16.36: Engenharia de Sistemas de Comunicação. Aula1: Introdução

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1 16.36: Engenharia de Sistemas de Comunicação Aula1: Introdução Slide 1

2 Questões administrativas Instrutores: Horário do Curso: Terças e Quintas-feiras Texto: "Communications Systems Engineering", Proakis e Salehi Avaliação 10% Tarefas semanais como Trabalho de Casa 30% cada um dos 3 exames Exame final durante o período de exame final! Slide 2

3 Cronologia da comunicação moderna Sistemas Primeiro telefone Comun Transmissão de Rádio Analógicos Transmissão de TV Sistemas Comun. Digital Anos Comunicações digitais Primeiro satélite comercial Sistemas Comun. em Rede (pacotes) Primeiro nó da Internet Darpa-net, Aloha-net Desenvolvimento do TCP/IP Invenção da Web Slide 3

4 Cursos típicos de comunicação Antigamente (nos anos 1980): O ensino de comunicação análogica e digital era dado em cursos separados Aulas sobre rede às vezes eram dadas em turmas de pós-graduação, mas a maioria das pessoas não via muita utilização! Hoje:A maioria dos cursos de comunicação se concentra basicamente na comun. digital Alguns cursos podem discutir sobre comun. analógica por razões históricas Turmas de rede são oferecidas tanto para níveis universitário quanto superior MIT: uma turma de comunicação digital e uma de rede, ambas de nível superior (6.450, 16.37/6.263) Este curso apresentará os conceitos de comunicação e de rede em nível universitário Primeira tentativa de combinar os dois conceitos Importância de não pensar nos dois sistemas separadamente Slide 4

5 Por que comunicação em AA? Primeiro passo para as informações da AA Comunicações Software e computadores Sistemas autônomos Computadores são parte imprescindível de um sistema aeroespacial Controle de sistema, interface humana Envolve computadores, software, comunicações etc. Ex.: complexas redes de comunicação dentro de naves espaciais e aeronaves Comunicação espacial é uma indústria em franca expansão TV por satélite, acesso à Internet Tecnologia da informação é uma importante disciplina de engenharia Essas qualificações são tão fundamentais hoje quanto o conhecimento da matemática básica ou física Slide 5

6 Plano de Estudos do Curso Data Aula Tópico Leitura 4-Fev L1 Introdução Capítulo1 6-Fev L2 Avaliação das Informações Seção Fev L3 Teorema de Exemplo Sec. 2.2, Fev L4 Quantização Sec Fev HORÁRIO DE SEGUNDA-FEIRA 20-Fev L5 Codificação da Fonte Sec Fev L6 Variação Sec Fev L7 Variação 4-Mar L8 Recepção de sinal de ruído Sec Mar L9 Recepção de sinal de ruído Sec Mar L10 Questionário 1 13-Mar L11 Análise da BER Sec Mar L12 Capacidade e Codificação do Canal Capítulo 9 20-Mar L13 Codificação do Canal Sec Mar Intervalo de Primavera 27-Mar Intervalo de Primavera 1-Abr L14 Análise de orçamento de links Sec Abr L15 Slide 6 Espectro de sinais digitalmente modulados Sec

7 Plano de Estudos do Curso Data Aula Tópico Leitura 8-Apr L16 Comunicações de pacote, DLC, erro de verificação usando CRC Tanenbaum 3 10-Apr L17 Técnicas de ARQ Tanenbaum 3.4, 3 15-Apr L18 Acesso múltiplo: TDMA, FDMA, CDMA Anotações de Aula 17-Apr L19 Questionário 2 22-Apr Dia do Patriota 24-Apr L20 Introdução ao Enfileiramento Anotações de Aula 29-Apr L21 Introdução ao Enfileiramento Anotações de Aula 1-May 6-May 8-May 13-May L25 15-May L26 L22 L23 L24 Acesso múltiplo a pa cotes: Aloha/CSMA Tanenbaum 4 Redes Locais (LANs) Tanenbaum 4 Roteamento de pacotes Tanenbaum 5 Roteamento de pacotes Tanenbaum 5 TCP/IP e a Internet Tanenbaum 6: 6.4 5/19-5/23 PERÍODO DE EXAME FINAL Slide 7

8 Aplicativos de Comunicação Transmissão de TV/Rádio Moderno Telefonia digital Com e sem fio Redes de computador e comunicação Compartilhamento de recursos Computação: computador de grande porte (mainframe) (nos velhos tempos) Impressoras, periféricos Informações, acesso e atualização de BD Serviços de Internet , FTP, Telnet, acesso à Web Hoje, o principal tráfego de rede é de aplicativos da Internet Slide 8

