Noções Básicas de Comunicação de Dados

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1 Universidade Católica de Pelotas Escola de Informática Redes de Computadores I Prof. Eduardo Maroñas Monks emmonks@polaris.ucpel.tche.br Noções Básicas de Comunicação de Dados A transmissão de informação através de sistemas de comunicação, pressupõe a passagem de sinais através dos meios físicos de comunicação que compõem as redes. As propriedades físicas dos meios de transmissão e as características dos sinais transmitidos, apresentam uma série de questões tecnológicas que influenciam na construção e no projeto de redes de computadores. O processo de comunicação envolve a transmissão da informação de um ponto a outro através de uma sucessão de processos, a saber: 1- A geração de uma idéia, padrão ou imagem na origem. 2- A descrição dessa idéia, com uma certa medida de precisão, por um conjunto de símbolos. 3- A codificação desses símbolos em uma forma propícia à transmissão em um meio físico disponível. 4- A transmissão desses símbolos codificados ao destino. 5- A decodificação e reprodução dos símbolos. 6- A recriação da idéia transmitida pelo destinatário, com uma possível degradação de qualidade. Sinal Analógico x Sinal Digital Os termos analógico e digital correspondem, de certa maneira, à variação contínua e discreta do sinal, respectivamente. Esses termos são freqüentemente utilizados no contexto de comunicação de dados para qualificar tanto a natureza das informações, quanto as características dos sinais utilizados para a transmissão através dos meios físicos. Os computadores, por exemplo, são equipamentos que armazenam, processam e codificam informações em bits que correspondem a dois níveis discretos de tensão ou corrente, representando os valores lógicos "0" e "1". Chama-se esse tipo de informação de digital. Já as 1

2 informações geradas por fontes sonoras apresentam variações contínuas de amplitude, constituindo-se no tipo de informação que comumente denomina-se de analógica. É importante observar que qualquer tipo de informação (analógica ou digital) pode ser transmitida através de um sinal digital ou analógico. Um bom exemplo desta característica é a transmissão de rádio (voz e música), através da Internet correspondendo ao processo de transformação (analógico-digital-analógico). O processo inverso é a comunicação digital, que é feita modem a modem através de uma linha telefônica comum (digital-analógico-digital). Exemplos de gráficos representando os sinais analógicos (contínuos) e sinais digitais (discretos). Principais Características de uma Transmissão Pode-se definir transmissão como a técnica do transporte do sinal por um meio, de um ponto a outro afastado. Em particular, a transmissão de dados apresenta diversas características referentes ao sentido da transmissão, número de canais utilizados, sincronismo entre transmissor e receptor e velocidade de transmissão. Um equipamento pode ser projetado de tal forma que, a transmissão sobre um determinado meio seja feita em uma das seguintes formas (sentido): 2

3 Simplex: quando a transmissão é feita em um único sentido; Half-duplex: quando a transmissão é feita nos dois sentidos mas não ao mesmo tempo; Full-duplex: quando a transmissão é feita nos dois sentidos simultaneamente. Uma mensagem é definida como um conjunto de símbolos. Cada símbolo, por sua vez, para efeito de transmissão de dados, é caracterizado por um conjunto de configurações do sinal que representam bits. Por necessidade de codificação, os símbolos ficam associados a caracteres, que são, na realidade, configurações dos sinais, por exemplo, letra do alfabeto, dígito decimal, operador aritmético ou operador de sintaxe, etc. Na verdade, uma mensagem nada mais é que uma seqüência de bits. Para transferir essa seqüência de bits, pode-se fazer de duas formas: serial ou paralela. Na transmissão paralela, os bits que compõem um caracter são transportados de forma simultânea, cada um possuindo seu próprio canal. No caso da transmissão serial, os caracteres são transportados, enfileirados, uns após os outros. Exemplo de transmissão paralela. Exemplo de transmissão serial. Representação de um comunicação Full-Duplex 3

4 T - transmissor R - receptor G - referência (Terra (Ground)) Métodos de Transporte da Informação relacionadas abaixo: A informação pode ser transportada através de várias formas. Algumas delas estão Corrente Elétrica; Sons audíveis; Ondas eletromagnéticas omni-direcionais Rádio Freqüência (RF); Infravermelho; Ondas eletromagnéticas direcionais Canal de satélite ponto a ponto; Tipos de Satélites Satélites Geossíncronos (Geosynchronous Earth Orbit (GEO)); Satélites de Baixa Órbita (Low Earth Orbit (LEO)): Projeto Iridium. Microondas; Rio laser; 4

5 Tipos de Transmissão Comunicação Assíncrona (Asynchronous Communication) A técnica de comunicação assíncrona é uma técnica de transmissão da camada física, que é na maior parte usada por computadores pessoais para se conectar com impressoras, modems, máquinas de fax e etc.. O mais importante aspecto das comunicações assíncronas é que o clock (relógio marcador de ciclos) do transmissor e do receptor são independentes e não são sincronizados. Na verdade, não existe uma relação de tempo entre os caracteres sucessivos ou bytes de dados. O caracteres individuais são separados por qualquer tempo ocioso (idle period). Transmissão assíncrona de um série de caracteres. Transmissão assíncrona de um série de caracteres, com a representação do start e stop bits. Um link assíncrono transmite dados como uma série de caracteres de tamanho e formato fixo. Cada caracter é precedido por um bit de começo (start bit) e é seguido por um ou mais bits de parada (stop bits). A paridade é geralmente ímpar para prover uma proteção limitada em relação a erros que possam ocorrer durante a conexão. O uso de transmissores e receptores com clock independentes limita as transmissões a caracteres, relativamente, pequenos (<8bits) e taxa de transferências moderadas (<64 Kbps, mas normalmente menores). 5

6 Transmissão assíncrona, cada caracter é enquadrado por um start bit e um ou mais stop bits Transmissão Síncrona (Synchronous Transmission) A principal diferença entre os modos síncronos e assíncronos de transmissão é que no caso do modo síncrono, o receptor usa um clock que é sincronizado com o clock do transmissor. O clock pode ser transferido por: Um canal em separado. (como nos padrões X.21 ou RS-449) Codificado junto com os dados (como na codificação Manchester, AMI e HDB3) Obs.: Um clock codificado é usado em sistemas como Ethernet (codificação Manchester). Uma transmissão síncrona tem a vantagem da informação de sincronia, clock, estar alinhado com os dados recebidos, permitindo altas taxas de transferência. Este modo também tem a vantagem de o receptor monitorar as variações do clock que possam acontecer (devido a variações de temperatura). A pena para este monitoramento é o aumento de complexidade no projeto da interface e o aumento considerável na configuração desta interface. 6

