Tecnologias da Rede Fixa

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1 Tecnologias da Rede Fixa Adolfo V. T. Cartaxo Instituto de Telecomunicações Dep. Engenharia Electrotécnica e de Computadores Instituto Superior Técnico Universidade Técnica de Lisboa Contactos tel.: ; fax: ; adolfo.cartaxo@lx.it.pt I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 1 Sinopse Parte I: Conceitos básicos de Telecomunicações Parte II: Tecnologias de multiplexagem Parte III: Tecnologias de redes com fios I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 2

2 Parte I Conceitos básicos de Telecomunicações I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 3 Definições introdutórias Informação conhecimento adquirido pela experiência e que resulta da incerteza do resultado da realização da experiência Dados representação de informação de forma adequada para trocar, interpretar, ou processar por seres humanos ou meios automáticos Comunicação transmissão de informação usando dados Telecomunicações transmissão fiável de dados à distância recorrendo a meios eléctricos ou ópticos I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 4

3 Modelo Básico de Comunicação Fonte de informação (emissor) Mensagem Meio de transmissão Destinatário (receptor) Confirmação (Acknowledgement) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 5 Informação: o que está a ser dito! Corrente eléctrica Voz Dados: variação da pressão sonora resultante da voz tempo A voz é fisicamente a variação da pressão sonora O microfone converte a pressão sonora num sinal eléctrico cuja amplitude varia continuamente ao longo do tempo com a As variações na amplitude e mesma variação que a pressão sonora frequência da pressão sonora transportam os (mesma frequência). níveis de intensidade e de tonalidade I.S.T., Mestrado em na Engenharia voz e na música. e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 6

4 Sinusóide - domínio do tempo ( ) = ( π + θ) vt Acos 2 f 0 t A Amplitude (V) A/ 2 0 -A/ 2 T 0 /2 T 0 3T 0 /2 2T 0 t -A I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 7 Sinusóide - domínio do tempo ( ) = ( π + θ) vt Acos 2 f 0 t Caracterizada de forma única por três parâmetros: amplitude: A [V] frequência: f 0 = 1/ T 0 [Hz], [ciclos/s] fase: θ É a base de Variações mais caracterização rápidas no tempo alternativa frequências mais elevadas de sinais Amplitude e fase em função da frequência I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 8

5 Sinusóide - domínio da frequência vt ( ) = A ( πft+ θ) cos 2 0 Representação no domínio da frequência: Espectro Espectro de Amplitude Espectro de Fase I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 9 Espectro de sinais As representações espectrais podem ser realizadas para qualquer combinação linear de sinusóides É possível representar qualquer sinal como uma combinação linear de sinusóides (análise de Fourier) Qualquer sinal tem uma representação espectral equivalente à representação temporal O espectro do sinal indica que banda de frequências o sinal ocupa I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 10

6 Banda de frequências normalizada para o sinal de voz As rec. G.132 e G.151 do ITU-T indicam a banda atribuída ao sinal de voz de Hz. Estas larguras de banda resultam de um compromisso entre o que os assinantes telefónicos pretendem e o que lhes pode ser fornecido economicamente. Banda de guarda Largura de banda total, 4kHz Banda dos sinais de voz humana Banda de guarda I.S.T., Mestrado em Engenharia 300 Hz e Gestão de Tecnologia frequência Gestão e Políticas de Telecom., 3400 Adolfo Hz Cartaxo 11 Vídeo a cena a transmitir é varrida de cima para baixo e da esquerda para a direita pela câmara Elemento explorador a intensidade luminosa de cada ponto é convertida em sinal eléctrico pela câmara Cena a transmitir Canal de Comunicação a amplitude do sinal eléctrico apresenta a mesma variação contínua ao longo do tempo que a intensidade luminosa. Feixe reproduzido Cena I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas recebida de Telecom., Adolfo Cartaxo 12

7 Espectro do sinal de televisão Largura de banda total no NTSC = 6 MHz Largura de banda total na Europa = 7 ou 8 MHz Sistema NTSC (em RF) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 13 Tipos de Dados - dados analógicos - Os dados tomam valores contínuos ao longo do tempo. Exemplos: 1. voz 2. vídeo (as intensidades variam continuamente ao longo do tempo) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 14

