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Redes de Computadores

Transmissão de dados

Escola Superior de Tecnologia e Gestão

Instituto Politécnico de Bragança

Abril de 2006

Transmissão de dados Redes de Computadores 2

Códigos de caracteres

• A informação é manuseada em blocos de 8 bits (bytes ou octetos) ou múltiplos (palavras)

• A unidade de comunicação (estrutura) mais elementar presente ainda hoje em muitos sistemas de comunicação é o caracter– Nesses casos são usados códigos (e.g. ASCII) que para além da representação de dados alfa-numéricos (equivalência bits ↔ caracteres) incluem caracteres que suportam funções associadas ao processo de comunicação e organização dos dados

– Em códigos de caracteres baseados em 7 bits o 8º éusado como bit de paridade

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Transmissão em paralelo• Bits compondo uma palavra de dados são conduzidos

simultaneamente ao longo de um conjunto de canais– sendo um canal para cada bit

– Exemplos:

• Comunicação entre CPU e memória

• Computador e impressora

F F

O O

N N

T T

E E

D D

E E

S S

T T

I I

N N

O O

TERRA (sinal de referência)TERRA (sinal de referência)

8 bits (dados)8 bits (dados)


Transmissão em série/paralelo

• Os n bits são

serializados um a

um para o canal

de transmissão

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Transmissão em paralelo vs. série

• Vantagens

– Velocidade de transmissão é n vezes superior• Exemplo: transmissão de um byte (paralelo) demora tanto como a de um bit (série)

• Desvantagens

– Indicada apenas para pequenas distâncias• Custo dos canais de transmissão são elevados

• Problemas de skew (desfasamento/desvio na recepção com emissão em simultâneo), derivados de diferenças físicas entre os condutores agravam-se com a distância


Conversão paralelo ↔ série

• USART (Universal Synchronous/ AsynchcronousReceiver Transmitter)

• Desempenha adicionalmente funções de sincronização e detecção e correcção de erros

Emissor

Receptor

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Sincronizações necessárias

• Para que o receptor consiga interpretar

correctamente a sequência de bits que recebe,

necessita de determinar inequivocamente:

– O início de cada célula temporal correspondente a um

bit por forma a poder fazer a amostragem do sinal mais

ou menos a metade desse intervalo de tempo –

sincronização ao bit ou sincronização de relógio

– O início de cada caracter/byte – sincronização ao

caracter

– O início de cada bloco/quadro de caracteres –

sincronização ao quadro


Transmissão em série• Um problema fundamental da comunicação série é a manutenção de

sincronismo entre o transmissor e o receptor:– e se houver uma sequência de 0’s ou de 1’s muito longa?

• Essencialmente usam-se duas soluções:– comunicação síncrona: transmitir o sinal de relógio:

• ou numa linha separada

• ou juntamente com os bits a transmitir

– comunicação assíncrona: transmitir outros elementos de sincronização

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Transmissão em série assíncrona

• A designação Transmissão Assíncrona traduz factos relacionados– a ocorrência irregular (assíncrona) dos caracteres enviados de forma independente• Método adequado quando os dados a transmitir são gerados de uma forma intermitente

– a inexistência de uma referência temporal comum ao emissor e receptor, isto é, o relógio do receptor éindependente do do emissor (embora deva ter a mesma frequência nominal)

– A necessidade que cada caracter seja tratado independentemente em termos de sincronização pelo que o receptor resincroniza-se no início da recepção de cada caracter


Transmissão em série assíncrona (2)

• O sincronismo de bit realiza-se com base na sincronização de caracter– Caracteres são enviados um a um com intervalos variáveis entre si

– Na ausência de transmissão (idle) o nível de sinal mantém-se constante (1 lógico)

– Cada caracter é precedido de um bit (Start bit) com o valor lógico 0

– A transição 1→0 produzida pelo Start bit indica o início do caracter (sincronismo de caracter) e fornece a referência de fase para o relógio do receptor

• Os bits subsequentes são recuperados por amostragem a partir do Start bit

• O caracter é seguido de Stop bits (valor lógico 1) para permitir distinguir o próximo Start bit, mesmo que não haja intervalo idle entre caracteres

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Transmissão em série assíncrona (3)

• No receptor a palavra recebida no registo SIPO poderáser sujeita a um mecanismo de detecção/correcção de erros antes de ser armazenada em memória

