Redes de Computadores I

Fernando Cerutti, Dr.

Florianópolis, Janeiro de 2010.

Palavras do professor

Bem-vindo a disciplina de redes de computadores I. Você, como aluno dos cursos de

das áreas tecnológicas, está convidado a iniciar uma viagem através de um mundo

invisível, imaginário, mas super importante nos dias atuais. Essa viagem é recheada de

novidades intrigantes: O que acontece no percurso da informação desde o seu

computador, no momento que você requisita uma página Web através de um clique do

mouse (ou envia um e-mail), até o computador de destino, responsável pelo recebimento

dessa requisição? Você sairá da sua confortável sala climatizada para percorrer as

tubulações e as portas de entrada e saída dos dispositivos e tecnologias nas mais

variadas constituições: Cabos de par trançado, fibras ópticas, Servidores e clientes de

rede, placas ethernet, comutadores, pontes, modems, roteadores, filtros de pacotes.

Você verá que cada tecnologia apresenta suas vantagens e seus problemas, e podemos

escolher as tecnologias para transportar nossa informação de forma semelhante a que

escolhemos a nossa empresa aérea, o ônibus, o condutor e a estrada pela qual iremos

trafegar.

Durante nosso estudo, podemos imaginar que a informação, nossa estrela principal, foi

encomendada por um cliente distante, e como toda encomenda, será “empacotada” e

transportada através de uma estrada ou pelo ar. A estrada pode ser ampla (fibras ópticas)

ou mais estreita (fios de cobre em geral).

Podemos imaginar ainda que a informação, antes de chegar na “estrada”, passou por

vários procedimentos que são os responsáveis pelos controles do percurso, como a

determinação dos endereços, e as checagens de erros. Tais procedimentos são inseridos

um a um em de forma estruturada em camadas específicas para cada função.

Tais camadas podem ser vistas como os andares de um prédio, no qual cada andar

possui protocolos programados para executar tarefas bem determinadas. Os protocolos

de rede são os responsáveis pela transmissão dos sinais e os controles durante a

transmissão.

Procedimentos

Figura 1 – Camadas de protocolos e procedimentos estruturados em uma “arquitetura de

redes”

A divisão em camadas (andares) e funções é necessária para o entendimento desse

universo amplo, onde as peças separadas podem ser compreendidas mais facilmente.

Essa organização em camadas é denominada “arquitetura de redes”.

Protocolos

Protocolos

Protocolos

O que acontece com a encomenda até a chegada ao cliente final você ficará sabendo ao

longo da disciplina, um conteúdo fundamental na sua jornada rumo a Gestão da

tecnologia da Informação.

Aperte o cinto, a viagem vai começar e a nossa rede é rápida.

Unidade 1 Introdução a Comunicação de Dados e Redes de Computadores Objetivos de aprendizagem

Esta unidade tem como propósito trazer um conhecimento básico na área de

comunicação de dados, fundamental para que você compreenda o restante do conteúdo.

Ao final da unidade você estará apto a:

Identificar os principais órgãos envolvidos na padronização das redes

Conceituar rede e comunicação de dados e protocolos

Identificar os componentes de uma rede de computadores.

Plano de estudo A seguir estão descritas as seções desta unidade. Para manter a “jornada” bem

organizada e registrada, ao final de cada “estação”, assinale o quadro marcando os

“trajetos” já percorridos.

Seção 1 – A Comunicação de dados

Seção 2 – O que é uma rede de computadores?

Seção 3 – Histórico das redes

Seção 4 – Os componentes de uma rede

Seção 5 - Os protocolos

Para início de estudo

Estudar redes e comunicação de dados pode ser algo muito chato, pois a quantidade de

informação disponível é imensa (e as siglas, um terror, são milhares). Quase todos têm

uma opinião a respeito dos problemas. “A Internet está fora, deve ser uma falha no

provedor...”. Esta situação é comum nas empresas, e um dos nossos objetivos nessa

disciplina é tentar entender um pouco mais a respeito das tecnologias, os mecanismos

que funcionam (ou tentam funcionar) para que tenhamos uma rede operacional.

Nessa unidade, você verá os conceitos mais fundamentais a respeito das redes, e

conhecerá os organismos responsáveis pela manutenção das regras do jogo na área da

comunicação entre os computadores.

Seção 1 – A Comunicação de dados

A comunicação de dados trata da transmissão de sinais através de um meio físico, de

uma forma confiável e eficiente. Os tópicos mais importantes são a transmissão de

sinais, os meios de transmissão, codificação dos sinais, multiplexação. Os meios

físicos são as ruas por onde trafega nosso proto-boy. Perceba que na nossa analogia com

a pizzaria, os meios físicos podem variar como as estradas e ruas: as fibras ópticas podem

ser representadas pelas grandes rodovias, com muitas pistas. Os meios mais limitados

(fios de cobre) podem ser representados pelas ruas estreitas.

Porque um sistema de comunicação de dados?

As pessoas precisam de um sistema de comunicação por dois motivos básicos:

Aumentar o poder computacional

Na maioria dos casos, aumentar o tamanho do computador disponível

não é possível, ou mesmo não resolveria o problema de capacidade

computacional.

Compartilhar recursos

Todos precisam trocar informações, arquivos, bancos de dados

estando em locais geograficamente dispersos.

Objetivo da comunicação:

O principal objetivo de um sistema de comunicação é trocar informação (dados) entre

dois sistemas remotos. Podemos entender como remotos dois sistemas computacionais

que não possuem compartilhamento de memória RAM. (Randomic Access Memory). Os

sistemas com mais de uma CPU e a mesma memória RAM não precisam enviar

informações um ao outro, uma vez que todas as CPUs tem acesso aos mesmos endereços

da memória.

Componentes de um sistema de comunicação

Um sistema de comunicação de dados deve ter os seguintes componentes básicos:

• Fonte

— Gera os dados que serão transmitidos (ex, computador)

• Transmissor

— Converte os dados em sinais possiveis de se transmitir (ex.: placa de rede

ou modem)

—

• Sistema de transmissão

— Transporta os dados (ex.: Sistema telefonico)

Figura 1 - Modelo de comunicação

Fig 2 – Componentes de um sistema de comunicação de dados

Fonte:Stallings, Data and computer communications, 7ª ed, Pearson Education. (2004)

• Receptor

— Converte os sinais recebidos em dados (ex.: modem ou placa de rede)

• Destino

— Recebe os dados convertidos

Todos esses componentes possuem complexidades adicionais. Por exemplo, os sistemas

de transmissão podem ser divididos em outros componentes:

Sinal (analógico/digital),

meio físico (fio de cobre, fibra óptica, ar),

protocolos (PPP, ADSL)

e dispositivos de rede (comutadores, roteadores)

Seção 2 – O que é uma rede de computadores? A todo instante você se depara com algum computador ou terminal de rede. Nos caixas

automáticos dos bancos, nos terminais das lojas, na sua casa, nos órgãos públicos, nas

academias, nos clubes, bares... Parece que as redes de computadores estão em todas as

partes. Isso é verdade, talvez a Internet venha a ser a 3ª.maior rede do mundo, em termos

de capilaridade, perdendo apenas para as redes elétrica e de telefonia. Apesar de menor, a

Internet cresce mais rapidamente que muitas redes, ficando com uma taxa de crescimento

menor apenas que a rede de telefones móveis (os quais estão ficando cada vez mais

próximos de tornarem-se computadores de fato)

Figura 3 – Crescimento da telefonia móvel

Fonte: Nokia, obtido em

http://opengardensblog.futuretext.com/archives/2006/05/

Bola Fora:

O presidente da Digital, em 1977 (nessa época a Digital era a 2ª.

maior fabricante de computadores do planeta, ficando atrás apenas da

IBM), decretou: “Não existe nenhum motivo para que um indivíduo

possua um computador em sua casa.” Em 1981, 4 anos após a IBM

lançou no mercado o IBM-PC (personal computer). O primeiro PC

rodava com um microprocessador Intel 8088, clock de 4.77 MHz

usando o MS-DOS da Microsoft como sistema operacional e...

...bom, o resto da história você conhece !!

Agora que você já conhece a idéia fundamental por trás da comunicação de dados, fica

mais fácil definir rede de computadores:

Uma rede é um conjunto de dispositivos

computacionais conectados através de uma

estrutura de comunicação de dados, com a

finalidade de compartilhar recursos.

Depois disso, podem restar algumas perguntas:

Que dispositivos?

Tais dispositivos incluem interfaces de redes, servidores, estações de trabalho,

impressoras (além dos dispositivos de comunicação como hubs, transceivers, repetidores,

comutadores, pontes e roteadores). Você conhecerá um pouco mais disso tudo na seção

4, e mais tarde, com mais detalhes, na unidade 5.

O que é dispositivo conectado?

Dois dispositivos computacionais são ditos conectados quando podem trocar algum tipo

de informação entre eles, utilizando para isso um protocolo.

Um protocolo de rede faz parte da estrutura de comunicação de dados, e pode ser visto

como uma norma de comunicação, que deve ser utilizada pelos participantes, como as

regras gramaticais de um idioma (você verá mais sobre os protocolos na seção 5).

Quais recursos?

Uma rede trata basicamente da tecnologia e da arquitetura utilizada para conectar os

dispositivos de comunicação. Os recursos que desejamos compartilhar são vários.

Talvez os mais comuns sejam: Mensagens, arquivos, disco rígidos, impressoras, fax.

Podemos desejar interatividade nessa comunicação, como nas salas de bate-papo,

telefonia e videoconferência.

Diversidade

Uma rede pode ser composta por vários sistemas operacionais, e por dispositivos de

diferentes fabricantes. Pode ter vários tamanhos e abrangências, bem como formatos

físicos direntes. (Veja mais adiante, na Unidade 4, uma classificação mais completa).

Componentes genéricos de uma rede de computadores

Basicamente uma rede de computadores pode ser caracterizada por um conjunto de

hardwares e softwares, conforme a figura abaixo.

Figura 2 - Componentes de uma rede

Os dispositivos e os protocolos serão descritos com mais detalhes na seção 5 e ao longo

de outros capítulo deste livro. Os enlaces (meios físicos por onde trafegam os sinais

que representam as informações) serão analisados no capítulo 2.

Internet

Outro conceito importante é a Internet. A Internet não é considerada por muitos autores

como uma rede, mas uma conexão entre redes diversas. Tais autores consideram que

uma rede deve possuir uma tecnologia única, o que evidentemente exclui a Internet,

uma verdadeira panacéia de tipos de redes.

Seção 3 – Padrões e Histórico das redes

Histórico

Durante o século 20, a tecnologia chave foi Informação. Geração, processamento e

distribuição da Informação foram cruciais para a humanidade. Entre os anos de 1900 e

2000 desenvolveram-se os sistemas telefônicos, foram inventados o rádio e a TV, os

computadores e os satélites de comunicação. Como conseqüência, essas áreas

convergiram e as diferenças entre a coleta, transporte, armazenamento e processamento

das informações foram rapidamente desaparecendo.

Os avanços na capacidade de comunicação permitiram cada vez mais

acesso as fontes de informação. Você pode obter informações sobre a evolução dos

sistemas de comunicação em:

http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_communication_technology

Na história da humanidade, os avanços tecnológicos deram-se de maneira

extremamente lenta. Somente nos últimos 150 anos é que os avanços começaram de fato

a acontecer de forma significativa. O fator que propiciou esse salto foi justamente a

conectividade. Somente quando foi possível aos seres humanos formas de comunicação

mais efetivas e abrangentes é que a tecnologia expandiu-se.

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

Avanços tecnológicos

3500 aC=fenícios inventam o alfabeto14 dC=Romanos criam 1o. serviço Postal 150 anos?

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100

Avanços tecnológicos

3500 aC=fenícios inventam o alfabeto14 dC=Romanos criam 1o. serviço Postal 150 anos?

Figura 3 - Evolução tecnológica na história da humanidade

Do you Know?

3.1. Modelos de interação, processamento e comunicação:

A interação entre os usuários e os computadores, bem como o processamento da

informação e a comunicação entre as máquinas passou por diversos estágios até chegar

aos modelos atuais, os quais com certeza não serão “tão atuais” em um intervalo de

tempo bem pequeno.

