Redes de Computadores

Redes de Computadores Prof. Macêdo Firmino Camada Física Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 1 / 46

Pilha TCP/IP A B M 1 Aplicação Aplicação M 1 Cab M T 1 Transporte Transporte Cab M T 1 Cab T Cab R M 1 Rede Rede Cab T Cab R M 1 Cab T Cab R Cab E M CDE 1 Enlace de dados Enlace de dados Cab T Cab R Cab E M CDE 1 1011001010001011 Física Física 1011001010001011 Meio Físico Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 2 / 46

Camada Física Camada Física Funções: Características físicas (mecânicas e elétricas) das interfaces e dos meios. Define quais os tipos de meio de transmissão devem ser utilizados (cabo par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, etc.). Quantos pinos o conector de rede terá e qual será a finalidade de cada pino; Representação dos dados: define a codificação dos dados em sinais (elétricos ou ópticos); Taxa de transferência dos dados: corresponde ao número de bits por segundo, isto é, define o tempo de duração de um bit no meio; Sincronização dos bits: os relógios do transmissor e do receptor devem estar sincronizados. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 3 / 46

Sinais - Classificação Sinais Uma das funções mais importantes da camada física é converter dados em sinais eletromagnéticos e transmiti-los através de um meio de transmissão. Existem dois tipos de sinais: Analógico: possuem um número infinito de valores distribuídos numa faixa (contínuos), por exemplo os números inteiros. Digital: possuem apenas um número limitado de valores (discretos), por exemplo 1 e 0; Valor Valor Tempo Tempo Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 4 / 46

Sinais Sinais - Classificação Tanto os sinais analógicos quanto os digitais podem se apresentar nas seguintes formas: Periódica: a um determinado intervalo de tempo (chamado período) este sinal repete um determinado padrão; Não-periódica: evolui no tempo sem exibir um padrão. Valor Valor Tempo Tempo Período Em comunicação de dados, utilizamos geralmente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 5 / 46

Sinais Sinais - Propriedades Propriedades: Período é o intervalo de tempo que uma onda leva para completar um ciclo, medido em segundos; Freqüência é o número de períodos num intervalo de tempo de 1 segundo. A freqüência é expressa em hertz (Hz). Valor f = 1 T Tempo Período T = 1 f Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 6 / 46

Sinais - Propriedades Sinais Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 7 / 46

Sinais Sinais - Propriedades Unidade de frequência Equivalência em período 1 Hz (Hertz) 1 s (segundo) 1 KHz (KiloHertz) = 10 3 Hz 1 ms (milisegundos) = 10 3 s 1 MHz (Megahertz) = 10 6 Hz 1 µs (microsegundos) = 10 6 s 1 GHz (Gigahertz) = 10 9 Hz 1 ns (nanosegundos) = 10 9 Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 8 / 46

Sinais Sinais - Propriedades Propriedades: Fase: descreve a posição de uma forma de onda relativa ao tempo zero. A fase é medida em graus ou radianos. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 9 / 46

Sinais Sinais - Propriedades A maioria dos sinais digitais não são períodicos. Sendo assim, os termos período e freqüência não são apropriados. Para descrever estes sinais são utilizados: Intervalo de sinalização: é tempo necessário para enviar um único bit; Número de bits por segundo (bps): é a quantidade de bits enviados num tempo de 1s. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 10 / 46

Sinais Largura de Banda A largura de banda é uma propriedade de um meio físico. Para sinais analógicos ela corresponde a diferença entre a maior e a menor freqüência que um meio pode transmitir satisfatoriamente (perdas abaixo da metade da potência inicial do sinal). Ela é expressa em hertz (Hz); Para sinais digitais ela é o número máximo de bits por segundo que um meio pode transmitir. A unidade é bits por segundo (bps). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 11 / 46

Sinais Deficiências de Transmissão Os sinais viajam através dos meios de transmissão (cabo de par trançado, fibra óptica, cabo coaxial, etc.), que não são perfeitos. Estas imperfeição causam prejuízo de sinal. Isto significa que o sinal no início da transmissão não é o mesmo do que o sinal no final da transmissão. O que é enviado não é o que é recebido. Normalmente as causas de deficiência em uma transmissão são: Atenuação; Distorção; Ruído. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 12 / 46

Atenuação Sinais Atenuação significa perda de energia. Quando um sinal viaja num meio, irremediavelmente perde energia. Muitas vezes essa perda é associada à resistência do meio. Para compensar essa perda, amplificadores podem ser utilizados para restaurar o nível do sinal. Original Atenuado Amplificado Meio de transmissão Amplificador Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 13 / 46

