... OSI x IEEE 802. Arquitetura IEEE 802 Padrões IEEE 802.3, , e Disciplina: Comunicação de Dados IV.

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1 Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF Disciplina: Arquitetura IEEE 802 Padrões IEEE 802.3, , e Profa. Débora Christina Muchaluat Saade deborams@telecom.uff.br br Arquitetura IEEE 802 IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers Conjunto de Padrões para Redes Locais LAN Local Area Networks estações estão a poucos quilômetros umas das outras ISO/IEC Joint Technical Committees 1 (JTC 1) on Information Technology ANSI American National Standards Institute ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas IEEE Institute of Electrical and Eletronics Engineers IEEE Project 802 Local and Metropolitan Area Networks Standards 2 Comitê de Padronização do Projeto IEEE 802 OSI x IEEE 802 Comitê Executivo Arquitetura OSI Aplicação Interligação e Gerência CSMA/CD Token Bus Serviços Integrados Segurança WLANs - Wireless Local Area Networks Demand Priority Access Apresentação Sessão Transporte Token Ring MAN Banda Larga Fibra Ótica WPANs - Wireless Personal Area Networks WMANs - Broadband Wireless Access RPR - Resilient Packet Ring Radio Regulatory Rede Enlace Físico Arquitetura IEEE (802.2) Físico 4 6

2 Arquitetura IEEE 802 (Redes Locais de Computadores) Camadas da Arquitetura IEEE 802 Aplicação Host A Aplicação Apresentação Host B Aplicação Apresentação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Sessão Transporte Rede Físico comunicação fim-a-fim Sessão Transporte Rede Físico Logical Link Control () Medium Access Control () Physical Layer (PHY) 7 8 Nível Físico Camada de Controle de Acesso ao Meio Logical Link Control () Medium Access Control () Physical Layer (PHY) Estabelecimento, manutencão e liberação de conexões físicas transmissão de bits através de um meio físico Cabo coaxial Par trançado Fibra ótica Método de codificação Taxa de Transmissão Logical Link Control () Medium Access Control () Physical Layer (PHY) Endereço Organização do acesso ao meio físico compartilhado Barra, Anel, Wireless Detecção de erros (CRC) Delimitação de quadros Técnicas CSMA-CD CD (802.3) Token Ring (802.5) Token Bus (802.4) DQDB (802.6) CSMA/CA (802.11)

3 Camada de Controle de Enlace Lógico Padrões IEEE 802.X Logical Link Control () Medium Access Control () Physical Layer (PHY) Independência da camada LSAPs Multiplexação Controle de erros e de fluxo Tipos de operação Classes de procedimentos Relacionamento entre os Padrões 802 PHY Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF Disciplina: Padrão IEEE Padrão Ethernet Camadas e Física Protocolo de acesso CSMA/CD Redes Locais com Topologia Lógica em Barra Taxas de Transmissão 10 Mbps Ethernet 100 Mbps Fast Ethernet 1 Gbps Gigabit Ethernet IEEE 802.3ae 10 Gbps (conectividade para MANs e WANs) 16

4 Opções para as Extensões à rede Ethernet 1980: 1980: Ethernet. 1985: 1985: IEEE Ethernet Comutada (switched Ethernet). 1995: 1995: IEEE 802.3u Fast Ethernet. 1997: Ethernet Full-duplex. 1998: 1998: IEEE 802.3z Gigabit Ethernet. 2002: 2002: IEEE 802.3ae 10 Gigabit Ethernet.???????? Ethernet!!!! Padrão IEEE Semântica do Protocolo da Camada CSMA-CD CD Espera Aleatória Exponencial Truncada Funcionamento Full-Duplex (Ethernet, Fast, Giga, 10 Giga) não usa CSMA/CD CSMA/CD Técnica CSMA/CD Colisão Estação Ativa Meio Livre? Não Retransmissão Atraso Aleatório ponderado pelo número de colisões Sim Inicia Transmissão Incrementa contador de número de colisões Tempo T 1 Colisão? Sim Interrompe Transmissão Reforço de Colisão (JAM) T 2 Não T 3 Termina Transmissão 20 21