7 Medidas Fundamentais de um Sistema de Transmissão Digital Dois Limites físicos importantes em um Sistema de Comunicação A limitação da propagação de sinal por um meio físico depende das características deste meio físico. Além disto, os equipamentos envolvidos, hosts, sistemas intermediários e a própria tecnologia de rede também são responsáveis por estes limites. Mas os fatores mais importantes são os seguintes: Atraso de Propagação (Propagation delay) Tempo gasto pelo sinal para trafegar de um ponto a outro da rede, através do meio físico. Exemplo: a radiação eletromagnética viaja através do espaço na velocidade da luz (C= metros por segundo), o que se torna um limite. Largura de Banda (Bandwidth) Número máximo de vezes por segundo que um sinal pode mudar em uma transmissão. O hardware de rede codifica a informação antes da transmissão. Capacidade de Transferência (Throughput) É o número de bits por segundo que podem ser transmitidos. Relação entre a Capacidade de Transferência (Throughput) e a Largura de Banda (Bandwidth) Dado o teorema de Nyquist: D = 2Blog 2 K onde D é a máxima taxa de dados B é a largura de banda do hardware K é o número de valores usados na codificação dos dados 7

8 Aplicações do Teorema de Nyquist: Para o RS-232 K é 2 porque RS-232 somente usa dois valores, +15 ou -15 volts, para codificar os bits de dados D é 2B log 2 2 = 2B Para a codificação por Mudança de Fase Supondo que K é 8 (possíveis mudanças de fases) D é 2Blog 2 8 = 2B3 = 6B Observações: A Física mostra que em sistemas reais, existem a emissão e absorção de energia pelo meio físico (ex.: calor); Os engenheiros chamam de ruído de energia não desejado (unwanted energy noise); Teorema de Nyquist: Assume um sistema livre de ruído; Somente funciona na teoria; O teorema de Shannon considera a existência de ruído; Teorema de Shannon Dada a capacidade em presença de ruído: C = Blog 2 (1 + S/ N) onde C é capacidade efetiva do canal em bits por segundo (bps); B é a largura de banda do hardware (meio físico); 8

9 S é a média de potência do sinal; N é o ruído; S / N é a razão entre o sinal e o ruído Aplicação do Teorema de Shannon Sistema de telefonia convencional: Concebido para carregar sinal de voz; Largura de banda é de 3000 Hz; A razão entre sinal e ruído é de 1000; A capacidade efetiva é: 3000log 2 ( ) = ~30000 bps Conclusão: modems discados têm um limite, teórico, de aproximadamente 30 Kbps. Pontos Principais: O teorema de Nyquist mostra que conseguindo codificar mais bits por ciclo, melhora a taxa de transferência de dados; O teorema de Shannon mostra que nenhuma quantidade de truques de engenharia pode sobrepor os limites fundamentais da física; 9

10 Multiplexação Quando a banda passante de um meio físico for maior ou igual à banda passante necessária para um sinal podemos transmitir mais de um sinal neste meio físico. Esta técnica é denominada multiplexação. As duas principais técnicas de multiplexação são: multiplexação por divisão de freqüência (FDM) e multiplexação por divisão de tempo (TDM). A primeira técnica divide a largura de banda em diversas larguras de banda menores, cada qual com seu próprio domínio de freqüências. Cada um destes componentes pode ser usada individualmente como se ela fosse uma linha separada. A segunda técnica intercala os bits, que fluem das linhas de baixa velocidade, dentro da linha de maior velocidade. Em ambos os métodos o resultado é que uma linha transmite em paralelo um número de sinais de linhas de velocidades mais baixas. Uma desvantagem da FDM é a relativa dificuldade de expansão porque, uma vez determinado o número de sub-canais sobre a linha compartilhada, pode ser difícil adicionar novos sub-canais já que as freqüências em um grupo devem ser reatribuídas. Na TDM, na qual o tempo disponível é dividido entre as estações, a largura de banda interna da linha de alta velocidade é ocupada pelo sinal de uma das linhas de baixa velocidade por unidade de tempo, prosseguindo num rodízio entre estas linhas. O multiplexador examina os sinais das linhas de baixa velocidade com uma ordem predefinida. A linha de alta velocidade é ocupada com um único sinal em um determinado instante. Esta técnica é totalmente diferente da FDM, na qual todos os sinais são enviados ao mesmo tempo, porém cada um ocupando uma diferente porção da largura de banda. A FDM ajusta-se naturalmente dentro do mundo dos sinais analógicos e a TDM tem sido amplamente usada com sinais digitais. A TDM é geralmente mais eficiente do que a FDM porque mais sub-canais podem ser alocados. FDM usa guardas-de-banda para separar freqüências alocadas. Similarmente, alguma perda do tempo ocorre com TDM. As fatias de tempo alocadas devem ser separadas por um espaço de tempo umas das outras. A TDM pode ser utilizada quando a capacidade (em quantidade de bits por segundo) do meio de transmissão excede a taxa máxima de geração de bits da estações conectadas ao meio físico. Quando isto ocorre vários sinais podem ser transportados por um único caminho físico, intercalando-se porções de cada sinal durante o tempo. A TDM pode ser síncrona ou assíncrona. Na TDM síncrona o domínio do tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo denominados frames, que por sua vez são subdivididos em intervalos denominados slots. Cada 10