3.1.1. O telégrafo

O eletromagneto, inventado em 1825 pelo britânico William Sturgeon,

serviu de base para toda a evolução em larga escala das comunicações eletrônicas. Tal

evolução foi iniciada com a invenção do telégrafo(fig 5) em 1835 por Samuel Morse.

Fig 5 – O telégrafo, primeiro dispositivo de comunicação eletrônico

Fonte: United States Patent and Trademark Office (PTO or USPTO) , disponível em

http://www.uspto.gov/patft/index.html

Baseado no eletromagneto, Morse criou um código binário para representar os

diferentes caracteres alfanuméricos (figura 5). A primeira linha telegráfica ligou

Washington a Baltimore (aproximadamente 70 Km) , inaugurando as comunicações

eletrônicas de longa distância .

A primeira conexão entre dois

computadores foi realizada em

1940. George Stibitz utilizou as

linhas de telégrafo para enviar

arquivos entre Dartmouth

College (New Hampshire,

USA, para os laboratórios Bell,

em New York.

Figura 5 – Código Morse, representando de forma binária todos os caracteres.

Fonte: http://www.dkimages.com/discover/previews/795/940283.JPG

Após a ampla aceitação do telégrafo, a comunicação por sinais elétricos

deu origem a grandes sistemas de comunicação como telefone,

rádio e televisão.

Veja mais sobre Morse e sua pequena revolucionária invenção em:

http://inventors.about.com/od/tstartinventions/a/telegraph.htm

3.1.2. Computadores baseados em sinais elétricos

Em 1946, projetado pelo Departamento de Material de Guerra do Exercito

dos EUA foi criado o ENIAC - Eletronic Numerical Interpreter and Calculator

(Computador e Integrador Numérico Eletrônico) –fig 3. O ENIAC foi projetado por

John W. Mauchly e J. Presper Eckert, na Universidade de Pensilvânia-EUA. Foi o

primeiro computador digital eletrônico, com um comprimento de quase 30 metros, um

peso de 30 toneladas e mais de 17.000 tubos. Hoje, seu notebook pode armazenar

milhões de vezes mais informação, com uma velocidade aproximadamente 50.000 vezes

maior.

Figura 3 ENIAC -primeiro computador digital eletrônico.

Fonte: http://www.computerhistory.org

3.1.3. Processamento em lote (batch)

Na década de 1950 o processamento das informações era realizado sem nenhuma

forma de interação direta entre os usuários e a maquina: os

usuários submetiam suas tarefas (jobs) utilizando leitoras de

cartões ou fitas magnéticas.

O processamento era realizado em lote (batch) e seus resultados eram gerados

conforme a ordem de submissao dos jobs. Os resultados de processamentos

podiam ser armazenados em fitas ou impressos.

Conceito de Job (tarefa):

Sequência de ativações (instâncias) cada uma composta por um conjunto de

instruções que, na ausência de outras atividades, é executada pela CPU sem

interrupção

Fig xxx- execução de um Job – Fonte: Luiz Almeida, 2007

Fig 4 – Algoritmo do processamento em lote (batch). Fonte:

http://www.hollyfield.kingston.sch.uk/gcseit/GCSE/process.htm

3.1.4. Time Sharing

O Sistema operacional se encarregava do escalonamento. Os usuários

ficaram mais distantes, nas salas de terminais. Estas salas poderiam inclusive situar-se a

muitos quilômetros de distância, conectadas ao computador através de linhas dedicadas

para transmissão (fig abaixo).

Este foi o caso da solução apresentada pela IBM em 1971, denominada IBM

3270 Information Display System, projetado para estender o poder de processamento do

computador do Datacenter para localidades remotas (fig abaixo)

Fig xxx - Sistema de processamento “time sharing”. Fonte:

http://cupzinfreeze.co.cc/model-communication-method-and-data-transmission/

3.1.5. Processamento distribuído

O sistema de processamento de dados distribuído (fig xxx abaixo) é uma forma

evolutiva do sistema de time-sharing. Quando um sistema computacional possui

recursos para processar seus dados e conectar-se com outro sistema através de uma rede,

a definição de time-sharing deve ser revisada. O “Distributed Data Processing System”

podem ser definidos como um sistema computacional geograficamente disperso,

conectado através de uma rede, de forma que cada CPU execute suas tarefas

independentemente e possui a habilidade de relacioná-las com as tarefas e resultados

dos outros sistemas computacionais conectados a essa rede.

Figura xxx – Sistema de processamento distribuído. Fonte: Motus and Rodd, 1994.

Nos sistemas distribuídos, as tarefas são fragmentadas em funções que residem em

diferentes processadores e memórias.

3.1.6. Sistemas de tempo real (Real Time Systems)

Sistema de tempo real é um sistema de processamento de dados que requer

um volume de transações em velocidades suficientes para controlar ou monitorar

um processo físico. Isto porque os requisitos das transações devem ser obtidos ao

mesmo tempo, como parte de um sistema global de controle.

Tempo Real é a propriedade que caracteriza a capacidade de um sistema

computacional de estabelecer correspondências entre diferentes sistemas de medição

e/ou contagem de tempo (Motus and Rodd, 1994).

Os sistemas de tempo real possuem funcionalidades as quais devem ser

desempenhadas ou prestadas dentro de intervalos de tempo finitos impostos por um

processo físico.

A técnica permite ao sistema enviar os dados a um computador central, que

os processa imediatamente após o recebimento desses dados e retorna os resultados ao

remetente assim que o processamento termina.

Tempo-real não significa rapidez mas apenas um ritmo de

evolução próprio de um certo processo físico.

Quando um sistema de controle ou monitoração consegue

acompanhar o estado de um dado processo físico e, se

necessário, atuar a tempo sobre ele, então trata-se de um

sistema de tempo-real.

• Todos os seres vivos são sistemas de tempo-real

relativamente aos

seus habitats naturais, os quais determinam o respectivo

tempo-real.

• Por outro lado, quando construímos máquinas

(programáveis) para

interagir com processos físicos, necessitamos de usar

técnicas de

programação e infraestruturas de SW que nos permitam ter

confiança na capacidade de atuação pontual.

Fonte: Luiz Almeida, 2007

3.1.7. Cliente / servidor

Nesse tipo de comunicação, uma máquina solicita um serviço (cliente, como um

browser) e a máquina que presta o serviço (um web server, por exemplo) envia uma

resposta, que pode ser uma página html.

Figura -4 - cliente/servidor (Tanembaum, 4ª. ed – 2004)

3.1.8. Peer-to-peer Nesse modelo (colega-a-colega), não existe cliente ou servidor. Qualquer máquina pode

ser cliente e simultaneamente servir às requisições de outras máquinas. Nesse modelo

se encontram os principais grupos de compartilhamento de arquivos, como o Kazaa, e-

mule, edonkey, imash.

Figura -5 -Modelo de comunicação peer-to-peer (P2P) (Tanembaum, 4ª. ed – 2004)

3.1.9. Cloud Computing

......

3.2. Evolução das redes

A história das redes de dados e da Internet se confundem com o

Departamento de Defesa dos EUA (DoD), através da ARPA - Advanced Research

Projects Agency (www.arpa.mil ), em conjunto com o MIT - Massachusetts Institute of

Technology (http://www.mit.edu ). Esses dois organismos mantiveram os principais

pesquisadores na área das ciências computacionais no início da década de 60. A rede

ARPANET não parou de crescer.

(a) December 1969. (b) July 1970. (c) March 1971. (d) April 1972. (e) September 1972.

Figura 6 -Crescimento da ARPANet – (Tanembaum, 2004 – 4ª ed.)

Em 1981 ocorreu o lançamento do IBM PC, o qual propiciou acesso a recursos

computacionais locais e manteve o acesso remoto ao mainframe usando software

emulador e interfaces de comunicação através de cabos.

Com o advento do PC e, principalmente após a criação da dupla HTTP/HTML, em

1991, o crescimento da rede foi exponencial. O site do Internet Software Consortium

mantém um levantamento anual do número de hosts na Internet (figura 6)

Figura 7 - Crescimento do número de hosts

Fig xxx – Diagrama de exemplo de interconexões de redes (internets). (Stallings,

Business Data Comunications – 2006)

Muitas pessoas participaram dos projetos iniciais da Internet. Quase todos os maiores

pioneiros podem ser vistos em http://www.ibiblio.org/pioneers/index.html. Vint Cerf é

considerado o “Pai da Internet”. Bob Metcalfe inventou a tecnologia Ethernet, que

domina as interfaces de rede até hoje.

Outros pesquisadores foram muito importantes, principalmente no desenvolvimento do

TCP/IP, que impulsionou a rede. John Postel é um desses caras. A página de Postel,

http://www.postel.org, é um tributo a dedicação e criações do pesquisador. Postel

participou da criação, entre outros protocolos, do IP, do TCP, do SMTP (serviço de e-

mail) e da resolução de nomes (DNS). Foi editor das RFCs por 30 anos.

Você pode acessar mais sobre a história da Internet em Português:

http://simonevb.com/hobbestimeline/ . Outro site interessante sobre a história das

comunicações, inclusive a Internet é http://www.mediahistory.umn.edu (em Inglês)

3.2.1. Novas gerações de redes

3.3. Padrões

Atualmente, vários organismos internacionais estão voltados para a padronização das

normas de funcionamento dos dispositivos usados na troca de informações. Protocolos,

componentes de rede, interfaces, todas as tecnologias utilizadas precisam de padrões para

que consigam operar entre elas. A seguir, você entrará em contato com os principais

organismos da área de redes e comunicação de dados.

3.3.1. Organização da Internet

O conjunto de protocolos que é o motor da Internet, denominado

oficialmente de “TCP/IP Internet Protocol Suite” não possui proprietários, não pertence

a um fornecedor específico. Antes do TCP/IP, somente os órgãos de padronização (ITU-

T, por exemplo) e os fabricantes principais (IBM, Digital) possuíam propostas para

protocolos de rede.

Como não existe uma empresa ou entidade privada que coordene e organize

a Internet, quem é o responsável pelo funcionamento da rede?

Quando a DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) resolveu

em 1979 expandir as pesquisas em torno da comutação de pacotes, tecnologia que

“Seja liberal naquilo que você aceita,e conservador

naquilo que você propaga”. J. Postel.

conectava algumas redes na metade da década de 1970, surgiu um grupo denominado

IRG – Internet Research Group, destinado a desenvolver o embrião da pilha TCP/IP. O

grupo evoluiu, em 1983, para formar o IAB – Internet Architecture Board, responsável

por conduzir o funcionamento e a evolução da Internet. Desde então, vários segmentos e

organismos foram sendo criados para auxiliar nas tarefas de padronização e condução

das pesquisas em volta da pilha TCP/IP. Veremos a seguir os principais elementos desse

corpo gestor da Internet.

Você pode encontrar um volume muito grande de informações sobre a pilha TCP/IP em:

http://www.tcpipguide.com

3.3.2. Internet Architecture Board

http://www.iab.org

O IAB é designado tanto como um comitê do Internet Engineering Task

Force (IETF) quanto um corpo consultivo da Internet Society (ISOC). Suas

responsabilidades incluem a supervisão das atividades do IETF, supervisão dos

processos de padronização da Internet (Internet Standards Process) e indicação dos

editores dos ducumentos que padronizam a Internet (RFCs). O IAB também é o

responsavel pela gerência dos registros de parâmetros dos protocolos criados pelo

IETF.

3.3.3. Internet Assigned Numbers Authority (IANA)

http://www.iana.org O IANA é o corpo responsável pela coordenação de alguns elementos chave que mantém a

Internet rodando corretamente. Embora a Internet seja mundialmente vista como uma rede

livre de coordenação centralizada, existe a necessidade de coordenação técnica em alguns

segmentos centrais da rede. Essa coordenação global é exercida pelo IANA.

Especificamente, o IANA aloca e mantém a integridade e unicidade de códigos e sistemas

de numeração que são utilizados nos padrões técnicos (protocolos) que regem o

funcionamento da Internet.

