Redes de Computadores

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1 Redes de Computadores Prof. Macêdo Firmino Camada Física Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

2 Pilha TCP/IP A B M 1 Aplicação Aplicação M 1 Cab M T 1 Transporte Transporte Cab M T 1 Cab T Cab R M 1 Rede Rede Cab T Cab R M 1 Cab T Cab R Cab E M CDE 1 Enlace de dados Enlace de dados Cab T Cab R Cab E M CDE Física Física Meio Físico Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

3 Camada Física Camada Física Funções: Características físicas (mecânicas e elétricas) das interfaces e dos meios. Define quais os tipos de meio de transmissão devem ser utilizados (cabo par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, etc.). Quantos pinos o conector de rede terá e qual será a finalidade de cada pino; Representação dos dados: define a codificação dos dados em sinais (elétricos ou ópticos); Taxa de transferência dos dados: corresponde ao número de bits por segundo, isto é, define o tempo de duração de um bit no meio; Sincronização dos bits: os relógios do transmissor e do receptor devem estar sincronizados. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

4 Sinais - Classificação Sinais Uma das funções mais importantes da camada física é converter dados em sinais eletromagnéticos e transmiti-los através de um meio de transmissão. Existem dois tipos de sinais: Analógico: possuem um número infinito de valores distribuídos numa faixa (contínuos), por exemplo os números inteiros. Digital: possuem apenas um número limitado de valores (discretos), por exemplo 1 e 0; Valor Valor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

5 Sinais Sinais - Classificação Tanto os sinais analógicos quanto os digitais podem se apresentar nas seguintes formas: Periódica: a um determinado intervalo de tempo (chamado período) este sinal repete um determinado padrão; Não-periódica: evolui no tempo sem exibir um padrão. Valor Valor Período Em comunicação de dados, utilizamos geralmente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

6 Sinais Sinais - Propriedades Propriedades: Período é o intervalo de tempo que uma onda leva para completar um ciclo, medido em segundos; Freqüência é o número de períodos num intervalo de tempo de 1 segundo. A freqüência é expressa em hertz (Hz). Valor f = 1 T Período T = 1 f Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

7 Sinais - Propriedades Sinais Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

8 Sinais Sinais - Propriedades Unidade de frequência Equivalência em período 1 Hz (Hertz) 1 s (segundo) 1 KHz (KiloHertz) = 10 3 Hz 1 ms (milisegundos) = 10 3 s 1 MHz (Megahertz) = 10 6 Hz 1 µs (microsegundos) = 10 6 s 1 GHz (Gigahertz) = 10 9 Hz 1 ns (nanosegundos) = 10 9 Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

9 Sinais Sinais - Propriedades Propriedades: Fase: descreve a posição de uma forma de onda relativa ao tempo zero. A fase é medida em graus ou radianos. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

10 Sinais Sinais - Propriedades A maioria dos sinais digitais não são períodicos. Sendo assim, os termos período e freqüência não são apropriados. Para descrever estes sinais são utilizados: Intervalo de sinalização: é tempo necessário para enviar um único bit; Número de bits por segundo (bps): é a quantidade de bits enviados num tempo de 1s. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

11 Sinais Largura de Banda A largura de banda é uma propriedade de um meio físico. Para sinais analógicos ela corresponde a diferença entre a maior e a menor freqüência que um meio pode transmitir satisfatoriamente (perdas abaixo da metade da potência inicial do sinal). Ela é expressa em hertz (Hz); Para sinais digitais ela é o número máximo de bits por segundo que um meio pode transmitir. A unidade é bits por segundo (bps). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

12 Codificação de Linha Codificação de Linha A codificação de linha é o processo de converter dados binários, ou seja, uma seqüência de bits, em sinais digitais. Codificador Decodificador Dado Digital Sinal Digital Dado Digital Transmissor Receptor Podemos dividir as codificações de linha em: Unipolar; Polar; Bipolar. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

13 Codificação de Linha Codificação de Linha - Unipolar A codificação unipolar utiliza somente um nível de tensão. O sinal da polaridade pode ser atribuído a qualquer um dos dois estados binários (0 ou 1), mas geralmente é deixado para o nível 1. Nesse caso, o outro nível (nível 0) é representado por um zero de tensão. Valor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

14 Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar A codificação polar utiliza dois níveis de tensão, um positivo e outro negativo, para representar os dados. São exemplos de codificações polares: Non-Return to Zero (NRZ); Return to Zero (RZ); Manchester; Manchester Diferencial. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

15 Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (NRZ) Na codificação NRZ, o valor do sinal é sempre positivo ou negativo. Existem duas formas de codificação NRZ, são elas: NRZ-L: o nível do sinal depende do bit que ele representa. Uma tensão positiva representa o bit 0, enquanto que uma tensão negativa corresponde ao bit 1. NRZ-I: a transição entre níveis de tensão representa um bit 1, enquanto que a ausência de transição corresponde ao bit 0. Valor Valor NRZ-L NRZ-I Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

16 Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (RZ) O codificação RZ utiliza três níveis de tensão: positiva, negativa e zero. A transição acontece a cada bit e na metado de cada intervalo de sincronização o sinal retorna a zero. Deste modo, o bit 1 é representado pela transição positiva-zero e o bit 0 é representado pela transição negativa-zero. Valor A transição no intervalo do bit é utilizado para sincronização. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

17 Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (Manchester) A codificação Manchester utiliza uma inversão no meio de cada intervalo de sincronização. Uma transição positiva (do nível de tensão negativo para o nível de tensão positivo) representa o bit 1 e uma transição negativa (do nível de tensão positivo para o nível de tensão negativo) representa o bit 0. Valor O protocolo Ethernet utiliza a codificação Manchester. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

