Redes de Computadores. Camada Física. Análise de Fourier. Análise teórica de transmissão de. Antonio Alfredo Ferreira Loureiro.

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1 Redes de Computadores (DCC023) Antonio Alfredo Ferreira Loureiro Departamento de Ciência da Computação Universidade Federal de Minas Gerais Análise teórica de transmissão de dados Informação pode ser transmitida variando-se uma propriedade física como tensão ou corrente A grandeza é representada por uma função do tempo, f(t) Permite uma análise matemática do sinal Camada Física Análise de Fourier Uma função periódica g(t) com certas características e período T pode ser representada por uma série de senos e cosenos

2 Sinais limitados pela faixa de passagem Sinais perdem potência na transmissão Harmônicos têm perdas Causa da distorção Normalmente, freqüências na faixa 0 fc são transmitidas sem perda e, acima, fortemente atenuadas devido a propriedade física do meio de transmissão, ou filtro presente Sinais limitados pela faixa de passagem Velocidade de sinalização: número de vezes por segundo que o valor de um sinal é injetado na linha Medido em bauds Uma linha de b bauds não transmite necessariamente b bits/seg Exemplos: dibit (2 bits/baud) tribit (3 bits/baud) Sinais limitados pela faixa de passagem Sinais limitados pela faixa de passagem Caso genérico: Taxa de transmissão de b bps Caracteres de 8 bits Linha telefônica possui um filtro que corta freqüências perto de 3000 Hz Tempo para transmitir um caractere: 8/b s Freqüência do primerio harmônico é b/8 Hz Número de harmônicos que passam por uma linha telefônica é dado por 24000/b

3 Sinais limitados pela faixa de passagem Meios de transmissão O tipo de meio físico a ser usado depende, dentre outros fatores de: Largura de banda (BW: Bandwidth) Atraso (delay) ou latência (latency) Custo Facilidade de instalação e manutenção Os meios podem ser agrupados em: Guiados : fio de cobre e fibra ótica Não-guiados : ondas de rádio e lasers Meios de transmissão Objetivo da camada física: Transportar uma seqüência de bits de uma máquina para outra Problema a ser resolvido: Codificação de bits Meios magnéticos Exemplos: fita magnética, floppy disks Como é feito o transporte: Informações gravadas em meio magnético Mídia levada de uma máquina para outra Mídia lida na máquina destino Pode ser vantajoso em certos cenários mas não é o caso normalmente

4 Par trançado Meio de transmissão mais antigo e mais comum O que é: Dois fios de cobre encapados de aproximadamente 1 mm de espessura que são trançados para evitar interferência elétrica Usado largamente no sistema de telefonia Par trançado É produzido em diversas modalidades: Categoria 3 Categoria 5 Shielded Twisted Pair Etc. Par trançado Pode transmitir dados por alguns kms sem necessidade de amplificação Permite transmissão de dados analógicos e digitais Faixa de passagem: depende da espessura do fio e da distância Tipicamente, 10's Mbps no caso de poucos kms Possui baixo custo Terminologia: Faixa estreita X Faixa larga (Baseband X Broadband) Telefonia: Faixa estreita: até 4 khz Faixa larga: acima de 4 khz Redes de computadores: Faixa estreita: transmissão digital Faixa larga: transmissão analógica

5 Cabo coaxial Possui melhor blindagem que o par trançado Suporta distâncias maiores a velocidades mais altas Dois tipos de cabos: 50 Ω: usado para TX digital (FE) 75 Ω: usado para TX analógica (FL) Distinção baseada em fatores históricos, ao invés de técnicos Fibra ótica Tecnologia atual de fibra permite largura de banda na faixa de Tbps Problema: conversão sinal elétrico-sinal ótico Solução: sistema ótico completo Componentes de um sistema de TX ótico Fonte de luz: bit 1--pulso de luz 0--ausência Meio de transmissão: fibra de vidro fina Detector: gera um pulso elétrico ao receber um pulso de luz Cabo coaxial Fibra ótica

6 Cabos de Fibra Redes de fibra ótica Fibra ótica é usada em LANs ou redes de longa distância Dificuldade é a conexão física Comunicação no futuro Espectro eletromagnético Que tipo de comunicação predominará no futuro? Fibra ótica para a parte fixa?!, e Comunicação sem fio para a parte móvel?! Frequência (f ): número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética (medida em Hertz) Comprimento de onda (λ): distância entre dois pontos máximos (mínimos) consecutivos

7 Espectro eletromagnético Velocidade da luz: Vácuo (c) 3 x 10-8 m/s Cobre ou fibra = 2/3 vácuo Relação: λf = c Para f = 1 MHz, λ = 300 m (vácuo) Para f = 30 GHz, λ = 1cm (vácuo) Ondas de rádio Fácil de gerar Se propagam por longas distâncias em todas as direções TX e RX não precisam estar fisicamente alinhados Penetram edificações facilmente Usadas para comunicação interna e externa Espectro eletromagnético Ondas de rádio