3.3.4. ISOC – Internet Society

http://www.isoc.org

Mantém vários grupos responsáveis por funções centrais no funcionamento e evolução da

Internet. Entre elas, se destacam o IETF, IANA, W3C.

3.3.5. IETF – The Internet Engineering Task Force

http://www.ietf.org

O IETF é uma organização que reúne fabricantes, pesquisadores, projetistas,

operadores de redes. Essa comunidade está envolvida com a operação e a evolução da

arquitetura da Internet. Sem dúvida, a organização mais destacada em termos de normas e

padrões para os protocolos e procedimentos relacionados com a Internet, notadamente a

arquitetura TCP/IP.

O IETF mantém grupos de trabalho divididos por área, como roteamento, segurança, e

outros. Possui uma metodologia de padronização baseada em RFCs (Request for

Comments), documentos que normatizam o funcionamento da Internet.

Os protocolos padronizados estão citados na RFC 3600, denominada Internet Official

Protocol Standards, de 2003, que pode ser visualizada no link:

http://www.ietf.org/rfc/rfc3600.txt

3.3.6. ITU - International Communications Union.

http://www.itu.int

Esse organismo, como o nome está indicando, é responsável pela

padronização do setor de telecomunicações. Aqui os padrões também são pagos. Entre

outras coisas, o ITU é responsável pelo protocolo de comunicação de voz sobre IP

H.323 e pelas normas de comunicação do protocolo ATM entre as operadoras de

Telecomunicações – SIP – session initiation protocol – rfc 3261 e 3262

3.3.7. ANSI – American National Standards Institute.

http://www.ansi.org/

Responsável por alguns padrões importantes na área de redes e

comunicação de dados (por exemplo, as redes FDDI, que funcionam a 100 Mbps em

anéis de fibra óptica). O ANSI é uma instituição privada norte-americana, destinada a

promover os padrões daquele país em nível internacional.

3.3.8. IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers,

Inc.

http://www.ieee.org .

É uma associação profissional, que trabalha para pesquisa e padronização

nas áreas de engenharia e computação, com muitas publicações e conferências

renomadas nessa área. Existem várias áreas de trabalho e uma delas nos interessa

particularmente: O grupo 802, que regulamenta as redes locais e metropolitanas, entre

elas as tecnologias ethernet (IEEE 802.3) e token ring (IEEE 802.5), as duas líderes em

redes locais. Os padrões podem ser obtidos em http://standards.ieee.org/

3.3.9. TIA/EIA

http://www.tiaonline.org/

Normalmente associados aos cabeamentos, pinagens e conectores, os

padrões da Electronic Industries Alliance (EIA) participam da elaboração de tecnologias

de comunicação, bem como produtos e serviços. Á aliança é responsável por vários

grupos de padronização, inclusive a Telecommunications Industry Association (TIA).

3.3.10. Outras Instituições (Fórums, Associações)

Algumas tecnologias possuem fórums de discussão, que tentam agilizar o

estabelecimento dos padrões, antecipando-se aos organismos oficiais. Tais fórums são

compostos por fabricantes e pesquisadores interessados na tecnologia em questão. Por

exemplo, um fórum muito atuante é o das tecnologias de banda larga, o Broadband

Forum. Veja em http://www.broadband-forum.org/ Outra organização de fabricantes é

a Aliança gigabit ethernet. http://www.10gea.org. Temos ainda uma associação para

discutir os avanços e diretrizes das redes metro-ethernet em

http://www.metroethernetforum.org, e para questões que envolvem fibre channel:

http://www.fibrechannel.org/. Se a sua preucupação é entender um pouco sobre

Infiniband, visite: http://www.infinibandta.org/home. Um fórum sobre o padrão IEEE

802.16 (wimax) pode ser encontrado em http://www.wimaxforum.org .

Seção 4 – Os componentes de uma rede

Uma rede de comunicação de dados possui vários componentes, o que pode fazer dela

um sistema computacional bastante complexo.

Os componentes podem ser divididos em 2 grupos básicos: Hardware e Software

4.1 - Componentes de hardware: Incluem todos os dispositivos físicos que fazem parte

da comunicação Você verá mais sobre os componentes na unidade 5.

Componente Camada de atuação Foto

Enlaces Abaixo da física (lembre-se

que as camadas constituem-se

de software)

Hub

Atua na camada 1,

propagando o sinal

elétrico/óptico em todas as

portas

Repeater

Faz o mesmo papel do hub,

regenerando o sinal e

propagando para outra porta.

Pode ser considerado um hub

de uma porta.

Placa de rede /

interface

Faz a ligação do host com o

enlace. Converte as

informações em bits, e os bits

em informações

Bridge

Faz a conexão entre duas

redes através da camada de

enlace. Pode conectar redes de

tecnologias diferentes, como

Ethernet e Token Ring. A

bridge deu origem aos

switches

Switch

Um switch reune um conjunto

grande de funções. Podem ser

considerados Bridges com

várias portas. Armazenam os

pacotes, repassam para os

destinatários na porta de

destino. Evitam colisões.

Router

Comutador de pacotes de

camada 3 (datagramas).

Possui outras denominações:

Sistemas intermediarios,

Intermediate system ou IS

(usado pela ISO)

Gateway (Muito usado

pela comunidade

IP/Internet)

Switch de camada 3

Modem

Modulador/Demodulador.

Equipamento de codificação.

Converte sinais analógicos e

digitais

Host

Máquina o usuário. Possui

outras denominações:

Host (Comunidade

IP/Internet)

Data terminal equipment,

ou DTE (usado pelo

padrão X.25)

End system, ou ES (usado

pela ISO)

Estação

Gateway

Máquina que comuta

datagramas (camada 3). Nome

dado aos roteadores pela

comunidade IP/Internet

WLAN Controller Controlador de pontos de

acesso (Access Points). Possui

a inteligência de uma rede

WLAN – Wireless LAN.

Conecta todos os APs de uma

rede sem fio aos switches de

acesso.

Access Points Pontos de acesso a rede sem

fio (wireless) Podem ser

autônomos (possuem

inteligência para autenticar e

dar privilégios) ou slaves, os

quais precisam de um

controlador (WLAN

controller)

Transceivers São dispositivos que

transformam os sinais do

mundo óptico para o elétrico e

vice-versa. Os transceivers

mais comuns hoje em dia são

os SFPs (Small form-factor

pluggable)

Veja mais sobre os SFPs em

ftp://ftp.seagate.com/sff/INF-

8074.PDF

Firewall, filtros de

conteúdo

Dispositivos que tem a função

de bloquear o acesso indevido

aos recursos em uma rede de

computadores.

Maquinas Virtuais

4.2 – Componentes de Software:

a) Os sistemas operacionais: Responsáveis pelo controle do uso da CPU,

memorias, discos e periféricos, como a interface de rede. Alguns controlam

ainda as tabelas de endereços e de caminhos. Tais sistemas residem nos switches

e routers.

Unix (HP-UX, Solaris, AIX)

Linux (Red-Hat, Debian, Suse) -> Obs.: São muitas as distribuições de Linux.

Veja uma lista quase completa em http://www.linux.org/dist/list.html

Existem algumas especializadas para rodar em hardware antigo ou obsoleto

(http://www.sahw.com/wp/archivos/2006/07/20/diez-distribuciones-linux-ligeras-para-

uso-en-equipos-poco-potentes-yo-obsoletos/)

Além disso existem versões de Linux que baseiam-se em sistemas Unix derivados

do BSD (Berkeley System Distribution). Em contraste com as numerosas

distribuições Linux, existe apenas três BSDs de código livre.

Cada projeto BSD mantém sua própria árvore de código fonte e seu próprio kernel.

Na prática, as divergências entre o código à nível de usuário parece ser ainda menor

entre os projetos BSD do que entre os vários Linux.

O FreeBSD tem um projeto que visa alta performance e facilidade de uso

para usuários finais, e é o favorito de provedores de conteúdo da rede

mundial de computadores. Ele pode ser usado em PCs e Compaqs com

processadores Alpha. O projeto FreeBSD possui significativamente mais

usuários do que os outros projetos.

O NetBSD tem foco na máxima portabilidade. Ele roda em arquiteturas

desde palmtops até servidores de grande porte (high end), e vem sendo usado

até em missões espaciais da NASA. Uma boa escolha para rodar em

equipamentos antigos que não sejam Intel.

O OpenBSD tem um desenho voltado a segurança e pureza de código: ele

usa uma combinação dos conceitos de código livre com rigorosas revisões

para criar um sistema correto e auditável, tornando-o a escolha de

organizações voltadas a importância da segurança da informação, como

bancos e departamentos do governo. Roda em várias plataformas.

Existem ainda dois sistemas operacionais BSD adicionais que não são de código

livre:

O BSD/OS é o mais antigo dos derivados do 4.4BSD. Ele não tem código

livre, mas as licenças de seu código fonte são disponíveis a um preço

relativamente baixo.

O Mac OS X é a versão do sistema operacional da linha Macintosh da Apple

Computers Inc. Ao contrário do resto do sistema operacional, o kernel é

código livre. Como parte desse desenvolvimento, desenvolvedores chave da

Apple tem acesso de modificações na árvore do FreeBSD.

Novell Netware

Windows

Sistemas especializados em comutação e roteamento (ex.: IOS, Junos)

b)os protocolos

HTTP (páginas de hipertexto)

SMTP (transporte de correio eletrônico)

FTP (transferência de arquivos)

c) as aplicações (clientes, que solicitam o serviço – browser, por

exemplo- e servidoras, que prestam os serviços – servidor web, por

exemplo).

Seção 5 - Os protocolos de rede

Um protocolo de rede é uma norma de comunicação,

implementada através de software. Define a forma e a

ordem das mensagens, e as ações realizadas para a

comunicação entre duas entidades.

Para reduzir a complexidade do projeto dos protocolos, eles são divididos em

camadas ou níveis, uma camada sobre a outra, como os andares de um prédio. O número de

camadas, o nome, o conteúdo de cada uma e a função delas pode variar de modelo para

modelo. Em todos os modelos, porém, as camadas inferiores prestam serviços para as

camadas superiores, e as superiores solicitam os serviços das inferiores. Os protocolos

acessam os serviços da camada inferior através dos SAP – Services Access Points ou Pontos

de Acesso aos Serviços

Fig xxx- Os SAPs Pontos de acesso aos serviços. Fonte: Held – 2001 – Data

communications and Networking Devices)

Note que cada camada possui funções especializadas, e não interfere nas

funções das camadas acima e abaixo.

A especificação formal de um serviço se dá por um conjunto de primitivas

(operações) disponíveis para que um usuário ou outra entidade (Software) possa

acessá-lo.

Divididas em quatro classes:

o Request: Entidade quer que o serviço faça algo;

o Indication: Entidade será informada sobre um evento;

o Response: Entidade quer responder a um evento;

o Confirm: A resposta a uma solicitação anterior chegou.

Os modelos de protocolos de redes mais utilizados são 3:

OSI

TCP/IP

Modelo híbrido

5.1. Modelo de referência ISO/OSI (RM-OSI ou Reference Model -

Open Systems Interconnections)

É o modelo de referência de protocolos de comunicações mais utilizado, e serve de base

para todos os arquitetos de soluções de redes. Constituído por sete camadas, numeradas de

baixo para cima. A camada 1 corresponde a camada física e a camada 7 é a camada de

aplicação, onde funcionam os softwares visíveis aos usuários (email, browsers web, etc).

Perceba, na figura abaixo, que o enlace físico (cabos, ar) por onde os sinais trafegam fica

abaixo da camada física, a qual apenas determina as características da codificação

(diferenças de intensidade dos pulsos luminosos, diferenças de potencial elétrico) e outras

especificações de conectividade.

Fig xxx As 7 camadas do modelo OSI – fonte:

http://www.alegsa.com.ar/Dic/Modelo%20OSI.php

Figura xxx As funções das 7 camadas do modelo OSI. Fonte: willianstallings.com

ISO corresponde á International Organization for Standardization, ou

Organização Internacional para Padronização. A

idéia é "padronizar" para organizar e agilizar os processos.