Distorção Sinais Distorção é a atenuação e deslocamento de fase de diferentes componentes de freqüência. Sinal Transmitido Sinal Recebido Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 14 / 46

Ruídos Sinais Um ruído corresponde a interferência de um sinal por um outro(s) sinal(is) de forma inesperada. Os ruídos podem ser provocado pelo movimento aleatório de elétrons nos condutores (ruído térmico), pelo acionamento de motores e outros aparelhos eletrônicos (ruído induzido), pelo efeito que a corrente num condutor provoca em outro fio (Crosstalk) e ruídos gerados no meio proveniente de redes elétricas, de iluminação e outras fontes (ruído impulsivo) Transmitido Ruído Recebido + = Meio de transmissão Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 15 / 46

Modos de Transmissão Modos de Transmissão A transmissão dos dados pode ser: Paralela: Os dados são agrupados em um conjunto de n bits. Este conjunto de bits são enviados e recebido a cada instante de tempo. Para isso é utilizado n meios físicos. Serial: somente 1 bit é enviado a cada instante de tempo. Sendo necessário apenas 1 canal de comunicação para transportá-lo. 1 Transmissor 0 0 1 Receptor Transmissor 1 0 0 1 Receptor Transmissão Paralela Transmissão Serial Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 16 / 46

Modos de Transmissão Modos de Transmissão A transmissão serial ocorre de dois modos: Assíncrona: o processo inicia-se com 1 start bit. Em seguida, vem um conjunto de bits, e finaliza com um 1 ou mais stop bits. Pode ocorrer um período de repouso entre a transmissão dos bits; Síncrona: enviamos bits um após o outro sem start/stop bits ou intervalo de repouso. O receptor é responsável pelo agrupamento e pela interpretação dos bits recebidos. Stop bit 1 110011 0 Start bit Transmissor 1 100101 0 1 100110 0 Receptor Transmissor 01010110 11101101 10111011 Receptor Transmissão Assíncrona Transmissão Síncrona Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 17 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha A codificação de linha é o processo de converter dados binários, ou seja, uma seqüência de bits, em sinais digitais. Codificador Decodificador 011010011010 Dado Digital Sinal Digital 011010011010 Dado Digital Transmissor Receptor Podemos dividir as codificações de linha em: Unipolar; Polar; Bipolar. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 18 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha - Unipolar A codificação unipolar utiliza somente um nível de tensão. O sinal da polaridade pode ser atribuído a qualquer um dos dois estados binários (0 ou 1), mas geralmente é deixado para o nível 1. Nesse caso, o outro nível (nível 0) é representado por um zero de tensão. Valor 0 1 0 0 1 1 Tempo Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 19 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar A codificação polar utiliza dois níveis de tensão, um positivo e outro negativo, para representar os dados. São exemplos de codificações polares: Non-Return to Zero (NRZ); Return to Zero (RZ); Manchester; Manchester Diferencial. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 20 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (NRZ) Na codificação NRZ, o valor do sinal é sempre positivo ou negativo. Existem duas formas de codificação NRZ, são elas: NRZ-L: o nível do sinal depende do bit que ele representa. Uma tensão positiva representa o bit 0, enquanto que uma tensão negativa corresponde ao bit 1. NRZ-I: a transição entre níveis de tensão representa um bit 1, enquanto que a ausência de transição corresponde ao bit 0. Valor 0 1 0 0 1 1 Valor 0 1 0 0 1 1 Tempo Tempo NRZ-L NRZ-I Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 21 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (RZ) O codificação RZ utiliza três níveis de tensão: positiva, negativa e zero. A transição acontece a cada bit e na metado de cada intervalo de sincronização o sinal retorna a zero. Deste modo, o bit 1 é representado pela transição positiva-zero e o bit 0 é representado pela transição negativa-zero. Valor 0 1 0 0 1 1 Tempo A transição no intervalo do bit é utilizado para sincronização. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 22 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (Manchester) A codificação Manchester utiliza uma inversão no meio de cada intervalo de sincronização. Uma transição positiva (do nível de tensão negativo para o nível de tensão positivo) representa o bit 1 e uma transição negativa (do nível de tensão positivo para o nível de tensão negativo) representa o bit 0. Valor 0 1 0 0 1 1 Tempo O protocolo Ethernet utiliza a codificação Manchester. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 23 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha - Polar (Manchester Diferencial) Na codificação Manchester Diferencial a presença ou ausência de uma transição adicional no começo do intervalo é usado para identificar o bit. Uma transição representa o bit 0 e ausência de transição representa o bit 1. Valor 0 1 0 0 1 1 Tempo Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 24 / 46

