Redes de Computadores

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1 Redes de Computadores Conceitos Básicos Walter Fetter Lages Universidade Federal do Rio Grande do Sul Escola de Engenharia Departamento de Engenharia Elétrica Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica ELE00002 Sistemas de Automação Copyright (c) Walter Fetter Lages p.1

2 Modos de Transmissão Paralela Bits transmitidos simultaneamente através de vários suportes físicos Serial Bits transmitidos um através de um único suporte físico Copyright (c) Walter Fetter Lages p.2

3 Comunicação Serial Modo Simplex Modo Duplex Modo Half-duplex Copyright (c) Walter Fetter Lages p.3

4 Transmissão Síncrona Transmissão síncrona Um bit transmitido a cada pulso de clock Caracteres back-to-back Copyright (c) Walter Fetter Lages p.4

5 Transmissão Assíncrona Transmissão assíncrona Utiliza Start bit para sinalizar o início de cada caracter Copyright (c) Walter Fetter Lages p.5

6 Codificação de Bits Banda básica Sinal digital não modulado Banda estreita Sinal analógico modulado pelo sinal digital Banda larga Sinal analógico modulado pelo sinal digital Copyright (c) Walter Fetter Lages p.6

7 Codificação em Banda Básica On-off NRZ polar RZ unipolar Manchester Bifase Manchester diferencial Bifase diferencial Miller CMI Copyright (c) Walter Fetter Lages p.7

8 Codificação em Banda Básica Copyright (c) Walter Fetter Lages p.8

9 Modulação Alteração e uma ou mais características (amplitude, fase, frequência,...) de um sinal (portadora) segundo um outro sinal (modulante) Modulação contínua Portadora analógica Modulante analógico Modulação de pulso Portadora digital Modulante analógico Modulação Digital Portadora analógica Modulante digital Copyright (c) Walter Fetter Lages p.9

10 Modulação Contínua Modulação em amplitude (AM) Modulação em fase (PM) Modulação em freqüência (FM) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.10

11 Modulação em Amplitude (AM) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.11

12 Modulação em Fase ou Freqüência Copyright (c) Walter Fetter Lages p.12

13 Modulação de Pulso Modulação de código de pulso (PCM) Modulação de amplitude de pulso (PAM) Modulação de largura de pulso (PWM) Modulação de posição de pulso (PPM) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.13

14 Modulação de Amplitude de Pulso Copyright (c) Walter Fetter Lages p.14

15 Modulação Digital Modulação por chaveamento de amplitude (ASK) Modulação por chaveamento de freqüência (FSK) Modulação por chaveamento de fase (PSK) Modulação em amplitude e quadratura (QAM) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.15

16 ASK, FSK, PSK Copyright (c) Walter Fetter Lages p.16

17 QAM Copyright (c) Walter Fetter Lages p.17

18 Taxa de Comunicação Taxa de informação Quantidade bits transmitidos por segundo Medido em bps Taxa de símbolos ou taxa de sinalização Quantidade de sinais transmitidos por segundo Medido em Bauds Um símbolo pode corresponder 1, mais ou menos bits Baud bps Copyright (c) Walter Fetter Lages p.18

19 Multiplexação Combinação de diversos sinais para transmissão em um único canal Multiplexação por divisão de freqüência (FDM) Multiplexação por divisão de tempo (TDM) Multiplexação por divisão de código (CDM) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.19

20 Modulações Robustas a Ruído Spread-spectrum (SS) Utiliza uma banda maior do que a mínima para transmitir o sinal Espalha o sinal em uma banda mais larga do que o sinal original Multiplexação por divisão de freqüências ortogonais (OFDM) O canal é dividido em diversos canais de banda estreita em freqüências ortogonais Estas mesmas modulações são utilizadas em redes sem fio Copyright (c) Walter Fetter Lages p.20

21 Spread-Spectrum Frequency Hoping Spread-Spectrum (FHSS) A banda é dividida em subcanais e o sistema chaveia pseudo-aleatoriamente entre eles Direct Sequence Spread-Spectrum (DSSS) O sinal é multiplicado por um sinal pseudo-aleatório antes de ser transmitido Sistema híbrido DS/FH Copyright (c) Walter Fetter Lages p.21

22 OFDM Copyright (c) Walter Fetter Lages p.22

23 OFDM Na utilização de OFDM em PLC, as freqüências utilizadas são monitoradas em tempo real e as portadoras que são mais sensíveis ao ruído são carregadas com menos bits O sistema adapta-se às variações da rede elétrica Copyright (c) Walter Fetter Lages p.23

24 Topologias de Rede Copyright (c) Walter Fetter Lages p.24

25 Rede em Estrela Nó central: comutador ou switch Não necessitam roteamento Desempenho depende da velocidade do nó central Problemas: confiabilidade, modularidade Copyright (c) Walter Fetter Lages p.25