A ordem numérica das camadas é decrescente, ou seja, o processo

começa na camada física, onde os sinais elétricos são convertidos em

zeros e uns, e termina na camada de aplicação.

.

Outra coisa interessante, é qual a PDU (Protocol Data Unit, ou Unidade de Dados de

Protocolo) cada camada em específico trata..

Obs.: É de extrema importância ressaltar que a camada superior só entende os dados

porque a camada inferior os formata para um formato comum, inteligível para as duas

atuantes no processo, como mostrado a seguir.

PDU-> protocol Data Unit (unidade de dados de protocolo). Cada camada ou protocolo

tem PDUs específicas.

MTU-> Maximum transfer Unit (Unidade máxima de transferência, representa a

“capacidade”, em bytes, do nosso “container digital”).

Exemplo:

TCP/UDP -> Segmento

IP-> Datagramas (os datagramas são quebrados em pacotes para poderem “entrar” nas

PDUs de camada 2, as quais possuem MTUs menores que o IP.

Camada de enlace (normalmente Ethernet)-> Frame ou quadro

Camada Física

É onde se inicia o todo processo (no lado receptor). O sinal que vem do meio

(Cabos UTP ou FO por exemplo), chega à camada física em formato de sinais elétricos

(ou luminosos) e se transforma em bits (0 e 1). Como no cabo trafegam apenas sinais

elétricos de baixa freqüência, a camada física identifica como 0 sinal elétrico com (por

exemplo) –5 volts e 1 como sinal elétrico com (por exemplo) +5 volts (esses valores de

DDP variam conforme a tecnologia das interfaces e o método de sinalização, os quais

veremos mais adiante. Vejam na figura abaixo o exemplo com a Senóide.

A camada física trata de variáveis como distância máxima dos cabos (por exemplo no

caso do UTP são 90m), conectores físicos (tipo BNC do coaxial, SC para fibra óptica ou

RJ45 do UTP), pulsos elétricos (no caso de cabo metálico) ou pulsos de luz (no caso da

fibra ótica), etc. Resumindo, ela recebe os dados e começa o processo, ou insere os

dados finalizando o processo, de acordo com a ordem. Podemos associa-la a cabos e

conectores. Exemplo de alguns dispositivos que atuam na camada física são os Hubs,

tranceivers, cabos, etc. Sua PDU são os BITS.

Camada de Enlace Após a camada física ter formatado os dados de maneira que a camada de enlace os

entenda, inicia-se a segunda parte do processo. Um aspecto interessante é que a camada

de enlace já entende um endereço, o endereço físico (MAC Address – Media Access

Control ou Controle de acesso a meio). Veja uma lista completa dos fabricantes

autorizados a vender interfaces de rede em: http://standards.ieee.org/regauth/oui/oui.txt.

A camada e enlace trata as topologias lógicas de rede, dispositivos como Switch, placa

de rede, interfaces, etc., e é responsável por todo o processo de comutação. Após o

recebimento dos bits, ela os converte de maneira inteligível, os transforma em unidade

de dado, subtrai o endereço físico e encaminha para a camada de rede que continua o

processo. Sua PDU é o Frame ou QUADRO.

Camada de Rede Pensando em WAN (Wide Area Network), é a camada que é mais importante. A

camada 3 é responsável pelo roteamento do datagramas no processo de internetworking.

A partir de dispositivos como roteadores, ela decide qual o melhor caminho (o qual na

maioria das vezes será o que possui menos saltos) para os dados, bem como a

construção de uma tabela de rotas. A camada 3 possui um endereço lógico (o endereço

IP). Exemplo de protocolos de endereçamento lógico são o IP e o IPX.

Exemplo de dispositivo atuante nessa camada é o Roteador, que sem dúvida é o

principal agente no processo de internetworking, pois este determina as melhores rotas

baseados no seus critérios, endereça os dados pelas redes, e gerencia suas tabelas de

rotas, a qual é dinâmica. A PDU da camada 3 é o Datagrama (o qual pode ser dividido

em PACOTES).

Camada de transporte A camada de transporte é responsável pela qualidade na entrega/recebimento dos dados.

A camada 4 gerencia o processo de transporte, para assegurar de maneira confiável (se o

protocolo escolhido for o TCP) o sucesso no transporte dos dados. Então, após os

datagramas virem da camada de rede, já com seus "remetentes/destinatários", é hora de

entregá-los, na porta de destino (TCP ou UDP port. As portas dos servidores n\são ditas

Well-Know Ports e variam de 0 a 1023 – veja em:

http://www.iana.org/assignments/port-numbers) os protocolos de transporte mais

conhecidos são o TCP e o UDP (o SPX, da Novell, já teve seu período de utilização,

mas agora é pouco usado). A PDU da camada 4 é o SEGMENTO.

Camada de sessão A camada de sessão é responsável pelo processo da troca de dados/comunicação. A

camada 5 é responsável por iniciar, gerenciar e terminar a conexão entre hosts. Para

obter êxito no processo de comunicação, a camada de sessão têm que se preocupar com

a sincronização entre hosts, para que a sessão aberta entre eles se mantenha

funcionando. Exemplo, ou mais especificamente, aplicativos que atuam na camada de

sessão é o SIP( session Initiation Protocol) ou o ICQ,. A partir daí, a camada de sessão e

as camadas superiores vão tratar como PDU os DADOS.

Camada de Apresentação A camada 6 atua como intermediaria no processo frente às suas camadas adjacentes. Ela

cuida da formatação dos dados, e da representação destes, e ela é a camada responsável

por fazer com que duas redes diferentes (por exemplo, uma TCP/IP e outra IPX/SPX) se

comuniquem, "traduzindo" os dados no processo de comunicação.

Camada de Aplicação

A camada de aplicação e a que mais notamos no dia a dia, pois interagimos direto com

ela através de softwares como cliente de correio, programas de mensagens instantâneas,

browsers, etc. Atuam o DNS, o Telnet, o FTP, HTTP, SNMP, SMTP, e outros. E ela

pode tanto iniciar quanto finalizar o processo, pois como a camada física, se encontra

em um dos extremos do modelo!

5.2. TCP/IP

o A arquitetura TCP/IP foi aquela que impulsionou a Internet, numa evolução da ARPA-

Net. O TCP/IP foi escrito de forma a simplificar a comunicação e possibilitar a

interoperação de dispositivos e tecnologias totalmente diferentes.

A arquitetura do conjunto TCP/IP foi projetda com base no modelo das camadas

do OSI, porém com várias simplificações.

Figura xxx Comparação entre as camadas OSI/TCP-IP Fonte: Comer, 2005

5.3. Modelo híbrido

O modelo híbrido surgiu da necessidade didática de comunicação entre os

instrutores e os alunos. Analisando a Figura 7, você pode perceber como ficaria confuso

referenciar um protocolo como sendo de “camada 4” quando tinhamos o OSI (7 camadas) e

o TCP/IP (4 camadas). A camada 4 para o OSI é a de transporte, e para o TCP/IP é a de

aplicação. O modelo híbrido passou a ser usado pelos principais autores da área de redes

(Comer, Kurose, Tanembaum, Peterson). No nosso estudo, adotaremos o modelo híbrido

como referência para as camadas, exceto quando for explicitamente indicada outra pilha de

protocolos.

Considerações sobre os protocolos:

• Podem ser implementados em software ou em hardware.

• Geralmente as camadas mais inferiores são implementadas no próprio chip da placa

de comunicação.

• Na implementação definem-se pontos deixados em aberto durante a especificação

do protocolo:

– Valores dos tempos de retransmissão;

– Estratégias específicas de manipulação de buffers, controle de fluxo.

Questões genéricas que devem ser tratadas nos projetos de protocolos:

• Mecanismo para identificar emissores e receptores (e os processos em cada

extremidade)

o Endereçamento. • Forma como os dados devem ser transportados:

o Simplex: Dados trafegam em apenas uma direção;

o Half-duplex: Trafegam em ambas as direções, mas não

simultaneamente; o Full-duplex: Trafegam em ambas as direções, simultaneamente.

• Circuitos físicos não perfeitos

o Controle de erro (detecção e/ou correção) Normalmente é realizada

apenas a detecção de erros, pois a correção exige recursos

computacionais demasiados, o que acabaria gerando atrasos. A

detecção se dá somente nos cabeçalhos, e não nos dados dos usuários.

Detectar erros nos dados envolveria a abertura dos envelopes digitais

até na camada de aplicaçao. O destinatário é quem deve se

responsabilizar por essa tarefa.

Figura 9- Modelos de camadas

Um conjunto de protocolos e camadas é denominado de Arquitetura de Rede.

A especificação de uma arquitetura deve ter todas as informações para alguém implementar

um programa ou construir um dispositivo de hardware para uma ou mais camadas,

obedecendo as normas do protocolo.

Figura 8 - Modelo genérico para 5 camadas

Comunicações horizontais e verticais

Dentro de uma mesma camada para hosts diferentes (comunicação horizontal),

e camadas diferentes no mesmo host (comunicação vertical).

Encapsulação

Ao adicionar informações de controle da rede (cabeçalhos – figura xxx) o

processo de encapsulamento aumenta a quantidade de informação a ser transmitida, e

exige mais recursos computacionais para a verificação destes cabeçalhos. Esse fato é

conhecido como “Overhead” ou sobrecarga.

Exemplo de cabeçalho para o protocolo ICMP

Quanto mais alta a camada a ser analisada, mais cabeçalhos devem ser

verificados. Ao se analisarem as camadas superiores (aplicação, transporte)

necessariamente haverá redução de desempenho. Analises dos cabeçalhos das camadas

inferiores (enlace, rede) degradam menos. Podemos imaginar o processo como a

abertura de um envelope contido dentro de outros envelopes. Os mais internos

corresponderiam as camadas superiores, e os externos as primeiras camadas. Fica mais

fácil verificar as informações de controle dos envelopes externos.

Figura abcx – Os fluxos horizontais e verticais e o processo de encapsulação nas camadas de uma

arquitetura genérica. M= mensagem, H=cabeçalho e T= Trailer

Veja mais sobre encapsulação em uma animação shockwave no endereço: http://www.humboldt.edu/~aeb3/telecom/Encapsulation.html

Unidade 2

Camada física - Sinais, multiplexação e banda em um canal Nesta unidade, serão estudados os componentes da camada física. Os tipos de

sinalização, os meios de transmissão. Como você viu, as arquiteturas dos protocolos

apresentam divisões em camadas. Nesse curso, adotamos o modelo híbrido de

arquitetura, que associa os modelos OSI e TCP/IP. A camada física, apesar de não

especificada no modelo TCP/IP, está presente nos modelos OSI e híbrido (Erro! Fonte

de referência não encontrada.). Ela é a camada mais inferior da pilha, sendo

responsável pela interface com os meios de transmissão. Tais interfaces comunicam o

host com a rede, determinando os parâmetros mecânicos, elétricos e temporais.

A camada física determina como os bits serão representados (sinalização), detecta o

início e o final das transmissões, e as direções dos fluxos (simplex, half duplex e full

duplex). Você vai observar que é dificil transpor algumas barreiras físicas e que existe

uma imposição da natureza sobre as possibilidades e limites de utilização de um canal

para transmitir sinais.

A camada física corresponde às vias de

escoamento do tráfego. Nelas, existem alguns controles básicos

que encontramos também nos protocolos: O tipo do veículo que

pode trafegar em cada pista, os sinais de trânsito, permitindo ou

Acesso a rede

bloqueando a passagem. As colisões, quando ocorrem. Os

engarrafamentos, os estreitamentos de pista, as larguras e

velocidades máximas.

Os diferentes meios de transporte podem ser

comparados aos meios de transmissão: você pode imaginar uma

estrada não pavimentada como sendo uma linha de transmissão

analógica, de grandes retardos, e taxas de erros como um

modem assíncrono de 56 Kbps. Uma estrada pavimentada

poderia ser então nossos pares trançados (esses azuis que

conectam o micro a tomada de rede).