11 estação deve esperar o seu slot dentro de cada frame, quando então poderá transmitir dentro do tempo daquele slot utilizando a taxa de transmissão máxima suportada pelo meio físico. A TDM assíncrona procura eliminar o desperdício de capacidade existente no TDM síncrono, eliminando a alocação prévia do canal. Neste caso, parcelas de tempo são alocadas dinamicamente de acordo com a demanda das estações. Em compensação, as unidades de informação devem conter um cabeçalho com os endereços origem e destino. O único objetivo dos multiplexadores é a diminuição do custo das linhas em uma rede. Uma tendência evidente é o crescente uso de inteligência nos multiplexadores para diminuir ainda mais o custo das linhas (aumentar a economia). A multiplexação possibilita o compartilhamento do meio de transmissão. Ela possibilita que haja vários sinais diferentes, ao mesmo tempo, circulando pelo meio. Usada em: Níveis mais baixos de sistemas de transmissão; Níveis mais altos de hardware de rede; Protocolos; Aplicações; Pares separados de comunicação trafegam através de uma canal compartilhado Obs.: A multiplexação evita as interferências entre os sinais; Obs.: Cada destino recebe somente os dados enviados pela origem correspondente; Terminologia da Multiplexação Multiplexador Dispositivo ou mecanismo; 11

12 Aceita dados de múltiplas origens; Envia dados através de um canal compartilhado; Demultiplexador Dispositivo ou mecanismo; Retira os dados de um canal compartilhado; Envia ao destino correto; Os dois tipos básicos de Multiplexação Multiplexação por Divisão de Tempo (Time Division Multiplexing (TDM)) Somente um item por vez no canal compartilhado; Item marcado para identificar a fonte; Demultiplexador usa esta identificação para saber onde entregar os dados; Multiplexação por Divisão de Freqüência (Frequency Division Multiplexing (FDM)) Múltiplos itens são transmitidos simultaneamente; Usa múltiplos canais; Princípio Científico da: Multiplexação por Divisão de Freqüência (Frequency Division Multiplexing (FDM)) Dois ou mais sinais que usam diferentes freqüências de portadoras podem ser transmitidas através de um meio físico simples, sem interferência. Obs.: Este é o mesmo princípio que permite que a companhia de TV a cabo envie múltiplos sinais de televisão através de um cabo. Multiplexação por Divisão de Onda (Wave Division Multiplexing (WDM)) Fatos: FDM pode ser usada em qualquer radiação eletromagnética; Luz é uma radiação eletromagnética. Quando aplicada a luz, FDM é chamada Multiplexação por Divisão de Onda (Wave Division Multiplexing (WDM)) Informalmente chamada multiplexação por divisão de cores (color division multiplexing (CDM)) 12

13 Erros Representação do efeito da atenuação em um sinal. Distorção e Ruído na Transmissão Atenuação, ruído e retardo são termos usados de um modo geral para descrever as modificações que um sinal pode sofrer quando é transmitido em um circuito ou canal. Essas alterações resultam em imperfeições na propagação do sinal, ao longo do suporte de transmissão (atenuação e retardo) e de perturbações (ruídos) que atuam não só no suporte de transmissão como também nos estágios de processamento do sinal que compõem o receptor. Quando a alteração sofrida pelo sinal é muito grande, pode ocorrer a detecção trocada da informação binária, isto é, detecção de 1 quando foi transmitido o 0 ou detecção de 0 quando foi transmitido o 1. Estas detecções trocadas caracterizam os chamados erros de transmissão. O desempenho de um sistema de transmissão de dados é avaliado através do seu grau de confiabilidade na transmissão dos bits. A taxa de erros de um sistema de transmissão representa a probabilidade de ocorrência de erros de transmissão. Para redes de longa distância, existe uma 13

14 padronização internacional que determina uma taxa de erros máxima em um canal a fim de que o mesmo possa ser considerado adequado para a transmissão de dados. O ITU recomenda uma taxa de erros não superior a 10-5, isto é, 1 bit errado a cada bits transmitidos. Para redes locais, de maneira geral, admite-se taxas de erros típicas da ordem de 10-9 a A transmissão sem erros é um requisito essencial de quase todas as aplicações de comunicação de dados e, portanto, uma série de mecanismos devem ser implementados para detectar e corrigir possíveis erros. A maneira usual utilizada para detectar a alteração de bits de informação transmitidos consiste na adição de bits de redundância na mensagem a ser transmitida. Dentre as várias técnicas usadas para esta finalidade podese citar: bits de paridade por caracter, paridade longitudinal e códigos de redundância cíclica (CRC). Transmissões Elétricas de Dados Problemas: A energia elétrica sofre dissipação ao trafegar pelo meio; Cabos e fios possuem resistência, capacitânica e indutânica o que ocasionam distorções nos sinais; Interferência elétrica e magnética distorcem os sinais; As distorções podem resultar em perda e má interpretação dos sinais; Exemplo da variação proporcionada pelos ruídos do sinal ideal para o sinal real Ruídos 14

15 Em qualquer transmissão de sinal, o sinal recebido consiste no sinal originalmente transmitido, modificado por várias distorções. Estas distorções são impostas pelas características do meio físico, adicionadas de outras impurezas inseridas devido a interferência de sinais indesejáveis, denominados ruídos. Algumas características dos ruídos: Um dos maiores limitantes do desempenho de sistemas de comunicação; Cálculo da quantidade de ruído em uma transmissão: Razão entre Sinal/Ruído : Ps/Pr (Ps - Potência do Sinal; Pr - Potência do Ruído) ou 10 log 10 (Ps/Pr) (Obs.: resultado em decibel (db) Existem basicamente, 4 tipos de ruídos: Ruído Térmico; Ruído de Intermodulação; Fenômeno de Crosstalk; Ruído Impulsivo; Ruído Térmico - provocado pela agitação dos elétrons no condutores. Presente em todos os dispositivos eletrônicos e meios de transmissão. Características: Quanto maior temperatura, maior o ruído; Chamado também de ruído branco, por sua uniformidade; Ruído de Intermodulação - Acontece quando sinais de diferentes freqüências compartilham um mesmo meio físico (banda larga). Produz sinais em uma faixa de freqüência que podem prejudicar uma transmissão, que esteja sendo feita nesta mesma faixa. Características: Acontece devido a defeitos em componentes do sistema ou devido a sinais com potência muito alta; Crosstalk - Bastante comum em sistema telefônico. Características: Fenômeno de linha cruzada; 15