18 Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (Manchester Diferencial) Na codificação Manchester Diferencial a presença ou ausência de uma transição adicional no começo do intervalo é usado para identificar o bit. Uma transição representa o bit 0 e ausência de transição representa o bit 1. Valor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

19 Codificação de Linha Codificação de Linha - Bipolar (AMI) A codificação Bipolar utiliza três níveis de tensão: positivo, negativo e zero. O nível zero é usado para representar o bit 0s. Os 1s são representados através de pulsos alternados de tensão positiva e negativa. Se o bit 1 for representado através de uma tensão positiva, o próximo bit 1 será representado por uma tensão negativa. Valor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

20 Modulação Modulação de Sinais Digitais A modulação de sinais digitais são técnicas para converter sinais digitais, em outro sinal analógico de modo a transmiti-lo em um canal físico Modulador Valor Demodulador Dado Digital Sinal Analógico Dado Digital Transmissor Receptor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

21 Modulação Modulação de Sinais Digitais (Portadora) Em uma transmissão analógica, o dispositivo transmissor produz um sinal de alta freqüência (chamado de portadora) que funciona como suporte para o sinal de informação; A informação digital modulada modifica uma ou mais características (amplitude, freqüência ou fase) da freqüência portadora; O dispositivo receptor é sintonizado na freqüência da portadora que ele espera receber a transmissão. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

22 Modulação Modulação de Sinais Digitais Modens (Modulador/Demodulador) são dispositivos que recebem um fluxo serial de bits e produz uma portadora modulada, utilizando alguma técnica de modulação. Além disso, os modens recupera os dados binários a partir de um sinal modulado. Os principais mecanismos de modulação (digital-analógico) são: ASK (Amplitude Shift Keying); FSK (Frequency Shift Keying); PSK (Phase Shift Keying); QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

23 Modulação ASK Modulação Na técnica ASK, a amplitude do sinal da portadora varia de modo a representar a informação binária (0 e 1) Valor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

24 Modulação FSK Modulação Na técnica FSK, a freqüência do sinal portadora varia de modo a representar os níveis binários (0 e 1). Valor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

25 Modulação Modulação PSK Na técnica PSK, a fase da portadora é variada de modo a representar os níveis binários (0 e 1). Valor Se utilizarmos quatro variações de fase (4-PSK) podemos representar 2 bits por fase, ao invés de apenas 1, melhorando a eficiência da transmissão. Por exemplo: Bits Fase 00 0 o o o o Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

26 Modulação QAM Modulação A técnica QAM é uma combinação das técnicas ASK e PSK elaborada de maneira a aumentar o número de bits transmitido para uma dada taxa de modulação. Valor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

27 Multiplexação Multiplexação Multiplexação é um conjunto de técnicas que permitem a transmissão simultânea de múltiplos sinais através de um único enlace de dados; Se a largura de banda de um link for maior que a largura de banda necessária aos dispositivos conectados a ela, essa banda está sendo desperdiçada; São técnicas de multiplexação: Multiplexação por divisão de freqüência (FDM - Frequency Division Multiplexing); Multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM - Wave Division Multiplexing); Multiplexação por divisão do tempo (TDM - Time Division Multiplexing). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

28 Multiplexação FDM Multiplexação Na FDM, os sinais gerados em cada dispositivo transmissor são modulados em portadoras de freqüências diferentes. Em seguida, estes sinais são combinados em um único sinal composto para serem transportado através do enlace. As freqüências as portadoras são separadas de forma a previnir a interferência entre os sinais. O receptor utiliza filtros e demultiplexador para obter o sinal original. Modulador Modulador Filtro Portadora 1 Portadora 1 Modulador Modulador + Filtro Portadora 1 Portadora 1 Modulador Modulador Filtro Portadora 1 Portadora 1 A técnica FDM é utilizado na transmissão de AM e FM, canais de televisão e na telefonia. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

29 Multiplexação WDM Multiplexação A WDM foi desenlvolvida para suportar transmissões de dados em velocidades altíssimas através de cabos de fibra óptica. No lado do transmissor combinamos multiplas fontes luminosas (diferentes comprimentos de onda) em um único sinal de luz. Na lado do receptor as fontes são separadas. O modo mais simples de convergir sinais luminosos e separá-los de volta é utilizando prismas. Fibra óptica Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

30 Multiplexação Multiplexação TDM TDM é um processo de multiplexação onde toda a banda é entregue a um canal num determinado intervalo de tempo. Cada conexão ocupa o enlace durante uma porção do tempo. O fluxo de dados de cada conexão é dividido em unidades e o link combina unidades de cada conexão para montar um frame (quadro). Um frame consiste de um agrupamento de slot time. A3 A2 A1 A3 A2 A1 Frame 3 C3 B3 A3 Frame 2 B2 A2 C1 Frame 1 A1 B3 B2 B3 B2 C3 C1 C3 C1 Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

31 Exercício Exercício 1. Quais são as funções da camada física? 2. Qual a diferença entre dados analógicos e digitais? Dê exemplos de cada um. 3. O que é frequência, período, amplitude e fase de um sinal? Qual a relação entre frequência e período? 4. Considere a sequência de bits Como seria a codificação dessa sequência utilizando as técnicas de codificação Unipolar, NRZ-L, NRZ-I, RZ, Manchester, Manchester Diferencial e a Bipolar? Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32

32 Exercício Exercício 5. O que é modulação? Qual o papel do modem e da portadora nesse processo? 6. Faça um desenho mostrando como seria a modulação dos bits utilizando as modulações ASK, FSK, PSK e QAM? 7. O que é multiplexação e quais as vantagens em utilizar essa técnica? 8. Qual a diferença entre a FDM e TDM? Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de / 32