26 Rede em Anel Uso de repetidores ligados ao meio físico Usualmente transmissão unidirecional para simplificar o projeto dos repetidores quando uma mensagem é enviada por um nó, ela entra no anel e circula até ser retirada pelo nó de destino (ou pelo nó que enviou, dependendo do protocolo) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.26

27 Anel com Repetidor Interno Copyright (c) Walter Fetter Lages p.27

28 Anel com Repetidor Externo Aumento da confiabilidade Copyright (c) Walter Fetter Lages p.28

29 Rede em Anel Copyright (c) Walter Fetter Lages p.29

30 Anel Secundário Copyright (c) Walter Fetter Lages p.30

31 Redes usando difusão Copyright (c) Walter Fetter Lages p.31

32 Barramentos Ligação das estações ao meio devem alterar o mínimo possível as características elétricas Copyright (c) Walter Fetter Lages p.32

33 Acesso ao Meio de Transmissão Barramentos são compartilhados por todas as estações. Como definir o acesso ao meio? Copyright (c) Walter Fetter Lages p.33

34 Estratégias de Acesso Mestre Escravo Com colisões Sem colisões Prioridade Copyright (c) Walter Fetter Lages p.34

35 Acesso Baseado em Contenção Não existe uma ordem de acesso Dois ou mais nós podem transmitir simultaneamente ocasionando colisão (perda das mensagens) Técnicas de detecção de colisão e retransmissão são necessárias Copyright (c) Walter Fetter Lages p.35

36 Protocolo Aloha Universidade do Hawai 1970 Rede via satélite Interligação do centro de computação com terminais espalhados na ilha Copyright (c) Walter Fetter Lages p.36

37 Protocolo Aloha Dois canais de freqüência Um para a difusão de mensagens do computador central para os terminais Outro dos terminais para o computador central Possibilidade de colisão no segundo canal Estratégia de acesso: Cada terminal somente pode "ouvir"o canal de transmissão do computador central Quando um terminal tem algo para transmitir ele transmite sem poder verificar se o meio está livre Copyright (c) Walter Fetter Lages p.37

38 Protocolo Aloha Técnica de detecção de colisão Nos terminais Relógio temporizador (time-out) para aguardar chegada do quadro de reconhecimento da recepção Caso reconhecimento da recepção não seja recebido: retransmissão No computador central Análise do CRC Copyright (c) Walter Fetter Lages p.38

39 Protocolo Aloha Copyright (c) Walter Fetter Lages p.39

40 Slotted Aloha Maximização dos períodos de colisão Reduz tempo morto de canal Tempo é dividido pelo sistema central em intervalos (slots): terminais somente podem iniciar transmissão no começo de cada intervalo Copyright (c) Walter Fetter Lages p.40

41 Slotted Aloha Copyright (c) Walter Fetter Lages p.41

42 Aloha puro Slotted Copyright (c) Walter Fetter Lages p.42

43 Protocolo CSMA Também adota a sincronização dos quadros em colisão, fazendo com que se superponham desde o início Estações escutam o meio para verificar se há alguma estação transmitindo Carrier Sense Multiple Access Copyright (c) Walter Fetter Lages p.43

44 np-csma e p-csma Estações, após transmitirem, esperam o reconhecimento da mensagem por um tempo determinado Não chegada de recebimento implica em retransmissão Diferença está no algoritmo que especifica o que faz uma estação quando deseja transmitir e o meio está ocupado Copyright (c) Walter Fetter Lages p.44

45 CSMA Não Persistente Caso o canal esteja ocupado, estação não fica constantemente esperando, mas espera um tempo aleatório e, em seguida, repete o algoritmo Copyright (c) Walter Fetter Lages p.45

46 np-csma p-csma Copyright (c) Walter Fetter Lages p.46

47 CSMA p-persistente Aplicável a canais segmentados (slotted) Se o canal está ocupado, estação continua a escutar o meio até que este fique livre Então transmite com uma probabilidade p. Com uma probabilidade q=1-p há um adiamento até o próximo slot. Processo se repete até que a estação transmita ou que o canal esteja ocupado (neste último caso, estação aguarda um tempo aleatório) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.47

48 CSMA 1-persistente Quando estação tem dados a transmitir ela primeiro escuta o canal. Se o canal estiver livre ela transmite (probabilidade = 1). Caso detecte canal ocupado, a estação espera até que o canal fique inativo. Problema: tempo de retardo vs. tamanho do quadro Copyright (c) Walter Fetter Lages p.48

49 Comparação Não persistente: bom para evitar colisões em tráfego alto 1-persistente: minimiza o tempo perdido (em caso de poucas estações querendo transmitir), porém gera número elevado de colisões p-persistente: busca um compromisso entre ambos Copyright (c) Walter Fetter Lages p.49

50 CSMA-CD Collision Detection Estações continuam escutando o canal durante o envio, cancelando por um período de tempo aleatório caso detectem colisão Redução do período de colisão = aumento do uso efetivo do canal Tempo mínimo de detecção de uma colisão = tempo de propagação Copyright (c) Walter Fetter Lages p.50

