Transmissão de Informação 1.Multiplexação e Modulação Sempre que a banda passante de um meio físico for maior ou igual à banda passante necessária para um sinal, podemos utilizar este meio para a transmissão do sinal. Mas se a banda passante do meio for muito maior que a do sinal a ser transmitido haverá um desperdício. Existe alguma forma de utilizar esta banda passante que sobra para a transmissão de um outro sinal simultaneamente? A técnica que permite a transmissão de mais de um sinal em um mesmo meio físico é denominada multiplexação. Existem duas formas básicas de multiplexação: a multiplexação na freqüência (Frequency Division Multiplexing - FDM) e a multiplexação no tempo (Time Division Multiplexing - TDM). 1.1 Multiplexação na Freqüência Para alojar mais de um sinal em um determinado meio passa-se um filtro em cada um dos sinais de forma a preservar somente a faixa relativa à banda passante necessária a cada um, para alojar esses sinais na forma desejada sem que um interfira no outro. O passo seguinte é deslocar a faixa de freqüências original dos sinais de forma que eles passem a ocupar faixas disjuntas, sem sobreposição. Técnicas que permitem esse deslocamento ou shift de freqüências são conhecidas e denominadas técnicas de modulação. Dessa forma, os sinais podem ser transmitidos no meio físico, cada um deles ocupando uma banda ou canal distinto com tamanho necessário para a sua transmissão. Um receptor que deseje recuperar um sinal transmitidos numa linha multiplexada na freqüência, deverá conhecer a faixa de freqüências que está sendo utilizada para a sua transmissão. Dessa forma, ele poderá deslocar o sinal recebido para fazer o sinal desejado ocupar novamente a sua faixa original (de 0 a n Hz). O sinal demodulado pode a seguir ser filtrado para conter somente o sinal original. 1
1.1.2 Técnicas de Modulação As ondas quadradas apresentam um grande espectro e estão sujeitos a uma grande distorção, tornando inadequada sua utilização em banda básica em um meio com pequena largura de banda. Para contornar este problema, um tom senoidal contínuo (onda portadora) é introduzida, tendo sua amplitude, freqüência ou fase modulada pelo sinal original (sinal modulador). Existem três técnicas básicas de modulação: Modulação por Amplitude (Amplitude Modulation - AM). Modulação por Freqüência (Frequency Modulation - FM). Modulação por Fase (Phase Modulation - PM). Sendo o sinal modulador um sinal digital, essas técnicas passam a ser denominadas: Modulação por Chaveamento da Amplitude (Amplitude Shift Keying - ASK). Modulação por Chaveamento da Freqüência (Frequency Shift Keying - FSK). Modulação por Chaveamento de Fase (Phase Shift Keying - PSK). Na técnica ASK, a amplitude do sinal resultante da modulação varia de acordo com a amplitude do sinal que se quer modular, mantendo-se a freqüência da onda portadora. Na técnica FSK, mantém-se a amplitude da portadora. O que varia é a freqüência de acordo com o sinal transmitido. Na técnica PSK, a transmissão do sinal é identificada por modificações na fase da onda transmitida. Amplitude e freqüência da onda portadora são mantidas. Para meios com largura de banda limitada não adianta aumentar a amostragem para se aumentar a velocidade dos dados transmitidos (Nyquist). É preciso transmitir um maior número de bits por amostra. 2
1.1.3 Sistemas em Banda Larga e em Banda Básica As técnicas de transmissão estão diretamente relacionadas com as técnicas de multiplexação. Duas técnicas de transmissão são as mais empregadas: a sinalização em banda básica (baseband) e a sinalização em banda larga (broadband). Na sinalização em banda básica o sinal é simplesmente colocado na rede sem se usar qualquer tipo de modulação, aparecendo diretamente na rede, e não como deslocamentos de freqüência, fase ou amplitude de uma portadora de alta freqüência. Ela vem sendo adotada nos projetos de rede por não necessitar de modems e por possibilitar transmissões em altas velocidades. A sinalização em banda larga realiza a multiplexação em freqüência (FDM). Com essa multiplexação o espectro de freqüência do meio de transmissão é dividido em vários canais, cada um podendo suportar diferentes tipos de tráfego. 