5 CSMA/CD - Retransmissão IEEE Espera Aleatória Exponencial Truncada se houve colisão, espera tempo aleatório entre 0 e (limite( superior)*2 n o limite é dobrado a cada colisão sucessiva até o número máximo de colisões: nas primeiras 10 tentativas n varia de 1 a 10, nas tentativas subseqüentes, n continua com o valor 10. depois de 16 tentativas mal sucedidas,, a interface reporta tempo de acesso infinito (aborta transmissão). retardo de transmissão pequeno no começo e grande depois, evitando sobrecarga bittime - tempo para transmitir 1 bit IFG - interframe gap = 96 bittimes 10 Mbps = 9,6 microssegundos 100 Mbps = 960 nanossegundos 1 Gbps = 96 nanossegundos Limite superior para escolha do tempo 512 bittimes Em caso de colisão transmite JAM até completar 96 bits 0 s e 1 s alternados Preâmbulo 56 Bits Padrão IEEE Formato da PDU da Camada SD 8 Bits Destinatário Remetente Comprimento Dados PAD FCS 48 (16) Bits 48 (16) Bits 16 Bits 368 Bits - 12 KBits 32 Bits PDU Preâmbulo: : 7 bytes (sincronização( do transmissor e receptor - codificação Manchester) SD - Start Delimiter Endereços (os fabricantes decidem se usam 1 ou ambas as formas de endereço): 1o. Bit indica se é único (0) ou grupo (1), broadcast (todos( os bits 1) 16 bits: localmente administrados 48 bits: esquema de endereçamento universal fornecido pelo fabricante (2o. Bit indica se é local (1) ou universal (0)) 2^46 endereços universais PAD para satisfazer tamanho mínimo do quadro M >= 2CTp tamanho mínimo (64 bytes a partir de DA) e máximo (1518 bytes = 1,5 KB) FCS - CRC-32: x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x

6 Quadro IEEE x Quadro Ethernet Topologia Física em Barra: Ligação Multiponto IEEE Preâmbulo SD Destinatário Remetente Comprimento Dados PAD FCS 56 Bits 8 Bits 48 (16) Bits 48 (16) Bits 16 Bits 368 Bits - 12 KBits 32 Bits Ethernet Preâmbulo SD Destinatário Remetente Preâmbulo Tipo do protocolo Dados FCS Z >> Ethernet e podem interoperar: se valor do campo comprimento/(tipo do protocolo) > 1500 => é interpretado como tipo do protocolo (quadro ethernet) se valor <= 1500 => é interpretado como comprimento (quadro 802.3) Z 0 Z Topologia Física Estrela: Concentradores Topologia Física Estrela: Concentradores HUB SWITCH 31 32

7 Padrão para Nível Físico Padrões do Nível Físico IEEE taxa de transmissão em Mbps Nomenclatura: técnica de sinalização (Base ou Broad) (tamanho máximo do segmento)/100 ou letra indicando o meio físico 10 Base T Ethernet (10 Mbps) 10Base5, 10Base2, 10BROAD36 10BaseT 10BaseF 802.3u - Fast Ethernet (100 Mbps) 100BaseTX (UTP ou STP) 100BaseT4 (UTP) 100BaseFX (fibra( fibra) 802.3z - Gigabit Ethernet (1Gbps) 1000BaseT (UTP) 1000BaseCX (STP) 1000BaseLX, 1000BaseSX (fibra( fibra) 802.3ae 10 Gigabit Ethernet (10Gbps) Só fibra ótica Somente operação full-duplex (switch) 10GBASE-X Distâncias podem chegar a 40Km cabo coaxial par trançado ou fibra Domínio de Colisão Interligação de Múltiplos Segmentos 49 Número máximo de estações: : , 100 ou 1Gbps 50

8 Interligação de Hubs Ethernet Ethernet (10Mbps) Regra No caminho entre 2 estações quaisquer 5 Segmentos 4 Repetidores 3 mixing segments 52 Extensões ao Ethernet Fast Fast Ethernet (100 Mbps): 2 segmentos (distância máxima em torno de 200m) 1 ou 2 repetidores Só 1 repetidor Classe I (interligam segmentos com tipos de codificação distintos) 2 repetidores Classe II (interligam segmentos com mesmo tipo de codificação) separados por no máximo 5 metros GibabitGibabit Ethernet (1 Gbps): Tamanho mínimo do quadro = 512 bytes 2 segmentos (distância máxima em torno de 200m) Só 1 repetidor Fast Ethernet (100Mbps) 53 54