8 Tipos de Dados - dados digitais - Os dados tomam valores discretos em instantes discretos de tempo. O número de valores possíveis que os dados podem tomar é finito. Exemplo: caracteres (letras, algarismos, ) gerados num teclado Nota importante voz e vídeo (e outros dados analógicos) podem transformar-se em dados digitais se forem digitalizados. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 15 Codificação Dados de texto sob a forma de caracteres são muito convenientes para o ser humano. Para efeitos de armazenamento e transmissão esta forma não é a mais indicada. Para estes fins a forma de dados preferível é a binária sempre que os dados digitais não estiverem em binário devem ser convertidos (codificados) para binário! Códigos mais usados: Morse ASCII I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 16

9 Código ASCII alfabeto nº 5 da ITU-T (T.50) Exemplo: i -> Bit de paridade: (paridade par) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 17 Conversão analógico-digital Sinal analógico a digitalizar tempo Amostragem Quantificação Codificação Palavras de código binário I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 18

10 Dados de voz - analógicos e digitais - Corrente eléctrica Dados Analógicos Dados Digitais (binários) tempo Conversor Analógico- Digital PCM Amostragem Quantificação + Codificação Valores normalizados pela ITU-T para transmissão na rede fixa 8000 amostras/seg 8 bits/amostra 64 kbit/s I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 19 Comunicações Analógicas e Digitais Comunicações Analógicas os dados a transmitir são analógicos Exemplo: quando os dados a enviar são voz (sem digitalização!!!). Comunicações Digitais os dados a transmitir são digitais Exemplos: 1. quando os dados a enviar são um conjunto de caracteres. 2. quando os dados a enviar resultam da digitalização de dados analógicos. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 20

11 Terminologia de Telecomunicações Sinais Codificações eléctricas ou electromagnéticas dos dados, representadas como grandezas eléctricas variáveis no tempo Transmissão de dados Comunicação de dados (digitais) através da propagação e processamento de sinais Bit Abreviatura de BInary digit É cada um dos dois estados da representação binária: pode ser um 1 ou um 0 a bit is a bit is a bit is a bit is a bit facilita a integração de serviços I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 21 Domínios das Telecomunicações VOZ Sons Voz humana Rádio Telefone CARACTERES (DADOS) Letras Números Gráficos Computadores Multimédia combina diversos tipos de dados IMAGEM Fotografias Vídeo Facsímile Televisão Domínios sobrepõem-se dados digitais (letras, números, voz ou imagens digitalizadas) podem ser transmitidos através de uma rede de televisão ou de uma linha telefónica I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 22

12 Alguns Serviços e Ritmos Binários Telefonia kb/s rede assin kb/s assin. rede Acesso Internet kb/s rede assin kb/s assin. rede Correio electrónico kb/s rede assin kb/s assin. rede Filmes a pedido kb/s rede assin. 9 kb/s assin. rede TV alta definição kb/s rede assin. - assin. rede I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 23 Parte II Tecnologias de Multiplexagem I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 24

13 Introdução à Multiplexagem Habitualmente, a capacidade do meio de transmissão é bastante superior ao ritmo binário resultante de cada fonte de informação (utilizador) Se uma fonte de informação utilizar um meio de transmissão Utilização ineficiente Solução de recursos (anti-económica) Partilhar o meio de transmissão por vários utilizadores Exemplo Com a tecnologia actual, uma fibra óptica tem capacidade para transportar cem milhões de conversas telefónicas em simultâneo I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 25 Multiplexagem Quando são precisos vários canais de comunicação entre dois pontos, poupanças significativas podem ser conseguidas enviando todas as mensagens através de uma única facilidade (meio físico) compromisso entre equipamento de multiplexagem e cabos de transmissão MUX Meio de Transmissão DEMUX N N N entradas 1 ligação física N saídas (N canais) N canais de comunicação I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia independentes Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 26

