redes mod 2 fisica

Redes de Computadores

Módulo 2 – Camada Física

2

Introdução

Camada física

Define as interfaces mecânica, elétrica e de

sincronização para a rede

Aspectos abordados

Capacidade do meio

Meios de transmissão

Rede pública de telefonia comutada

3

Introdução

As informações podem ser transmitidas por fios,

fazendo-se variar alguma propriedade física, como

voltagem ou corrente

A análise matemática permite criar um modelo para o

comportamento do sinal

Análise de Fourier

As faixas de freqüências transmitidas sem serem

fortemente atenuadas denomina-se largura de banda

A largura de banda é uma propriedade física do meio de

transmissão, e em geral depende da construção, da espessura

e do comprimento do meio

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Capacidade do Meio

Teorema de Nyquist

Toda informação de banda passante W pode ser

representada por um conjunto de suas amostras se a

freqüência de amostragem é maior que 2W amostras

por segundo

C= 2.W log2 V bps

C = taxa máxima de transmissão

W = frequencia do canal

V = número de níveis discretos

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Capacidade do Meio

Teorema de Nyquist (cont.)

Exemplo

C= 2.W log2 V bps

Um canal de 3 kHz

V = 2 C = 6 k bps

V = 32 C = 30 k bps

V = 256 C = 48 k bps

V = 1024 C = 60 k bps

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Capacidade do Meio

Claude Shanon (1948)

Adicionou o ruído à fórmula de Nyquist (ruído branco)

C= W log2 (1+S/N) bps

onde, S/N = relação sinal / ruído em dB

dB = decibéis = 10 log10 S/N

Para W = 3 k Hz,

S/N = 100 20 dB C ~ 20 k bps

S/N = 1000 30 dB C ~ ?? k bps

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Meios de Transmissão

Transmissão sem fio

Espectro eletromagnético (ƒ.λ = c)

As porções de rádio, microondas, infravermelho e luz visível

podem ser usadas na transmissão de informações, desde que

seja modulada a amplitude, a frequência ou a fase das ondas

Meios físicos

bit: propaga entre pares de

transmissor/receptor

enlace físico: o que fica

entre transmissor e

receptor

meio guiado:

sinais se propagam em meio

sólido: cobre, fibra, coaxial

meio não guiado:

sinais se propagam

livremente, p. e., rádio

Par Trançado (TP)

dois fios de cobre

isolados

categoria 3: fios de

telefone tradicionais,

Ethernet a 10 Mbps

categoria 5:

Ethernet a 100 Mbps

Categoria 5e, 6, 7:

Ethernet a 1000 Mbps

Meio físico: cabo coaxial, fibra

cabo coaxial:

dois condutores de cobre

concêntricos

bidirecional

banda base:

único canal no cabo

Ethernet legado

banda larga:

múltiplos canais no cabo

HFC

cabo de fibra ótica: fibra de vidro conduzindo

pulsos de luz; cada pulso um bit

operação em alta velocidade: transmissão em alta velocidade

ponto a ponto (p. e., 10-100 Gps)

baixa taxa de erro: repetidores bastante espaçados; imune a ruído eletromagnético

Meio físico: rádio

sinal transportado no

espectro eletromagnético

nenhum “fio” físico

bidirecional

efeitos no ambiente de

propagação:

reflexão

obstrução por objetos

interferência

Radio link types: micro-ondas terrestre

p. e. até canais de 45 Mbps

LAN (p. e., Wifi) 11 Mbps, 54 Mbps

área ampla (p. e., celular) celular 3G: ~ 1 Mbps

satélite canal de Kbps a 45Mbps (ou

múltiplos canais menores)

atraso fim a fim de 270 msec

geoestacionário versus baixa altitude

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Transmissão de rádio

Ondas fáceis de gerar, percorrer longas distâncias e

penetrar facilmente nos prédios

Transmissão de microondas

Acima de 100MHz, com ondas trafegando em linha reta

Alta S/N, mas as estações de TX/RX devem estar alinhadas

Não atravessam muito bem os obstáculos

Efeito esmaecimento de vários caminhos (multipath fading)

