Redes de Computadores. Camada Física4. Análise teórica de transmissão de dados. Antonio Alfredo Ferreira Loureiro

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1 Redes de Computadores Camada FísicaF Antonio Alfredo Ferreira Loureiro Departamento de Ciência da Computação Universidade Federal de Minas Gerais Análise teórica de transmissão de dados Informação pode ser transmitida variando-se uma propriedade física como tensão ou corrente A grandeza é representada por uma função do tempo, f(t) Permite uma análise matemática do sinal Análise de Fourier: Uma função periódica g(t) com certas características e período T pode ser representada por uma série de senos e cossenos Camada Física1 Camada Física2 Sinais limitados pela faixa de passagem Sinais perdem potência na transmissão Harmônicos diferentes têm perdas diferentes Causa da distorção Normalmente, freqüências na faixa 0 fc são transmitidas sem perda e, acima, fortemente atenuadas devido a propriedade física do meio de transmissão ou filtro presente Velocidade de sinalização Velocidade de sinalização: número de vezes por segundo que o valor de um sinal é injetado na linha Medido em bauds Uma linha de b bauds não transmite necessariamente b bits/s Exemplos: dibit (2 bits/baud) tribit (3 bits/baud) Camada Física3 Camada Física4

2 Meios de transmissão Meios de transmissão Objetivo da camada física: Transportar uma seqüência de bits de uma máquina para outra Problema a ser resolvido: Codificação de bits O tipo de meio físico a ser usado depende, dentre outros fatores de: Largura de banda (BW: bandwidth) Atraso (delay) ou latência (latency) Custo Facilidade de instalação e manutenção Os meios podem ser agrupados em: Guiados : fio de cobre e fibra óptica Não-guiados : ondas de rádio e lasers Camada Física5 Camada Física6 Meios ópticos/magnéticos Par trançado ado Exemplos: Discos óptico e magnético, fita magnética Como é feito o transporte: Informações gravadas em meio magnético Mídia levada de uma máquina para outra Mídia lida na máquina destino Meio de transmissão mais antigo e mais comum O que é: Dois fios de cobre encapados ( 1 mm de espessura) que são trançados para evitar interferência elétrica Usado largamente no sistema de telefonia Pode ser vantajoso em certos cenários mas não é o caso normalmente Climpagem de par trançado Camada Física7 Camada Física8

3 Par trançado ado Cabo coaxial Pode transmitir dados por alguns kms sem necessidade de amplificação Transmissão de dados analógicos e digitais Faixa de passagem: depende da espessura do fio e da distância Baixo custo Produzido em diversas modalidades: Categoria 3 Categoria 5 Shielded Twisted Pair Etc. Possui melhor blindagem que o par trançado Suporta distâncias maiores a velocidades mais altas Dois tipos de cabos: 50 Ω: usado para TX digital (FE) 75 Ω: usado para TX analógica (FL) Distinção baseada em fatores históricos, ao invés de técnicos Camada Física9 Camada Física10 Cabo coaxial Fibra óptica Largura de banda depende do comprimento do cabo Usado frequentemente em TV a cabo e redes locais Tecnologia atual de fibra permite largura de banda na faixa de Tbps Problema: conversão sinal elétrico-sinal óptico Solução: sistema óptico completo Componentes de um sistema de TX óptico Fonte de luz: bit 1: pulso de luz bit 0: ausência Detector: gera um pulso elétrico ao receber um pulso de luz Camada Física11 Camada Física12

4 Espectro eletromagnético tico Espectro eletromagnético tico Espectro é uma ferramenta conceitual usada para organizar e mapear um conjunto de fenômenos físicos Frequência (f ): Número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética (medida em Hertz) Campos elétrico e magnético produzem ondas eletromagnéticas que se propagam pelo espaço em freqüências diferentes Comprimento de onda (λ): Distância entre dois pontos máximos (mínimos) consecutivos O conjunto de todas as freqüências é chamado de espectro eletromagnético Camada Física13 Camada Física14 Espectro eletromagnético tico Espectro eletromagnético tico Velocidade da luz: Vácuo (c) 3 x 10-8 m/s Cobre ou fibra = 2/3 vácuo Relação: λf = c Para f = 1 MHz, λ = 300 m (vácuo) Para f = 30 GHz, λ = 1cm (vácuo) Freqüências entre 3000 e 300 GHz é conhecido como espectro de rádio Ondas de rádio podem ser propagadas no vácuo Camada Física15 Camada Física16