14 Técnicas de Multiplexagem Técnicas de multiplexagem Multiplexagem por divisão na frequência Multiplexagem por divisão no espaço Multiplexagem por divisão no tempo FDM Frequency division multiplexing SDM Space division multiplexing TDM Time division multiplexing A multiplexagem realiza-se no domínio da frequência Repetição do meio de transmissão: ineficiente?! A multiplexagem realiza-se no domínio do tempo I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 27 FDM Espectro 1 0 Espectro 2 0 Espectro 3 0 Espectro 0 Multiplexagem 4 f max f max f max f max f f f f MUX Espectro FDM f f c3 f c1 f c2 Meio de Transmissão f c4 f c1,, f c4 : frequências de transmissão de canal Desmultiplexagem DEMUX Espectro Espectro Espectro Espectro f max f max f max f max f f f f I.S.T., Mestrado em Translação Engenharia de frequência e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas Translação de Telecom., de frequência Adolfo Cartaxo 28

15 Características e Aplicações da FDM A operação de multiplexagem atribui uma fracção (banda) no domínio da frequência para cada uma das mensagens o sinal resultante da multiplexagem pode, depois, ser transmitido directamente ou usado para transmitir numa portadora de frequência f c Aplicações mas também Rede fixa de TV cabo Transmissões via atmosfera: rádio, TV, satélite Transmissão de TV: frequências adjacentes de transmissão de canal separadas de 7 ou 8 MHz na Europa; bandas utilizadas VHF ( MHz) e UHF ( MHz) Transmissão de rádio AM e FM (frequências adjacentes de transmissão de canal separadas de 200 khz na banda entre 88 e 108 MHz) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 29 TDM síncrona versus estatística MUX Utilizadores Para DEMUX TDM síncrona Banda perdida Endereço 1º ciclo 2º ciclo TDM estatística I.S.T., Dados 1º 2º Banda extra Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo ciclo 30 ciclo disponível

16 Tipos de TDM SÍNCRONA (quasi-) o tempo é dividido em intervalos de igual duração, time-slots, que são atribuídos de modo fixo a cada fonte de informação. isto corresponde à atribuição de uma certa capacidade de transmissão a cada fonte. utilizada nas comunicações telefónicas de voz. ESTATÍSTICA a capacidade é atribuída só quando é necessária e/ou pedida (TDM assíncrona ou estatística). baseia-se no facto de nem todas as fontes estarem a transmitir ao mesmo tempo e só atribui time-slot quando a fonte envia informação. exige que cada time-slot transporte endereço e dados pelo que há menos espaço para dados. utilizada nas comunicações de dados (caracteres). I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 31 ATM - Asynchronous Time Multiplexing - Os dados (informação) são segmentados em células ( pacotes) Cada célula tem 53 octetos 48 octetos destinados aos dados (informação) 5 octetos destinados ao cabeçalho (endereçamento, controlo, tipo de ligação) A ATM estabelece comunicações entre dois pontos extremos orientadas para a ligação Ligações ATM canais virtuais (VC virtual channel) VCI (identificador VC) Agregação de VC caminho virtual (VP virtual path) VPI (identificador VP) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 32

17 Hierarquia Digital Plesiócrona -PDH 30 canais à entrada (64 kbit/s por canal) 30 canais à entrada (64 kbit/s por canal) MUX 1 MUX ª hierarquia (E1) 2048 kb/s 2 Mb/s 30 canais I.S.T., Mestrado 30 em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 33 MUX ª hierarquia (E2) 8448 kb/s 120 canais MUX MUX 3ª hierarquia (E3) kb/s 480 canais 4ª hierarquia (E4) kb/s 1920 canais TDM plesiócrona para redes telefónicas - normalização para Europa - Hierarquias de Multiplexagem Digital Plesiócrona (ITU-T) 1ª hierarquia 2ª hierarquia 3ª hierarquia 4ª hierarquia 5ª hierarquia Europa Japão América do Norte I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 34

