em outra situação, esta informação pode ficar armazenada no computador na forma de um arquivo, e a qualquer tempo pode ser utilizada. DADOS: No mundo da informática chamamos de dados uma determinada informação ou conjunto de informações a serem processadas pelo computador. PROCESSAMENTO DE DADOS: O processamento de dados consiste basicamente na operação sobre dados de entrada em um computador produzindo dados de saída como resultado. A operação é na realidade definida por uma seqüência de instruções pré-definidas e que direcionam a transformação dos dados de entrada em dados de saída. A confecção destas instruções é chamada de programação e o conjunto de instruções constituem o programa. DADOS DE ENTRADA UNIDADE DE PROCESSAMENTO DE DADOS DADOS DE SAÍDA 0.3Códigos de Comunicação O Conceito de Código Figura Processamento de Dados A codificação é o processo de utilizar um conjunto de símbolos segundo regras pré-determinadas com fins de representar uma determinada informação. 4

5 Neste sentido a linguagem natural utilizada pelos seres humanos pode ser considerada como um código. No mundo digital utilizamos uma série de códigos para dar significado as seqüências de bits. Como exemplo podemos citar o GRAY, BCD etc. Basicamente, computadores armazenam números e para armazenar texto na sua memória, é preciso converter os grafemas em números. Por exemplo: a memória do computador, não armazena a letra A, mas o número 41H (em binário é claro...). Os códigos alfanuméricos são aqueles que permitem a representação de letras, números e símbolos os quais são indispensáveis para o entendimento de textos. Dentre estes códigos os mais conhecidos são o BAUDOT, o ASCII e o EBCDIC. O número de bits utilizado no código determina o número máximo de caracteres possíveis a serem representados, segundo a forma: onde: C =2 N C -> número de caracteres que podem ser representados N -> número de bits do código A existência de diferentes códigos em um sistema onde várias máquinas se comunicam pode ser inconveniente, exigindo a conversão de códigos (camada de apresentação do OSI/ ISO) Código BAUDOT (CCITT-2) O código CCITT-2 foi padronizado pela CCITT em 1932 e é utilizado pelos serviços de telex em todo o mundo. Este código foi criado por Émile Baudot em 1874 e por isto também é conhecido pelo seu nome. O código BAUDOT se utiliza da combinação de 5 bits para a representação das letras, números e símbolos, permitindo, inicialmente, a representação de até 32 caracteres. Contudo o uso de "dupla ocupação" possibilita a extensão destas representações. Esta técnica basicamente consiste em utilizar o caracter LETRAS para identificar o início de uma seqüência de caracteres (de 5 bits) que corresponde as LETRAS e o caracter FIGURAS para dar início as representações dos demais caracteres. Veja a tabela à seguir: Binário Hexadecimal LTRS FIGS A B? E C : D $ E 3 5

6 D F! A G & H # I B J BELL F K ( L ) C M C N, O P Q A R S ' T U E V ; W D X / Y Z " CR CR LF LF SP SP F LTRS LTRS B FIGS FIGS [..unused..] [..unused..] CR = Carriage Return, LF = Line Feed, BELL = Campainha, SP = Espaço 0.3.2Código EBCDIC O código EBCDIC é principalmente utilizado nos meios computacionais de grande porte tais como os computadores IBM. Este código possui 8 bits permitindo a representação de até 256 caracteres Código ASCII - American Standard For Code Information Interchange No início do desenvolvimento dos computadores, as soluções para tratar texto privilegiavam o idioma inglês. A primeira tabela ASCII fazia uma correspondência 6