1.1.4 PCM A transmissão digital é, em geral, mais vantajosa do que a analógica devido, principalmente, à possibilidade de restauração do sinal original mesmo na presença de falhas ou ruídos no sistema. Os dispositivos capazes de codificar informações analógicas em sinais digitais são denominados CODECs (CODer/DECoder). A principal técnica utilizada pelos CODECs é denominada Pulse Code Modulation (PCM). A técnica PCM é baseada no teorema de Nyquist, que assegura que uma taxa de amostragem de 2W vezes por segundo é o suficiente para recuperar o sinal com banda passante W Hz. Utilizando uma taxa de amostragem maior ou igual a 2W, o sinal original é amostrado e, a cada amostra, associa-se um valor proporcional à amplitude do sinal naquele ponto. Este processo é conhecido como Pulse Amplitude Modulation (PAM). A partir dos pulsos PAM, podemos produzir os pulsos PCM através de um processo conhecido como quantização, onde cada amostra PAM é aproximada a um inteiro de n bits. A saída PCM corresponde ao resultado dessa quantização. Podemos calcular, a partir desse processo, a taxa gerada pela transmissão de informação analógica através de sinais digitais. Considere o caso de sinais de voz, por exemplo. Se assumirmos que a banda passante necessária desses sinais tem largura igual 3
a 4.000 Hz, a taxa de amostragem de Nyquist é, neste caso, igual a 8.000 amostras por segundo. Se escolhermos essa taxa e codificarmos cada amostra com oito bits, a taxa gerada será 8.000 x 8 = 64 Kbps. 1.1.5 Multiplexação no Tempo A multiplexação na freqüência apesar de muito eficiente não é facilmente manipulada por um computador. Já a multiplexação no tempo pode ser tratada diretamente por componentes digitais, mas somente para dados digitais. A multiplexação por divisão do tempo (Time Division Multiplexing - TDM) se beneficia do fato de que a capacidade (em quantidade de bits por segundo) do meio de transmissão, em muitos casos, excede a taxa média de geração de bits das estações conectadas ao meio físico. Quando isso ocorre, vários sinais podem ser transportados por um único caminho físico, intercalando-se porções de cada sinal no tempo. A multiplexação no tempo pode ser classificada em síncrona ou assíncrona. No TDM síncrono (ou simplesmente TDM), o domínio do tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo T chamados frames; cada frame é subdividido em N subintervalos {t 1,..., t n } denominados slots ou segmentos, que formam uma partição dos frames que, por sua vez, formam uma partição do tempo infinito. Denomina-se canal ao conjunto de todos os segmentos, um em cada frame, identificados por uma determinada posição fixa dentro desses frames. Diferentes canais não precisam, necessariamente, ter o mesmo tamanho. No TDM síncrono, quando um canal é alocado, estabelece-se uma conexão que permanece dedicada à estação transmissora até o momento em que ela resolva desfazêla. Essa forma de chaveamento é denominada chaveamento de circuitos. Quando uma estação que alocou um canal não estiver transmitindo (ou a taxa de transmissão for menor do que a taxa assegurada pelo canal), tem-se um desperdício de capacidade do meio físico, já que o canal alocado não pode ser utilizado por qualquer outra estação até o momento da desconexão. No TDM assíncrono (também conhecido por TDM estatístico ou STDM - Statistical TDM) não há alocação de canal nem estabelecimento de conexão. Parcelas de tempo são alocadas dinamicamente de acordo com a demanda das estações. Em compensação, no TDM assíncrono cada unidade de informação transmitida deve sempre conter um cabeçalho com os endereços de origem e de destino. 1.1.5.1 Redes Híbridas Um sistema é denominado uma rede híbrida, quando possui canais dedicados e/ou chaveados tal qual no TDM síncrono, e possui canais multiponto, nos quais o acesso dentro do canal é feito através de TDM assíncrono. 4
