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Redes de Computadores Prof. Macˆ edo Firmino Camada F´ ısica Macˆ edo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 1 / 46

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Redes de Computadores

Prof. Macedo Firmino

Camada Fısica

Macedo Firmino (IFRN) Redes de Computadores Setembro de 2011 1 / 46

Pilha TCP/IP

Meio Físico

Transporte

Rede

Física

Enlace de dados

Aplicação

Transporte

Rede

Física

Enlace de dados

Aplicação

A B

M1

M1

CabT

M1

CabT

CabR

M1

CabT

CabR

CabE

1011001010001011

M1

M1

CabT

M1

CabT

CabR

M1

CabT

CabR

CabE

1011001010001011

CDE CDE

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Camada Fısica

Camada Fısica

Funcoes:

Caracterısticas fısicas (mecanicas e eletricas) das interfaces e dosmeios. Define quais os tipos de meio de transmissao devem serutilizados (cabo par trancado, fibra optica, cabo coaxial, etc.).Quantos pinos o conector de rede tera e qual sera a finalidade decada pino;

Representacao dos dados: define a codificacao dos dados em sinais(eletricos ou opticos);

Taxa de transferencia dos dados: corresponde ao numero de bits porsegundo, isto e, define o tempo de duracao de um bit no meio;

Sincronizacao dos bits: os relogios do transmissor e do receptordevem estar sincronizados.

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Sinais

Sinais - Classificacao

Uma das funcoes mais importantes da camada fısica e converter dados emsinais eletromagneticos e transmiti-los atraves de um meio de transmissao.Existem dois tipos de sinais:

Analogico: possuem um numeroinfinito de valores distribuıdosnuma faixa (contınuos), porexemplo os numeros inteiros.

Digital: possuem apenas umnumero limitado de valores(discretos), por exemplo 1 e 0;

Tempo

Valor

Tempo

Valor

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Sinais

Sinais - Classificacao

Tanto os sinais analogicos quanto os digitais podem se apresentar nasseguintes formas:

Periodica: a um determinadointervalo de tempo (chamadoperıodo) este sinal repete umdeterminado padrao;

Nao-periodica: evolui no temposem exibir um padrao.

Tempo

Valor

Período

Tempo

Valor

Em comunicacao de dados, utilizamos geralmente sinais analogicosperiodicos e sinais digitais nao periodicos.

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Sinais

Sinais - Propriedades

Propriedades:

Perıodo e o intervalo de tempo que uma onda leva para completar umciclo, medido em segundos;

Frequencia e o numero de perıodos num intervalo de tempo de 1segundo. A frequencia e expressa em hertz (Hz).

Tempo

Valor

Período

f =1

T

T =1

f

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Sinais

Sinais - Propriedades

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Sinais

Sinais - Propriedades

Unidade de frequencia Equivalencia em perıodo

1 Hz (Hertz) 1 s (segundo)1 KHz (KiloHertz) = 103 Hz 1 ms (milisegundos) = 10−3s1 MHz (Megahertz) = 106 Hz 1 µs (microsegundos) = 10−6s1 GHz (Gigahertz) = 109 Hz 1 ns (nanosegundos) = 10−9

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Sinais

Sinais - Propriedades

Propriedades:

Fase: descreve a posicao de uma forma de onda relativa ao tempozero. A fase e medida em graus ou radianos.

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Sinais

Sinais - Propriedades

A maioria dos sinais digitais nao sao perıodicos. Sendo assim, os termosperıodo e frequencia nao sao apropriados. Para descrever estes sinais saoutilizados:

Intervalo de sinalizacao: e tempo necessario para enviar um unico bit;

Numero de bits por segundo (bps): e a quantidade de bits enviadosnum tempo de 1s.

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Sinais

Largura de Banda

A largura de banda e uma propriedade de um meio fısico.