7 entre números e os grafemas básicos da ortografia inglesa. Essa tabela alcançava até o número 127, o que corresponde a um código de 7 bits. A primeira tabela ASCII funcionava bem para tratar textos em inglês, mas deixava a desejar na representação de textos em português, por exemplo, pois não considerava os grafemas com diacríticos da nossa ortografia como: á, é, ô, ç, ü, etc. O código ASCII básico (não estendido) utiliza-se de 7 bits e portanto 128 caracteres são passíveis de representação (veja a fig. 1.3). A divisão dos caracteres é determinada pelos 2 bits mais significativos da seguinte forma: 00 para caracteres de controle, 01 para símbolos e dígitos, 11 para letras minúsculas e outros símbolos e 10 para letras maiúsculas. Em geral é adicionado 1 bit de paridade para realização de controle de erro. Tabelas ASCII estendidas Com o tempo, a tabela ASCII foi expandida até o número 255. Em notação binária, isso corresponde a um número com 8 dígitos e, por isso, ela é considerada um código de 8 bits. Uma tabela ASCII estendida tem todos os caracteres considerados pela tabela anterior de 7 bits, mais uma expansão que resolveu vários problemas de representação como, por exemplo, os grafemas com diacríticos da língua portuguesa. Embora a tabela ASCII de 8 bits seja mais ampla que sua antecessora e atenda às necessidades de representação em computador de um idioma como o português, ainda assim, alguns problemas persistem. A tabela ASCII estendida não permite acomodar ao mesmo tempo os grafemas do sistema latino e de outros sistemas como o cirílico, grego, hebraico, etc. Em função disso, foram criadas várias tabelas ASCII de 8 bits, cada uma delas adaptada às necessidades de uma ortografia específica. Pesquise na internet uma das tabelas ASCII estendidas, conhecida como ISO ou Latim I!!! 7

8 Figura 1.3 Tabela ASCII básica (não estendida) 8

9 0.3.4Unicode O padrão Unicode é definido pela Unicode Consortium ( instituição sem fins lucrativos que se propõe a desenvolver um sistema abrangente e padronizado de representação de escrita em computadores. No padrão Unicode, cada caractere está associado a um número identificador único. A tabela Unicode abrange os mais variados sistemas de escrita como latino, grego, cirílico, hebraico, árabe, japonês, chinês, etc., além de considerar símbolos matemáticos, musicais, de moeda, etc. Em função da variedade de caracteres que apresenta, a tabela Unicode é subdividida em blocos. Alguns exemplos: Unicode Latim Básico Unicode Latim I Suplementar Unicode Latim Estendido A Unicode Latim Estendido B Unicode Extensões IPA Unicode Letras modificadoras de espaçamento Unicode Sinais diacríticos combinados O primeiro bloco da tabela Unicode (Latim básico) equivale exatamente à tabela ASCII de 7 bits. Os blocos Extensões IPA, Letras Modificadoras de Espaçamento e Sinais Diacríticos Combinados são de especial interesse dos lingüistas porque trazem a simbologia do Alfabeto Fonético Internacional. O padrão Unicode considera um número elevado de caracteres. Seus identificadores são números binários de 16 dígitos e, por isso, o Unicode é considerado um código de 16 bits. A versatilidade do Unicode tem um custo, que é justamente o consumo maior de memória. Enquanto na primeira tabela ASCII, cada caractere estava associado a um número de 7 bits, no padrão Unicode cada caractere armazenado consome 16 bits de memória. O Unicode tem sido adotado maciçamente pela indústria de software, o que o torna o padrão para representação de escrita em computadores SAMPA O padrão Sampa (Speech Assessment Methods Phonetic Alphabet) é uma alternativa para representar em computador transcrições como a da IPA, quando se dispõe apenas dos caracteres da tabela ASCII de 7 bits. No padrão Sampa, fonemas do AFI, são representados por uma combinação de grafemas da tabela ASCII básica. Exemplos: Vogal oral, frontal, semi-fechada, não arredondada E Vogal oral, frontal, semi-fechada, arredondada 9 9

