Redes de Telecomunicações

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1 Redes de Telecomunicações Mestrado em Engenharia Electrotécnica e e de Computadores º semestre 29/2

2 Capítulo 2 Fundamentos das redes e dos serviços João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 8

3 Tipos básicos de equipamento O equipamento básico pode-se dividir em vias de transmissão e elementos (dispositivos) de rede. Os elementos de rede incluem equipamento terminal, equipamento de comutação, sistemas de sinalização e gestão e servidores. Vias de transmissão: suporte de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, feixes hertzianos,etc.) + repetidores (amplificadores, regeneradores). Equipamento terminal: interface com a rede (telefone, computador, PPCA, etc.). Equipamento de comutação: comutadores digitais nas redes telefónicas (comutação de circuitos), routers (comutação de pacotes) nas redes de dados. Sistemas de sinalização e gestão: responsáveis por processarem a informação de sinalização e gestão. Servidores: Dispositivos com capacidade para armazenar informação (servidores de WWW e cabeças de rede nas redes CATV,etc.). João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 9

4 Topologias Representação de uma rede por um grafo Fluxo de informação 2 v v 2 e e 5 e 6 e 2 Grafo da rede 5 3 v 5 e 4 e 7 v 4 e 3 v 3 4 A estratégia de interligação entre os nós define a topologia da rede, ou mais especificamente a topologia física. O modo como a informação flui define a topologia lógica. Topologia física Topologia lógica João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 2

5 Tipos de topologias O tipo de topologia condiciona a estratégia de desenvolvimento e o tipo de serviços que a rede pode oferecer. Topologias com meio não partilhado Estrela Anel Malha A Topologias com meio partilhado B C Barramento (Bus) Árvore João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 2 E D

6 Representação de uma Rede (T. Física) Um rede pode-se representar a partir de um grafo ( V, E) onde V = ( v, v2,... vn ) representa o conjunto dos vértices ou nós e E = ( e,... ) representa o e2, el conjunto de ligações (links). A topologia física também se pode representar usando uma matriz de adjacências g. Essa matriz tem dimensão NxN. O elemento g ij =, se existir uma ligação entre i e j. Caso contrário é igual a. Define-se o grau do nó como sendo o número de ligações que convergem para um determinado nó, ou seja N δ = i g ij j = O valor médio do grau do nó é dado por G v v 2 v 5 e 4 v 4 e e 5 e 6 g = e 7 e 3 e 2 v 3 Matriz de Adjacências Grafo da rede N < δ >= δi = N i= 2L N <δ >= = 2.8 João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 22

7 Representação de uma Rede (T. Lógica) A topologia lógica descreve o fluxo de tráfego que ocorre na rede. Este fluxo também é descrito através do número de pedidos de tráfego. Os pedidos de tráfego podem ser unidireccionais (um sentido) ou bidireccionais (nos dois sentidos). v 5 v v 2 v 3 Topologia Lógica em malha (um sentido) v 4 A topologia lógica também se pode representar através de uma matriz de pedidos d. O elemento d ij =, se existir um pedido de tráfego entre i e j. Caso contrário é igual a. No caso em que o fluxo de tráfego entre dois nós ocorre nos dois sentidos têm-se que o número médio de pedidos N N é dado por < d >= d ij N i = j = d = Matriz de pedidos Para uma topologia lógica em malha (padrão de pedidos uniforme) têm-se < d>= N O número total de pedidos de tráfego unidireccionais é então D= N( N ) e bidireccional D = N( N ) / 2. 2 Dois sentidos < d >= 2= 4 5 João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 23