Para sinais analogicos ela corresponde a diferenca entre a maior e amenor frequencia que um meio pode transmitir satisfatoriamente(perdas abaixo da metade da potencia inicial do sinal). Ela e expressaem hertz (Hz);

Para sinais digitais ela e o numero maximo de bits por segundo queum meio pode transmitir. A unidade e bits por segundo (bps).

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Sinais

Deficiencias de Transmissao

Os sinais viajam atraves dos meios de transmissao (cabo de partrancado, fibra optica, cabo coaxial, etc.), que nao sao perfeitos.Estas imperfeicao causam prejuızo de sinal.

Isto significa que o sinal no inıcio da transmissao nao e o mesmo doque o sinal no final da transmissao. O que e enviado nao e o que erecebido.

Normalmente as causas de deficiencia em uma transmissao sao:

Atenuacao;Distorcao;Ruıdo.

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Sinais

Atenuacao

Atenuacao significa perda de energia. Quando um sinal viaja nummeio, irremediavelmente perde energia. Muitas vezes essa perda eassociada a resistencia do meio. Para compensar essa perda,amplificadores podem ser utilizados para restaurar o nıvel do sinal.

Amplificador

Meio de transmissão

Original Atenuado Amplificado

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Sinais

Distorcao

Distorcao e a atenuacao e deslocamento de fase de diferentescomponentes de frequencia.

Sinal Transmitido Sinal Recebido

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Sinais

Ruıdos

Um ruıdo corresponde a interferencia de um sinal por um outro(s)sinal(is) de forma inesperada. Os ruıdos podem ser provocado pelomovimento aleatorio de eletrons nos condutores (ruıdo termico), peloacionamento de motores e outros aparelhos eletronicos (ruıdoinduzido), pelo efeito que a corrente num condutor provoca em outrofio (Crosstalk) e ruıdos gerados no meio proveniente de redeseletricas, de iluminacao e outras fontes (ruıdo impulsivo)

Meio de transmissão

Transmitido Ruído Recebido

+ =

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Modos de Transmissao

Modos de Transmissao

A transmissao dos dados pode ser:

Paralela: Os dados sao agrupados em um conjunto de n bits. Esteconjunto de bits sao enviados e recebido a cada instante de tempo.Para isso e utilizado n meios fısicos.

Serial: somente 1 bit e enviado a cada instante de tempo. Sendonecessario apenas 1 canal de comunicacao para transporta-lo.

Transmissor Receptor0

1

0

1

Transmissor Receptor1 0 0 1

Transmissão Paralela Transmissão Serial

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Modos de Transmissao

Modos de Transmissao

A transmissao serial ocorre de dois modos:

Assıncrona: o processo inicia-se com 1 start bit. Em seguida, vem umconjunto de bits, e finaliza com um 1 ou mais stop bits. Pode ocorrerum perıodo de repouso entre a transmissao dos bits;

Sıncrona: enviamos bits um apos o outro sem start/stop bits ouintervalo de repouso. O receptor e responsavel pelo agrupamento epela interpretacao dos bits recebidos.

Transmissor Receptor

Transmissão Assíncrona

1 100110 01 100101 0

1 110011 0

Start bitStop bit

Transmissor Receptor

Transmissão Síncrona

01010110 11101101 10111011

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha

A codificacao de linha e o processo de converter dados binarios, ou seja,uma sequencia de bits, em sinais digitais.

Codificador Decodificador

Sinal Digital

Transmissor Receptor

Dado Digital011010011010

Dado Digital011010011010

Podemos dividir as codificacoes de linha em:

Unipolar;

Polar;

Bipolar.

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha - Unipolar

A codificacao unipolar utiliza somente um nıvel de tensao. O sinal dapolaridade pode ser atribuıdo a qualquer um dos dois estados binarios (0ou 1), mas geralmente e deixado para o nıvel 1. Nesse caso, o outro nıvel(nıvel 0) e representado por um zero de tensao.