18 Hierarquia Digital Síncrona - SDH STM : Synchronous Transport Module Normas até 10 Gbit/s apropriada para as redes de transporte STM Mbit/s 155 Mbit/s STM Mbit/s 622 Mbit/s STM Mbit/s 2.5 Gbit/s STM Mbit/s 10 Gbit/s Normalização das interfaces E/O e compatibilidade entre o equipamento de diferentes fabricantes e entre hierarquias europeias e americanas Função de inserção e extracção simplificada: tecnologia síncrona facilita identificação de canais de ordem inferior Gestão centralizada fácil: número elevado de bits para comunicação entre os elementos de rede e um centro de gestão Monitorização de desempenho, supervisão, e capacidade de protecção e restauro automático de ligações Plataforma apropriada para diferentes serviços (ex.: telefonia, IP) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 35 SDH - estrutura da trama (quadro) básica - 3 A trama básica de SDH (STM-1) contém 3 blocos: Cabeçalho de secção (SOH section overhead) Contentor Virtual (VC): dados (PDH, ATM, IP) + cabeçalho de caminho Ponteiro (PT): permite localizar a informação transportada no VC SOH PT SOH 125 µs 261 Contentor virtual Representação bidimensional de uma trama STM-1 Matriz com 9 linhas e 270 colunas 2430 octetos Transmissão linha a linha com início na 1ª linha e 1ª coluna A duração da trama é 125 µs I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas 8000 tramas de Telecom., / s Adolfo Cartaxo 36

19 SDH - elementos de rede e topologias físicas - Topologia em cadeia PDH SDH, ATM MT STM-N ADM R ADM SDH, PDH, ATM SDH, PDH, ATM Topologia em anel com comutadores digitais de cruzamento (DXC) ADM ADM MT PDH SDH, ATM ADM ADM DXC ADM ADM Fibra óptica ADM ADM ADM ADM ADM I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia ADM Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 37 Multiplexagem por Divisão no Comprimento de Onda, WDM A ideia é enviar diferentes sinais (canais) em diferentes comprimentos de onda utilizando a enorme banda disponível no espectro óptico. A operação de multiplexagem atribui um comprimento de onda nominal (e uma fracção de banda) a cada uma das mensagens (canais). Porquê comprimento de onda? Utilização em sistemas de comunicação por fibra óptica Relação entre comprimento de onda, λ, e frequência, f: λ = c / f c velocidade da luz no vazio WDM FDM em sistemas de comunicação por fibra óptica I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 38

20 WDM Comprimentos de onda utilizados: entre 1300 nm e 1600 nm (infravermelhos) Comprimentos de onda da luz visível: entre 400 e 700 nm 4 fontes binárias independentes STM-N STM-N STM-N STM-N L1 L2 L3 L4 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 WDM Mux (óptico) Fibra Óptica WDM Demux (óptico) Conjunto de Conjunto de transmissores L1., L4: lasers (emissores ópticos) receptores ópticos I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., ópticos Adolfo Cartaxo 39 λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 R1,, R4: fotodetectores + receptores R1 R2 R3 R4 4 fontes binárias independentes STM-N STM-N STM-N STM-N Introdução à DWDM Nos princípios das comunicações WDM, só dois comprimentos de onda: 1300 e 1550 nm depois, mais do que dois comprimentos de onda mas espaçados de dezenas de nanómetros Em qualquer caso, reduzida utilização da elevada banda disponível na fibra óptica Na década de 90, foi tecnologicamente possível controlar as frequências ópticas de emissão dos lasers com tolerâncias bastante pequenas e criar desmultiplexores com elevada capacidade de selecção em λ I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 40

21 DWDM O fornecimento de componentes para WDM e a necessidade de ligações entre redes levaram à definição de um conjunto de frequências normalizadas para serem usadas em sistemas WDM Norma G.692 da ITU-T Define uma grelha de frequências baseada na frequência GHz ( nm) espaçadas de 50 GHz (inicialmente 100 GHz) entre GHz ( nm) e GHz ( nm) Espaçamentos entre canais inferiores a 1 nm elevada densidade de canais Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 41 Parte III Tecnologias de Redes com Fios I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 42

22 Redes de Comunicação Na maior parte das vezes não é prático que o emissor e o receptor (dispositivos) estejam ligados ponto-a-ponto directamente porque estão muito distantes solução pouco económica ligar, em modo exclusivo, dois dispositivos muito distanciados muitos deles querem comunicar com muitos outros em diferentes instantes de tempo excepto se o número de dispositivos for pequeno, não é prático ter uma ligação dedicada entre cada par de dispositivos. A solução deste problema é a ligação de cada dispositivo a uma Rede de Comunicação I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 43 Redes de Comunicação - descrição genérica - Nós da rede Estações da rede Rede de Comunicação Estações de rede: dispositivos que querem comunicar (computadores, terminais, etc.) Nós da rede: pontos da rede onde dados podem entrar ou sair da rede ou onde se faz o transporte de dados. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 44