9 Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF Disciplina: Redes Locais sem Fio Padrão desenvolvido pelo IEEE projeto Wireless Local-Area Networks Standard Working Group Padrão IEEE Redes Locais sem Fio WiFi Define: nível físico: frequência de rádio infravermelho Camada - DFW (Distributed Foundation Wireless ) CSMA/CA Polling 98 IEEE Rede sem Fio Ad-Hoc Área coberta pela rede é dividida em células (BSA) Rede local sem fio Ad-Hoc ESS com um único BSS Rede local sem fio com infra-estrutura Sistema de Distribuição AP access point E-4 E-1 E-3 BSS = ESS E-2 BSA (Basic Service Area) = célula BSS (Basic Service Set) = estações comunicando-se em uma BSA

10 ESS Rede sem Fio com Infra-estrutura BSS-A E-A1 Sistema de Distribuição AP-A E-A2 BSA (Basic Service Area) = célula BSS (Basic Service Set) = estações comunicando-se em uma BSA AP (Access Point) ESS (Extended Service Set) = estações comunicando-se em vários BSS s 105 AP-B E-B2 E-B1 BSS-B Medium Access Control () Physical Layer Convergence Protocol (PLCP) Camada Física Physical Medium Dependent (PMD) Camadas : Acesso ao meio Fragmentação Criptografia (WEP Wired Equivalent Privacy) PLCP: Indicação de meio livre (CCA Clear Channel Assessment) Oferece SAP comum independente da tecnologia de transmissão PMD: Modulação Codificação/decodificação decodificação de sinais Camada Física DFW Distributed Foundation Wireless Transmissão a 1 ou 2Mbps 2.4GHz (Banda reservada para LAN, uso médico e industrial) Infravermelho (IR) - InfraRed Radiodifusão direct sequence spread spectrum (DSSS) frequency hopping spread spectrum (FHSS) a - rádio (OFDM) em 5 GHz (6 a 54 Mbps) b - rádio (DSSS) em 2.4 GHz (5,5 e 11 Mbps) g - 54 Mbit/s, 2.4 GHz (compatível( com b) (2003) n 100 Mbit/s previsão para fim de Define dois Métodos de Acesso (Funções de Coordenação) Distributed Coordination Function - DCF Distribuído (Obrigatório) Decisão de quando transmitir é tomada individualmente CSMA/CA Possibilidade de transmissões simultâneas Point Coordination Function - PCF Centralizado (Opcional) Decisão de quem deve transmitir centralizada em um ponto Precisa do AP redes com infra-estrutura Polling Evita a ocorrência de colisões 118

11 DIFS Controle de Acesso DFW Meio Ocupado DIFS PIFS Acesso c/ Contenção Próximo Quadro DCF: por que não usar CSMA/CD? Limitações: Meio sem fio: é difícil detectar outro sinal além do sinal da própria estação, com as antenas de transmissão e recepção próximas uma da outra. Nem todas estações de uma BSA são capazes de receber os sinais de todas as demais: Estação escondida IFS - Inter Frame Space PIFS - PCF (Priority) IFS: Point Coordination Function DIFS - DCF (Priority) IFS: Distributed Coordination Function Problema com CSMA em redes sem fio Problema com CSMA em redes sem fio Nem todas as estações estão no alcance de todas as demais estações: Problema da estação escondida: C não percebe a transmissão de A para B. Alcance de A Alcance de C Nem todas as estações estão no alcance de todas as demais estações: Problema da estação exposta: C não transmite para D se B estiver transmitindo para A. Alcance Alcance de B de C A B C D A B C D