É muito usada na telefonia de longa distância, em telefones

celulares e na distribuição de canais de televisão

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Ondas infravermelho e milimétricas

Muito utilizadas na comunicação de curto alcance

Vantagem

Relativamente direcionais

Econômicas

Fáceis de montar

Não exigem licença do governo

Desvantagem

Não atravessam objetos sólidos

Uso limitado

http://www.cavalierdaily.com:2001/.Archives/1996/January/22/edkelly.gif

http://www.cavalierdaily.com:2001/.Archives/1996/January/22/edkelly.gif

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Transmissão por onda de luz

Pode conectar as LANs em dois prédios

Vantagem

Largura de banda alta e custo baixo

Desvantagem

Interferência da chuva ou neblina espessa

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Política do espectro eletromagnético

Padronizado por acordos nacionais e internacionais

Evitar o caos

Organização de padronização internacional

ITU-R (International Telecommunications Union – Radio)

Faixas de freqüências livres

ISM (Industrial, Scientific, Medical)

Restrição apenas de potência

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Satélites de Comunicações

Em sua forma mais simples, um satélite pode ser considerado

um grande repetidor de microondas no céu

Transponders Dividem o espectro

Amplificam os sinais de entrada e transmitem novamente em outra freqüência

Algumas Propriedades

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Aplicação moderna

Comunicação por meio de microestações de baixo custo

(VSAT – Very Small Aperture Terminals)

Exemplos

Iridium

Globalstar

Teledesic

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Iridium

18


Iridium X Globalstar

(a) Retransmissão no espaço (b) Retransmissão terrestre

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Aplicações para comunicações via satélite

Necessidade de largura de banda

Comunicação móvel

Difusão é essencial

Locais com terrenos inadequados

Substituir a fibra onde é muito custoso seu lançamento

Exploração rápida é crítica

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Rede Pública de Telefonia Comutada

Utilizada para interligar computadores distantes

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Loop local

Utiliza sinalização analógica

Linhas de transmissão estão sujeitas a atenuação,

distorção de retardo e ruído

Torna a sinalização de banda-base inadequada

Necessidade de utilizar modem

Dispositivo que aceita um fluxo serial de bits como entrada e

produz uma portadora modulada em amplitude, freqüência ou

fase

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Formas de modulação

(a) Sinal binário

(b) Modulação de

amplitude

(c) Modulação de

freqüência

(d) Modulação de

fase

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Conceitos quanto a capacidade e taxas

Largura de banda (w = fmax – fmin, com atenuação mínima)

Taxa de bauds (amostras/segundos ou símbolos/segundos)

É o número de amostras/segundo (símbolos/segundo)

Taxa de bits (símbolos/segundos)*(bits/símbolos)

É a quantidade de informações enviadas pelo canal e igual ao

número de símbolos/segundo multiplicado pelo número de

bits/símbolo

Conceitos quanto ao sentido do tráfego

Full-duplex =>simultaneidade

Half-duplex=>dois sentidos alternadamente

Simplex +>em um sentido

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Conceitos

Técnica de modulação

Determina o número de bits/símbolo

Exemplo:

(a) QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

(b) QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation)

(c) QAM-64

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Limites teórico de transmissão

Limite de Shannon para o sistema telefônico

Taxa máxima é 35 kbps (Computador – ISP 1)

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Limites teórico de transmissão (cont.)

Pelo teorema de Nyquist

Canal telefônico tem cerca de 4000 Hz, utilizando 7 bits por

amostra

A taxa é de 56Kbps (Computador – ISP2)

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Linhas digitais do assinante

ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line)

Utilização de um comutador que disponibiliza toda capacidade

do loop local

A capacidade do loop local depende do seu comprimento, sua

espessura e qualidade geral

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Operação do ADSL

29



Configuração típica do ADSL

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Troncos e multiplexação

FDM (Frequency Division Multiplexing)

O espectro de freqüência é dividido em bandas de freqüência,

tendo cada usuário a posse exclusiva de alguma banda

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Troncos e multiplexação (cont.)