23 Nós de Comunicação Nós Nós terminais pontos da rede onde entra ou sai dados Nós de comunicação nós que transportam dados mas onde não entram nem saem dados. O conjunto de nós (terminais) aos quais as estações estão ligadas (penduradas) define a fronteira da rede de comunicação que é capaz de transferir dados entre pares de estações. Rede: sistema composto de elementos que permitem trocar dados entre pontos distintos. A rede pode ser ligada por linhas telefónicas, ligações de micro-ondas, fibra óptica, etc. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 45 Tipos de Tráfego (dos dados) em Redes de Comunicação Tipos de tráfego Síncrono ( stream ) caracterizado por transmissões longas e razoavelmente contínuas Rajada ( bursty ) caracterizado por transmissões curtas e esporádicas Muito sensível ao atraso Pouco sensível ao atraso Ligação interactiva terminal-computador Telefone (voz) Transferência de ficheiros entre computadores I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 46

24 Redes de Comunicação - quanto às tecnologias usadas para transferir dados - Redes Comutadas (Switched) Difusão (Broadcast) Com Comutação de Circuito Ex.: PSTN - Public Switched Telephone Network Com Comutação de Pacote Ex.: PDN ou PSDN - Public Switched Data Network (Telepac em Portugal), redes ATM Redes Locais (LANs e MANs) Comunicação Bidireccional Redes de Satélites Redes Rádio de Pacotes Comunicação Unidireccional Ex.: Redes de Rádio-difusão AM, FM e TV I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 47 Redes de Comunicação com Comutação Nestas redes, os dados são transferidos da fonte até ao destino através de um conjunto de nós intermédios, que não estão preocupados com o conteúdo dos dados. o objectivo dos nós é fornecer a capacidade de comutação a qual move os dados de nó a nó até atingirem o destino. Estas redes consistem em muitas ligações entre pares de nós redes ponto-a-ponto (point-to-point networks). I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 48

25 Redes de Comunicação - comutação de circuito - Comunicação B E Comunicação A D canal dedicado exclusivamente a cada comunicação I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 49 Redes de Comunicação - comutação de pacote - Mensagens divididas em pacotes Comunicação B E Comunicação A D Algoritmos de encaminhamento (routing) são muito importantes em redes ponto-a-ponto I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 50

26 Comutação de circuito versus comutação de pacote Tipos de Comutação Circuito depois de estabelecida a ligação não há atraso Pacote depois de estabelecida a ligação há ainda atraso em cada nó (fila de espera) que aumenta com o aumento do tráfego adequada para comunicações longas muito sensíveis ao atraso adequada para comunicações pouco sensíveis ao atraso Telefone (voz) Transferência de ficheiros entre computadores Ligação interactiva terminal-computador I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 51 Redes de Comunicação com Comutação - comutação de circuito vs. comutação de pacote - Redes de Comunicação com Comutação de Circuito Redes de Comunicação com Comutação de Pacote Um caminho de comunicação dedicado é estabelecido entre duas estações através dos nós da rede. Este caminho é uma sequência de ligações físicas entre nós. Em cada ligação, um canal está dedicado à comunicação. Os dados gerados pela estação fonte são transmitidos ao longo do caminho dedicado tão rapidamente quanto possível. Em cada nó, os dados que entram são encaminhados para o canal de saída apropriado sem atraso. Ex.: a rede telefónica. Não é necessário alocar capacidade de transmissão ao longo do caminho através da rede. Os dados são repartidos em várias partes pequenas chamadas pacotes que contêm o endereço de destino. Cada pacote é passado na rede de nó para nó até chegar ao destino. Em cada nó, o pacote inteiro é recebido, guardado brevemente (atraso), e depois transmitido para o próximo nó ==> redes store-and-forward Ex.: comunicações terminal-computador e computador-computador, rede de dados pública comutada (PSDN). I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 52