16 Ocorre devido a uma interferência entre condutores próximos que induzem sinais entre si. Ruído Impulsivo - não é contínuo. Consiste em pulsos irregulares e com grandes amplitudes. Características: Prevenção difícil; Fontes do ruído - distúrbios elétricos externos, falhas em equipamentos, motores elétricos, e etc.. Obs.: Em transmissões digitais, o ruído impulsivo é a maior causa de erros de comunicação. Atenuação É a perda de potência que um sinal sofre conforme a distância percorrida, em qualquer meio de transmissão. Características: Proporcionada devido a perdas de energia por calor e radiação; Quanto maiores as freqüências transmitidas, maiores as perdas; Solução em transmissões digitais: repetidores. Ecos Quando existe mudança de impedância (resistência) numa linha, sinais serão refletidos e voltarão por esta mesma linha, podendo corromper os sinais que estão sendo transmitidos. Para evitar este fenômeno, usam-se terminadores em rede em topologia de barramento, por exemplo. Técnicas de Detecção de Erros São baseadas na inserção de bits extras na informação transmitidos (bit stuffing). São bits redundantes, podem-se obtê-los a partir da informação original. Através de algoritmos reconhecidos pelo transmissor e pelo receptor, é possível recomputar os bits de redundância e compará-los com os respectivos bits recebidos na informação. Se 16

17 houver diferença nesta comparação, aconteceu um erro. Dependendo do método utilizado, o receptor pede nova transmissão da informação ou o próprio receptor pode corrigir o erro. Algumas técnicas de detecção de erros são a Paridade e o CRC ( Cyclic Redundancy Checksum). Paridade (Parity) A técnica de detecção de erros é usada, tipicamente em enlaces assíncronos. Ela é usada para verificar a integridade de cada caracter contido no fluxo de bits transmitido. Quando usada este técnica, o caracter é protegido por um bit de paridade. Dois tipos de paridade são usados: paridade ímpar, quando o bit de paridade é adicionado para formar um número ímpar de bits 1, e paridade par, quando o bit de paridade é adicionado para formar um número par de bits 1 no caracter. O bit de paridade é adiconado ao caracter transmitido pelo transmissor, e este bit é verificado pelo emissor no recebimento do caracter. Quando a paridade calculada do caracter recebido não casar com o valor da paridade, então é dito que houve um erro de paridade, e o caracter é normalmente discartado. Obs.: A checagem por paridade pode detectar qualquer número de inversões de bits ímpares, mas deixa passar as inversões pares, não detectando o erro neste caso. Soma de Checagem (Summation Check) Trata os dados como seqüência de inteiros; Computa e envia a soma aritmética do quadro; Lida com múltiplos erros de bits; - Não pode lidar com todos os erros; 17

18 Exemplo de Soma de Checagem (Checksum) Soma de checagem feita sobre os dados do quadro; Resultado adicionado ao quadro; Representação de erros em que a Soma de Checagem falha em detectar: O segundo bit de cada quadro foi invertido; A soma de checagem continua a mesma; Checagem de Redundância Cíclica (Cyclic Redundancy Check) Características: Função matemática de dados; Mais complexo de computar; Lida com um maio número de erros; Representação de um quadro usando CRC Obs.: O cálculo de CRC cobre apenas os dados. 18

19 Um método poderoso para detecção de erros em dados recebidos é o agrupamento de bytes de dados em um bloco e o cálculo da Checagem de Redundânica Cíclica (Cyclic Redundancy Check (CRC)). Isto é feito usualmente pelos protocolos da camada de enlace e o CRC calculado é adicionado ao final do quadro gerado pela camada de enlace. O CRC é calculado fazendo a divisão de módulo 2 dos dados por um gerador polinomial e guardando o restante após a divisão. Três polinômios são os mais comuns: Representação do cálculo feito pelo CRC nos dados. CRC-16 = x16 + x12 + x5 + x (usado no protocolo HDLC) CRC-CCITT = x16 + x12 + x5 + 1 CRC-32 = x32 + x26 + x16 +x12 + x11 + x10 +x5 + x4 + x2 + x + 1 (usado em Ethernet) Embora esta divisão possa ser feita em software, ela é usualmente feita usando registradores de mudança (shift registers) e portas X-OR. A solução em hardware para implementar o CRC é muito mais simples do que a implementação por software. Um exemplo de hardware para CRC-16, é ilustrado abaixo: 19

20 O CRC-16 tem a capacidade de detectar todos os tipos de erros simples, todos os erros duplos, todos os erros de trocas ímpares e todos os erros de rajada menores que 16 bits de comprimento. Além disso, 99,9984 % dos outros tipos de erros são detectados. Obs.: Os protocolos da camada de rede e acima ( IP, UDP, TCP) normalmente usam uma checagem mais simples para verificar que os dados transportados não sofreram nenhum tipo de corrompimento durante o trajeto através da rede. 20

21 Modulação Comunicação de Longa Distância Obs.: Um sinal oscilante viaja mais longe do que um sinal de corrente direto. Portanto, não é possível usar sinais de corrente direto para comunicações de longa distância. Para comunicações de longa distância: Deve se enviar um sinal de onda, chamada onda portadora; Muda-se o sinal da portadora para codificar o sinal de dados (modulação) Obs.: A técnica de Modulação de portadora é usada na transmissão de rádio e televisão. Representação de um sinal de Portadora Normalmente é uma forma de onda senoidal; Oscilação contínua; A freqüência da portadora é fixa; Tipos de Modulação Modulação por amplitude (usada em transmissões de rádio AM); Modulação por freqüência (usada em transmissões de rádio FM); Modulação por mudança de Fase (usada para dados); Modulação por Amplitude 21

22 Potência do sinal codifica os 0s e 1s; Um ciclo de onda necessário para representar cada bit; Velocidade de transmissão dos dados limitada pela largura de banda da portadora; Modulação por Mudança de Fase Mudança na fase codifica K bits; Velocidade de dados maior do que a largura de banda de uma portadora; Modems Modem Dispositivo de hardware; Usado para comunicações de longa distância; 22