51 CSMA-CD Copyright (c) Walter Fetter Lages p.51

52 CSMA-CD Tamanho de quadro t p : tempo de propagação M: tamanho do quadro C: taxa de transmissão M 2Ct p Copyright (c) Walter Fetter Lages p.52

53 CSMA-CD Copyright (c) Walter Fetter Lages p.53

54 CSMA-CD Copyright (c) Walter Fetter Lages p.54

55 CSMA-CD Copyright (c) Walter Fetter Lages p.55

56 Comparação Copyright (c) Walter Fetter Lages p.56

57 Protocolos Livres de colisão Protocolo de Mapa de Bits Contagem Regressiva Binária (CSMD-BA) Reconhecimento de Difusão com Prioridades Alternantes Copyright (c) Walter Fetter Lages p.57

58 Protocolo de Mapa de Bits Numa fase inicial cada estação tem sua oportunidade de informar se quer ou não transmitir N slots de contenção (1 bit para cada estação) No final desta fase, todas já sabem quantas estações transmitirão e inicia-se a transmissão dos quadros (em ordem numérica) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.58

59 Protocolo de Mapa de Bits Copyright (c) Walter Fetter Lages p.59

60 Contagem Regressiva Binária similar ao anterior, usa porém código binário para as estações (1 predomina sobre 0 = OR ) Semelhante ao CSMA-BA eficiência = d d + lnn Copyright (c) Walter Fetter Lages p.60

61 Contagem Regressiva Binária Copyright (c) Walter Fetter Lages p.61

62 BRAP Reconhecimento de Difusão com Prioridades Alternantes Assim que estação insere seu bit 1 em sua abertura, ela pode iniciar a transmissão Varredura de permissão inicia sempre da estação seguinte à última que transmitiu Copyright (c) Walter Fetter Lages p.62

63 Protocolos de Contenção Limitada Procuram combinar as vantagens das outras abordagens (com contenção tem bom desempenho em carga baixa e livres de colisão tem bom desempenho em carga alta) Idéia: divide-se as estações em N grupos e os grupos dividem os N slots Copyright (c) Walter Fetter Lages p.63

64 CSMA-CA CA: collision avoidance Depois de cada transmissão (com ou sem colisão), estações somente podem começar a transmitir em intervalos a elas pré-alocados (ordenação do acesso e maior prioridade à primeira estação) Se todos os intervalos não são utilizados, método CSMA comum é utilizado Copyright (c) Walter Fetter Lages p.64

65 Refinamentos CSMA-CA 1. Se nenhuma estação transmitir, primeira estação transmite quadro sem conteúdo para reinicializar processo 2. Busca tornar mais justo o esquema de acesso: depois de transmitir, estação somente pode tentar nova transmissão depois que todas as outras tiverem oportunidade 3. Permite diálogo: estação que recebe tem direito de transmitir Copyright (c) Walter Fetter Lages p.65

66 Acesso Ordenado sem Contenção Polling Controlador (árbitro) determina quem transmite Diferentes estratégias Fisicamente mais distante primeiro Numeração Estações solicitam transmissão (em canal independente) Copyright (c) Walter Fetter Lages p.66

67 Slots Topologia em anel Divide o espaço de comunicação em número inteiro de pequenos segmentos Cabeçalho da mensagem circulando no segmento contém informação se está vazio ou cheio Estação que quer transmitir aguarda slot vazio Copyright (c) Walter Fetter Lages p.67

68 Analogia Copyright (c) Walter Fetter Lages p.68

69 Acesso ao Anel Copyright (c) Walter Fetter Lages p.69

70 Passagem de Permissão (token) Permissão de transmissão é passada de uma estação para outra Ordem lógica de transmissão pode ser distinta da ordem física Copyright (c) Walter Fetter Lages p.70

71 Passagem de Token em Barramento Permissão identifica quem recebe Anel virtual Requer funções de gerenciamento Adição e retirada de estações no anel virtual Gerenciamento de falhas Inicialização do anel Desvantagem: overhead quando tráfego é baixo Copyright (c) Walter Fetter Lages p.71

72 Passagem de Token em Anel Permissão para transmissão é enviada para anel (sem identificação de quem recebe) Possibilidade de múltiplos tokens Copyright (c) Walter Fetter Lages p.72

73 Múltiplos Tokens Copyright (c) Walter Fetter Lages p.73

74 Acesso Baseado em Reservas Copyright (c) Walter Fetter Lages p.74

75 Protocolos de Comunicação Conjunto de regras a serem seguidas por todos os participantes, a fim de permitir a comunicação Hierarquia de Protocolos Para reduzir a complexidade de projeto Organização em camadas ou níveis Propósito da camada é oferecer servicos às camadas superiores, omitindo detalhes sobre a implementação dos serviços Copyright (c) Walter Fetter Lages p.75

76 Referências [1] A. S. Tanenbaum. Rede de Computadores. Campus, Rio de Janeiro, Copyright (c) Walter Fetter Lages p.76