27 Comutação de pacotes - Circuito virtual - todos os pacotes da comunicação são encaminhados através do mesmo caminho Circuito virtual Packet Switching Node mais adequada para transmissões longas e rápidas compensa o atraso inicial de estabelecimento do circuito com a rapidez da comutação connection-oriented service: serviço orientado para a ligação uma ligação física é estabelecida antes do envio da informação (ex. serviço telefónico) I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 53 Comutação de pacotes - Datagrama - cada pacote é independentemente encaminhado até ao destino final, podendo a ordem de chegada ser diferente da de partida Packet Switching Node mais adequada para comunicações curtas não necessita de estabelecer a ligação e reage rapidamente à alteração das condições de tráfego connectionless service: serviço sem ligação I.S.T., Mestrado cada pacote em Engenharia é tratado e independentemente Gestão Tecnologia dos Gestão outros e Políticas (ex. correio de Telecom., postal) Adolfo Cartaxo 54

28 Rede Telefónica Pública Comutada - elementos constituintes - equipamento terminal telefone na rede convencional. equipamento de transmissão meio de transmissão (cabos de pares simétricos, cabo coaxial, fibra óptica, ondas hertzianas, etc.) repetidores. equipamento de comutação comutador: actualmente, electrónico (digital). equipamento de sinalização. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 55 A topologia da rede telefónica nacional é em árvore não pura quando se sobe na hierarquia aumenta o número de ligações entre centrais da mesma camada Rede Telefónica Pública Comutada - estrutura geral: rede nacional - Rede de junção Central tandem Centros de trânsito primários Rede local ou de acesso Centrais locais I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 56

29 Rede Telefónica Pública Comutada - Redes Digitais Integradas (RDI) - Equipamento de rede transmissão digital transmissão analógica Passo seguinte: proporcionar transmissão digital até ao assinante RDI Digital Redes digitais com integração de serviços (RDIS) Analógico I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 57 Integrated Services Digital Network - ISDN ou RDIS - A RDIS surge como tentativa de integração de todas as rede públicas (telefónica, dados, telex), com um acesso único ao assinante. através de uma única linha de assinante acede-se a uma grande diversidade de serviços, como voz, dados, imagem, texto sob a forma de dados digitais. A evolução para a RDIS só é possível com a digitalização da linha de assinante (ou lacete de assinante). Linha digital de assinante: linha telefónica a 2 fios Tipos de canais disponíveis na RDIS canal B - 64 kbit/s dados (voz ou outros) canal D - 16 ou 64 kbit/s - sinalização ou dados em modo pacote. canal H - 384, 1536 ou 1920 kbit/s - débito binário superior a B. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 58

30 Núcleo da Rede RDIS - ISDN Acesso Básico 2B+D 2x64+16=144kbit/s Acesso Primário 30B+D+Sinc. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão 30x =2048kbit/s de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 59 Acessos à RDIS Os canais disponíveis na RDIS são agrupados em dois tipos de acesso que são oferecidos ao utente Acesso básico (2B+D) 2 canais B de 64 kbit/s (full-duplex) e um canal D de 16 kbit/s. Acesso primário Duas configurações relacionadas com as hierarquias de transmissão digital Europa usa 2048 kbit/s (30B+D) EUA, Canadá e Japão usam 1544 kbit/s (23B+D). I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 60

31 Rede de acesso convencional (rede local convencional) RP repartidor principal ASR armário de sub-repartição CD caixa de distribuição Cabos de pares simétricos Cabo de alimentação Central Local Comutador RP Sub-rede de alimentação ou transporte Cabo de distribuição ASR ASR ASR CD CD CD CD CD CD Sub-rede de distribuição I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 61 Rede de acesso Uma grande parte da rede local é constituída pela infra-estrutura de cobre que liga os telefones dos assinantes às centrais locais. Essa infra-estrutura pode ser constituída quase exclusivamente por par de fios de cobre entrelaçados designados por pares simétricos: centenas ou milhares de pares simétricos são juntos num cabo que sai da central local e vão ser separados em feixes para um determinado número de áreas de serviço estas áreas de serviço podem ter diferentes dimensões, desde uma dezena de quilómetros quadrados nas áreas urbanas até algumas centenas nas áreas rurais. Em muitos países estão-se explorando outras alternativas ao cobre, nomeadamente a fibra óptica. Com esta tecnologia têm-se várias soluções possíveis, as mais populares são: colocar a fibra directamente até à instalação do assinante, designada normalmente por FTTH (Fibre-To-The-Home); colocar a fibra até um armário exterior às instalações do assinante (ou até ao quarteirão), ligando em seguida este armário ao assinante usando o cobre, designando-se por FTTC (Fibre-To-The Curb). I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 62