8 Microondas Ondas propagam em linha reta acima de 100 MHz Possuem uma taxa sinal/ruído mais alta Antenas (pratos) de TX e RX devem estar alinhados Microondas Bandas de até 10 GHz são comuns hoje Na faixa de 8 GHz, as ondas são absorvidas por água Usada na transmissão de: Comunicação telefônica de longa distância Telefones celulares TV aérea Problema atual: falta de espectro Microondas Estações repetidoras são necessárias se TX e RX não são visíveis diretamente Não penetram edificações facilmente Ondas podem ser refratadas e levarem um pouco mais de tempo para chegarem que ondas diretas Sinal pode ser cancelado--efeito multipath fading Microondas Principal vantagem sobre fibra ótica: Não é necessário ter o direito de passagem (right of way) Tecnologia relativamente barata Existem bandas específicas para finalidades industriais, científicas e médicas Não estão sujeitas a regras de licenciamento

9 Infravermelho e ondas milimétricas-não guiadas Muito utilizadas para comunicações a pequenas distâncias Controle remoto de equipamento eletrônico (TV, VCR, som, etc) Algumas interfaces atuais de computadores TX e RX precisam estar ± alinhados São baratos e fáceis de instalar Não passam por objetos sólidos Usado em ambientes de segurança Rede pública Solução de comunicação quando é necessário enviar dados através de uma infra-estrutura pública PSTN (Public Switched Telephone Network) projetada para transmitir voz Fortemente ligada a redes de computadores de longa distância Infravermelho e ondas milimétricas-não guiadas Tendem a se comportar mais como luz visível e menos como ondas de rádio Tipo de tecnologia que não pode ser utilizada em ambientes externos Uma boa opção para comunicação numa LAN sem fio Estrutura do sistema de telefonia

10 Estrutura do sistema de telefonia (a) Modelo inicial: cada um resolve o seu problema de conectividade Estrutura do sistema de telefonia (c) Primeiro modelo hierárquico de dois níveis Estrutura do sistema de telefonia (b) Primeiro modelo usando uma única central manual de comutação Estrutura do sistema de telefonia Centrais de comutação Infra-estrutura de cabeamento ligando terminais telefônicos às centrais (Local loops) Infra-estrutura de conexões entre centrais de comutação (Trunks)

11 Estrutura do sistema de telefonia Estrutura do sistema de telefonia Enviando dados digitais num meio analógico Problemas na transmissão num local loop Problemas na transmissão num local loop Atenuação: perda de energia Em meios guiados, o sinal cai logaritmicamente com a distância Perda depende da freqüência Ruído: interferência de outras fontes no sinal enviado pelo TX Ruído térmico: movimento randômico dos elétrons Amplificadores devem ser introduzidos Distorção: harmônicos se propagam em velocidades diferentes causando interferências na recepção Cross talk: acoplamento indutivo entre dois fios que estão perto Ruído causado por descargas diversas

12 Modem Modem Sinal não deve ter um grande número de freqüências para evitar problemas de atenuação e distorção Ondas quadradas (e.g., sinal digital) possuem um grande espectro Sinalização banda base (DC) não é apropriada, exceto em baixas velocidades e pequenas distâncias Sinalização AC é usada Modem Modem Transmissão é feita modulando-se um dos parâmetros da portadora (carrier): Amplitude: dois níveis de tensão são usados para representar 0 e 1 O que é? Dispositivo que aceita uma seqüência de bits de entrada e produz uma portadora modulada na saída, e vice-versa Freqüência: dois tons são usados Fase: a portadora é deslocada em diferentes ângulos

13 Modem Como aumentar a velocidade de transmissão? Transmitir mais bits em cada sinalização de linha, ou seja, por baud Modems modernos usam diferentes técnicas de modulação Tipicamente, amplitude e deslocamento de fase Modem V bps: 2400 bauds x (4 bits/baud) V.32 bis bps: 2400 bauds x (6 bits/baud) V bps Outras técnicas Com outras funcionalidades: compressão e correção de erro, como V.42 Modem Padrões de constelação Modem Problema numa linha telefônica muito longa (>2000 m) Eco Supressor de eco

14 Modem RS-232-C e RS-449 Supressores de eco não são adequados para comunicação de dados: Transmissão de dados só pode ser feita em halfduplex Interface computador/terminal-modem Exemplo de protocolo da camada física Partes: Projetados para detectar voz humana e não dados digitais Solução: Sinalização em banda: tendência passada Eliminadores de eco: tendência atual DTE: Data Terminal Equipment (computador/terminal) DCE: Data Circuit-Terminating Equipment (modem) RS-232-C e RS-449 RS-232-C e RS-449 Especificação mecânica Conectores (25 pinos) Especificação elétrica Níveis de tensão para o bit 1 ( 3V) e bit 0 (+4 V) Taxa máxima de dados ( 20 kbps) Comprimento máximo dos cabos ( 15 m)