12 Solução: : CSMA/CA CSMA/CA com requisição (RTS) e reconhecimento (CTS): Uma requisição é enviada ao destino antes de transmitir os dados: É enviado um quadro RTS Request To Send. O destino responde com uma autorização: É enviado o quadro CTS Clear To Send. Após o recebimento correto de um quadro,, o destino envia reconhecimento positivo: É enviado o quadro ACK Acknowledgement. Estação escondida Suponha que A quer transmitir para B: A envia RTS para B C não receberá o RTS de A mas receberá o CTS de B. A colisão pode ocorrer entre o envio de RTSs por parte de A e C ao mesmo tempo, sendo ambos endereçados para B. RTS CTS 123 A B C D 126 Estação exposta B quer transmitir para A (enviou( RTS primeiro), C quer transmitir para D (envia( RTS depois): Não há colisão, pois o RTS de B era endereçado para A e C não recebeu o CTS de A. A enviará o reconhecimento de um quadro correto. Distributed Coordination Function Utiliza a técnica CSMA/CA Obrigatória para todos os AP s e estações em redes sem fio com infra-estrutura ou Ad-Hoc Acrescenta opcionalmente ao CSMA/CA tradicional a troca de quadros de controle RTS (Request to Send) e CTS (Clear to Send) Dados RTS RTS A B C D

13 Transmissão de Dados Opcional Controle de Acesso DCF Acesso c/ Contenção RTS CTS DIFS DIFS PIFS SIFS Meio Ocupado Backoff Window Próximo Quadro Estação Origem DATA Estação Destino Estação Retarda Acesso Slot time Seleciona slot aleatoriamente ACK IFS - Inter Frame Space Backoff time = random x slot time RTS/CTS - Leva estimativa de tempo de transmissão do quadro de dados usado para atualizar o NAV (Network Allocation Vector) em cada estação SIFS - Short (Priority) IFS: CTS, ACK, respostas ao polling PIFS - PCF (Priority) IFS: Point Coordination Function DIFS - DCF (Priority) IFS: Distributed Coordination Function Slot time depende da tecnologia de nível físico Exemplo CSMA/CA com RTS/CTS Exemplo CSMA/CA sem RTS/CTS DIFS SIFS DIFS origem RTS dados origem dados SIFS SIFS SIFS destino CTS ACK destino ACK outra estação NAV (RTS) retarda acesso NAV (CTS) DIFS Backoff window outra estação retarda acesso DIFS Backoff window NAV Network Allocation Vector: define instante de tempo mais próximo em que a estação pode tentar acessar o meio

14 Point Coordination Function Serviços DFW Implementa um serviço de acesso ordenado usando a técnica de polling, controlado pelo AP (Access Point) Serviço Sem Contenção Serviço Com Contenção Somente pode ser usado em redes com infraestrutura e sem intersecções entre as BSS s que operam na mesma faixa de frequência PCF DCF (CSMA/CA) NÍVEL FÍSICO Controle de Acesso PCF Exemplo Polling Acesso c/ Contenção t 0 Superquadro t 4 DIFS t 1 t 2 t 3 DIFS PIFS SIFS Meio Ocupado Backoff Window Próximo Quadro PIFS SIFS Meio ocupado D 1 D 2 AP SIFS SIFS SIFS D 3 PIFS D 4 SIFS SIFS CF end Estação Retarda Acesso Slot Seleciona slot aleatoriamente estações U 1 U 2 U 4 IFS - Inter Frame Space SIFS - Short (Priority) IFS: CTS, ACK, Mensagens Urgentes PIFS - PCF (Priority) IFS: Point Coordination Function DIFS - DCF (Priority) IFS: Distributed Coordination Function 142 NAV das estações NAV Período sem contenção (Inicialmente iria até t 3 ) NAV Network Allocation Vector: define instante de tempo mais próximo em que a estação pode tentar acessar o meio 143 Atualiza o NAV Período com contenção

15 Integração PCF x DCF Superquadro DFW AP divide o tempo em períodos denominados superquadros Um superquadro consiste em dois intervalos de tempo consecutivos, sendo o primeiro controlado pela PCF e o segundo pela DCF As durações dos períodos PCF e DCF são variáveis Alongamento de superquadro PIFS < DIFS : Função pontual (AP) ganha o acesso primeiro e gerencia transmissões por polling PCF (opcional) Período Sem Contenção Tamanho variável por superquadro Superquadro Alongamento do Superquadro DCF Período Com Contenção Meio Ocupado Integração PCF x DCF Formato dos quadros PDU Obs: : pode fazer fragmentação! 30 Bytes Até Cabeçalho SDU CRC PHY Cabeçalho Preâmb mbulo do nível físico Até 2346 PDU