Codificação de Linha Codificação de Linha - Bipolar (AMI) A codificação Bipolar utiliza três níveis de tensão: positivo, negativo e zero. O nível zero é usado para representar o bit 0s. Os 1s são representados através de pulsos alternados de tensão positiva e negativa. Se o bit 1 for representado através de uma tensão positiva, o próximo bit 1 será representado por uma tensão negativa. Valor 0 1 0 0 1 1 Tempo Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 25 / 46

Modulação Modulação de Sinais Digitais A modulação de sinais digitais são técnicas para converter sinais digitais, em outro sinal analógico de modo a transmiti-lo em um canal físico. 0 1 0 0 1 1 Modulador Valor Demodulador Tempo 010011 Dado Digital Sinal Analógico 010011 Dado Digital Transmissor Receptor Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 26 / 46

Modulação Modulação de Sinais Digitais (Portadora) Em uma transmissão analógica, o dispositivo transmissor produz um sinal de alta freqüência (chamado de portadora) que funciona como suporte para o sinal de informação; A informação digital modulada modifica uma ou mais características (amplitude, freqüência ou fase) da freqüência portadora; O dispositivo receptor é sintonizado na freqüência da portadora que ele espera receber a transmissão. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 27 / 46

Modulação Modulação de Sinais Digitais Modens (Modulador/Demodulador) são dispositivos que recebem um fluxo serial de bits e produz uma portadora modulada, utilizando alguma técnica de modulação. Além disso, os modens recupera os dados binários a partir de um sinal modulado. Os principais mecanismos de modulação (digital-analógico) são: ASK (Amplitude Shift Keying); FSK (Frequency Shift Keying); PSK (Phase Shift Keying); QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 28 / 46

Modulação ASK Modulação Na técnica ASK, a amplitude do sinal da portadora varia de modo a representar a informação binária (0 e 1). 0 1 0 0 1 1 Valor Tempo Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 29 / 46

Modulação FSK Modulação Na técnica FSK, a freqüência do sinal portadora varia de modo a representar os níveis binários (0 e 1). Valor 0 1 0 Tempo Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 30 / 46

Modulação Modulação PSK Na técnica PSK, a fase da portadora é variada de modo a representar os níveis binários (0 e 1). Valor 0 1 0 Tempo Se utilizarmos quatro variações de fase (4-PSK) podemos representar 2 bits por fase, ao invés de apenas 1, melhorando a eficiência da transmissão. Por exemplo: Bits Fase 00 0 o 01 90 o 10 180 o 11 270 o Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 31 / 46

Modulação QAM Modulação A técnica QAM é uma combinação das técnicas ASK e PSK elaborada de maneira a aumentar o número de bits transmitido para uma dada taxa de modulação. Valor 00 01 10 11 Tempo Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 32 / 46

Modulação Modulação de Sinais Analógicos A modulação de um sinal analógico é a representação de um sinal analógico por outro sinal analógico. Esta modulação se faz necessária, por exemplo, em estações de rádio para ajustar a freqüência de operação; As principais modulações analógicas são: AM (Amplitude Modulation); FM (Frequency Modulation). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 33 / 46

Modulação Modulação de Sinais Analógicos - AM Valor Valor Sinal modulante Tempo Valor Portadora Tempo Numa transmissão AM, o sinal da portadora é modulado de modo que sua amplitude varie de acordo com as variações da amplitude do sinal modulante. Tempo Sinal AM Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 34 / 46

Modulação Modulação de Sinais Analógicos - FM Valor Valor Valor Sinal modulante Portadora Tempo Tempo Numa transmissão FM, a freqüência do sinal da portadora é modulado de modo a seguir as variações da amplitude do sinal modulante. Tempo Sinal Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 35 / 46

Multiplexação Multiplexação Multiplexação é um conjunto de técnicas que permitem a transmissão simultânea de múltiplos sinais através de um único enlace de dados; Se a largura de banda de um link for maior que a largura de banda necessária aos dispositivos conectados a ela, essa banda está sendo desperdiçada; São técnicas de multiplexação: Multiplexação por divisão de freqüência (FDM - Frequency Division Multiplexing); Multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM - Wave Division Multiplexing); Multiplexação por divisão do tempo (TDM - Time Division Multiplexing). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 36 / 46