WDM (Wavelength Division Multiplexing)

É uma variação de multiplexação por divisão de frequências

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TDM (Time Division Multiplexing)

Os usuários se revezam (em esquema de rodízio), e cada um

obtém periodicamente a largura de banda inteira por um

determinado período de tempo

Só pode ser usada para dados digitais

Os codecs utilizam uma técnica chamada PCM (Pulse Code

Modulation)

O codec cria 8000 amostras por segundo

(125s/amostra), pois o teorema de Nyquist diz que é

suficiente para um canal de 4Khz.

Cada amostra possui 8 bits

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TDM (Time Division Multiplexing)

A falta de um padrão internacional para o PCM propiciou o

surgimento de uma variedade de esquemas

Portadora T1 (América do Norte e Japão)

Consiste em 24 canais de voz multiplexados

Taxa de 1,544 Mbps

Portadora E1 (restante do mundo)

Consiste em 32 canais de dados

Taxa de 2,048 Mbps

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Técnicas de comutação

Comutação de circuitos

Forma um caminho físico entre transmissor e receptor

Comutação de mensagens

Nenhum caminho físico é estabelecido. Um bloco de dados é

enviado e armazenado na primeira estação de comutação e

depois encaminhado, um salto de cada vez

Comutação de pacotes

É uma derivação da comutação de mensagens, onde é

imposta uma restrição ao limite máximo do tamanho do bloco

de dados a ser transmitido

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Técnicas de comutação

(a) Comutação de circuitos (b) Comutação de mensagens (c) Comutação de pacotes

O núcleo da rede

malha de roteadores interconectados

a questão fundamental:como os dados são transferidos pela rede?

comutação de circuitos:circuito dedicado por chamada: rede telefônica

comutação de pacotes:dados enviados pela rede em “pedaços” discretos

Núcleo da rede: comutação de circuitos

recursos fim a fim reservados para “chamada”

largura de banda do enlace, capacidade de comutação

recursos dedicados: sem compartilhamento

desempenho tipo circuito (garantido)

exige preparação de chamada

recursos de rede (p. e.,

largura de banda)

divididos em “pedaços”

pedaços alocados a

chamadas

pedaço de recurso ocioso

se não usado por chamada

particular (sem

compartilhamento)

dividindo largura de banda do enlace em “pedaços”

divisão de frequência

divisão de tempo

Núcleo da rede: comutação de circuitos

Comutação de circuitos: FDM e TDM

FDM

frequência

tempo

TDM

frequência

tempo

4 usuários

Exemplo:

Exemplo numérico

Quanto tempo leva para enviar um arquivo de

640.000 bits do hospedeiro A para o hospedeiro

B em uma rede de comutação de circuitos?

todos os enlaces são de 1,536 Mbps

cada enlace usa TDM com 24 slots/seg

500 ms para estabelecer circuito fim a fim

Vamos resolver!

Núcleo da rede: comutação de pacotes

cada fluxo de dados fim a fim dividido em pacotes

usuário A, pacotes de B compartilham recursos da rede

cada pacote usa largura de banda total do enlace

recursos usados quando necessários

disputa por recursos:

demanda de recurso agregado pode exceder quantidade disponível

congestionamento: fila de pacotes, espera por uso do enlace

store and forward: pacotes se movem um salto de cada vez Nó recebe pacote completo

antes de encaminharDivisão da largura de banda em “pedaços”

Alocação dedicada

Reserva de recursos

Comutação de pacotes: multiplexação estatística

Sequência de pacotes A & B não tem padrão fixo, largura de banda

compartilhada por demanda multiplexação estatística.

TDM: cada hospedeiro recebe mesmo slot girando quadro TDM.