23 Contêm circuitaria separada para: Modulação do sinal de saída; Demodulação do sinal de entrada. Obs.: O nome modem vem da abreviatura de modulador/ demodulador. Representação do uso de Modems em Comunicações de Longa Distância Um modem em cada ponta; Fios separados carregam os sinais em direções opostas; O modulador de um modem se conecta ao demodulador do outro modem; Tipos de Modems Convencionais: Usam 4 fios; Transmitem ondas elétricas moduladas; Óticos: Usam fibra ótica; Transmitem sinais óticos modulados; Sem fios (Wireless): Usam o ar/espaço; Transmitem ondas de Rádio moduladas; Discados: Usam o sistema telefônico de voz; 23

24 Transmitem em sinais de áudio modulados; Obs.: Na prática, os modems discados usam múltiplos sinais de áudio simultaneamente; Representação de Modems Discados Modems podem Discar Responder Obs.: A portadora é um sinal de áudio audível pelo ser humano. Terminologia de Modems Modem Full-duplex Possibilita a comunicação de forma bidirecional; Permite que as transmissões sejam simultâneas; Usa 04 fios para a comunicação (Dois pares TX/RX); Modem Half-duplex Possibilita a comunicação bidirecional; Transmite em qualquer direção a qualquer momento, mas não simultaneamente; Usa 02 fios para a comunicação; Os computadores são equipamentos que armazenam, processam e codificam informações em bits, que correspondem a dois níveis discretos de tensão ou corrente, representados pelos valores lógicos 0 ou 1. Este tipo de informação é chamada de digital. As informações geradas por fontes sonoras apresentam variações contínuas de amplitude, constituindo-se no tipo de informação que 24

25 comumente denominamos de analógica. Desta forma, podemos afirmar que existem dois tipos de sinais gerados para transmissão: sinais analógicos e sinais digitais. É importante notar que qualquer tipo de informação, analógica ou digital, pode ser transmitida através de um sinal analógico ou digital. A transmissão de informação digital através de sinais analógicos é possível através de técnicas de modulação, que transformam os sinais digitais em sinais analógicos através da variação contínua de um de seus parâmetros. Modulação é o processo pelo qual se imprime uma informação em uma onda portadora, pela variação de um de seus parâmetros (amplitude, freqüência ou fase). O processo inverso, no qual a informação é retirada da onda portadora, é denominado demodulação. O equipamento que realiza a adequação dos sinais binários ao canal de transmissão é denominado modem (modulador-demodulador). Existem três técnicas básicas de modulação: modulação por amplitude (AM); modulação por freqüência (FM); modulação por fase (PM); seguintes denominações: No caso específico do sinal modulador ser um sinal digital, essas técnicas tomam as modulação por chaveamento da amplitude (ASK); modulação por chaveamento da freqüência (FSK); modulação por chaveamento de fase (PSK); Neste ponto, é conveniente fazer uma diferenciação entre as unidades bits por segundo (bps) e bauds. A taxa em bauds indica o número de vezes que a característica do sinal portador da informação (sinal modulado) se altera por segundo. Se o estado do sinal representa a presença ou ausência de um bit, então a taxa em bauds é a mesma que a taxa em bps. Por outro lado, quando usamos transmissão multinível, cada estado do sinal representa mais de um bit (2 bits na modulação dibit e 3 bits na modulação tribit, etc.) e observamos que a taxa em bauds é menor que a taxa em bps. Por exemplo, considerando uma modulação dibit, onde o sinal pode estar em quatro estados e cada estado representa um dibit (2 bits), se a velocidade de sinalização for de 200 bauds, isto é, se a condição do sinal se alterar 200 vezes por 25

26 segundo, teremos 400 bits transmitidos por segundo, ou seja, para cada alteração de condição do sinal, estaremos transmitindo dois bits representativos de um estado. Um exemplo sobre a diferença entre as velocidades em bauds e bps é a utilização do canal telefônico para transmissão de sinal de dados. A largura de banda deste canal é de 3100 Hz (ciclos/segundo) e na prática é usado para transmitir sinal de dados até 2400 bauds. Se desejarmos transmitir a uma velocidade de transmissão de 4800 bps neste canal, deveremos usar um sinal dibit, ao qual corresponderá a mesma velocidade de sinalização de 2400 bauds. Neste caso, a velocidade de transmissão é duas vezes a velocidade de sinalização. Da mesma forma que, se desejarmos transmitir 7200 bps, deveremos usar um sinal tribit e teremos velocidade de transmissão igual a três vezes a velocidade de sinalização. 26

27 Sistemas em Banda Larga e em Banda Básica Transmissão em Banda Básica (Baseband transmission) Usa somente freqüências baixas; Codifica os dados diretamente; Ex.: Ethernet, Token Ring, Transmissão em Banda Larga (Broadband transmission) Usa múltiplas portadoras; Pode usar freqüências mais altas; Consegue taxas de transferência de dados maiores (throughput maior); Hardware mais complexo e mais caro; Ex.: Televisão, rádio difusão, TV a cabo. Duas técnicas de transmissão são as mais empregadas: sinalização em banda básica (baseband) e sinalização em banda larga (broadband). Na sinalização em banda básica (ou sinalização digital) o sinal é simplesmente colocado na rede sem usar qualquer tipo de modulação, aparecendo diretamente na rede e não como deslocamentos de freqüência, fase ou amplitude de uma portadora. Sinalização em banda básica vem sendo adotada nos projetos de redes por não necessitar de modems e por possibilitar a transmissão em alta velocidade. Esta técnica não é adequada para transmissão a longas distâncias e para circuitos sujeitos a ruídos, interferências e erros aleatórios. Na sinalização em banda básica todo o espectro (banda) de freqüência do meio é utilizado para produzir o sinal. No ambiente de redes locais a sinalização em banda básica é bastante adequada. A sinalização em banda larga (ou sinalização analógica) realiza a multiplexação em freqüência (FDM). Com esta sinalização o espectro de freqüências do meio é dividido em vários canais, cada um podendo suportar diferentes tráfegos. Um caso especial de sistema de banda larga é o sistema de baixo custo que utiliza penas um canal, denominado banda larga de único canal. 27

28 Codificação Dois tipos de codificação: Exemplo das várias técnicas de codificação. Analógica (quantidade de energia é proporcional ao valor do item a ser enviado); Digital (duas formas de representação para codificar 0 e 1); Obs.: As redes de computadores usam a codificação digital. Exemplo de Codificação Digital Componentes: Meio Físico Fios de cobre; Forma de energia Corrente elétrica; Codificação 28