5 Rádio transmissor Dado, voz, vídeov Propagação de ondas Reflexão Absorção Desvanecimento com a distância: Inverso do quadrado no espaço livre (teórico) Na prática, pior que isso Camada Física17 Camada Física18 Propriedades físicas f de ondas Ondas de rádior Freqüência 10 khz 100 khz 1000 khz (1 MHz) 10 MHz 100 MHz 1000 MHz (1 GHz) 10 GHz Comprimento de onda 30 km 3 km 300 m 30 m 3 m 30 cm 3 cm Propriedades interessantes Ondas penetram uma distância significativa na água Reflexão pela ionosfera Ondas bloqueadas por chuva intensa Usos típicos Comunicação subaquática Navegação Rádio AM Rádio CB Difusão HF Rádio FM, TV Rádio celular, TV UHF (superior) TV satélite, comunicação ponto-a-ponto, radares Fácil de gerar Se propagam por longas distâncias em todas as direções TX e RX não precisam estar fisicamente alinhados Penetram edificações facilmente Usadas para comunicação interna e externa Camada Física19 Camada Física20

6 Ondas de rádior Microondas Propriedades dependem normalmente da frequência Baixa: Alta: passam facilmente por obstáculos perdem potência rapidamente com a distância tendem a se propagar em linha reta são refletidas ao encontrarem obstáculos são absorvidas pela chuva Qualquer: sofrem interferências de motores e outros equipamentos elétricos Ondas propagam em linha reta acima de 100 MHz Possuem uma taxa sinal/ruído mais alta Antenas (pratos) de TX e RX devem estar alinhados Camada Física21 Camada Física22 Microondas Microondas Estações repetidoras são necessárias se TX e RX não são visíveis diretamente Não penetram edificações facilmente Principal vantagem sobre fibra óptica: Não é necessário ter o direito de passagem (right of way) Tecnologia relativamente barata Ondas podem ser refratadas e levarem um pouco mais de tempo para chegarem que ondas diretas Sinal pode ser cancelado--efeito multipath fading Existem bandas específicas para finalidades industriais, científicas e médicas Não estão sujeitas a regras de licenciamento Exemplo: ISM (Industrial, Scientific, Medical) 2.4 GHz Camada Física23 Camada Física24

7 Infravermelho e ondas milimétricas tricas- não guiadas Muito utilizadas para comunicações a pequenas distâncias Controle remoto de equipamento eletrônico (TV, VCR, som, etc) Algumas interfaces atuais de computadores TX e RX precisam estar ± alinhados São baratos e fáceis de instalar Não passam por objetos sólidos Usado em ambientes de segurança Infravermelho e ondas milimétricas tricas- não guiadas Tendem a se comportar mais como luz visível e menos como ondas de rádio Tipo de tecnologia que não pode ser utilizada em ambientes externos Opção para comunicação numa LAN sem fio Camada Física25 Camada Física26 Comunicação no futuro Rede públicap Que tipo de comunicação predominará no futuro? Fibra óptica para a parte fixa?!, e Comunicação sem fio para a parte móvel?! Solução de comunicação quando é necessário enviar dados através de uma infra-estrutura pública PSTN (Public Switched Telephone Network) projetada para transmitir voz Fortemente ligada a redes de computadores de longa distância, principalmente no passado Camada Física27 Camada Física28

8 Estrutura do sistema de telefonia Estrutura do sistema de telefonia (a) Modelo inicial: cada um resolve o seu problema de conectividade Camada Física29 Camada Física30 Estrutura do sistema de telefonia Estrutura do sistema de telefonia (b) Primeiro modelo usando uma única central manual de comutação (c) Primeiro modelo hierárquico de dois níveis Camada Física31 Camada Física32