Valor

Tempo

0 1 0 0 1 1

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha - Polar

A codificacao polar utiliza dois nıveis de tensao, um positivo e outronegativo, para representar os dados.

Sao exemplos de codificacoes polares:

Non-Return to Zero (NRZ);

Return to Zero (RZ);

Manchester;

Manchester Diferencial.

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha - Polar (NRZ)

Na codificacao NRZ, o valor do sinal e sempre positivo ou negativo.Existem duas formas de codificacao NRZ, sao elas:

NRZ-L: o nıvel do sinal depende do bit que ele representa. Umatensao positiva representa o bit 0, enquanto que uma tensao negativacorresponde ao bit 1.

NRZ-I: a transicao entre nıveis de tensao representa um bit 1,enquanto que a ausencia de transicao corresponde ao bit 0.

Valor

Tempo

0 1 0 0 1 1Valor

Tempo

0 1 0 0 1 1

NRZ-L NRZ-I

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha - Polar (RZ)

O codificacao RZ utiliza tres nıveis de tensao: positiva, negativa e zero. Atransicao acontece a cada bit e na metado de cada intervalo desincronizacao o sinal retorna a zero. Deste modo, o bit 1 e representadopela transicao positiva-zero e o bit 0 e representado pela transicaonegativa-zero.

Valor

Tempo

0 1 0 0 1 1

A transicao no intervalo do bit e utilizado para sincronizacao.

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha - Polar (Manchester)

A codificacao Manchester utiliza uma inversao no meio de cada intervalode sincronizacao. Uma transicao positiva (do nıvel de tensao negativo parao nıvel de tensao positivo) representa o bit 1 e uma transicao negativa (donıvel de tensao positivo para o nıvel de tensao negativo) representa o bit 0.

Valor

Tempo

0 1 0 0 1 1

O protocolo Ethernet utiliza a codificacao Manchester.

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha - Polar (Manchester Diferencial)

Na codificacao Manchester Diferencial a presenca ou ausencia de umatransicao adicional no comeco do intervalo e usado para identificar o bit.Uma transicao representa o bit 0 e ausencia de transicao representa o bit1.

Valor

Tempo

0 1 0 0 1 1

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Codificacao de Linha

Codificacao de Linha - Bipolar (AMI)

A codificacao Bipolar utiliza tres nıveis de tensao: positivo, negativo ezero. O nıvel zero e usado para representar o bit 0s. Os 1s saorepresentados atraves de pulsos alternados de tensao positiva e negativa.Se o bit 1 for representado atraves de uma tensao positiva, o proximo bit1 sera representado por uma tensao negativa.

Valor

Tempo

0 1 0 0 1 1

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Modulacao

Modulacao de Sinais Digitais

A modulacao de sinais digitais sao tecnicas para converter sinais digitais,em outro sinal analogico de modo a transmiti-lo em um canal fısico.

Tempo

Valor

0 1 0 0 1 1

Modulador Demodulador

Sinal Analógico

Transmissor Receptor

Dado Digital010011

Dado Digital010011

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Modulacao

Modulacao de Sinais Digitais (Portadora)

Em uma transmissao analogica, o dispositivo transmissor produz umsinal de alta frequencia (chamado de portadora) que funciona comosuporte para o sinal de informacao;

A informacao digital modulada modifica uma ou mais caracterısticas(amplitude, frequencia ou fase) da frequencia portadora;

O dispositivo receptor e sintonizado na frequencia da portadora queele espera receber a transmissao.

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Modulacao

Modulacao de Sinais Digitais

Modens (Modulador/Demodulador) sao dispositivos que recebem umfluxo serial de bits e produz uma portadora modulada, utilizandoalguma tecnica de modulacao. Alem disso, os modens recupera osdados binarios a partir de um sinal modulado.

Os principais mecanismos de modulacao (digital-analogico) sao:

ASK (Amplitude Shift Keying);FSK (Frequency Shift Keying);PSK (Phase Shift Keying);QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

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Modulacao

Modulacao ASK

Na tecnica ASK, a amplitude do sinal da portadora varia de modo arepresentar a informacao binaria (0 e 1).