32 Rede de acesso com concentração MUX multiplexor TDM UR unidade remota CD caixa de distribuição Central Local Comutador Cabo de alimentação (fibra óptica, ligação via rádio) MUX Sub-rede de alimentação ou transporte Cabo de distribuição (pares simétricos) UR UR UR CD CD CD CD CD CD Sub-rede de distribuição I.S.T., Mestrado em Engenharia Pares simétricos e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 63 ADM multiplexor de inserção-extracção UR unidade remota Anel de SDH UR Rede de acesso com transporte em SDH Fibra óptica de serviço ADM Central local ADM Fibra óptica de protecção ADM ADM Nota Introdução da fibra óptica na rede de distribuição, FITL: FFTC/FTTB, FTTH + APON Sub-rede de transporte Fibra óptica UR Unidade óptica de rede ONU Unidade terminação de NT NT I.S.T., Mestrado redeem Engenharia e Gestão de Tecnologia Pares simétricos Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 64 ONU Serve vários assinantes Assinante Sub-rede de distribuição

33 Acesso digital sobre pares simétricos IDSL ISDN DSL ADSL (Asymmetric DSL) DSL assimétrico DSL HDSL (Digital Subscriber Loop) (High-speed DSL) DSL de alta velocidade Lacete digital de assinante VDSL (Very high-speed DSL) DSL de muito alta velocidade Acesso básico (2B+D) e primário da RDIS (30B+D) POTS + Débitos até 10 Mb/s p/ central-assinante e 900 kb/s p/ assinante-central que se reduzem de 10 vezes em lacetes > 5.5 km Aplicação: acesso Internet, tb. VOD Transmissão de sinais E1 duplex até 4 km (s/ regeneradores) recorrendo a 3 pares simétricos (cada par: 784 kb/s). Aplic.: linhas privadas de ligação à rede, ligações rede móvel rede fixa. Débitos até 52 Mb/s (rede-assinante), 6.4 Mb/s (assinante-rede), e distâncias muito curtas, 300 m (para 52 Mb/s). Aplicação: ligações ONU-NT. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 65 Modelo de referência genérico do DSL Central Local Comutador / MUX LT RP LT Terminação de Linha (modem DSL) RP repartidor principal PIR Ponto de Interface com a Rede NT terminação de rede (modem DSL) TE equipamento terminal (PC, telefone) Par simétrico repetidor PIR Lacete digital de assinante NT TE Instalações do assinante I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 66

34 Acesso em ADSL Rede telefónica Central local Comutador telefónico Filtro / Splitter Par simétrico Instalações de assinante Filtro / Splitter Acesso à rede IP DSLAM Multiplexor de acesso ADSL ( linhas ADSL) Espectro Banda do POTS Banda do sentido assinante central local Modem ADSL Banda do sentido central local - assinante I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 67 f (khz) Modelo OSI ( Open Systems Interconnection ) O desenvolvimento de várias redes com estruturas incompatíveis (ainda que seguindo princípios básicos semelhantes) durante a década de 70 criou uma situação de desordem nas comunicações entre computadores que urgia resolver. Isto foi resolvido no fim da década de 70 com o aparecimento do modelo OSI que visa promover a compatibilidade entre as redes. O modelo OSI (modelo de referência para a Interligação entre Sistemas Abertos) foi proposto pela ISO ( International Standards Organization ) e é um modelo hierárquico para a arquitectura das redes. O modelo OSI possui 7 níveis foi especificado para redes de pacotes: tanto redes store-and-forward como redes de difusão com comunicação bidireccional (acesso múltiplo). assegura que duas entidades ao mesmo nível em estações diferentes comuniquem usando um conjunto de regras ou convenções designadas por protocolos. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 68