1.2 Comutação A função de comutação (ou chaveamento) em uma rede de comunicação refere-se à alocação dos recursos da rede para a transmissão pelos diversos dispositivos conectados. A alocação desses recursos está intimamente relacionada com a forma de multiplexação dos meios de transmissão. 1.2.1 Comutação de Circuitos A comunicação via comutação de circuitos pressupõe a existência de um caminho dedicado de comunicação entre duas estações. A comunicação via comutação de circuitos envolve três fases: 1.Estabelecimento do circuito 2.Transferência de informação 3.Desconexão do circuito Na fase de estabelecimento do circuito uma mensagem de controle é enviada ao destino. Conforme ela vai sendo roteada, um caminho vai sendo alocado. Quando essa mensagem de controle atinge o nó de destino um caminho foi totalmente alocado e uma mensagem de controle de confirmação é enviada de volta ao nó de origem, já utilizando o circuito alocado pela primeira mensagem. A partir daí, as estações podem se comunicar através do circuito estabelecido, até o momento em que uma das estações decida terminar a conexão. Na comutação de circuitos o caminho alocado durante a fase de estabelecimento do circuito permanece dedicado àquelas estações até que uma delas decida desfazer o circuito. Isso significa que, caso o tráfego entre as estações não seja constante e contínuo, a capacidade do meio físico será desperdiçada. Em compensação, existe a garantia de que uma taxa de transmissão está sempre disponível quando as estações desejam se comunicar, pois não há contenção alguma de recursos. O caminho dedicado entre a origem e o destino pode ser: Um caminho físico formado por uma sucessão de enlaces físicos (chaveamento espacial ou físico) Uma sucessão de canais de freqüência alocados em cada enlace (chaveamento de freqüências) Uma sucessão de canais de tempo alocados em cada enlace (chaveamento do tempo) 1.2.2 Comutação de Mensagens Na comutação de mensagens, se uma estação deseja transmitir uma mensagem, ela adiciona o endereço de destino a essa mensagem que será então transmitida pela rede de nó em nó. Em cada nó, a mensagem inteira é recebida e o próximo caminho da 5
rota é determinado com base no endereço contido na mensagem. Assim, uma mensagem caminha de nó em nó pela rede utilizando apenas um canal por vez, sendo armazenada e retransmitida em cada nó (processo conhecido como store-and-forward). Algumas características da comutação de mensagens em relação à comutação de circuitos: O aproveitamento das linhas de comunicação é maior, já que os canais podem ser compartilhados por várias mensagens ao longo do tempo. Quando o tráfego se torna alto em uma rede de comutação de circuitos, pedidos de novas conexões podem ser recusados devido à falta de recursos ou caminhos livres. As mensagens são sempre aceitas em uma rede de comutação de mensagens. O tempo de transferência é que aumenta devido às filas que as mensagens encontrarão em cada nó de comutação da rede. 1.2.3 Comutação de Pacotes A comutação de pacotes é semelhante à comutação de mensagens. A principal diferença está no fato de que o tamanho da unidade de dados transmitida na comutação de pacotes é limitado. Mensagens com tamanho acima de um limite devem ser quebradas em unidades menores denominadas pacotes. Pacotes de uma mesma mensagem podem estar em transmissão simultaneamente pela rede em diferentes enlaces, o que pode reduzir o atraso de transmissão total de uma mensagem. A técnica de comutação de pacotes é também uma técnica store-and-forward. 1.2.4 Comutação Rápida de Pacotes O maior problema encontrado em redes de comutação de pacotes reside nos altos atrasos gerados pela rede devido ao grande processamento efetuado pelos nós intermediários. Cada nó recebe pacotes, armazena-os, processa algoritmos de detecção e 6
controle de erro e de fluxo nos enlaces a que está ligado, toma decisões de roteamento, espera que o enlace de destino esteja livre, para então encaminhar o pacote ao próximo nó. Algumas propostas para melhorar a performance de redes de comutação de pacotes surgiram e têm sido utilizadas. Todas elas baseiam-se na idéia de diminuir o processamento dos nós de comutação no interior da rede, diminuindo principalmente os controles de erro e de fluxo feitos nos enlaces. Estas técnicas são comumente denominadas de Comutação Rápida de Pacotes (Fast Packet Switching). 7