10 Diacrítico indicador de duração longa : Consoante velar lateral aproximante L\ Vogal oral, central, semi-fechada, não Essa solução pode ser útil em casos como o envio de transcrições por quando o serviço só opera com caracteres da tabela ASCII 7 bits. Existem tabelas Sampa para vários idiomas, inclusive português. Além disso, existe uma tabela Sampa estendida, chamada X-Sampa, orientada para a representação do Alfabeto Fonético Internacional. Veja algumas tabelas no link abaixo: Motivações para a Comunicação entre Computadores A conexão entre computadores ou terminais traz grandes vantagens em um grande número de aplicações. Entre estas vantagens podemos citar: a) As organizações empresarias e industriais modernas são geograficamente dispersas por uma cidade, país ou no próprio mundo. A troca de informações entre sistemas computacionais destas organizações, de modo rápido e seguro, é de vital importância para a manutenção da qualidade dos serviços prestados. Além disto, um empresário ou técnico pode rapidamente acessar informações remotas através da conexão de um computador portátil. b) Os sistemas de controle e automação aplicam-se em processos que também são distribuídos geograficamente. Neste caso os diversos equipamentos de controle devem se comunicar entre si para a manutenção da consistência do processo; c) A rede de computadores/terminais permite o compartilhamento de recursos, muitas vezes caros, permitindo, por exemplo, executar programas remotamente em máquinas ociosas. d) Uma rede de computadores permite uma redundância natural das informações possibilitando, por exemplo, que uma máquina assuma rapidamente a função de outra no caso de falha. Além disto, através de técnicas de banco de dados distribuídos é possível manter cópias de informações em diferentes estações de modo transparente ao usuário. e) O acesso doméstico a serviços de rede é uma realidade, podendo-se, por exemplo, obter informações (imagens inclusive) de longa distância em tempo real; f) Finalmente além de muitas outras, a rede possibilita uma grande flexibilidade de trabalho e pode-se ter acesso as mesmas informações em diferentes pontos do sistema. 1.5 Um Sistema Básico de Comunicação de Dados Um sistema de comunicação de dados está mostrado no esquema à seguir: 10

11 ID DTE DCE IA DCE DTE Meio de transmissão Dois tipos de equipamentos básicos integram sempre aos pares este sistema de comunicação de dados: DTE ("Data Terminal Equipment") - Equipamento Terminal de Dados (ou ETD); DCE ("Data Communication Equipment") - Equipamento de Comunicação de Dados (ou ECD). Dois pontos de conexão física importantes se destacam neste modelo: a) A Interface Digital (A título de simplificação passaremos a chamá-la de ID), que disponibiliza na forma digital o ponto de contato com o mundo externo do equipamento; b) A Interface Analógica (IA), que conecta especificamente os DCEs ao canal de comunicação. Neste ponto(s) teremos um sinal convertido a partir do sinal digital, apropriado ao meio utilizado. Em aplicações locais, ainda é possível entender que dois DTEs interligados por suas interfaces digitais (sem a presença de DCEs) também pode se considerado um sistema básico de comunicação de dados. Convém destacar porém que, em geral, se deseja trocar dados em longas distâncias. Neste caso a presença dos DCEs é imprescindível, independente do meio de comunicação que se deseja utilizar. O DTE desse modelo pode ser substituído por um DSE (como um roteador) sem prejudicar o entendimento de todos os elementos básicos envolvidos. Aliás para a maior parte dos serviços disponibilizados pelas operadoras de telecomunicações, se utilizam de DSEs para interligar o cliente a sua rede, formando o mesmo modelo básico em questão. 11

12 Figura 1.4 Sistema de Comunicação Básico O DTE é a denominação utilizada para designar o equipamento que se encontra nas partes finais do sistema de comunicação, ou seja, aquele equipamento capaz de gerar e absorver dados na forma digital. Um DTE pode ser tanto um supercomputador (ex. IBM), com grande poder de processamento, como também uma máquina pequena como um terminal ou microcomputador. É bom salientar que funcionalmente um terminal é diferente de um computador, embora ambos sejam DTE's. Normalmente um terminal é simplesmente um dispositivo de entrada e/ou saída de dados com muito pouco ou nenhum poder de processar dados. Em sistemas centralizados, onde existe somente um grande computador executando as funções de processamento de dados, podem ser utilizados dezenas de terminais cuja função é basicamente ler o teclado e enviar dados para o computador principal ou receber dados do computador principal e mostrá-los no vídeo. O computador nestes casos é chamado de host (hospedeiro) e normalmente possui vasta quantidade de memória principal e secundária, grande velocidade de processamento, e sobretudo um sistema operacional poderoso. São exemplos de DTE's: uma estação de trabalho para controle de tráfego aéreo; um terminal de acesso a saldo bancário ou a saques automáticos; um terminal de vendas em uma loja; um equipamento de amostragem de qualidade de ar; uma CLP em um sistema de controle de um processo de produção de cerâmica; 12