8 Número de saltos por pedido Define-se o número de saltos por pedido como sendo o número de ligações por pedido. Para calcular esse número é necessário definir uma regra de encaminhamento, como por exemplo escolher o caminho entre dois nós que percorre o número mínimo de ligações possíveis usando o algoritmo de Dijksta. A matriz de saltos h é definida de modo que cada elemento dessa matriz h ij represente o número mínimo de ligações de um pedido entre o nó i e o nó j. O número médio de ligações por salto é dado, nessa situação, por < h >= N N h ij D i= j= i+ Se a matriz de adjacências e a matriz de pedidos forem conhecidos pode-se determinar <h>. Para um padrão de pedidos uniforme e para topologias físicas com um nível de conectividade elevado tem-se que < h >. 2 João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 24 < N δ > Inversamente proporcional à raiz do valor médio do grau

9 Planos de Rede Numa rede de telecomunicações podem-se individualizar três panos: Plano de utilizador, plano de controlo e plano de gestão. Plano de utilizador: responsável por transferir a informação do utilizador através da rede. Assegura o suporte físico. Plano de controlo: responsável pelo processo de sinalização associado ao estabelecimento, supervisão e terminação de ligações. Exemplo de planos de controlo: Sistema de sinalização nº 7, GMPLS (Generalized multiprotocol label switching), etc. Plano de gestão: Funções a nível de detecção e correcção de falhas (gestão de falhas), configuração dos elementos de rede (gestão de configuração), monitorização de desempenho (gestão de desempenho), autorização de acesso (gestão de segurança). João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 25

10 Notícia na revista Lightwave (Plano de Controlo) Alcatel-Lucent's intelligent control plane is featured in Portuguese network,lightwave SEPTEMBER 6, Alcatel-Lucent has completed the deployment of a control-plane based optical network for ONI Communications (ONI), a leading Portuguese communications operator. Offering higher levels of network security and availability to its business customers, ONI expects to enhance the service quality of existing and new applications. With the implementation of ASON/GMPLS technology, ONI says it is the first service provider in Portugal to use an intelligent control-plane-based optical network to offer the highest service quality. ONI can now negotiate differentiated service-level agreements with its customers. The carrier also benefits from automatic traffic provisioning, and a high level of network protection, operation, and maintenance capabilities for minimized operational expenditures Alcatel-Lucent's intelligent control plane, based on Automatically Switched Optical Network/Generalized Multi-Protocol Label Switching (ASON/GMPLS) technology, offers dynamic networking and traffic protection. Alcatel-Lucent has deployed the technology in ONI's core transport network through the Alcatel-Lucent 678 Metro Core Connect (MCC). João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 26

11 Classificação das redes Em termos do modo de transferência de informação as redes podemse classificar em comutadas e de difusão. Por sua vez as comutadas podem ser de comutação de circuitos ou de pacotes. Redes de Telecomunicações Redes comutadas Redes de difusão Rede de satélites Rede de difusão de televisão e rádio Rede Ethernet CSMA/CD Redes de comutação de circuitos Redes de comutação de pacotes Rede telefónica Rede celular Circuitos alugados Redes de transporte (SDH e OTN) Redes não orientadas à ligação (Datagramas) Rede IP Redes orientadas à ligação (Circuitos virtuais) Frame relay ATM (Asynchonous transfer mode) MPLS (Multi-protocol label switching) João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 27

12 Comutação de circuitos Na comutação de circuitos é estabelecida pela rede uma ligação (circuito) entre dois utilizadores (chamado e chamador) para a transferência de informação a qual é mantida durante toda a comunicação. Envolve três fases: estabelecimento do circuito, transferência de dados, e terminação. Numa ligação telefónica a primeira fase tem lugar quando se marca o número do destinatário e a central de comutação estabelece uma ligação para o telefone do destinatário e envia o sinal de chamada. A segunda fase corresponde à conversação entre os interlocutores. A terceira fase inicia-se quando se pousa o telefone. Os circuitos podem ser comutados ou semi-permanentes. Os primeiros, como é o caso dos circuitos telefónicos, são estabelecidos por acção do plano de controlo. Os segundo, como é o caso dos caminhos nas redes SDH e dos canais ópticos nas redes OTN são estabelecidos pela acção do plano de gestão. Como os recursos usados na ligação são reservados durante todo o tempo em que a ligação está activa esta solução é apropriada para o tráfego de voz, mas não é adequada para o tráfego de dados que é bursty por natureza. João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 28