29 Voltagem negativa representa 1; Voltagem positiva representa 0; Exemplo de codificação digital Codificação Manchester (Manchester Encoding) A codificação Manchester é uma técnica de codificação síncrona usada pela camada física do modelo OSI para codificar o clock e os dados em um fluxo de bits síncronos. Nesta técnica, os dados binários a serem transmitidos através do meio físico, não são enviados como um seqüência de 0s e 1s (tecnicamente conhecido como Sem Retorno para Zero (Non Return to Zero (NRZ)). Invés disto, os bits são convertidos de uma forma um pouco diferente, e que possui um série de vantagens sobre a codificação binária direta. A codificação Manchester segue as seguintes regras listadas abaixo: Dados Originais Valores Enviados 0 Lógico 1 para 0 (rebaixamento de transição) 1 Lógico 0 to 1 (subida de transição) O diagrama seguinte mostra um sinal codificado através da técnica Manchester, com a representação binária, (0,0,1,0,1,1) de dados send sendo enviada. 29

30 A forma de onda para uma fluxo de bits codificados pela técnica Manchester, representando a seqüência de bits Na codificação Manchester mostrada, o 1 lógico é indicado pela transição de 0 para 1 em relação ao centro do bit e o 0 lógico é indicado pela transição de 1 para 0. Observe que as transições de sinais nem sempre ocorrem nas "fronteiras dos bits" (na divisão entre um bit e outro), mas sempre existe uma transição ao centro de cada bit. Exemplo de Codificação Manchester: A seqüência de bits " " é codificado como " ". Obs.: Em uma rede de tecnologia Ethernet, o clock de sincronia vai codificado junto com os dados. Para 10 Mbps o valor de clock é de 10 Mhz. 30

31 Comutação Compartilhamento do Meio Físico Problema: Impossível manter conexões individuais por pares em uma rede. Razões: A instalação de cabos consome tempo e dinheiro; A manutenção de cabos consome dinheiro (especialmente em conexões de longa distância); Uma rede tem: Um núcleo central compartilhado; Muitas estações conectadas; O problema em compartilhar um meio físico: Demanda é alta; Algumas aplicações necessitam ter grandes transferências de arquivos; Algumas aplicações não podem esperar; É necessário mecanismos de justiça, para disciplinar o acesso ao meio físico compartilhado; Comutação ou Chaveamento Refere-se a alocação dos recursos da rede (meios de transmissão, sistemas intermediários, sistemas finais (hosts)), para a transmissão pelos diversos dispositivos conectados. Tanto para LANs, MANs ou WANs. 31

32 Principais formas de comutação: Comutação de Circuitos; Comutação de Pacotes; Comutação de Circuitos; Comutação por Circuito (Circuit Switching) Comutação por circuitos é a técnica mais popular usada para construir redes de comunicação. Ela é usada por pessoas comuns em conversas telefônicas, por exemplo. Esta técnica permite que equipamentos e circuitos de comunicação, sejam compartilhados entre os usuários envolvidos. Cada usuário tem único acesso ao circuito (funcionalmente equivalente a um par de fios de cobre) durante o uso da rede. Considere a comunicação entre dois pontos A e D em uma rede. A conecxão entre A e D é possibilitada usando enlaces, compartilhados, entre dois outros equipamentos, B e C. Uma conexão entre dois sistemas A e D formado por 3 enlaces. O uso da rede é iniciado pela fase de conexão, durante a qual o circuito é iniciado entre a origem e o destino, e terminado pela fase de desconexão. Estas fases, com os tempos associados, estão ilustrados na figura abaixo. 32

33 Uma conexão comutada por circuito entre A e D Depois que um usuário requisita um circuito, o endereço do destino desejado deve ser comunicado ao nó de comutação local (B). Em uma rede telefônica, isto é ativado discando um número. O nó B recebe a requisição de conexão e identifica o caminho para o destino (D) através do nó intermediário (C). Este processo é seguido por uma fase de conexão de circuito gerenciado pelos nós e iniciado pela alocação de um circuito livre até C (enlace BC), seguido de uma transmissão de um sinal de requisição de chamada do nó B para o nó C. Na volta, o nó C aloca um enlace (CD) e então a requisição é passada para o nó D. O circuito é então estabelecido e pode ser usado. Enquanto o circuito estive disponível para o uso, os recursos (por exemplo nos equipamentos intermediários B e C) e a capacidade dos enlaces entre os equipamentos ficam dedicados para o uso deste circuito. Depois de completada a conexão, o sinal confirmando o estabelecimento do circuito (um sinal de connect no diagrama) é retornado, isto flui diretamente de volta para o nó A, sem demora de procura, já que o circuito já estava estabelecido. A transferência de dados pode agora começar. Depois da transferência de dados terminar, o circuito é desfeito, através de uma simples fase de desconexão incluída no final da transmissão dos dados. Atrasos no estabelecimento do circuito podem ser altos, especialmente se equipamentos 33

34 comuns de telefone são usados. O tempo de formação de um circuito convencional de chamda telefônica é tipicamente na ordem de 5 a 25 segundos depois da discagem. Entretanto, novas técnicas de comutação de circuitos podem, na teoria, reduzir o tempo de estabelecimento de circuitos para aproximadamente 140 milisegundos. Comutação por Mensagem (Message Switching) Algums vezes, não existe a necessidade do estabelecimento de um circuito ao longo de todo o caminho entre a origem e o destino. Considerando um conexão entre os usuários (A e D) na figura abaixo, o caminho entre A e D está representado pela série de enlace (AB, BC e CD). Uma conexão entre dois sistemas A e D formado por 3 enlaces. Por exemplo, quando uma mensagem de é enviada de A para D, ela primeiro passa pela conexão local (AB). Após um certo tempo, pasa através de C, via enlace BC, e dali para o destino, através do enlace CD. A cada mensagem comutada, a mensagem recebida é armazenada, e uma conexão posterior é feita para repassar esta mensagem ao comutador mais próximo. A comutação por mensagens é também conhecida como comutação por store-and-forward (armazena e repassa), visto que as mensagens são armazenadas em nós intermediários, na rota até os seus destinos. O uso de comutação por mensagens para comunicação entre A e D 34