Multiplexação FDM Multiplexação Na FDM, os sinais gerados em cada dispositivo transmissor são modulados em portadoras de freqüências diferentes. Em seguida, estes sinais são combinados em um único sinal composto para serem transportado através do enlace. As freqüências as portadoras são separadas de forma a previnir a interferência entre os sinais. O receptor utiliza filtros e demultiplexador para obter o sinal original. Modulador Modulador Filtro Portadora 1 Portadora 1 Modulador Modulador + Filtro Portadora 1 Portadora 1 Modulador Modulador Filtro Portadora 1 Portadora 1 A técnica FDM é utilizado na transmissão de AM e FM, canais de televisão e na telefonia. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 37 / 46

Multiplexação WDM Multiplexação A WDM foi desenlvolvida para suportar transmissões de dados em velocidades altíssimas através de cabos de fibra óptica. No lado do transmissor combinamos multiplas fontes luminosas (diferentes comprimentos de onda) em um único sinal de luz. Na lado do receptor as fontes são separadas. O modo mais simples de convergir sinais luminosos e separá-los de volta é utilizando prismas. Fibra óptica Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 38 / 46

Multiplexação Multiplexação TDM TDM é um processo de multiplexação onde toda a banda é entregue a um canal num determinado intervalo de tempo. Cada conexão ocupa o enlace durante uma porção do tempo. O fluxo de dados de cada conexão é dividido em unidades e o link combina unidades de cada conexão para montar um frame (quadro). Um frame consiste de um agrupamento de slot time. A3 A2 A1 A3 A2 A1 Frame 3 C3 B3 A3 Frame 2 B2 A2 C1 Frame 1 A1 B3 B2 B3 B2 C3 C1 C3 C1 Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 39 / 46

Espalhamento Espectral Espalhamento Espectral A multiplexação FDM combina sinais de várias fontes para atingir a máxima eficiência na transmissão. Para isso, a FDM utiliza várias faixas de freqüência. O espalhamento espectral tem como objetivo permitir uma proteção a comunicação. Para isso, o espalhamento espectral utiliza várias faixas de freqüência; Após o sinal ser criado pela fonte, o processo de espalhamento usa um código de espalhamento e espalha as freqüências; Existem duas técnicas de espalhamento espectral: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum); DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum). Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 40 / 46

Espalhamento Espectral Espalhamento Espectral - FHSS A técnica FHSS usa M diferentes freqüências de portadoras. Em um dado instante, é utilizado uma determinada portadora (F 1). No momento seguinte, passa a ser utilizado outra portadora (F4). Ao longo de um ciclo são utilizado M faixas de freqüência. Sinal Original X Sinal Espalhado Gerador dos índices pseudo-aleatório Índices 1 2 3 4 5... Freqüências F1 F2 F3 F4 F5... Modulador Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 41 / 46

Espalhamento Espectral Espalhamento Espectral - FHSS Exemplo: Freqüências da portadora F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 1 2 3 4 5 6 7 8 Período de transições Se o intruso tentar interceptar o sinal transmitido, ele terá que descobrir a seqüência de saltos e período de transição. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 42 / 46

Espalhamento Espectral Espalhamento Espectral - DSSS No DSSS, substituímos cada bit de dados por um código de espalhamento de n bits. Em outras palavras, para cada bit é representado por um código, chamado de chips. Sinal Original X Sinal Espalhado Gerador de chips Modulador Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 43 / 46

Espalhamento Espectral Espalhamento Espectral - DSSS Exemplo: X 0 01001000111 X 1 10110111000 Gerador de chips Gerador de chips Modulador Modulador O espalhamento do sinal pode prover privacidade se um intruso não conhecer o código de espalhamento. Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 44 / 46

Exercício Exercício 1. Quais são as funções da camada física? 2. Qual a diferença entre dados analógicos e digitais? Dê exemplos de cada um. 3. O que é frequência, período, amplitude e fase de um sinal? Qual a relação entre frequência e período? 4. Como os ruídos e demais problemas podem interferir na transmissão de dados? 5. Qual a diferença entre a transmissão paralela e serial? e entre síncrona e assíncrona? 6. Considere a sequência de bits 11000110010. Como seria a codificação dessa sequência utilizando as técnicas de codificação Unipolar, NRZ-L, NRZ-I, RZ, Manchester, Manchester Diferencial e a Bipolar? Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 45 / 46

Exercício Exercício 7. O que é modulação? Qual o papel do modem e da portadora nesse processo? 8. Faça um desenho mostrando como seria a modulação dos bits 11000110010 utilizando as modulações ASK, FSK, PSK e QAM? 9. O que é multiplexação e quais as vantagens em utilizar essa técnica? 10. Qual a diferença entre a FDM e TDM? 11. O que é espalhamento espectral? Como funciona o espalhamento FHSS e DSSS? Macêdo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 46 / 46