13 Comutação de pacotes Na comutação de pacotes a informação é segmentada em pacotes, que por sua vez são enviados através da rede de nó para nó até atingirem o destino. Na comutação com datagramas a cada pacote inclui um cabeçalho com informação do destino e da fonte. Cada pacote é encaminhado individualmente através da rede, podendo diferentes pacotes com o mesmo destino seguirem caminhos diferentes. Comutação por datagramas Fonte D T X U R C B D X T U C R B D T X U R C B Controlo da sequência Nó Na comutação por circuitos virtuais por sua vez requer o estabelecimento prévio de uma circuito virtual entre a fonte e o destinatário, o qual é seguido por todos os pacotes. O processo de comunicação envolve três fases como na comutação de circuitos. João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 29

14 Estratificação em camadas Uma rede de telecomunicações pode-se dividir em camada de rede de transporte e camada de rede de serviço. A camada de rede de serviços funciona como cliente da camada de rede de transporte. A camada de rede de transporte porpociona caminhos (capacidade de transporte) à camada de serviços. Uma ligação a 34 Mb/s por segundo é um exemplo de uma caminho eléctrico e um comprimento de onda suportando um canal a Gb/s é um exemplo de um caminho óptico. As camadas de serviço são de diferentes tipos (rede telefónica, redes de dados, rede celulares, redes de cabo, circuitos alugados. Rede telefónica Rede de dados Rede celular Rede de cabo Circuitos alugados Rede de Transporte João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 3

15 Rede de Transporte A rede de transporte é uma plataforma tecnológica que assegura uma transferência transparente e fiável da informação à distância, permitindo suportar diferentes serviços. A rede de transporte garante diferentes funcionalidades, como sejam, transmissão, multiplexagem, encaminhamento, protecção, supervisão e aprovisionamento de capacidade. A rede de transporte é constituída por diferentes elementos de rede ligados entre si segundo uma certa topologia física (anel ou malha) e interagindo directamente com o plano de gestão. João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 3

16 Exemplificação do papel do transporte A rede de transporte neste exemplo é representada pelo plano inferior e é constituída por multiplexadores ADM interligados por fibras ópticas. A camada de rede de serviços é representada por centrais de comutação telefónica (CC). d Camada de rede de serviço CC CC c Tecnologias de rede para o transporte: SDH (Synchronous Digital Hierarchy), WDM, (Wavelength Division Multiplexing), OTN (Optical Transport Network) CC a CC ADM E A ADM ADM Camada de rede de Transporte B b ADM D ADM C João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 32

17 Hierarquização da rede Uma rede de telecomunicações de dimensão nacional é representada por uma estrutura hierárquica com três níveis: núcleo, metro e acesso. A estrutura hierárquica é comum à rede de transporte e de serviços. Na rede de núcleo e na rede metropolitana a topologia física é normalmente imposta pela camada de transporte. Núcleo s-s km Malha A rede de acesso usa uma grande variedade de tecnologias e topologias, e é responsável por uma fracção muito importante do investimento feito numa rede. Tecnologias de transmissão no acesso: pares de cobre, cabo coaxial, fibra óptica, soluções rádio (FWA). Metro - km Anel Acesso < km Anel, estrela, etc Utilizadores João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 33

18 Rede Telefónica Pública Comutada A topologia em estrela é a solução mais simples A topologia mais simples para uma rede telefónica é a topologia em estrela, ligando uma central de comutação telefónica ao equipamento terminal do utilizador. CC Central de comutação tefefónia Quando a dimensão da rede aumenta, tornase mais económico dividir essa rede em subredes de pequenas dimensões, cada uma servida pela sua própria central de comutação telefónica. Para interligar todas as centrais entre si, a solução mais económica é usar uma central de nível superior: central tandem. Custo nº óptimo de centrais Telefone custo total custo da comutação custo da linha Número de centrais de comutação Estrutura hierárquica João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 34