35 Modelo OSI - apresentação das várias camadas - Camada 7 Camada 7 Camada 6 Camada 6 Camada 5 Camada 5 Camada 4 Camada 4 Camada 3 Camada 3 Camada 2 Camada 1 Camada 2 Camada 1 I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 69 Principais características dos níveis OSI 1 Nível físico transmissão do fluxo de bits no meio físico; interface mecânico e eléctrico com o meio de transmissão. 2 Nível de ligação lógica assegura ligação isenta de erros sobre uma linha que introduz erros; envia pacotes com a necessária sincronização, controlo de erros e controlo de fluxo. 3 Nível de rede controlo da operação de rede (e. g., congestão, taxação, contabilização de recursos, encaminhamento); responsável por estabelecer, manter e terminar ligações. 4 Nível de transporte assegura transferência de informação segura e transparente entre 2 sistemas; divide a informação que chega do nível de sessão em unidades mais pequenas que passa ao nível de rede; isola o nível de sessão da tecnologia hardware específica. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 70

36 Principais características dos níveis OSI - continuação - 5 Nível de sessão assegura a estrutura de controlo para comunicação entre aplicações. estabelece, gere e termina ligações (sessões) entre aplicações que interagem. 6 Nível de apresentação relacionado com funções que por serem usadas muito frequentemente convém encontrar uma solução geral; assegura independência ao nível de aplicação em relação a diversos tipos de representação de dados (sintaxe). representação da informação, compressão de dados, criptografia (semântica). 7 Nível de aplicação oferece aos utilizadores acesso ao ambiente OSI e serviços distribuídos de informação frequentemente usados (por exemplo, transferência de ficheiros, correio electrónico, etc). I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 71 Modelo TCP/IP OSI Aplicação TCP/IP Ex: HTTP, Telnet, FTP, SMTP/POP, DNS Apresentação Sessão Transporte Rede Ligação de Dados Físico TCP, UDP IP, Gateway Protocols (RIP, EGP, BGP),... HDLC, SLIP, PPP,... 10BaseT, RS-232, V.35,... meio de transmissão I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 72

37 Modelo TCP/IP I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 73 TCP/IP: Protocolos I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 74

38 Modelo de Referência TCP/IP - Internet Protocol, IP - Quando as redes de satélite e rádio foram ligadas à ARPANET, apareceram problemas relacionados com a ligação entre as redes ==> necessidade de uma nova arquitectura que possibilitasse a ligação de múltiplas redes ==> na década de 80 esta arquitectura ficou conhecida como TCP/IP devido aos dois principais protocolos que a definem e foi adoptada como a única oficial em 1983 Objectivos: ligações sem problemas desde que as estações fonte e destino estejam sem problemas, ainda que algumas linhas e nós entre a fonte e o destino deixem de funcionar aplicações com diferentes exigências estão previstas na rede, desde transferência de ficheiros a voz em tempo real Solução: rede de comutação de pacotes baseada numa camada inter-rede sem ligação ( connectionless internetwork layer ) chamada camada internet que assegura o funcionamento conjunto de toda a arquitectura (pacotes são lançados em qualquer rede e viajam de forma independente até ao destino) define um formato oficial de pacote e um protocolo chamado IP ( Internet Protocol ) que regula o encaminhamento dos pacotes de modo a evitar congestão. I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 75 Modelo de Referência TCP/IP - Transmission Control Protocol, TCP - À camada acima da camada internet chama-se camada de transporte a qual permite a entidades semelhantes nas estações fonte e destino manterem uma comunicação. Dois protocolos foram definidos a este nível TCP (Transmission Control Protocol): protocolo orientado para a ligação segura ( reliable connection-oriented protocol ) em que o fluxo de dados originado numa estação é entregue sem erro na outra máquina na internet fragmenta os dados em mensagens discretas e passa cada uma para a camada internet. no destino, o TCP reagrupa as mensagens recebidas no fluxo de dados à saída efectua também o controlo de fluxo o que assegura que uma fonte rápida não inunde um receptor lento com mais mensagens que ele consegue processar. UDP (User Datagram Protocol): protocolo sem ligação e não seguro ( unreliable connectionless protocol ), que é utilizado por aplicações que não pretendem a fragmentação e controlo de fluxo do TCP (e. g. por elas próprias o assegurarem). I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 76

39 Que futuro para a Rede fixa? Comutação de circuito Comutação de pacote??? Troca de elevados débitos de informação Qualidade de serviço Maior Segurança I.S.T., Mestrado em Engenharia e Gestão de Tecnologia Gestão e Políticas de Telecom., Adolfo Cartaxo 77