9 Tipos de Redes Redes Remotas (WANS) Alcança grandes áreas (países, continentes, mundo) Usa linhas concedidas (caro!) Anos 1980: 10 Kbps, Anos 2000: 2.5 Gbps Taxas de acesso de usuários: 56Kbps 155 Mbps mais comum Links de comunicação compartilhados: comutadores e roteadores Ex.: SNA da IBM, Redes X.25, Internet Redes Locais (LANS) Alcança escritório e prédio Hop simples (canal compartilhado) (barato!) Taxas de usuário: 10 Mbps 1 Gbps Ex.: Ethernet, Token rings, Apple-talk Redes Metropolitanas (MANS) Redes de armazenamento Slide 9

10 Serviços de rede Síncrona (fluxo) A sessão aparenta ser um fluxo contínuo de tráfego (ex.: voz) Normalmente exige retardo fixo e limitado Assíncrona (transmite em rajadas) A sessão aparenta ser uma seqüência de mensagens Transmissão em rajadas Ex.: Sessões interativas, transferência de arquivos, Serviços baseados em conexão Sessões prolongadas Remessa de pacotes ordenada e em tempo hábil Ex.: Telnet, FTP Serviços sem conexão Uma única transação (ex.: ) QoS Slide 10

11 Técnicas de Comutação Comutação de Circuitos Recursos dedicados Redes de telefonia tradicional Comutação de Pacotes Recursos compartilhados Redes atuais de dados Slide 11

12 Comutação de Circuitos Para cada sessão é alocada uma fração fixa da capacidade de cada link junto com seu caminho Recursos dedicados Caminho fixo Se a capacidade for usada, as chamadas são bloqueadas Ex.: rede de telefonia Vantagens da comutação de circuitos Retardos fixos Remessa contínua garantida Desvantagens Os circuitos não são utilizados quando a sessão está inativa Ineficaz no tráfego em rajadas A comutação de circuitos normalmente é feita usando um fluxo de taxa fixa (ex.: 64 Kbps) Difícil de suportar taxas variáveis de dados Slide 12

13 Redes de Pacotes Comutados Mensagens dividas em Pacotes que são roteados ao seu destino PC PC PC Rede de Pacotes PC PC PC PC Buffer Pacote Comutado Slide 13

14 Modelo de Referência OSI de 7 Camadas Aplicativo Aplicativo Serviço de rede virtual Apresentação Apresentação Serviço de rede virtual Sessão Sessão Link virtual para mensagens ponto a ponto Transporte Transporte Link virtual para pacotesponto a ponto Rede Rede Rede Rede Data link Control Link virtual para pacotes seguros DLC DLC DLC DLC Data link Control Interface física Bit pipe virtual inter.fís. inter.fís. inter.fís. inter.fís. Interface física Slide 14 link físico Externo subnet subnet Externo Site nó nó site

15 Camadas Camada de Apresentação Oferece conversão de conjuntos de caracteres, codificação de dados, compressão de dados etc. Camada de Sessão Obtém o serviço virtual de mensagens ponto a ponto proveniente da camada de transporte Oferece assistência ao diretório, direitos de acesso, funções de bilhetagem etc. A padronização não foi bem seguida aqui, já que o transporte para os aplicativos está todo no sistema operacional e não precisa de interfaces-padrão Foco: Camada de transporte e inferior Slide 15

16 Camada de Transporte A camada de transporte é responsável pela segurança das transmissões de mensagens ponto a ponto pela rede A camada de rede oferece um canal virtual de pacotes ponto a ponto para a camada de transporte. A camada de transporte oferece um serviço virtual de mensagens ponto a ponto para as camadas superiores. As funções da camada de transporte são: 1) Dividir as mensagens em pacotes e reuni-las novamente em pacotes de tamanho adequado para a camada de rede 2) Multiplexar sessões com os mesmos nós de origem/destino 3) Reordenar pacotes para o destino 4) Restabelecer erros e falhas residuais 5) Oferecer controle de fluxo ponto a ponto Slide 16

17 Camada de Rede A camada de rede é responsável pelo roteamento de pacotes pela rede O módulo de camada de rede aceita pacotes recebidos da camada de transporte e transita os pacotes da camada DLC Roteia cada pacote para o devido DLC de saída ou (no destino) para a camada de transporte Tipicamente, a camada de rede adiciona seu próprio cabeçalho aos pacotes recebidos da camada de transporte. Este cabeçalho fornece as informações necessárias para o roteamento (ex.: endereço de destino) Cada nó contém um módulo de camada de Rede mais um módulo de camada de Link por link Camada de Transporte Camada de Rede Slide 17 Camada DLC link 1 Camada DLC link 2 Camada DLC link 3