35 A figura representa uma comutação por mensagens (a ilustração de apenas uma mensagem é feita para simplificar o exemplo). Como a figura indica, uma mensagem completa é enviada do nó A para o nó B quando um enlace interconectando ambos se torna disponível. Visto que uma mensagem pode estar competindo com outras mensagens pelo acesso do meio, um atraso de enfileiramento pode ocorrer enquanto se espera pela disponibilidade do enlace. Esta mensagem é armazenada em B até que um próximo enlace se torne disponível, com um outro atraso por enfileiramento antes desta mensagem ser repassada. Este processo se repete até que a mensagem chegue ao seu destino. Os atrasos nos estabelecimentos de circuitos na comutação de circuitos, são substituídos pelo atrasos de enfileiramento na comutação por mensagens. Atrasos extras consideráveis podem resultar do armazenamento em alguns nós. Um atraso pelo colocamento de uma mensagem no enlace de comunicações, o tamanho da mensagem em bits é dividido pela velocidade do enlace em bps, ocorre em cada nó pelo caminho. O tamanho das mensagens são levemente maiores do que na comutação por circuitos, depois do estabelecimento do circuito, visto que o cabeçalho de informações deve ser incluído em cada mensagem (o cabeçalho inclui informações que identificam o destino assim como outros tipos de informações. A grande parte das rede comutadas por mensagens não usam enlace ponto-a-ponto dedicados e então uma chamada deve ser feita usando um rede comutada por circuito. A figura abaixo mostra o uso de comutação por mensagens sobre uma rede de comutação por circuitos, no caso usando de intermediário um comutador por mensagens. Comutação por Mensagens usando comutação por circuitos entre os comutadores de mensagens. Embora a comutação por mensagens seja ainda usada para e transmissões de telex, ela está sendo largamente substituída pela comutação por pacotes (packet switching). 35

36 Obs.: Na verdade, a maioria de s é transportado usando comutação de mensagens com os enlaces entra os comutadores fornecido por redes de comutação por pacotes ou por circuitos. Comutação por Pacotes (Packet Switching) A comutação por pacotes é similar a comutação por mensagens, a diferença é o uso de mesagens menores. Qualquer mensagem que exceda o tamanho máximo definido pela rede é quebrada em unidades menores, conhecidos como pacotes (packets), para serem transmitidos. Os pacotes, cada um com o seu cabeçalho, são transmitidos individulamente através da rede. A diferença fundamental na comunicação por pacotes é que os dados são formados em pacotes com um cabeçalho de formato predefinido e com padrões de tempo ocioso conhecidos, tempo este usado para ocupar o enlace quando nenhum dado está sendo transmitido. Um equipamento de rede de pacotes discarta os padrões de tempo ociosos entre pacotes e processa o pacote inteiro como um único conjunto de dados. O equipamento examina o cabeçalho de informações do pacote (packet header information (PCI)) e então ou remove o cabeçalho (no destino) ou repassa o pacote para outro host (no nós intermediários). Se o enlace de saída não está disponível, então o pacote é colocado em uma fila até que o enlace fique livre. Uma rede de pacotes é formada de enlaces que se conectam equipamentos de redes de pacotes. por pacotes. Comunicação entre A e D usando circuitos os quais são compartilhados usando comutação 36

37 Comunicação por Comutação de pacotes entre os sistemas A e D. (A mensagem neste caso foi quebrada em três partes, classificadas como 1,2 e 3) Existem dois importantes benefícios da comutação por pacotes: O primeiro e mais importante benefício é que como os pacotes são pequenos, os enlaces de comunicação entre os nós somente são alocados para a transferênica de uma mensagem simples por um curto período de tempo, enquanto é transmitido o pacote. Mensagens maiores requerem que uma série de pacotes sejam enviados, mas não requerem que o enlace seja dedicado entra cada transmissão de um pacote. Isto significa, que pacotes que pertençam a outrs mensagens possam ser enviados entre os pacotes sendo enviados de A para D. Outro benefício da comutação de pacotes é conhecido como pipelining. No tempo em que o pacote 1 é enviado de B para C, o pacote 2 é enviado de A para B, o pacote 1 é enviado de C para D enquanto o pacote 2 é enviado de B para C, e o pacote 3 é enviado de A para B, e assim por diante. Este uso simultâneo dos enlaces de comunicações representam um ganho de eficiência. Com isto, o tempo total de atraso da transmissão através da rede de pacotes pode ser considerado menor do que a comutação de mensagens, embora exista a inclusão de um cabeçalho em cada pacote invés de apenas um na mensagem como no caso da comutação por mensagens. 37

38 Obs.: Existem dois tipos de rede por comutação de pacotes, conhecido como datagrama (datagram) e circuito virtual (virtual circuit). Princípio de Comutação por Pacotes (Packet Switching) Solução para a justiça de acesso ao meio: Divide os dados em pequenas unidades chamadas pacotes (packets); Permite que cada estação tenha a oportunidade de enviar pacotes antes que qualquer estação mande dois pacotes seguidos; Forma de multiplexação por divisão de tempo; Representação de Comutação por Pacotes Funcionamento: Adquirir o meio físico compartilhado; Enviar um pacote; Permitir que as outras estações tenham oportunidade de enviar dados, antes de enviar outro pacote; Detalhes dos pacotes Depende da tecnologia de rede: 38

39 O tamanho máximo e o tamanho mínimo do pacote; O formato do pacote; Obs.: Um pacote de hardware é chamado quadro (frame). Exemplo de quadro usado no padrão RS-232 Datagrama versus Circuitos Virtuais Dois métodos básicos de comutação de pacotes são comuns. O primeiro é a comutação de pacotes por circuitos virtuais, também conhecido como serviço de rede orientado a conexão (connection-oriented network service). O segundo é comutação de pacotes por datagrama, conhecido como serviço de rede sem conexão (connection-less network service). Redes de Pacotes por Circuito Virtual (Virtual Circuit Packet Networks) Em comutação de pacotes em circuitos virtuais, uma fase inicial de estabelecimento é usada para formar uma rota fixa, entre os nós intermediários, do host de origem até o host de destino para a troca de todos os pacotes (análogo a rede telefônica comutada por circuitos). Em cada nó intermediário, uma entrada é feita em uma tablea para indicar a rota da conexão que foi estabelecida. Os pacotes podem assim usar cabeçalhos, visto que somente a identifação do circuito virtual é necessária, ao invés do endereço completo do destino. Os nós intermediários, B e C, processam cada pacotes de acordo com a informaçãoque esta armazenada no nó desde o estabelecimento da conexão. Melhorias para possibilitar segurança também podem ser fornecidos. A entrega de pacotes na seqüência certa e sem erros é garantida, e o controle de congestionamento para minimizar o enfileiramento é comum. Os atrasos são mais variáveis do que em um circuito dedicado, entretanto, vários circuitos virtuais podem competir pelos mesmos recursos. Uma fase inicial de estabelecimento de conexão e uma fase de desconexão no final da transferência de dados é necessária, como em uma rede de comutação por circuitos. A forma mais comum de rede com circuitos virtuais é a X.25, que é 39