19 Estrutura hierárquica Uma rede telefónica pública comutada apresenta uma estrutura hierárquica e uma topologia em árvore não pura, porque à medida que se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações directas entre centrais do mesmo nível. Rede internacional Central internacional Rede de núcleo ou de troncas Rede de junção Rede de acesso ou local Central Tandem Centros de trânsito secundário Centros de trânsito primários Centrais locais Linha de assinante A linha de assinante é constituída por pares de cobre, por isso esta rede é muitas vezes designada por rede de cobre Transmissão a 2 fios João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 35

20 Rede Digital Integrada Uma rede digital integrada (RDI) é uma rede telefónica pública em que a comutação é digital e a transmissão no núcleo e nas junções também é feita usando transmissão digital. Central analógica Equipamento de rede. Conversão A/D Telefone analógico CT CL Transmissão digital Transmissão analógica CT RDI CT CL Acesso analógico CL CL CL CT Central de trânsito digital CL Central local digital CR CR Concentrador digital A qualidade do sinal na RDI devido à regeneração é independente do número de troços e centrais presentes na ligação. Passo seguinte: Proporcionar transmissão digital até ao utilizador (RDIS) João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 36

21 Rede Digital com Integração de Serviços A característica fundamental da RDIS é a digitalização do lacete de assinante. O RDIS oferece acesso básico e acesso primário. Acesso básico 2x64 Kbits canais B para comunicação x6 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 2 fios a 6 kbit/s Acesso primário 3x64 Kbits canais B para comunicação x64 kbit/s canal D para sinalização Interface U a 4 fios a 2 Mbit/s Acesso primário PPCA NT Para manter compatibilidade com os telefones analógicos usa-se um adaptador TA Interface S TA Interface T NT Interface U Acesso básico Interface U Central de comutação Telefone analógico Telefone digital João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 37

22 Redes híbridas fibra-coaxial As redes de distribuição de televisão por cabo CATV ( CAble TV) (rede de cabo) usam uma infra-estrutura de fibra óptica, para servirem células de 2 a utilizadores, seguida de uma rede em cabo coaxial. Cabeça de Rede Amplificador de tronca com repartição Para o fornecimento de serviços interactivos, é necessário usar amplificadores bidireccionais e um protocolo da acesso múltiplo para evitar colisões entre os sinais de retorno enviados pelos diferentes utilizadores Fibra Óptica Nó de acesso óptico Repartidor coaxial Cabo coaxial Amplificador de linha Utilizador Utilizador A rede coaxial apresenta uma topologia em árvore O servidor situado na cabeça da rede distribui para os utilizadores os diferentes sinais de televisão usando multiplexagem por divisão na frequência (FDM). João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 38

23 Rede de transporte da rede híbrida A ligação entre a cabeça da rede e o nó de acesso óptico é realizado pela componente de transporte. Na rede de transporte representada a rede de transporte tem dois níveis. Cabeça Cabeça de de Rede Rede No rede de transporte primária a informação é digitalizada (PCM). No nó de acesso a informação é convertida para o domínio analógico (RF) e em seguida para o domínio óptico. Rede de Transporte Primária Nó Nóde de Acesso Acesso Par de fibras ópticas Nó Nóde de Acesso Acesso No nó de acesso acesso o sinal óptico é convertido para um sinal de radiofrequência (RF) e injectado na rede coaxial Rede de Transporte Secundária Fibra óptica Nó de acesso óptico Rede Coaxial A rede de transporte primária usa a informação digitalizada. João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 39

24 Espectro de radio-frequência O canais de televisão (serviço distributivo) fazem uso da banda directa situada entre e 75 MHz. A parte entre os 55 e 75 MHz é usada para televisão digital e ligação interactiva descendente. O via de retorno é usada para as ligações interactivas ascendentes. Via de Retorno Canais FM Canais de TV analógicos Canais digitais Upgrade futuro f (MHz) Note que os sinais transmitidos são sinais de radiofrequência FDM, logo analógicos. Desmodulador (Televisor) Fibra Óptica Receptor Óptico f f N Sinal de radiofrequência Oscilador local sintonizável f f N Filtro Passa Baixo f João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 4