13 um microcomputador conectado a um sistema de correio eletrônico; uma impressora; No sistema de comunicação mostrado na Fig.1.4 o objetivo básico é a comunicação entre os DTE's A e B indicados. Neste caso os dois DTE's são computadores que executam os processos AP1, AP2, AP3 e AP4. O processo AP1 conforme indicado se comunica logicamente com o processo AP3. Fisicamente esta comunicação é realizada através dos DCE's e do meio físico de comunicação. O DCE é o Equipamento de Comunicação de Dados ("Data Communication Equipment"). A função básica do DCE é adaptar ou interfacear o sinal digital gerado ou a ser recebido pelo DTE às condições do meio de comunicação. O DCE mais conhecido é o MODEM. Observe-se que o DCE não gera espontaneamente informação mas somente repassa a mesma de outra forma. Atualmente muitas funções foram incorporadas a um DCE e em muitos casos foram incorporados inclusive algum poder de processamento conforme será visto posteriormente. A construção de redes complexas de comunicação (ver Fig.1.5) envolvem também um outro equipamento chamado DSE - Equipamento de Comutação de Dados ("Data Switching Equipament"). O objetivo principal do DSE é rotear ou seja determinar caminho para as informações que por ele trafegarem até que a mesma chegue ao seu destino final. Em redes de computadores este equipamento pode ser considerado um SWITCH (veremos no módulo 2). Em redes Privativas de comunicação de dados ele pode ser um PROCESSADOR DE REDE (veremos no módulo 3) Figura Um Sistema de Comunicação Complexo Diversos tipos e configurações de rede possíveis serão analisadas posteriormente. Por hora a figura 1.4 servirá como base para os estudos subsequentes salvo quando indicado o contrário. 13

14 1.6. Terminais e Computadores Os terminais baseados em tubos de raios catódicos e teclado foram introduzidos no mercado a partir de 1965 em substituição as teleimpressoras (terminais baseados em impressoras). Inicialmente eram extremamente caros mas com o surgimento da tecnologia de integração de circuitos tiveram seus preços reduzidos e logo dominaram o mercado. Os terminais normalmente apresentam as seguintes características: teclado capaz de gerar todos os caracteres alfanuméricos em algum código; um monitor CRT; capacidade de enviar e receber dados de/para um computador remoto (normalmente através de uma interface serial). O terminal difere de um computador no sentido em que não pode processar a informação do usuário mas somente repassá-la para um computador principal para que este processe e depois retorne as saídas do processamento. Em uma análise mais detalhada é possível diferenciar alguns terminais quanto a sua inteligência : burros - que não executam nenhum tipo de processamento, limitando-se a enviar cada caracter teclado através da interface serial e, em sentido inverso, mostrar no vídeo cada caracter recebido. Ex: terminal do tipo VT100 da DEC, ou MINICOM do Unix. inteligentes - são terminais capazes de realizar alguma edição com os dados do usuário e além disto capazes de executar protocolos de comunicação com um computador principal. Ex: a família IBM 3270 realizando comunicação síncrona com o computador principal.. Emuladores de Terminais Os computadores da atualidade são capazes de executar software que permite aos mesmos se comportarem como terminais. Estes software s são chamados de emuladores de terminais. Dependendo do software é então possível fazer com que o computador emule em um dado momento um terminal VT100 ou por exemplo um IBM3270. A finalidade desta emulação é garantir que mesmo a partir de um microcomputador seja possível acessar um computador principal em um sistema centralizado. Um exemplo de emuladores de terminais é o software KERMIT, o terminal do windows 3.1 e o hyperterminal do Windows

15 Mesmo em um ambiente de rede local é possível a emulação de terminais para acesso a sistemas do tipo UNIX. Neste caso, pode-se por exemplo, a partir do emulador telnet ou SSH, acessar um host UNIX, logando-se dentro da máquina. Exercícios de fixação de conceitos 1. Conceitue bit, byte, caracteres, informação, dados e processamento de dados. 2. Cite 3 motivações para a comunicação de dados. 3. Conceitue DTE, DCE e DSE. Cite exemplos. 4. Desenhe o modelo básico de comunicação de dados indicando cada uma das partes. 5. Descreva a diferença básica entre um computador, um terminal burro e um terminal inteligente. 6. O que é um emulador de terminal? 7. Para que serve um código de comunicação? 8. Transforme o seu primeiro nome no código ASCII normal (em hexadecimal) e em BAUDOT. 9. Para que servem os caracteres de controle no código ASCII? 10.Qual é o total de caracteres representáveis em um código com 5 bits como o BAUDOT? Prove! 15