18 Camada de Link Responsável pela transmissão sem erros dos pacotes através de um único link Estrutura Determina o início e o término dos pacotes Detecção de erro Determina quais pacotes contêm erros de transmissão Correção de erro Esquemas de retransmissão (Automatic Repeat Request (ARQ)) Slide 18

19 Subcamada da Internet Exige uma subcamada entre as camadas de transporte e de rede quando várias redes incompatíveis são ligadas juntas Esta subcamada é utilizada em gateways entre redes diferentes Ela se parece com a camada de transporte para que as redes sejam ligadas Ela é responsável pelo roteamento e controle de fluxo entre redes, e por isso se parece com uma camada de rede para a camada de transporte ponto a ponto Na Internet esta função é realizada utilizando-se o Internet Protocol (IP) Muitas vezes o IP também é usado como um protocolo de camada de rede, portanto é necessário apenas um protocolo Slide 19

20 Funcionamento da Internet com TCP/IP Cliente FTP Protocolo FTP Servidor FTP TCP Protocolo TCP TCP ROTEADOR IP Protocolo IP Protocolo IP IP IP Driver Ethernet Protocolo Ethernet Driver Ethernet Driver token ring Protocolo token ring Driver token ring Ethernet token ring Slide 20

21 Encapsulamento dados do usuário Aplicativo Cabeçalho dados do usuário do aplicativo Cabeçalho IP Cabeçalho TCP Cabeçalho TCP dados do aplicativo Segmento TCP Datagrama IP dados do aplicativo Cabeçalho Cabeçalho Cabeçalho Trailer Ethernet IP TCP dados do aplicativo Ethernet Quadros Ethernet 46 a 1500 bytes TCP IP Driver Ethernet Ethernet Slide 21

22 Camada Física Responsável pela transmissão de bits através de um link Retardos de propagação Tempo que um sinal leva para se deslocar da origem ao destino O sinal se desloca aproximadamente à velocidade da luz, C = 3x10 8 metros/segundo Exemplo Satélite LEO: d = 1000 km => retardo de propagação de 3.3 ms Satélite GEO: d = 40,000 km => retardo de propagação de 1/8 seg. Cabo Ethernet: d = 1 km => retardo µ de propagação de 3 µs Erros de transmissão Os sinais experimentam perda de potencia devido à atenuação A transmissão é prejudicada pela interferência de ruídos Modelo de canal simples: Canal Binário Simétrico P = probabilidade de erro de bits 0 Independente de bit a bit Na verdade, os erros de canal são sempre em rajadas 1 P 1-P 1-P P 0 1 Slide 22

23 Elementos básicos da camada física Entrada da camada superior Codificador de canal modulador Canal Saída para camada superior Decodificador de canal Demodulador Slide 23 Na visão tradicional do sistema de comunicação, a entrada era uma fonte analógica de informações (tipicamente de voz) Para transmitir digitalmente as informações analógicas é necessário converter esta forma de onda analógica em digital Amostragem, Quantização, Codificação da fonte Nas atuais redes de computadores a fonte de informação é sempre digital A conversão de digital para analógico não é vista como parte do sistema de comunicação, mas como uma função da camada superior (aplicativo)

24 Transmissão de Informações Fonte de informações Contínua - ex.: voz, vídeo Discreta - ex.: texto, dados de computador Sinal Analógico (contínuo) Digital (discreto) Por que a transmissão digital? Consegue remover o ruído indesejado para reproduzir o sinal digital Consegue eliminar a redundância Transmissão digital de dados contínuos Amostragem Quantização Codificação Slide 24

25 Elementos de um sistema de comunicação digital Codificação da fonte Usado para compactar dados com perdas e sem perdas Codificação do canal Usado para solucionar o ruído indesejado do canal Introduz a redundância para se proteger dos erros Modulação Representa os bits, utilizando sinais considerados contínuos apropriados para a transmissão Impõe sinais considerados discretos em uma forma de onda analógica Utiliza ondas de seno e co-seno Slide 25

26 Canais de transmissão Transmissão eletromagnética Meio físico orientado: cabo de par trançado, cabo coaxial Meio físico não-orientado (ar): transmissão de rádio, satélite Transmissão óptica Mídia: fibra óptica, espaço livre (satélite) Armazenamento Magnético (fita, diquete) Óptico (CD) Slide 26

27 Espectro da freqüência Transmissões de rádio e TV utilizam bandas de freqüência diferentes As bandas de freqüência úteis não são ilimitadas O espectro é um recurso natural que deve ser utilizado com eficácia O espectro é reservado às operadoras pelo governo Federal Communications Commission (FCC) Slide 27