25 Internet Na Internet usa-se comutação de pacotes por datagramas Rede 2 Encaminhadores (Routers) Pacote Rede Caminho Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, Os pacotes são encaminhados através da Internet. João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 4

26 Modelo OSI: Sumário 7 Aplicação: Serve de suporte aos programas de aplicação do utilizador. 6 Apresentação: Formata os dados para apresentação ao utilizador. Exemplos: compressão de dados, tradução entre diferentes formatos de dados, encriptação. 5 Sessão: Responsável por iniciar, manter e terminar cada sessão lógica entre emissor e receptor. Estabelece pontos de sincronismo. 4 Transporte: Lida com problemas na transmissão extremo-a-extremo, tais como: segmentação das mensagens para transporte na rede, manutenção das ligações entre emissor e receptor. 3 Rede: Responsável pelo encaminhamento de pacotes ao longo da rede e pelo controlo de congestão. 2 Ligação de dados: Responsável pela transmissão e recepção de dados por um canal físico de comunicação. Lida com problemas nó-a-nó, tais como o controlo de erros e de fluxo, ou o controlo de acesso ao meio. Físico: Define as características mecânicas, eléctricas, funcionais e de procedimento da interface com o meio físico. Exemplo: como formatar cada bit a ser transmitido através da rede. Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 42

27 Arquitecturas de Rede: Modelo TCP/IP TCP: Transmission control protocol UDP: User Datagram Protocol Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 43

28 Modelo TCP/IP 5 Aplicação: Aplicações de rede distribuídas: FTP, SMTP, HTTP. 4 Transporte: Transferência de dados entre estações: TCP, UDP. 3 Rede: Encaminhamento e expedição de mensagens: IP, protocolos de encaminhamento. 2 Ligação de dados: Transferência de dados entre máquinas vizinhas: PPP, Ethernet. Nível físico: Passagem de bits entre máquinas vizinhas: RS- 232c, V.92. Aplicação Transporte Rede Dados Físico Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 44

29 Modelo TCP/IP (2) Aplicação HTTP Msg Aplicação Transporte TCP Msg Transporte Rede Pacote IP Rede Rede Dados Trama Ethernet Dados Dados Dados Físico Físico Físico Físico João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 45 Cliente Comutador Ethernet Router Servidor

30 Encaminhamento Mesmo pacote Trama 3º formato de trama Formato de trama diferente Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, O encaminhador retira o pacote da rede de origem e retransmite-o na rede seguinte do caminho (funcionamento store-and-forward), usando em cada rede diferente o formato de trama adequado. João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 46

31 Protocolo IP v4 ver. identificador TTL comp. cab. TOS protocolo 32 bits sinal. offset comprimento total endereço IP fonte endereço IP destino checksum opções (comprimento variável) dados da camada de transporte (comprimento variável) Pacote IP v4: TOS: Tipo de serviço; Identificador: Número de sequência; Sinalizadores e offset: Fragmentação e reconstrução de datagramas; TTL (Time to Live): Decrementado em cada encaminhador (máx=255); Protocolo: Do nível de transporte: TCP, UDP, ICMP, IGMP, RVSP,... Fonte: Prof. Paulo Correia, TRC, João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 47

32 Redes do Século XXI As palavras chave vão ser banda larga e convergência. A banda larga irá exigir a aproximação da fibra óptica ao utilizador. A convergência irá reduzir o número de tecnologias de rede usadas tanto na camada de serviço, como na camada de transporte. Utilizador Cobre Cobre ONU Fibra Fibra Plataforma de acesso multiserviço Camada de rede de serviço IP/MPLS OTN Camada de rede de Transporte Rede BT 2 st Century Network João Pires Redes de Telecomunicações (9/) 48