Uma fibra óptica poderia ser o ar por onde

trafegam os aviões, de qualquer velocidade. Os satélites

poderiam ser comparados aos navios, uma vez que podem

transportar muita informação, mas são relativamente lentos

devido a sua distância em relação a superfície do planeta.

Ao final da unidade,voce estará apto para:

Identificar os tipos de sinais

Definir multiplexação de um canal

Entender o conceito de Largura de banda

Diferenciar os meios físicos de transmissão

Entender os principais problemas dos sinais

Sessão 1 – Tipos de sinal

Sessão 2 - Largura de banda

Sessão 3 – Multiplexação

Sessão 4 – Codificação

Sessão 5 – Os meios de transmissão e os problemas dos sinais nos meios físicos

Sessão 1 – Tipos de sinal

Sinais e transmissão de dados

Definições importantes na comunicação de dados (Stallings,

2004): Dados são entidades que contém algum significado, ou informações.

Sinais são representações elétricas ou eletromagnéticas OU ÓPTICAS dos

dados

Sinalização é a propagação física do sinal através de um meio físico adequado.

Transmissão é a comunicação de dados pela propagação e processamento

dos sinais

Legenda:

A figura 7 (a) representa um sinal analógico e a fig 7(b) representa um sinal digital

(Stallings, 2004)

O que é um sinal? Um sinal é um fenômeno físico, que representa um fluxo de

informações. Portanto, um sinal pode transportar os dados em um meio físico (fios de

cobre, fibras ópticas, ar)

Tipos de sinais:

Basicamente, temos dois tipos de sinais de dados:

Analógicos

Nesse tipo, existe uma variação contínua da intensidade em relação

ao tempo. Não existe descontinuidade.

Dados analógicos possuem valores continuos em um dado intervalo. O exemplo

mais comum pode ser dado pelo áudio, percebido pelos humanos em forma de

ondas acústicas (figura 8). A voz humana tipicamente contém frequencias entre

100 Hz e 7 kHz outro exemplo de dados analógicos são os vídeos em TVs

convencionais.

Figura 8 – Freqüências comuns de áudio – Sinais analógicos

Digitais

Nos sinais digitais a intensidade se mantém em um nível constante e então muda para

outro nível de intensidade (Figura 9)

Figura 10 - Sinal Digital

Um sinal digital é uma sequência de pulsos discretos, descontínuos.

Os sinais digitais têm uma amplitude fixa, mas a largura do pulso e a freqüência podem

ser alteradas. Os sinais digitais de fontes modernas podem ser aproximados a uma onda

quadrada, que, aparentemente, tem transições instantâneas de estados de baixa para alta

voltagem, sem ondulação.

Cada pulso é um elemento do sinal. Nos casos mais simples, existe uma

correspondência 1 para um entre os bits transportados e os elementos dos sinais.

Exemplo de codificações onde existe correspondencia 1-1 (NRZI) e 2-1 (Manchester)

Figura 11 - Número de elementos na sinalização de 1 bit

Bauds

Um baud é o número de símbolos (elementos) do sinal usados para

representar um bit.

No caso da figura 7, um 1 bit é representado por 1 baud na codificação

NRZI e 2 bauds na Manchester. Durante um baud, um símbolo é

enviado no canal. Quando um canal digital é amostrado, o número de

amostras por segundo é medido em bauds

Exemplo: Se voce tem um modem com taxa de 2400 bauds significa

que seu modem pode amostrar 2400 simbolos por segundo. Embora

isso possa parecer pouco, cada símbolo pode representar mais de um

bit, dependendo da modulação. Se o seu modem usa uma técnica

chamada QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), dois bits são

representados a cada alteração de fase.

Tarefas de um sistema de comunicação

Podemos listar as seguintes tarefas como sendo responsabilidade do sistema de

comunicação (Stallings, 2005):

Interfaces humano/maquina/maquina/humano

Geração do sinal

Sincronização

Detecção e correção de erros

Controle de fluxos

Endereçamento

Roteamento

Recuperação

Formatação das mensagens

Segurança

Gerência da rede

Sessão 2 - Largura de banda e atrasos

Largura de Banda A largura de banda (bandwidth) e o atraso (tempo necessário para que uma unidade

de informação percorra a rede desde a origem até o destino) são dois conceitos

fundamentais para analisarmos o desempenho de uma rede.

A largura de banda de um enlace pode ser definida de duas formas: fisicamente,

pode-se dizer que:

“é a faixa de frequências que pode passar pelo enlace com perdas mínimas”.

Por exemplo, para transmitir um sinal de voz na linha telefônica precisamos de uma

banda de 3000 Hz, pois a voz humana usa frequências de 300 a 3300 Hz.

A taxa de transmissão das interfaces (bits por segundo ou bps) normalmente é

confundida com largura de banda.

Sob essa óptica, uma interface fast ethernet (padrão IEEE 802.3u) teria uma banda

de 100 Mbps. Essa quantidade normalmente não é alcançada na prática, devido aos

problemas de implementação das tecnologias. A palavra “throughput” ou vazão,

normalmente é usada para definir o desempenho que um enlace fornece entre duas

interfaces. Por exemplo, um enlace de 10 Mbps poderia fornecer uma vazão de,

digamos, 4 Mbps, devido às deficiências de implementação.

Esse conceito de largura de banda provém da Física, e gera alguma ambigüidade

quando transportado para o universo computacional. Alguns autores denominam

largura de banda digital aquilo que seria correto chamar-se de taxa de transmissão

de bits (bit rate). A taxa de transmissão não se relaciona com o meio de

transmissão e sim com a capacidade da interface de rede, por exemplo 100 Mbps.

Em geral, qualquer forma de onda digital tem largura de banda infinita. Quando

tentamos transmitir essa onda como um sinal através de qualquer meio físico, o

sistema de transmissão irá limitar a largura de banda que pode ser transmitida.

Existe uma relação direta entre a taxa de transmissão e a largura de banda:

Quanto maior a taxa de dados de um sinal, maior é a largura

de banda necessária no canal de transmissão.

Atraso Atraso é o tempo necessário para que uma unidade de informação deixe a origem e

chegue ao destino.

O atraso pode ser decomposto em vários tipos, dependendo da localização do trajeto

que está sendo analisado. Basicamente, existem 5 tipos de atraso nas redes de

dados:

Propagação,

Transmissão,

Empacotamento,

Enfileiramento

e Processamento.

Eles serão analisados separadamente na próxima unidade. Quando somamos todos

esses atrasos, obtemos o Atraso Total fim a fim, que é o tempo despendido pela

informação entre dois nós da rede.

Quando analisamos o atraso total fim-a-fim podemos imaginar a informação

percorrendo uma tubulação como a da Figura 12.

A tubulação pode ser vista como um túnel por onde

trafegam os veículos em uma rodovia. O veículo

transporta a unidade de dados (motorista). O atraso nodal

total seria o tempo necessário para que o veículo deixasse

a origem e chegasse ao destino.

Figura 12 - O enlace como uma tubulação

Originados nas

interfaces

Podemos imaginar a largura do tunel como a banda disponível para a passagem da

informação. Quanto mais banda, mais furgões podem passar simultaneamente pelo

túnel. Note que aumentar a largura do túnel (mais banda) não significa tornar os furgões

mais rápidos. Significa apenas que mais furgões podem trafegar simultaneamente.

Existe uma abstração importante para imaginarmos o desempenho de um enlace. Se

multiplacarmos a banda pelo atraso, podemos ter a quantidade de bits que estão no canal

de comunicação em determinado instante.

O produto BANDAxATRASO indica quantos bits estão em um canal, antes de serem

recebidos na interface de destino.

Isso significa que, se a interface de destino detectar algum erro

e solicitar um cancelamento da transmissão, esses bits já estarão

no percurso entre as duas interfaces, o que pode gerar

problemas em redes de desempenho muito elevado.

Isso porque quanto maior o desempenho, mais bits estarão nesse trajeto.

Exemplo: em um canal de 50 Mbps com um atraso de 40 ms teremos:

50 X 106

bits/segundo X 40 X 10-3

segundos= 2.000.000 bits

Sessão 3 – Multiplexação

Multiplexar é transmitir sinais de várias sessões de comunicação em um meio físico

compartilhado. A técnica é muito útil para reduzir o numero de enlaces, que

normalmente possuem custos elevados.

Figura 13 - Sessões em enlaces individuais

Quando poucas sessões forem necessárias, o número de enlaces individuais não chega a

ser um problema. Mas muitas sessões significam muitos enlaces. Enlaces=s(s-1)/2

Exemplo: 100 estações= 100*99/2=4.950 enlaces

Figura 14 - Multiplexação - Sessões compartilhando enlace único. Fonte: Kurose & Ross, 2007

Os canais de comunicação podem ser multiplexados segundo 3 técnicas básicas:

Tempo (TDM ou Time Division Multiplexing) Nessa técnica, o canal de comunicação é divido em vários “slots” ou períodos de tempo.

Cada estação pode transmitir em um período, usando toda a frequência (banda)

disponível. Ou seja, limita-se o tempo de transmissão, libera-se a frequência plena do

canal.

Figura 15 - Time division multiplexing (Held, 1998)

Frequência (FDM ou Frequency Division Multiplexing) Nessa técnica ocorre o inverso da anterior: Limita-se uma faixa de frequencia para cada

estação, que pode então transmitir por periodos de tempo indefinidos . Um exemplo é a

transmissão de rádios em AM. Vários canais são alocados nas frequencias entre 500 e

1500 kHz. Cada estação de rádio usa uma faixa de frequencias, sem limites de tempo.

Figura 16 - Frequency Division Multiplexing. Fonte: Held, 1998

Comprimento de onda (WDM ou Wavelength Divison Multiplexing) Nessa técnica, cada estação irá transmitir em comprimentos de onda específicos, que

são filtrados ao passar pelo comutador.

Figura 17 – Wavelenght Division Multiplexing (Fonte: SUDHIR DIXIT, IP over WDM:

building the next-generation optical internet, 2003)

Características (http://www.gta.ufrj.br/grad/04_1/wdm/wdm.pdf )

•Flexibilidade de capacidade;

•Transparência a sinais transmitidos;

•Permissão de crescimento gradual da capacidade;

•Atendimento de demanda inesperada.

As técnicas de WDM

CWDM:Coarse WDM ou WDM esparso

•Multiplexação de até16 comprimentos de onda entre 1310 e 1610;

•Baixa Densidade -20 nm entre canais;

•Custo acessível

DWDM:Dense WDM;

•Multiplexação de até128 comprimentos de onda entre 1492.25 nm e1611.79 nm;

•Alta densidade -0,8 nm (100GHz) entre canais;

•Aplicações ponto a ponto

WWDM -Wide WDM;

Multiplexação de até 4 comprimentos na janela óptica de 1310 nm;

Suporte para fibras multimodo e monomodo;

Aplicações em LAN’s e protocolo 10 GE (10 GigabitEthernet).

Especificação 10GBase-LX4/LW4;

Utilização de duas fibras com WWDM;

Espaço de 24.5 nm entre canais.

U-DWDM: Ultra –DWDM;

•Multiplexação de até256 comprimentos de onda;

•Taxa de transmissão pode chegar a 40 Gb/s para cada canal;

•Espaçamento de 10 GHz (0,08 nm) entre canais.

WDMA -Wavelength Division Multiple Access;

•Pertencente à subcamada MAC (Media Access Control);

•Finalidade de alocação de canais de acesso múltiplo;

•Utilizado em LAN’s de fibra óptica.

O espectro do sinal é dividido em canais usando WDM;

•Atribuição de dois canais a cada estação de uma LAN:

-Canal de controle;

-Canal de dados;

•Canais divididos em grupos de slots de tempo.

As técnicas de multiplexação na camada óptica têm evoluído muito rapidamente.

Atualmente, pode-se polarizar os comprimentos de onda, fazendo com que diferentes

eixos transmitam informações de fontes diversas, o que amplia consideravelmente a

capacidade de transmissão nas fibras ópticas (fig xxx abaixo).