16 Quadro Interpretação dos endereços bytes Frame control Duration ID Address 1 Address 2 Address 3 Sequence control Address 4 data CRC to DS from DS Address 1 Address 2 Address 3 Address 4 Frame control: Versão do protocolo (0) Tipo do quadro (gerência, controle, dados) Se quadro foi fragmentado 2 DS bits (Distribution System): Significado dos 4 endereços Duration/ID período de tempo em que o meio ficará ocupado ou Association ID da estação (PS poll) Sequence control número de fragmento/seqüência para reconhecer quadros duplicados (na falta de ACK) CRC detecção de erro CRC DA DA BSSID RA SA BSSID SA TA BSSID SA DA DA SA Interpretação dos endereços Rede Ad Hoc: 2 bits DS = 0 DA destination address destinatário lógico e físico SA source address remetente lógico e físico BSSID id. da célula (BSS) Interpretação dos endereços Rede com infraestrutura (from AP): from DS = 1 Quadro enviado ao destino através de um AP DA destination address destinatário lógico e físico BSSID id. da célula (BSS) remetente físico (AP) SA source address remetente lógico STA 3 DS AP STA4 DS AP STA 3 STA4 STA 1 AP AP DS Distribution System STA2 STA 1 DS Distribution System STA

17 Interpretação dos endereços Rede com infraestrutura (to AP): to DS = 1 Origem envia quadro através de um AP BSSID id. da célula (BSS) destinatário físico (AP) SA source address remetente lógico e físico DA destination address destinatário lógico Interpretação dos endereços Rede com infraestrutura (dentro do DS): 2 bits DS = 1 Quadro transmitido entre 2 APs pelo sistema de distribuição sem fio RA receiver address destinatário físico (AP) TA transmitter address remetente físico (AP) SA source address remetente lógico original DA destination address destinatário lógico original STA 3 STA 3 DS AP STA4 DS AP STA4 STA 1 AP DS Distribution System STA 1 AP DS Distribution System STA2 STA Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF Disciplina: Padrão IEEE WiMax IEEE Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems IEEE e Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Systems Wireless MAN Freqüências de GHz e abaixo de 11 GHz (5-6GHz) Taxas de até 134Mbps Comparação com Sem preocupação inicial com mobilidade Rede sem fio fixa Pode usar comunicação full-duplex Distâncias maiores em área metropolitana 178

18 Arquitetura Pode Pode usar OFDM também Camada Física Camada Física The transmission environment. Estação Estação base com antenas setorizadas

19 Camada Física Quadros e slots de tempo para TDD - time division duplexing. O número de slots em cada sentido pode mudar ao longo do tempo. DL-MAP e UL-MAP indicam a utilização do down/up link FEC baseado em código de Hamming Outra opção FDD Frequency Division Duplexing Camada Subcamada de segurança Conteúdo dos quadros é criptografado, os cabeçalhos não. Autenticação das estações ao se conectarem Orientada à conexão Conexão Conexão define a classe de serviço Camada classes de serviço CBR constant bit rate ex. Voz não comprimida Real-time VBR variable bit rate ex.: multimídia comprimida Estação base faz polling aos assinantes em intervalos fixos para saber quanto precisam de banda Non-real real-time VBR variable bite rate ex.:transferência de aquivos Best effort Camada Pedidos Pedidos de alocação de banda são enviados para a estação base Taxa de pico entre 1.2 kbps e Mbps Pedidos Pedidos bem sucedidos são avisados no próximo mapa downstream

20 Formato do Quadro Formato do Quadro (b) (a) Quadro de Quadro genérico de pedido de alocação de banda (a) Quadro genérico CRC é opcional devido a FEC na camada física EC indica se payload foi criptografado Type tipo de quadro (se tem fragmentação) CI indica presença do CRC final EK indica qual criptografia foi usada Length comprimento total incluindo o cabeçalho Header CRC x 8 + x 2 + x Departamento de Engenharia de Telecomunicações - UFF Camada de Controle de Enlace Lógico Disciplina: Padrão IEEE Logical Link Control () Medium Access Control () Physical Layer (PHY) Independência da camada LSAPs Multiplexação Controle de erros e de fluxo Tipos de operação Classes de procedimentos 192