Tempo

Valor

0 1 0 0 1 1

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Modulacao

Modulacao FSK

Na tecnica FSK, a frequencia do sinal portadora varia de modo arepresentar os nıveis binarios (0 e 1).

Tempo

Valor 0 1 0

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Modulacao

Modulacao PSK

Na tecnica PSK, a fase da portadora e variada de modo a representar osnıveis binarios (0 e 1).

Tempo

Valor 0 1 0

Se utilizarmos quatro variacoes de fase (4-PSK) podemos representar 2bits por fase, ao inves de apenas 1, melhorando a eficiencia datransmissao. Por exemplo:

Bits Fase

00 0o

01 90o

10 180o

11 270o

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Modulacao

Modulacao QAM

A tecnica QAM e uma combinacao das tecnicas ASK e PSK elaborada demaneira a aumentar o numero de bits transmitido para uma dada taxa demodulacao.

Tempo

Valor 00 01 10 11

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Modulacao

Modulacao de Sinais Analogicos

A modulacao de um sinal analogico e a representacao de um sinalanalogico por outro sinal analogico. Esta modulacao se faznecessaria, por exemplo, em estacoes de radio para ajustar afrequencia de operacao;

As principais modulacoes analogicas sao:

AM (Amplitude Modulation);FM (Frequency Modulation).

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Modulacao

Modulacao de Sinais Analogicos - AM

Tempo

Valor

Tempo

Valor

Tempo

Valor

Sinal modulante

Portadora

Sinal AM

Numa transmissao AM, o sinalda portadora e modulado demodo que sua amplitude variede acordo com as variacoes daamplitude do sinal modulante.

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Modulacao

Modulacao de Sinais Analogicos - FM

Tempo

Valor

Tempo

Valor

Tempo

Valor

Sinal modulante

Portadora

Sinal

Numa transmissao FM, afrequencia do sinal da porta-dora e modulado de modo aseguir as variacoes da ampli-tude do sinal modulante.

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Multiplexacao

Multiplexacao

Multiplexacao e um conjunto de tecnicas que permitem a transmissaosimultanea de multiplos sinais atraves de um unico enlace de dados;

Se a largura de banda de um link for maior que a largura de bandanecessaria aos dispositivos conectados a ela, essa banda esta sendodesperdicada;

Sao tecnicas de multiplexacao:

Multiplexacao por divisao de frequencia (FDM - Frequency DivisionMultiplexing);Multiplexacao por divisao de comprimento de onda (WDM - WaveDivision Multiplexing);Multiplexacao por divisao do tempo (TDM - Time DivisionMultiplexing).

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Multiplexacao

Multiplexacao FDM

Na FDM, os sinais gerados em cada dispositivo transmissor sao modulados emportadoras de frequencias diferentes. Em seguida, estes sinais sao combinados emum unico sinal composto para serem transportado atraves do enlace. Asfrequencias as portadoras sao separadas de forma a previnir a interferencia entreos sinais. O receptor utiliza filtros e demultiplexador para obter o sinal original.

Modulador

Portadora 1

Modulador

Portadora 1

Filtro

Modulador

Portadora 1

Modulador

Portadora 1

Filtro

Modulador

Portadora 1

Modulador

Portadora 1

Filtro+

A tecnica FDM e utilizado na transmissao de AM e FM, canais de televisao e natelefonia.

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Multiplexacao

Multiplexacao WDM

A WDM foi desenlvolvida para suportar transmissoes de dados em velocidadesaltıssimas atraves de cabos de fibra optica. No lado do transmissor combinamosmultiplas fontes luminosas (diferentes comprimentos de onda) em um unico sinalde luz. Na lado do receptor as fontes sao separadas. O modo mais simples deconvergir sinais luminosos e separa-los de volta e utilizando prismas.