15 RS-232-C e RS-449 Especificação funcional Define como os pinos se conectam (circuitos) e o que eles significam Circuitos pouco usuais: selecionar taxa de dados, testar o modem, detecção de sinais de tocar, etc. Especificação procedimental Define o protocolo, ou seja, seqüência lógica de eventos RS-232-C e RS-449 Padrão RS-449 (três padrões): RS-449: especificações mecânica, funcional e procedimental RS-423-A: especificação elétrica similar a RS-232- C onde existe um terra comum (unbalanced transmission) RS-422-A: circuitos requerem dois fios e não existe um terra comum (balanced transmission) Velocidades até 2 Mbps e cabos acima de 60 m RS-232-C e RS-449 A conexão entre dois computadores (dentro da distância permitida) é feita através de um cabo null modem Problemas do padrão RS-232-C Taxa máxima de transferência de dados e comprimento máximo do cabo Multiplexação Custo para lançar cabos é dominado pela infra-estrutura de valas e não do cabo Objetivo é maximizar o número de conexões (conversações) usando multiplexação FDM: Frequency Division Multiplexing TDM: Time Division Multiplexing

16 Multiplexação FDM: o espectro de freqüência é dividido em canais lógicos TDM: todo o espectro de freqüência é alocado inteiramente para um usuário por um curto período de tempo Multiplexação WDM WDM: Wave Division Multiplexing Variação de FDM usada em fibra ótica Multiplexação FDM Multiplexação TDM Utiliza circuitos digitais O processo de multiplexação pode ser feito por computadores Usado para transmitir dados digitais já que o local loop utiliza sinais analógicos

17 Multiplexação TDM Processo: Um sinal analógico ao chegar numa central de comutação é digitalizado (transformado num número de 7 ou 8 bits) por um codec Codec produz 8000 amostras/s ou 125 µs/amostra Suficiente para um canal de 4 KHz de BW Técnica é conhecida como PCM (Pulse Code Modulation) Fundamental na telefonia moderna Multiplexação TDM E1 (2.048 Mbps): padrão comum fora da América do Norte e Japão É possível usar técnicas estatísticas para reduzir o número de bits a serem transmitidos Multiplexação TDM Não existe um padrão internacional para o uso de PCM Padrão T1: América do Norte e Japão 193 bits/125 µ = Mbps Técnicas estatísticas Differential PCM: diferença entre o valor corrente e anterior Delta modulation: Differential PCM com variação ± 1 Predictive encoding: Próximo valor baseado nos anteriores

18 Comutação Duas técnicas diferentes são usadas no sistema de telefonia: Comutação de circuito Comutação de pacote Comutação de circuito Existe um circuito dedicado: Uma vez que uma chamada tenha sido estabelecida Enquanto a chamada existir Existe a necessidade de haver um circuito estabelecido antes de poder haver transferência de dados Comutação de circuito O estabelecimento do circuito é feito em fases: Pedido e resposta de estabelecimento de uma conexão Transferência Término O estabelecimento da conexão deve obrigatoriamente ser confirmado Comutação de circuito Enquanto existir o circuito dedicado: O único atraso para transferência de dados é o tempo de propagação Não existe problema de congestionamento Não existe problema de roteamento Não existe problema de endereçamento

19 Comutação de circuito x Comutação de pacotes Comutação de mensagem Não se estabelece a priori um caminho (circuito) entre origem e destino Unidade de transferência: mensagens que podem ter tamanho variável Buffers podem ter tamanhos arbitrariamente longos Não é adequado para tráfego interativo Modalidade de transferência Store-and-forward Tipos de comutação Comutação de pacote Unidade de transferência: pacote que tem um tamanho máximo Adequado para tráfego interativo Em comparação com comutação de mensagem oferece Atraso menor Vazão maior

20 Comentários sobre comutação Redes de computadores são normalmente baseadas em comutação de pacotes Algumas vezes baseadas em comutação de circuitos Não usam comutação de mensagens ATM Comutação de células e não de circuito Requer par trançado categoria 5 ou fibra Comutadores/Roteadores atuais não funcionam para ATM e teriam que ser substituídos Existe um investimento imenso feito para ser deixado de lado de um momento para outro Solução do futuro?! Comutação de circuito x Comutação de pacotes Circuito virtual x Comutação de circuito

21 Transmissão em redes ATM ATM Asynchronous Transfer Mode Células são transferidas assincronamente de fontes diferentes, ao contrário de um canal T1 Transmissão em redes ATM Meio de transmissão normal é a fibra ótica < 100m pode-se usar cabo coaxial ou par trançado categoria 5 Enlances ATM são ponto-a-ponto e unidirecionais Multicasting é conseguido replicando uma célula que aparece em uma linha de entrada em todas as linhas de saída