40 comumente usada em redes públicas de pacotes de dados. Redes de Pacotes por Datagrama (Datagram Packet Networks) A transmissão por datagrama usa um esquema diferente para determinar as rotas através dos enlaces de rede. Usando transmissões por datagrama, cada pacote é tratado como uma entidade separada e contêm um cabeçalho com todas as informações do destino pretendido. Os nós intermediários examinam o cabeçalho do pacote e selecionam qual o enlace apropriado para o nó intermediário mais próximo do destino. Neste sistema, os pacotes não seguem uma rota préestabelecida, e os nós intermediários, usualmente conhecidos como roteadores (routers) não exigem conhecimento prévio das rotas a serem usadas. Uma rede por datagrama é análoga ao envio de uma mensagem como uma série de cartões postais através do correio convencional. Cada cartão é independentemente enviado ao destino final. Para receber a mensagem inteira, o destinatário deve coletar todos os cartões postais e ordená-los na forma original. Nem todos os cartões postais necessitam ser entregues pelo correio, e nem todos levam o mesmo tempo para serem entregues. Em uma rede por datagrama, os pacotes podem seguir rotas diferentes até o destino e a entrega não é garantida, embora os pacotes freqüentemente sigam a mesma rota e usualmente é um envio confiável). Melhorias, se requisitadas, ao serviço básico (por exemplo entrega confiável), deve ser providenciada pelos sistemas finais (hosts) usando software adicional. A rede mais comum de datagramas é a Internet que usa o protocolo de rede IP. Diferenças entre redes de datagrama e de circuito virtual Existem um número importante de diferenças entre redes por datagrama e de circuitos virtuais. O impacto pela escolha de um ou outra se reflete na complexidade dos nós intermediários. O uso de datagramas entre nós intermediários permite protocolos relativamente simples neste nível, mas o custo de fazer como que o destino (host) mais complexos quando um serviço de circuito virtual fim-afim é desejado. A Internet transmite datagramas entre nós intermediários usando o protocolo IP. A maioria dos usuários de Internet necessitam de funções adicionais tais como controles de seqüência e 40

41 de erros fim-a-fim para dar confiabilidade ao serviço. A confiabilidade é fornecida pelo protocolo Transmission Control Protocol (TCP) que é usado em conexões fim-afim através da Internet. Existem situações importantes onde um compromisso entre os serviços de datagrama e circuito virtual é melhor. Um exemplo é a transmissão de voz digitalizada. Embora, a princípio, o estabelecimento de uma conexão é desejável, características tais como controle de erros e reordenação dos pacotes pode ser prejudicial. Alguns poucos erros em um pacote de transmissão de voz (normalmente a parte de uma palavra) é muito menos prejudicial do que agrandes atrasos na espera da retransmissão de pacotes que estariam com erros. Nestas situações, a conexão deve ser estabelecida inicialmente como um circuito virtual, mas características como estas podem ser usadas mais adiante. 41

42 Anexo 1 Decibel - O emprego do termo decibel resulta do fato que a potência e níveis de áudio são relacionados em base logarítimica. Isto é, um aumento no nível de potência, de 4 para 16 W, não resulta em um aumento no nível de áudio por um fator 16/4 = 4. O aumento será por um fator de 2, resultado da potência associada ao número 4: (4) 2 = 16. Para uma variação de 4 para 64 W, o nível de áudio triplicará, já que (4) 3 = 64. Em termos logarítimicos, a relação pode ser escrita por log 4 64 =3. e P2: O padrão bel (B) foi definido pela seguinte equação e relaciona os níveis de potência P1 G = log 10 P1/P2 bel Obs.: O termo bel foi extraído do sobrenome de Alexander Graham Bell. Considerou-se, entretanto que a unidade bel produzia números muito pequenos. Por isso, foi definido o decibel (db), de forma que 10 decibéis = 1 bel. Portanto, G db = 10 log 10 P2/P1 db A unidade decibél é usada para demonstrar o nível de sinal em transmissões de dados. Além disto, também mostra os níveis máximos de atenuação permitidos a um meio físico, resultando na distância máxima suportada por este meio em uma transmissão. 42

43 Anexo 2 Padrão RS-232C Exemplos de uso: Conexão do teclado e do mouse em PCs; Portas seriais nos PCs; Características: - Padrão especificados pela Electronic Industries Association (EIA); - Voltagem é +15 ou -15; - Cabo limitado a aproximadamente 150 m; - Usa comunicação assíncrona; Representação de uma comunicação no padrão RS-232 Bit de início (Start bit) Mesmo que 0; Não faz parte dos dados; Bit de parada (Stop bit) Mesmo que 1; Vem depois dos dados; Duração de um bit no padrão RS-232C 43

44 Determinado pela taxa de transferência (baud rate) Baud rates típicas: 9.6 Kbaud, 14.4 Kbaud, 28.8 Kbaud Duração de cada bit é 1/ baud_rate; Funcionamento da comunicação Transmissor e receptor devem concordar com as taxas de transferência e métodos de controle; O receptor envia uma sinal de amostra; Em caso de desacordo ocorre um erro de quadro (framing error); Exemplo do formato de uma quadro usado em RS-232 Obs.: RS-232 é orientado a caracter. Caracteres especiais: Começo de cabeçalho (Start of header (soh)); Fim de texto (End of text (eot)); 44