Fig xxx Polarização combinada com WDM. Fonte: WWW.necus.com

Sites de referencia: http://www.gta.ufrj.br/grad/04_1/wdm/wdm.pdf

Fibras ópticas -uma realidade reconhecida e aprovada: http://www.rnp.br/newsgen/0203/fibras_opticas.html

•Sistema de Transporte DWDM:http://www.poncedaher.com.br/papers/dwdm/ •DWDM e CWDM -Tecnologias para Alta Capacidade: http://www.rnp.br/_arquivo/wrnp2/2003/cwdm_dwdm.pdf

Sessão 4 – Codificação Os sinais se propagam através de um meio físico (enlaces, ou links). Os dados binários

que o nó de origem quer transmitir precisam então ser codificados em sinais, de modo

que os bits possam percorrer a distância até o destino. No destino, os sinais precisam ser

decodificados novamente em dados binários.

Os sinais, na prática, correspondem a duas voltagens diferentes nos fios de cobre ou

potências com níveis diferentes quando o meio é a fibra óptica.

Técnicas para codificar caracteres

4.1. Baudot

Em 1874, Jean-Maurice-Emile Baudot desenvolveu um conjunto de

códigos para representar os bits nos sistemas de telégrafos ou nos sinais de radio. Um

teclado de 5 teclas foi desenvolvido para a codificação. Em 1901, Donald Murray

implementou algumas modificações e tornou o código um padrão mundial, o

“ International Telegraph Alphabet 1 (ITA1)”, posteriormente substituído pelo ITA2.

Caracteres como o Line Feed (LF) possuem um código de 5 bits igual a 00010.

ITA2-code

Usar apenas 5 bits para representar os caracteres possui uma limitação

importante, pois só se pode representar 2^5 =(32) combinações (ou caracteres).

Funciona bem para alfabetos pequenos como o Inglês, mas não é o suficiente para

inserção de pontuações e caracteres de controle.

4.2. Binary Coded Decimal (BCD)

O código BCD usa uma série de 4 bits denominada nibble para representar

um número decimal, conforme a tabela abaixo:

Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

BCD 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001

Dessa forma, o número 1456 será representado pela seqüência 0001 0100

0101 0110. Embora a técnica eletrônica para os calculos seja bastante complexa, fica

fácil a conversão dos números em displays numéricos, por exemplo. Você verá mais

sobre a aplicação do BCD nas codificações 4B5B e 8B10B a seguir nessa seção.

4.3. American Standard Code for Information Interchange (ASCII)

Originalmente publicado em 1963, ASCII baseia-se em 7 bits para

representar os caracteres do alfabeto Inglês. Após várias revisões, o código ASCII

suporta agora 95 caracteres possíveis de imprimir e 33 caracteres de controle (um total

de 27 = 128). O código ASCII é agora a versão Norte Americana da norma ITU-T / ISO

646 conhecida como International Alphabet 5 (IA5).

International DP 94 00103 (ASCII)

4.4. Extended Binary Coded Decimal Interchange Code (EBCDIC)

Em 1964, a IBM criou o EBCDIC, o qual é um sistema de códigos de 8 bits,

projetado para substituir o BCD nos sistemas computacionais. Um byte EBCDIC é

dividido em 2 nibbles. Os primeiros 4 bits são denominados “zona” e representam a

categoria, ou classe do character. Os 4 últimos bits são chamados de “dígito” e

identificam um character específico. Diferentes países adaptaram o EBCDIC para seus

alfabetos próprios. Os chineses, por exemplo, usaram 16 bits no código, o que permitiu

representar os caracteres chineses (216

=65.536 combinações, parece o suficiente ) . A

IBM numerou os diferentes conjuntos de caracteres do mundo inteiro com um

identificador denominado Coded Character Set Identifier (CCSID).

4.5. Unicode

O Unicode é uma iniciativa para prover meios de padronizar os conjuntos de caracteres, de forma multilingual, para que os processos computacionais possam operar de forma unificada. Em 1991 o Unicode Consortium publicou a primeira versão do Unicode (em 2006 a versão Unicode 5.0 foi lançada).

Exemplos de Unicode:

UTF-7 — uma codificação de 7 bits considerada obsoleta.

UTF-8 — codificação de 8 bits, com tamanho variável, a qual maximiza a

compatibilidade com a codificação ASCII. É de uso comum e pode ser considerada de

fato um superconjunto da ASCII. O IETF usa a codificação Unicode UTF-8quando

determina os padrões suportados pelos protocolos de email e outros tráfegos na

Internet.

UTF-EBCDIC — uma codificação de 8 bits de tamanho variável, a qual maximize a

compatibilidade com a codificação EBCDIC.

UTF-16 — codificação de 16 bits, de tamanho variável. A UTF-16 é considerada de uso

comum.

UTF-32 — codificação de 32 bits, de tamanho fixo.

4.6. Sinalização dos canais

A responsabilidade de codificar o sinal e inserí-lo no meio físico é das interfaces de

rede. Cada interface tem uma tecnologia, e pode envolver uma série de protocolos.

Existem vários tipos de codificação. Por exemplo, para a tecnologia ethernet, uma

subcamada responsável pela sinalização irá gerar um código do tipo Manchester nas

taxas de 10Mbps em fios de cobre. A sinalização irá mudar para NRZI em taxas de

100Mbps nas Fibras ópticas. Você vai ver agora alguns detalhes a respeito de 6 das

principais técnicas de codificação e sinalização:

NRZ,

NRZI,

Manchester,

4B5B,

8B10B,

MLT3

4.6.1. Codificação NRZ

O nome é obscuro “Sem retorno ao zero”, ou “Non return to zero”. É a forma mais

simples de codificar sinais e por isso a mais utilizada. O mapeamento é feito

representando um bit um para os sinais de nível mais alto e um bit zero para os sinais de

nível mais baixo (Figura 18).

Figura 18 - Codificação NRZ (Fonte: http://www.interfacebus.com/NRZ_Definition.html)

A utilização dessa codificação possibilita mensagens compactas, com um mínimo de

transições entre os pulsos e uma resistência alta aos distúrbios eletromagnéticos

externos.

As interfaces que utilizam essa codificação possuem baixas taxas de transmissão de bits

por unidade de tempo. Exemplos são as interfaces RS-232 (taxas de 20 kbps,

especificada pela norma EIA/TIA-232) e a CAN (Controller área Network, especificada

pelas normas ISO 11898/11519). A figura 19 abaixo mostra a codificação NRZ sendo

utilizada para representar um byte na interface RS-232, com um bit de start e um bit de

stop.

Figura 20-Um byte em interface RS-232 codificado com NRZ (Fonte:

http://www.interfacebus.com/Design_Connector_RS232.html)

O problema com a NRZ é quando ocorre uma sequência

longa de bits zero ou um. O sinal permanece alto ou baixo

no enlace por um período muito longo, o que leva a uma

dessincronização das interfaces.

Foram criadas muitas variantes da NRZ para minimizar o problema das longas

seqüências de bits iguais:

NRZ-L: [Non-Return-to-Zero-Level]

NRZ-M [Non-Return-to-Zero-Mark]

NRZ-S [Non-Return-to-Zero-Space]

NRZ-C [Non-Return-to-Zero-Change Encoding]

NRZI [Non-Return-to-Zero-Inverted Encoding]

A variante mais utilizada é a NRZI, a qual veremos com mais detalhes a seguir.

4.6.2. Codificação NRZI

Essa codificação é denominada “sem retorno ao zero inversão no um” (non-return-to-

zero, invert-on-one) Funciona assim:

Os sinais 1 são alternadamente representados por um sinal alto ou baixo (Voce deve

lembrar que nas fibras ópticas o que muda é a intensidade do sinal para representar

zeros e uns).

Nenhuma alteração é feita no sinal para representar um zero.

Figura -21 - Codificação NRZI –( Fonte: High Speed LAN Technology Handbook

Dhiman D. Chowdhury, D. D. – 2000)

Com essa técnica, o problema de vários 1s seguidos fica eliminado, mas ainda existe

com uma seqüência de zeros. Usada em interfaces FDDI (Fiber Distributed

Data Interface - definida pela norma ISO 9314-1/2/3) e USB (Universal

Serial Bus – www.usb.org).

4.6.3. Manchester

Essa codificação é usada normalmente para transmitir em fios de cobre a taxas de 10

Mbps. Para cada 0 e 1 transmitido através do meio físico acontecem os seguintes

passos:

A representação do bit tem uma transição de voltagem no meio da

codificação.

Para um bit 1, a primeira metade é alta, e a segunda é baixa.

Para um bit 0, a primeira metade é baixa e a segunda é alta.

Exemplo: Transmissão de um byte 101111001

Figura 22 - Codificação Manchester –

(Fonte:http://www.elecfans.com/article/83/116/2009/2009012323164.html)

A codificação manchester sempre provoca uma alteração na voltagem, evitando a perda

de sincronismo mesmo em longas seqüências de zeros ou 1s.

4.6.4. 4B5B

Usada nas tecnologias Fast Ethernet, FDDI, Token Ring. Para cada conjunto de

nibbles (4 bits do Binary Coded Decimal - BCD) é inserido um 5º bit que evita

longas seqüências (tempo) sem alteração do sinal. O conjunto de 5 bits é

denominado 4B/5B Code-Groups

As opções de codificação foram feitas de forma que nenhum codigo de 5-bits possui

mais de 2 zeros consecutivos.

Name 4b 5b Description

0 0000 11110 hex data 0

1 0001 01001 hex data 1

2 0010 10100 hex data 2

3 0011 10101 hex data 3

4 0100 01010 hex data 4

5 0101 01011 hex data 5

6 0110 01110 hex data 6

7 0111 01111 hex data 7

8 1000 10010 hex data 8

9 1001 10011 hex data 9

A 1010 10110 hex data A

B 1011 10111 hex data B

C 1100 11010 hex data C

D 1101 11011 hex data D

E 1110 11100 hex data E

F 1111 11101 hex data F

Q -NONE- 00000 Quiet (signal lost)

I -NONE- 11111 Idle

J -NONE- 11000 Start #1

K -NONE- 10001 Start #2

T -NONE- 01101 End

R -NONE- 00111 Reset

S -NONE- 11001 Set

H -NONE- 00100 Halt

Veja animação da codificação 4b5b associada a NRZI em:

http://www.frontiernet.net/~prof_tcarr/4B-5B/applet.html#APPLET

4.6.5. 8B10B

Na codificação 8B10B os dados são analisados e convertidos para grupos de códigos de

10 bits . O conjunto de 8 bits (octeto) de dados é em dois conjuntos: os 3 bits mais

significativos e o segundo grupo contém os 5 bits restantes.

A sequencia máxima de 0 e 1 permitida pela técnica é de 5x0 & 5x1 ou 4x1 & 6x0 ou 6x1

&4x0, com o intuito de manter a sincronização das interfaces

O uso de10 bits de transmissão para cada 8 bits de dados reduz significativamente a taxa

de transmissão dos dados no enlace. Por exemplo, se você deseja transmitir os dados em

uma taxa efetiva de 1 Gbps, a taxa da interface deve ser pelo menos 10/8=1,25 Gbps.

4.6.6. MLT-3 Signals

Multi-Level 3 encoding (MLT-3) é uma tecnica de sinalização eficiente que foi

introduzido pelo CDDI e adotado pelo 100BASE-TX (IEEE 802.3u em par

trançado UTP). Requer menos banda que a sinalização NRZI usada pelo FDDI

e 100BASE-FX. Isso ajuda bastante, porque o UTP cat 5 realmente tem menos

banda que a fibra óptica

Como a NRZI, a tecnica MLT-3 faz uma transição para cada bit 1 e permanence a

mesma para os bits 0. Entretanto, as transições são feitas em 3 níveis de sinais. O sinal

muda um nível por vez, como segue:

1. Low to middle

2. Middle to high

3. High to middle

4. Middle to low

O resultado é que o número de transições entre os níveis alto e baixo de voltagem fica

reduzido. Isso se traduz em freqüências menores, tornando possível colocar 100Mbps

em cabos de categoria 5 .