9 Estrutura do sistema de telefonia Estrutura do sistema de telefonia Centrais de comutação Infra-estrutura de cabeamento ligando terminais telefônicos às centrais (Local loops) Infra-estrutura de conexões entre centrais de comutação (Trunks) Camada Física33 Camada Física34 Estrutura do sistema de telefonia Envio de dados digitais num meio analógico Problemas na transmissão num local loop Atenuação: perda de energia Em meios guiados, o sinal cai logaritmicamente com a distância Perda depende da freqüência Amplificadores devem ser introduzidos Distorção: harmônicos se propagam em velocidades diferentes causando interferências na recepção Camada Física35 Camada Física36

10 Problemas na transmissão num local loop Modem Ruído: interferência de outras fontes no sinal enviado pelo TX Ruído térmico: movimento randômico dos elétrons Cross talk: acoplamento indutivo entre dois fios que estão perto Ruído causado por descargas diversas Camada Física37 Camada Física38 Modem Modem Sinal não deve ter um grande número de freqüências para evitar problemas de atenuação e distorção Ondas quadradas (e.g., sinal digital) possuem um grande espectro Sinalização banda base (DC) não é apropriada, exceto em baixas velocidades e pequenas distâncias Sinalização AC é usada O que é? Dispositivo que aceita uma seqüência de bits de entrada e produz uma portadora modulada na saída, e vice-versa Transmissão é feita modulando-se um dos parâmetros da portadora (carrier): Amplitude: dois níveis de tensão são usados para representar 0 e 1 Freqüência: dois tons são usados Fase: a portadora é deslocada em diferentes ângulos Camada Física39 Camada Física40

11 Modem Modem Padrões de constelação Como aumentar a velocidade de transmissão? Transmitir mais bits em cada sinalização de linha, ou seja, por baud Modems modernos usam diferentes técnicas de modulação Tipicamente, amplitude e deslocamento de fase Camada Física41 Camada Física42 RS C C e RS-449 RS C Interface computador/terminal-modem Exemplo de protocolo da camada física Partes: DTE: Data Terminal Equipment (computador/terminal) DCE: Data Circuit-Terminating Equipment (modem) Camada Física43 Camada Física44

12 RS C RS C Especificação mecânica Conectores (25 pinos) Especificação elétrica Níveis de tensão para o bit 1 ( 3V) e bit 0 (+4 V) Taxa máxima de dados ( 20 kbps) Comprimento máximo dos cabos ( 15 m) Especificação funcional Define como os pinos se conectam (circuitos) e o que eles significam Circuitos pouco usuais: selecionar taxa de dados, testar o modem, detecção de sinais de tocar, etc. Especificação procedimental Define o protocolo, ou seja, seqüência lógica de eventos Camada Física45 Camada Física46 RS C RS-449 A conexão entre dois computadores (dentro da distância permitida) é feita através de um cabo null modem Problemas do padrão RS-232-C Taxa máxima de transferência de dados e comprimento máximo do cabo Padrão RS-449 (três padrões): RS-449: especificações mecânica, funcional e procedimental RS-423-A: especificação elétrica similar a RS-232-C onde existe um terra comum (unbalanced transmission) RS-422-A: circuitos requerem dois fios e não existe um terra comum (balanced transmission) Velocidades até 2 Mbps e cabos acima de 60 m Camada Física47 Camada Física48

13 Multiplexação Multiplexação Custo para lançar cabos é dominado pela infraestrutura de valas e não do cabo Objetivo: Maximizar o número de conexões (conversações) usando multiplexação FDM: Espectro de freqüência é dividido em canais lógicos TDM: Todo o espectro de freqüência é alocado inteiramente para um usuário por um curto período de tempo Técnicas: FDM: Frequency Division Multiplexing TDM: Time Division Multiplexing Camada Física49 Camada Física50 Multiplexação FDM Multiplexação WDM WDM: Wavelenght Division Multiplexing Variação de FDM usada em fibra óptica Camada Física51 Camada Física52

14 Multiplexação WDM Comutação Requisitos para haver multiplexação WDM: Cada canal deve ter sua própria faixa de freqüência Faixas devem ser disjuntas Duas técnicas diferentes são usadas no sistema de telefonia: Comutação de circuito Comutação de pacote Diferença para multiplexação FDM elétrica : Sistema óptico é usado para difração Confiabilidade muito maior Camada Física53 Camada Física54 Comutação de circuito Comutação de circuito Estabelecimento do circuito é feito em fases: Pedido e resposta de estabelecimento de uma conexão Transferência Término Estabelecimento da conexão deve obrigatoriamente ser confirmado Existe um circuito dedicado: Uma vez que uma chamada tenha sido estabelecida Enquanto a chamada existir Existe a necessidade de haver um circuito estabelecido antes de poder haver transferência de dados Camada Física55 Camada Física56