• Este método de transmissão não requer elevada precisão na frequência de relógio do receptor– Basta garantir o sincronismo de bit durante um caracter, pois o

processo de sincronização recomeça com o início do caracterseguinte

– Para garantir o sincronismo de bit durante um caracter énecessário que o relógio do receptor esteja sincronizado em fase com o Start bit, o que não é fácil de garantir dado o facto de o relógio ser gerado independentemente dos dados

– O problema da sincronização de fase pode ser minimizado usando um relógio com uma frequência múltipla da frequência nominal (e.g. 8 ou 16 vezes)


Sincronização ao bit

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Sincronização ao bit (2)

• Os relógios do emissor e receptor (TxC e RxC) não se encontram sincronizados

• A recepção só será bem sucedida se a amostragem do sinal RxD for feita aproximadamente a meio do bit do sinal RxD

• O receptor deve usar um relógio com frequência N vezes superior (tipicamente N=16) à do relógio do emissor

• O start bit é amostrado decorridos não mais que N/2 ciclos do relógio de recepção, após a transição 1→0

• Os restantes bits são amostrados de N em N ciclos do relógio de recepção, após amostragem do start bit

• Quanto maior a frequência de RxC relativamente a TxC maior a exactidão da amostragem na recepção


Sincronização ao caracter

• O dispositivo de recepção deve estar configurado para trabalhar com o mesmo número de bits por caracter e stop bits que o dispositivo de emissão

• Depois de detectado o start bit, a sincronização ao caracter é conseguida contando o número de bits amostrados previstos por caracter e confirmando a presença dos stop bits previstos

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Sincronização ao quadro

• Necessária quando a mensagem tem vários caracteres

• Consegue-se “encapsulando” a sequência de caracteres entre dois caracteres especiais, não imprimíveis: start-of-text (STX) e end-of-text (ETX)

• E se existe possibilidade de transmissão dos caracteres delimitadores no interior do próprio quadro? (Ex.: transmissão binária de um ficheiro)– Solução: Byte stuffing – antecedem-se os delimitadores de início (STX) e fim (ETX) por outro caracter especial (Data Link Escape - DLE) e duplicam-se todos os caracteres DLE interiores


Sincronização ao quadro (2)

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Caracterização• Simples e económico

• Ineficiente– Start e Stop bits introduzem um overhead de 2 a 3 bits por caracter

• A precisão do método não é adequada para transmissão de blocos de dados (tramas) com número elevado de bits (devido à sobrecarga representada pelos Start bits e Stop bits )

• O método é apenas aceitável para transmissão a baixa velocidade e a pequena distância (devido àreduzida imunidade ao ruído e à elevada susceptibilidade a erros de amostragem –“deslizes” nos instantes de amostragem)


Transmissão em série síncrona• Método mais adequado à transmissão de grandes quantidades de

dados a débitos mais elevados e grandes distâncias – mais eficiente

• Blocos/quadros completos de caracteres transmitidos como uma sequência ininterrupta de bits, sem pausa entre os caracteres

• Entre dois quadros sucessivos é transmitido o caracter SYN (synchronous iddle) que permite (re)adquirir a sincronização ao bit e caracter entre emissor e receptor

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Sincronismo entre emissor e receptor

• Durante todo o tempo de recepção do quadro:

– Sequência de bits codificada com sinal de relógio de forma a permitir sincronismo entre emissor e receptor – sincronismo ao bit

– Todos os quadros precedidos de um ou mais caracteres reservados de forma a determinar a fronteira dos caracteres (sequência de bits) –sincronização ao caracter

– Cada quadro encapsulado num par de caracteres delimitadores especiais - sincronização ao quadro



• Codificando a informação de sincronização

no próprio sinal transmitido, ou

• Utilizando um relógio na recepção (como na

transmissão assíncrona) mas desta feita

assegurando a sua sincronização com o

relógio de emissão através de uma DPLL, ou

• Esquemas que combinem as duas

abordagens anteriores

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Codificação de informação de

sincronização (1)• Codificação bipolar

– Bit 1 → pulso positivo

– Bit 0 → pulso negativo

– RZ (return-to-zero)

– Cada vez que o sinal deixa o nível zero gera-se um impulso no relógio local e efectua-se uma amostragem

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sincronização (2)• Codificação de Manchester

– Apenas dois níveis (NRZ)

– Bit 1 → transição ascendente

– Bit 0 → transição descendente

– Transição a meio da célula de bit aproveitada para gerar um impulso de relógio e efectuar a amostragem



sincronização (3)• Codificação de Manchester Diferencial

– Transição no início da célula de bit apenas se o próximo bit for 0

– Mantém-se a transição a meio da célula de bit, mas o impulso

correspondente do relógio de recepção só é gerado no início da

próxima célula, permitindo determinar o valor do bit com base na

observação ou não de uma transição no sinal recebido

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Transmissão Síncrona Orientada

ao Caracter• Usada, essencialmente, para transmissão de blocos de caracteres (ex: ficheiros binários ou de texto)