A Figura 23 mostra a codificação de um string binario 11010001 pela MLT-3. Os níveis

medio, alto e baixo podm ser representados por [-, 0, +] ou [-1, 0, and 1]

Figura 23 - Codificação MLT3 Fonte: Held, 1998

A MLT-3 apresenta o mesmo problema da NRZI para longas repetições de 0, o que

pode gerar uma perda do tempo de bit no lado do receptor. A solução encontrada foi a

mesma: A cada 4-bit nibble é convertido em 5-bit code-group usando a tradução

4B/5B. A combinação da 4B/5B e dos sinais MLT-3 possibilita transmitir a 100 Mbps

em enlaces com 31.25MHz de banda.

4.7. Modulação

Os sinais digitais devem ser modulados para transporte nos meios analógicos. A

situação mais comum aqui é usar a linha de telefonia para enviar dados através de um

Modem (Modulador/Demodulador). A modulação é a alteração do sinal para marcar a

troca do bit. O número de amostras do canal digital é medido em bauds. Cada baud

contém um símbolo

As técnicas mais freqüentes

são

Figura 24:

Modulação de amplitude

Modulação de frequencia

Modulação de fase

Figura 24 - Técnicas de modulação. Fonte: Stallings 2005

4.1.1. Amplitude

Em ondas, é a maior das distâncias que uma onda atinge de

sua posição média. Quanto maior a energia da onda, maior a

sua amplitude

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Nesta forma de modulação, os símbolos são mapeados em um diagrama de fase e

quadratura, sendo que cada símbolo apresenta uma distância específica da origem do

diagrama que representa a sua amplitude, diferentemente da modulação PSK, na qual

todos os símbolos estão a igual distância da origem. Isto significa que as informações

são inseridas nos parâmetros de amplitude e quadratura da onda portadora.

4.1.2. PSK (Phase Shift Keying)

O PSK é uma forma de modulação em que a informação do sinal digital é embutida nos parâmetros

de fase da portadora. Neste sistema de modulação, quando há uma transição de um bit 0 para um bit 1

ou de um bit 1 para um bit 0, a onda portadora sofre

uma alteração de fase de 180 graus. Esta forma de particular do PSK é chamada de

BPSK (Binary Phase Shift Keying).Quando não há nenhuma destas transições, ou seja,

quando bits subseqüentes são iguais,

a portadora continua a ser transmitida com a mesma fase.

Esta variação de fase em função da transição de bit do sinal é ilustrada na figura a seguir

4.1.3. FSK (Frequency Shift Keying)

A modulação FSK atribui freqüências diferentes para a portadora em função do bit que

é transmitido. Portanto, quando um bit 0 é transmitido, a portadora assume uma

freqüência correspondente a um bit 0 durante o período de duração de um bit. Quando

um bit 1 é transmitido, a freqüência da portadora é modificada para um valor

correspondente a um bit 1 e analogamente, permanece nesta freqüência durante o

período de duração de 1 bit, como mostrado na figura a seguir.

Alternativamente, podem-se, por exemplo, utilizar 4 freqüências de transmissão

diferentes, cada uma delas correspondendo a 2 bits. Este modo é chamado de 4FSK. Isto

aumentaria a taxa de bits transmitidos, mas em contrapartida aumenta também a banda

de freqüência de transmissão utilizada.

A modulação FSK apresenta o inconveniente de ocupar uma banda de freqüência

bastante alta, devido a estas variações bruscas de freqüência em função da transição de

bits, além possibilitar taxas de transmissão relativamente baixas.

4.2. Conceitos importantes:

Vários conceitos importantes na transmissão dos dados ficam confusos, devido a grande

quantidade de informações necessárias ao entendimento do assunto. Você deve lembrar

de alguns:

Largura de banda: (Bandwidth):

o Faixa de frequencia possível de transmitir em um enlace. É uma propriedade física

do meio, medida em Hz.

Baud

o Quantidade de amostras por segundo. Cada amostra envia um símbolo.

Símbolo

o Como um bit pode ser representado (depende da modulação). A modulação

determina o numero de bits por símbolo.

Taxa de bits

o Quantidade de bits possíveis de inserir em um enlace, por unidade de tempo.

Numero de simbolos por segundo vezes numero de bits/simbolo.

Sessão 5 – Os meios físicos e problemas dos sinais Nesta seção você verá quais os principais meios usados para transmitir os sinais, e

também os problemas que os pobres bits enfrentam para percorrer as distâncias entre a

fonte e o destino.

Na nossa analogia da rodovia, os meios físicos são

correspondentes as vias de transporte, por onde trafegam

nossos veículos (frames de camada 2).

Os meios físicos servem de substrato para a propagação dos bits, convertidos em sinais

eletromagnéticos ou pulsos ópticos. Os bits se propagam entre uma interface de origem

e uma de destino. Numa interconexão de redes, como é a Internet, podemos ter vários

pares transmissor/receptor entre o ponto inicial (fonte) e o final (destino). Entre cada par

transmissor/receptor, os meios físicos podem assumir diferentes formas.

Os meios físicos podem ser dividos em 2 grupos: Guiados e não guiados

Guiados (guided)

a) Fios de cobre 1. UTP – Unshilded Twited Pair ou Par trançado não blindado.

Os fios são trançados em pares. Cada par consiste de um fio usado par os sinais

positivos e outro para os negativos. Qualquer ruído que ocorra em um dos fios do par irá

aparecer no outro também. Como eles estão com polaridades contrárias, possuem 180

graus de deslocamento de fase, o que cancela o ruído na extremidade receptora.

Figura 25 – UTP

2. STP – Shilded Twisted Pair - Par trançado blindado.

O grau de redução da interferência é determinado pelo

número de trançagens por unidade de comprimento.

Para melhorar a rejeição aos ruídos, uma malha

recobre os pares de fios que estão trançados.

Figura 26 - STP - Par Trançado Blindado

O revestimento pode ser em pares individuais e em

torno de todos os pares, ou somente em torno de todos

os pares em conjunto (Screened Twisted Pair)

Figura 27 – ScTP – Screened Twisted Pair

Mais informações sobre cabeamento de par trançado:

http://www.siemon.com/us/standards/default.asp#OUTLET

Cabeamento estruturado

Electromagnetic Interference Voice and data telecommunications cabling should not be run adjacent and parallel to power cabling – even along short distances – unless one or both cable types are shielded and grounded. For low voltage communication cables, a minimum 5-inch distance is required from any fluorescent lighting fixture or power line over 2 kVA =5*2,45=12,25 cm and up to 24 inches from any power line over 5 kVA*. = 24*2,45 cm= 58,8 cm In general, telecommunications cabling is routed separately, or several feet away from power cabling. Similarly, telecommunications cabling is routed away from large motors, generators, induction heaters, arc welders, x-ray equipment and radio frequency, microwave or radar sources. *Note: Distance recommendations from (1990) TIA/EIA-569 are reproduced

here by popular request. For current recommendations, refer to NEC/NFPA 70, Article 800-52. Distancias máximas: segmento de 90 m, 5 metros para conectar a estação na tomada da parede e mais 5 metros para conectar o path pannel no switch

3. Cabos Coaxiais

Consistem em um condutor cilíndrico externo oco que circunda um conjunto interno

feito de dois elementos condutores. Um condutor de cobre, no centro. Circundando-o,

há uma camada de isolamento flexível (insulator) - Figura 28. Sobre esse material de

isolamento, há uma malha de cobre ou uma folha metálica (shield) que funciona como o

segundo fio no circuito e como uma blindagem para o condutor interno.

Essa segunda camada, ou blindagem, pode ajudar a reduzir a quantidade de interferência

externa. Cobrindo essa blindagem, está o revestimento do cabo (jacket).

Figura 28 – Cabo Coaxial

b) Cabos de Fibras ópticas As fibras ópticas consistem de fibras de vidro ou polímeros de carbono (mais atuais)

que transportam sinais a altas freqüências em volta do espectro de luz visível. O tubo de

vidro central é denominado de Núcleo, tipicamente com 62,5 microns (1 micron = 10-6

metros). Em volta do núcleo, um envoltório (cladding) também de vidro, em camadas

concêntricas, para evitar a perda dos feixes luminosos. Esse envoltório possui 125

microns de diametro. Uma fibra com essas medidas núcleo/casca é dita 62,5/125. Em

volta da casca existe um protetor de plástico. Nas fibras, a freqüência das ondas como

medida de banda dá lugar ao comprimento de onda, medido em nanômetros ou

bilionésimos de metros.

Figura 29 -Cabo de Fibra óptica

Indice de refração da luz

Envia sinal de luz codificado, na freqüência do infravermelho (1012 a 1014

Hz) • Utiliza o Índice de refração da luz para enviar o sinal. • O índice de refração é a diferença entre a velocidade da luz no vácuo e em outro meio (usamos o ar como ~1).

Quando a luz passa de um meio para outro com índice de refração menor, • O ângulo do feixe de luz com a normal aumenta. • Após um determinado ângulo crítico de incidência, • os feixes não são refratados, mas refletidos.

Tipos de fibra

Dois tipos básicos de fibra: Multimode (MMF) e Singlemode (SMF)

Características das fibras Multimdo: (Muitos feixes luminosos)

Fonte luminosa: LED (Light Emitting Diode)

Atenuação 3.5 dB/Km (perde 3.5 dB de potencia no sinal por quilometro)

Comprimento de onda da fonte luminosa: 850 nM

Dimensões diâmetros nucleo/casca: 62.5/125

Características das fibras Singlemode: (Um feixe luminoso)

Fonte luminosa: Laser

Atenuação 1 dB/Km

Comprimento de onda da fonte luminosa 1170 nM

Dimensões diâmetros nucleo/casca: 9/50

Comparação entre as fones de luz para os cabos de fibra:

Vantagens dos cabos de fibra:

Imunidade a interferências

a) RFI - Radio Frequency Interference

b) EMI -Electromagnetic Interference

Grande capacidades de banda

Imune a corrosão

Atenuação bem menor que o cobre

Ocupa menos espaço

Suporta taxas de transmissão maiores

Desvantagens dos cabos de fibra:

Curvas limitadas (pode quebrar facilmente)

Preço (compensador em altas taxas)

Dificuldade de emendar

1. MMF

2. SMF

Figura 30 - Tipos de fibra

Figura 31 - Conectores tipo ST

Figura 32 - Conectores tipo SC e Duplex

Name Dupl

ex

Size

(RJ45

Relati

ve)

Picture

ST (Lucent) Half 200%

Name Dupl

ex

Size

(RJ45

Relati

ve)

Picture

SC

(EIA/TIA568) Half 200%

FC/PC Half 200%

SMA Half

D4 Half

Name Dupl

ex

Size

(RJ45

Relati

ve)

Picture

LC (Lucent) Half 100%

MU Half 100%

MT-RJ Full 100%

SC-DC/SC-QC

(Siecor nowCorning &

IBM)

Full 100%

Volition VF-

45(3M) Full 100%

Name Dupl

ex

Size

(RJ45

Relati

ve)

Picture

TIA FOCIS-6

"Fiber Jack"

(Panduit Opti-

Jack)

Full 100%

MTP/MPO

(USCONEC &

Molex)

Multi-

fiber (4-

12)

E2000

Name Dupl

ex

Size

(RJ45

Relati

ve)

Picture

SMC

Biconic

MPX (AMP/Tyco)

Multi-

fiber (Up to

12)

OGI (3M) Multi-

fiber

Name Dupl

ex

Size

(RJ45

Relati

ve)

Picture

ESCON -

Enterprise

Systems

CONnection

(IBM)

Full

FDDI - Fiber

Distributed

Data Interface

(ANSI)

Full

Comparison of Small Form Factor Connectors A - SC-DC B - LC C - MT-RJ D - Duplex SC E - Volition F - Fiber-Jack

Meios físicos Não guiados (unguided)

Essas formas de transportar sinais não necessitam conexão direta

entre uma estação e outra. Os canais de comunicação são criados

usando-se as frequências do espectro eletromagnético (Tabela 1).

1. Rádio freqüência

Ondas terrestres – Propagam-se limitadas pela altura da atmosfera, e seguem a curvatura do globo

(Figura 33). Ondas de rádio, frequencias menores (VLF, LF, MF na Tabela 1). São

omnidirecionais, ou seja, propagam-se em todas as direções a partir da estação de

transmissão.