Fibra óptica

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Multiplexacao

Multiplexacao TDM

TDM e um processo de multiplexacao onde toda a banda e entregue a um canalnum determinado intervalo de tempo. Cada conexao ocupa o enlace durante umaporcao do tempo. O fluxo de dados de cada conexao e dividido em unidades e olink combina unidades de cada conexao para montar um frame (quadro). Umframe consiste de um agrupamento de slot time.

A3 A2 A1

B3 B2

C3 C1

A3 A2 A1

B3 B2

C3 C1

C1 A1

Frame 1

C3 B3 A3

Frame 3

B2 A2

Frame 2

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Espalhamento Espectral

Espalhamento Espectral

A multiplexacao FDM combina sinais de varias fontes para atingir amaxima eficiencia na transmissao. Para isso, a FDM utiliza variasfaixas de frequencia. O espalhamento espectral tem como objetivopermitir uma protecao a comunicacao. Para isso, o espalhamentoespectral utiliza varias faixas de frequencia;

Apos o sinal ser criado pela fonte, o processo de espalhamento usaum codigo de espalhamento e espalha as frequencias;

Existem duas tecnicas de espalhamento espectral:

FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum);DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum).

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Espalhamento Espectral

Espalhamento Espectral - FHSS

A tecnica FHSS usa M diferentes frequencias de portadoras. Em um dadoinstante, e utilizado uma determinada portadora (F1). No momentoseguinte, passa a ser utilizado outra portadora (F4). Ao longo de um ciclosao utilizado M faixas de frequencia.

Sinal Original

Sinal Espalhado

Modulador

X

Gerador dos índicespseudo-aleatório

FreqüênciasF1F2F3F4F5...

Índices 12345...

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Espalhamento Espectral

Espalhamento Espectral - FHSS

Exemplo:

F1F2F3F4F5F6F7F8

1 2 3 4 5 6 7 8 Período detransições

Freqüências daportadora

Se o intruso tentar interceptar o sinal transmitido, ele tera que descobrir asequencia de saltos e perıodo de transicao.

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Espalhamento Espectral

Espalhamento Espectral - DSSS

No DSSS, substituımos cada bit de dados por um codigo de espalhamentode n bits. Em outras palavras, para cada bit e representado por umcodigo, chamado de chips.

Sinal

Original

Sinal

Espalhado

Modulador

X

Gerador de chips

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Espalhamento Espectral

Espalhamento Espectral - DSSS

Exemplo:

Modulador

X

Gerador de chips

0 01001000111

Modulador

X

Gerador de chips

1 10110111000

O espalhamento do sinal pode prover privacidade se um intruso naoconhecer o codigo de espalhamento.

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Exercıcio

Exercıcio

1. Quais sao as funcoes da camada fısica?

2. Qual a diferenca entre dados analogicos e digitais? Deexemplos de cada um.

3. O que e frequencia, perıodo, amplitude e fase de um sinal?Qual a relacao entre frequencia e perıodo?

4. Como os ruıdos e demais problemas podem interferir natransmissao de dados?

5. Qual a diferenca entre a transmissao paralela e serial? eentre sıncrona e assıncrona?

6. Considere a sequencia de bits “11000110010”. Como seria acodificacao dessa sequencia utilizando as tecnicas decodificacao Unipolar, NRZ-L, NRZ-I, RZ, Manchester,Manchester Diferencial e a Bipolar?

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Exercıcio

Exercıcio

7. O que e modulacao? Qual o papel do modem e da portadoranesse processo?

8. Faca um desenho mostrando como seria a modulacao dosbits “11000110010” utilizando as modulacoes ASK, FSK,PSK e QAM?

9. O que e multiplexacao e quais as vantagens em utilizar essatecnica?

10. Qual a diferenca entre a FDM e TDM?

11. O que e espalhamento espectral? Como funciona oespalhamento FHSS e DSSS?

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