15 Comutação de circuito Comutação de circuito versus Comutação de pacotes Enquanto existir o circuito dedicado: O único atraso para transferência de dados é o tempo de propagação Não existe problema de congestionamento Não existe problema de roteamento Não existe problema de endereçamento Camada Física57 Camada Física58 Tipos de comutação Comutação de mensagem Não se estabelece a priori um caminho (circuito) entre origem e destino Unidade de transferência: mensagens que podem ter tamanho variável Buffers podem ter tamanhos arbitrariamente longos Não é adequado para tráfego interativo Modalidade de transferência Store-and-forward Camada Física59 Camada Física60

16 Comutação de pacote Comentários sobre comutação Unidade de transferência: Pacote tem um tamanho máximo Adequado para tráfego interativo Em comparação com comutação de mensagem oferece Atraso menor Vazão maior Redes de computadores são normalmente baseadas em comutação de pacotes Algumas vezes baseadas em comutação de circuitos Não usam comutação de mensagens Camada Física61 Camada Física62 Comutação de circuito versus Comutação de pacotes Circuito virtual versus Comutação de circuito Camada Física63 Camada Física64

17 ATM Transmissão em redes ATM Comutação de células e não de circuito Funciona sobre diferentes infra-estruturas de comunicação Comutadores/roteadores atuais não funcionam para ATM e teriam que ser substituídos Existe um investimento imenso feito para ser deixado de lado de um momento para outro Solução do futuro?! ATM: Asynchronous Transfer Mode Células são transferidas assincronamente de fontes diferentes, ao contrário de um canal T1 Camada Física65 Camada Física66 Chaves (Comutadores) ATM Telefonia celular moderna Camada Física67 Camada Física68

18 Telefonia celular moderna Satélites de comunicação Problema importante: Localização de uma estação rádio-base (ERB) ERB: Computador, TX e RX, antena Existem acordos internacionais para uso de órbitas e freqüências Tendência atual: Low-Orbit Satellites Diferentes padrões e estágios de desenvolvimento: 2G, 2.xG, 3G, 4G Camada Física69 Camada Física70 Satélites de comunicação e Anéis de van Allen Exercícios cios 11. (Tanenbaum, Cap 2, #11) Radio antennas often work best when the diameter of the antenna is equal to the wavelength of the radio wave. Reasonable antennas range from 1 cm to 5 meters in diameter. What frequency range does this cover? 12. (Tanenbaum, Cap 2, #39) What is the essential difference between message switching and packet switching? 13. (Tanenbaum, Cap 2, #41) Three packet-switching networks each contain n nodes. The first network has a star topology with a central switch, the second is a (bidirectional) ring, and the third is fully interconnected, with a wire from every node to every other node. What are the best-, average-, and-worst case transmission paths in hops? Camada Física71 Camada Física72

19 Exercícios cios Exercícios cios 14. (Tanenbaum, Cap 2, #41) Three packet-switching networks each contain n nodes. The first network has a star topology with a central switch, the second is a (bidirectional) ring, and the third is fully interconnected, with a wire from every node to every other node. What are the best-, average-, and-worst case transmission paths in hops? 15. (Tanenbaum, Cap 2, #42) Compare the delay in sending an x-bit message over a k-hop path in a circuit-switched network and in a (lightly loaded) packet-switched network. The circuit setup time is s sec, the propagation delay is d sec per hop, the packet size is p bits, and the data rate is b bps. Under what conditions does the packet network have a lower delay? 16. (Tanenbaum, Cap 2, #43) Suppose that x bits of user data are to be transmitted over a k-hop path in a packetswitched network as a series of packets, each containing p data bits and h header bits, with x >> p + h. The bit rate of the lines is b bps and the propagation delay is negligible. What value of p minimizes the total delay? Camada Física73 Camada Física74