• Antes da transmissão de cada bloco são transmitidos dois ou mais caracteres do tipo synchronous idle (SYN). Permitem que o receptor:– obtenha e mantenha sincronização ao bit

– Interprete a sequência dos bits nos limites correctos do caracter, isto é, fornecem sincronização orientada ao caracter

• A sincronização ao quadro é conseguida através de um par de delimitadores STX-ETX (da mesma forma que na transmissão assíncrona)



ao Caracter (2)

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ao Caracter (3)• Uma vez obtida sincronização ao bit, o receptor entra no

“modo de busca” (hunt mode):– A sequência de bits é interpretada em janelas de 8 bits

– Se uma janela coincide com o caracter SYN, está obtida a sincronização

– Caso contrário deslocam-se os limites da janela de um bit e a nova sequência de 8 bits é reinterpretada

• Obtida sincronização ao caracter, o receptor procura o delimitador STX, ao qual se seguirá o quadro e por fim o caracter ETX

• O sincronismo conseguido pode ser mantido se após emissão do quadro se transmitirem caracteres do tipo SYN

• A transmissão de blocos de caracteres binários socorre-se de técnicas de byte/character stuffing (à semelhança do que acontece na transmissão assíncrona)



ao Bit

• Necessidade dos delimitadores STX e ETX e dos

caracteres DLE para byte stuffing tornam a

transmissão síncrona orientada ao caracter

relativamente ineficiente para a transmissão de

dados binários

• Transmissão Síncrona orientada ao bit resolve

essa limitação através de 3 variantes:

– Variante baseada em flag bytes

– Variante usada em redes locais de difusão (broadcast)

– Outra variante usada em redes locais

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Variante baseada em flag bytes


Variante baseada em flag bytes (2)

• Antes da transmissão da flag o emissor transmite um sequência de idle bytes (01111111) a fim de permitir ao receptor adquirir sincronismo ao bit

• O início e o fim de cada quadro são assinalados pela mesma sequência de 8 bits (01111110), designada por flag byte (flag pattern)

• Após identificar a flag, o receptor continua com a leitura do resto da sequência até identificar nova flag que assinala fim de quadro– Consequentemente o interior do quadro pode ter um número arbitrário de

bits (não necessariamente um múltiplo de 8)

• E se for transmitida dentro do quadro uma sequência igual à da flag?

• A técnica de bit stuffing garante que a sequência da flag nunca se iráencontrar no interior do quadro– Na transmissão do quadro, a detecção de cinco 1s à saída do registo PISO

implica a inserção automática de um bit 0 na sequência

– Na recepção, sempre que é detectado um bit 0 após cinco 1s, esse bit éremovido antes da sequência resultante ser guardada no registo SIPO

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Variante usada em redes locais de

difusão• Para que todos os receptores se possam sincronizar com o emissor, este transmite um preâmbulo consistindo em 10 pares de bits ‘10’

• Obtido o sincronismo ao bit, cada receptor procura, bit a bit, a sequência delimitadora do início do quadro (10101011)

• Segue-se um cabeçalho de dimensões fixas (com o endereço de destino) e dois bytes com a dimensão do interior do quadro

• Uma vez que a dimensão da “cauda” é fixa, e sabendo a dimensão do interior, o receptor determina, por contagem, o último byte do quadro sem necessitar de um delimitador específico no fim


Variante usada em redes locais de

difusão (2)

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Outra variante usada em redes locais

• O início e o fim do quadro são assinalados por “sequências proibidas”

• Por exemplo: usando codificação de Manchester, o sinal mantém o mesmo nível que no bit anterior (J) ou o nível oposto (K), sem que haja transição a meio da célula de bit

• Desta feita, o delimitador de início de quadro é a sequência proibida JK0JK000 e o de fim é a sequência JK1JK111

• Uma vez que J e K se baseiam em codificação não standard então o interior do quadro nunca poderáconter essas sequências, podendo efectuar-se, sem problemas a transmissão em modo binário


Outra variante usada em redes locais

(2)

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Bibliografia

• Halsall, Fred, Data Communications,

Computer Networks and Open Systems,

Addison-Wesley, 4th edition

– Capítulo 3 (3.1, 3.2 e 3.3)

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