21 Camadas, Protocolos e Interfaces Interação entre Camadas (Pontos de Acesso a Serviços) Usuário Usuário Interface /Nível Superior Interface / Nível Superior Protocolo Nível Superior Interface /Nível Superior Interface / Ponto de Acesso ao Serviço Entidade de Serviço Protocolo Entidade de Serviço Ponto de Acesso ao Serviço Fornecedor de Serviço Físico Físico Fornecedor de Serviço IEEE Multiplexação Formato da PDU Usuário Usuário Usuário Endereço (SAP) Usuário 1 2 Usuário ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) DSAP SSAP Controle Dados 8 Bits 8 Bits 8 ou 16 Bits N x 8 Bits Físico Endereço Físico DSAP: endereço do ponto de acesso ao serviço destino Rede SSAP: endereço do ponto de acesso ao serviço origem

22 Formato da PDU Controle de Erros e Fluxo - Unidade de Dados Quadro 8 Bits 8 Bits 8 ou 16 Bits N x 8 Bits DSAP SSAP Controle Dados Destinatário Remetente Dados Camada faz detecção de erros (CRC) Recuperação de erros opcional retransmissão do quadro com erro Stop-and and-wait Sliding Windows, Go-Back Back-N N (retransmissão( integral) Controle de fluxo opcional Stop-and and-wait Sliding Windows Especificação da Interface /Nível Superior Operação Tipo 1 serviço datagrama não confiável serviço sem conexão e sem reconhecimento transferências de dados ponto a ponto, entre grupos, ou por difusão Operação Tipo 2 serviço de circuito virtual serviço orientado a conexão conexões ponto a ponto controle de fluxo, sequenciação e recuperação de erros Sliding windows, go-back back-n Operação Tipo 3 serviço datagrama confiável serviço sem conexão e com reconhecimento transferências ponto a ponto sequenciação e recuperação de erros Stop-and and-wait Classes de Serviço IEEE Classe I Operação Tipo 1 Classe II Operação Tipo 1 e Tipo 2 Classe III Operação Tipo 1 e Tipo 3 Classe IV Operação Tipo 1, 2 e

23 Formato do Campo de Controle Troca de Quadros I Formato de transferência de Informação (I) Formato de Supervisão (S) Formato Não-Numerado (U) P/F 1 0 S S X X X P/F 1 1 M M P/F M M M D O T Dados 2 1 I 0 0 Bla Bla.. D O T Dados 1 2 I 0 1 Bla Bla.. D O T Dados número de sequência da PDU transmitida - número de sequência da PDU esperada S - bits de função de supervisão M - bits identificadores de comando não-numerado X - bits reservados P/F - (P = 1) solicitação de resposta imediata e (F = 1) indicador de resposta de solicitação imediata I 1 1 Bla Bla.. D O T Dados 1 2 I 2 1 Bla Bla.. D O T Dados 2 1 I 1 3 Bla Bla Controle de Erros Controle de Fluxo D O T Dados 2 1 I 0 0 aaaaa D O T Dados 1 2 I 0 1 bbbbb 2 1 REJ D O T Dados 1 2 I 1 1 ccccc D O T D O T Dados 1 2 I 0 1 bbbbb D O T Dados 2 1 I 0 0 aaaaa D O T Dados 2 1 I 1 0 bbbbb D O D O T 1 2 RNR 2 T 1 2 RR 2 D O T Dados 2 1 I 2 0 ccccc

24 Cabeçalho /SNAP Implementação nos Sistemas Operacionais de Rede Quando camada é necessária, mas não é implementada, usa-se o encapsulamento /SNAP Modelo OSI Implementação SNAP Código da Organização Tipo do protocolo DSAP SSAP Controle Dados bytes = 0 2 bytes N x 8 Bits Camadas Superiores Modelo IEEE Módulos de Software do SOR Mesmo código usado no quadro Ethernet Enlace Físico Físico Driver de Placa software hardware