Figura 33 - Ondas terestres - Baixas frequencias

Reflexão na Ionosfera (Sky waves)

o Possuem alcance maior, as frequencias são elevadas (HF, VHF, UHF...)

Figura 34 - Reflexão na Ionosfera - Frequencias elevadas

Name Frequency (Hertz) Examples

Gamma Rays 1019

+

X-Rays 1017

Ultra-Violet Light 7.5 x 1015

Visible Light 4.3 x 1014

Infrared Light 3 x 1011

EHF - Extremely High

Frequencies

30 GHz (Giga = 109) Radar

SHF - Super High Frequencies 3 GHz Satellite & Microwaves

UHF - Ultra High Frequencies 300 MHz (Mega = 106) UHF TV (Ch. 14-83)

VHF - Very High Frequencies 30 MHz FM & TV (Ch2 - 13)

HF - High Frequencies 3 MHz2 Short Wave Radio

MF - Medium Frequencies 300 kHz (kilo = 103) AM Radio (535 a 1705 kHz)

LF - Low Frequencies 30 kHz Navigation

VLF - Very Low Frequencies 3 kHz Submarine Communications

VF - Voice Frequencies 300 Hz Audio

ELF - Extremely Low

Frequencies

30 Hz Power Transmission

Tabela 1 - Freqüências do espectro eletromagnetico

Radio Frequencias – As

frequencias maiores (Very,

Ultra, Super, Extremely)

receberam esses nomes porque

ninguém esperava que fossem

descobertas frequencias

maiores que 10Mhz (HF).

2. Micro-ondas LoS- Line of sight (linha de visada) A transmissão por micro-ondas (Microwave

transmission) comporta-se de forma diferente da

radiofreqüência normal. A transmissão é direcional, e

precisa de uma linha de visada (as estações devem ser

visíveis de uma para outra)- Figura 35.

Figura 35 - Propagação na linha de visada (maximo 50 kilômetros, devido a curvatura do

globo)

Em casos onde não existe linha de visada, devem-se

inserir repetidores (Figura 36).

Figura 36 - Estações sem linha de visada usando repetidores

As micro-ondas operam em freqüências muito altas, entre 3 a 10 (10^11 possiveis

atualmente) GHz. Isso permite que transportem grandes quantidades de dados, pois a

largura de banda é alta.

Vantagens:

a. Muita largura de banda.

b. Torres pequenas, ocupam pouca area na terra

c. Frequencia alta e baixo comprimento de onda, requerem antenas pequenas

Desvantagens:

a. Atenuação por objetos sólidos: Chuva, pássaros, neve, fumaça

b. Refletida em superficies planas (agua, metais)Reflected from flat surfaces like water

and metal.

c. Difração em volta de objetos sólidos.

d. Refração na atmosfera, causando projeção do sinal além do recptor.

e. Regulamentadas, é necessário adquirir licença de uso.

Existem acordos internacionais e nacionais para

prevenir o uso caótico do espectro. Como todos

querem mais banda, as frequencias são

cobiçadas. Esses acordos determinam as faixas

de frequencia das rádios (AM, FM), TVs e

celulares. São regulados também os usos das

companias telefônicas, polícias, navegações,

militares. O ITU-R é o responsável pelas

regulamentações internacionais, embora alguns

países possuam regras conflitantes.

Equipamentos que operam em um país podem

ser barrados em outros.

(Stallings, 2005)

3. Laser O uso de laser para transportar dados está bem difundido pois possui grande banda , é

uniderecional e não está na faixa regulamentada. O laser não se propaga corretamente

com chuva, neve, névoa ou fumaça. Uma grande aplicação do laser é na conexão de

redes locais entre dois prédios. Relativamente barato e fácil de instalar, apesar de ser

difícil de focar o fotoreceptor se as distâncias forem grandes.

4. Infra vermelho A faixa do infra-vermelho é largamente usada para transmissão de dados em curta

distância. Os conrole-remotos dos equipamentos domésticos (TV, DVD, Players de toda

espécie) utilizam ondas na frequencia do infravermelho. É um método barato e

relativamente unidirecional. Não ultrapassa paredes sólidas, o que é uma vantagem. A

vizinha não pode trocar seu canal de futebol, ou baixar o volume do seu MP3 player.

5. Satélite

http://ctd.lerc.nasa.gov/rleonard/

Na sua concepção mais rudimentar, poderíamos ver um satelite artificial como um repetidor

de micro-ondas no céu. Vários transponders ficam ouvindo uma faixa própria do espectro,

amplificam o sinal que está chegando (uplink) e retransmite em outra frequencia, para evitar

interferência no sinal que está chegando.

Em geral, quando os comprimentos de

onda ficam menores, o comportamento

das ondas se aproxima mais da luz e se

afasta do comportamento das ondas de

rádio.

O sinal de descida (downlink) pode ser amplo, cobrindo uma superficie ampla do planeta,

ou estreito, cobrindo uma area de apenas centenas de quilometros de diametro.

A altiude do satélite determina uma série de fatores que influenciam no desempenho da

tecnologia. Existem três grande grupos em função dessa altitude: Os GEO, os MEO e os

LEO .

Figura 37 - Altitudes, atrasos e número de satélites necessários conforme o tipo (2º. Tanembaum,

2004)

Geo- São os satélites colocados em órbita sobre a linha do equador, em uma altitude de

35.800 km, a qual corresponde a uma volta em torno da superfície do planeta a cada 24

horas, permitindo que o satélite pareça estacionário quando observado da Terra. Como

cada equipamento precisa de 2 graus de distância do outro para evitar interferências,

temos apenas 3600/2=180 vagas no espaço.

Figura 38- Satelite geoestacionário/geossincrono

Os sistemas GPS usam os satélites MEO – a 17000 Km, com 24 satelites.

MEO: Mediam Earth Orbit, são os satélites de órbita média, situam-se entre 6.000 e

15.000 kilometros de altitude. È nessa classe que estão os satélites dos sistemas GPS,

que identificam o posicionamento de uma estação móvel na superfície do planeta com

uma precisão muito grande. Têm uma latência (atraso) de 35 a 85 ms e são necessários

10 satélites para fazer a cobertura plena do globo.

LEO: Low Earth Orbit (Baixa órbita terrestre) Como movem-se muito rapidamente,

são necessários muitos deles (50 ou mais) para uma cobertura ampla. Por outro lado,

como estão próximos da superfície (até 5000 Km) o retardo é baixo ( 1 a 7 ms).

Problemas dos bits nos meios físicos

São vários os problemas que os miseráveis sinais irão encontrar nos meios físicos, que

impõe barreiras ao funcionamento da rede. Os principais são os atrasos, os ruidos, a

atenuação e a dispersão.

Atrasos

Nas redes de dados (comutação por pacotes, veja seção xxxx), podem existir muitos

fatores de atraso na chegada dos sinais. Kurose e Ross destacam 4 tipos principais de

atrasos: Propagação, Transmissão, Fila e Processamento. Pode-se acrescentar ainda o

atraso de “empacotamento”, o qual ocorre no momento da amostragem dos sinais

analógicos que serão então digitalizados. Embora os atrasos sejam prejudiciais na

maioria das situações, as variações dos atrasos entre um pacote e outro podem ser bem

mais problemáticos. Tais variações dos atrasos são denominadas “Jitter”, no universo

das telecomunicações, e “Packet Delay Variation” (PDV, ou “variação do atraso dos

pacotes”) no prisma da transmissão de dados através da Internet.

Atenuação

(By Tanembaum4a. ed)

Erro Erros são introduzidos pelos demais problemas na transmissão do sinal, como ruídos e

dispersões. Normalmente são usadas técnicas de detecção, mas não de correção. Como

os dados para detectar um erro são enviados em conjunto com as informações, não se

pode ter certeza que tais dados estejam totalmente corretos no momento do

recebimento. Por exemplo, o transmissor envia uma sequencia Dados-verificação,

representados por DV. O receptor vai receber uma sequência D’V’. Perceba que o

parâmetro de verificação V’ pode ser diferente do V original.

Ruído

É uma adição não desejada aos sinais eletromagnéticos, ópticos e de voltagem.

Nenhum sinal elétrico é sem ruído. O importante é manter a razão sinal-ruído (S/R) o

mais alta possível.

sinal

ruído

Figura 39 - Ruido e a conjunção com o sinal

Dispersão

A dispersão acontece quando o sinal se espalha com o tempo. É causada pelos tipos de

meios envolvidos. Se acontecer com alguma intensidade, um bit pode interferir no

próximo bit e confundí-lo com os bits anteriores e posteriores.

Figura 40 - Dispersão do sinal

Pode ser

interpretado

como 1

Distorção

A distorção ocorre pelas influencias diferenciadas do meio em cada frequência do sinal

sendo transmitido

Distorção do sinal em um canal de transmissão. Fonte: Held, 1998

Fig xxx- Sensibilidade das aplicações em relação as variáveis de QoS (qualidade de

Serviço) de uma rede de dados. Fonte: Tanembaum, 2004

Fig xxx Jitter representado como proporção de pacotes com atrasos. Fonte: Tanembaum, 2004

Fonte: http://www.siemon.com/br/whitepapers/10G-Assurance.asp

Para saber mais

Redes em geral e TCP/IP:

http://members.tripod.com/%7eVBKumar/networking.html

Cabos: http://www.siemon.com/br/

Alocação de frequencias do spectro:

http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.html

Multiplexação

http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Multiplexing

Satélites:

http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/

http://www.sia.org/

Chegou o momento de testar os conhecimentos. Vamos lá, procure não chutar.

Atividades de Auto-Avaliação – Unidade 2 Marque V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas

1)Quanto aos sinais, podemos afirmar que:

[ v ] Um sinal é um fenômeno físico, e na transmissão de dados representa os bits

[ f ] Os sinais analógicos são descontínuos, discretos

[ f ] Nos sinais digitais a intensidade é constante e não se altera

[ v ] Na codificação NRZI um sinal corresponde a um bit

[ v ] Geração do sinal, detecção de erros e sincronização são tarefas do sistema

de comunicação

2) Quanto a largura de banda, podemos afirmar que:

[ v ] Largura de banda pode ser definida com quantidade de sinal possível em um

meio físico

[ f ] O atraso é uma medida da quantidade de bits no canal de comunicação

[ v ] Quando multiplicamos a banda pelo atraso, obtemos a quantidade de bits no

canal de comunicação

[ v ] As vazões em um canal nem sempre correspondem a banda disponível

[ f ] A taxa de transmissão de um interface (por exemplo, fast ethernet com 100

Mbps) não pode ser considerada largura de banda

3) Quanto a multiplexação dos canais, podemos afirmar que:

[ f ] Multiplexar é aumentar a banda

[ f ] Uma divisão do canal em ferequencias diferentes limita o tempo de

transmissão das estações

[ f ] A técnica TDM consome mais tempo que a FDM

[ v ] As fibras ópticas podem ter vários canais virtuais se usamos técnicas WDM

[ v ] A técnica TDM limita o tempo de cada estação

4) Quanto as técnicas de codificação dos sinais podemos afirmar que:

[ v ] A técnica NRZ apresenta problemas com longas sequencias de sinais

repetidos

[ f ] A técnica NRZI evita os problemas com muitos zeros repetidos

[ v ] A técnica Manchester sempre inverte o sinal, mesmo dentro do mesmo bit

[ f ] Nas fibras ópticas a variação do tempo determina a codificação

[ v ] Nas interfaces ethernet, os códigos são NRZI a taxas de 100 Mbps e

Manchester nas taxas de 10 Mbps

5) Quantos aos meios físicos e problemas dos sinais, podemos afirmar que:

[ f ] As fibras são mais rápidas que os fios de cobre

[ v ] As fibras possuem mais banda que os fios de cobre

[ v ] os fios de cobre atenuam mais que as fibras ópticas

[ v ] Os satélites possuem retardos elevados, mas grandes coberturas

[ f ] O infravermelho passa paredes de alvenaria, e as microondas não passam

[ v ] A dispersão é um problema que pode sobrepor os sinais representando bits

diferentes