A

B

CEthernet100 Mb/s

1,5 Mb/s

D E

multiplexação estatística

fila de pacotesesperando peloenlace de saída

Comutação de pacotes: store-and-forward

leva L/R segundos para

transmitir (push out) pacote

de L bits para enlace em R

bps

store-and-forward: pacote

inteiro deve chegar ao

roteador antes que possa ser

transmitido no próximo

enlace

atraso = 3L/R (supondo zero

atraso de propagação)

Exemplo:

L = 7,5 Mbits

R = 1,5 Mbps

atraso de transmissão = 15 s

R R R

L

Comutação de pacotes versus comutação de circuitos

enlace de 1 Mb/s

cada usuário:

100 kb/s quando “ativo”

ativo 10% do tempo

comutação de circuitos

10 usuários

comutação de pacotes:

com 35 usuários,

probabilidade > 10 ativos

ao mesmo tempo é

menor que 0,0004

Comutação de pacotes permite que mais usuários usem a rede!

N usuários

enlace 1 Mbps

P: Como obtivemos o valor 0,0004?

ótima para dados em rajadas

compartilhamento de recursos

mais simples, sem configuração de chamada

congestionamento excessivo: atraso e perda de pacotes

protocolos necessários para transferência de dados

confiável, controle de congestionamento

P: Como fornecer comportamento tipo circuito?

largura de banda grande, o necessário para aplicações

de áudio/vídeo

ainda um problema não resolvido.

A comutação de pacotes é a “grande

vencedora”?

P: Analogias humanas de recursos reservados (comutação de circuitos) versus alocação por demanda (comutação de pacotes)?


Item Comutação de circuitos Comutação de

pacotes

Configuração de chamadas Obrigatória Não necessária

Caminho físico dedicado Sim Não

Cada pacote segue a mesma rota Sim Não

Os pacotes chegam em ordem Sim Não

A falha de um switch é fatal Sim Não

Largura de banda disponível Fixa Dinâmica

Momento de possível congestionamento Durante a configuração Em todos os pacotes

Largura de banda potencialmente desperdiçada Sim Não

Transmissão store-and-forward Não Sim

Transparência Sim Não

Tarifação Por minuto Por pacote

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Concentrador de fios;Topologia Física x Topologia Lógica;Facilita a inserção de novas estações à rede;Alta possibilidade de colisão;Não precisa configurar;Informação que recebe passa adiante;Temos bons Hubs empilháveis

Equipamentos Básicos de Rede –HUB

Hubs ou concentradores são dispositivos que simulaminternamente a construção dos barramentos físicos.

HUB

A C A C A C

A B C

Equipamentos Básicos de Rede -HUBs

Equipamentos Básicos de Rede -SWITCH

Concentrador de fios; facilita a inserção de

estações

Fechamento de um circuito entre duas estações

Trocas de pacotes entre várias estações

simultaneamente

Cada porta se comporta como uma LAN

Baixa possibilidade de colisão

Os switchs são dispositivos capazes de segmentar a redelocal analisando os endereços físicos. Permitem, também,interligar dispositivos que trabalham com velocidades detransmissão diferentes.

D E F GA B C

SWITCH

HUB HUB

Equipamentos Básicos de Rede -SWITCH

Equipamentos de Redes -Repetidor

Repetidor

Usado basicamente em redes de topologia linear,

permite que a extensão do cabo seja aumentada,

criando um novo segmento de rede

Características:

É uma extensão -um amplificador de sinais;

Podem conectar uma variedade de mídias.

Aumenta a extensão da rede, mas aumenta também o problema de

colisão de dados.

Regeneram sinais sem executar nenhuma ação sobre os pacotes

No controla fluxo de dados.

Repetidores operam na camada física (camada 1), manipulando

sinais elétricos;

No controla fluxo de dados. Todos os pacotes presentes no

primeiro segmento serão replicados para os demais segmentos.

Hubs atuais provêm uma função de repetidor.

Equipamentos de Redes -Repetidor

Características (cont):

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Equipamentos de Redes -Ponte

Ponte (Bridge)

Repetidor inteligente, pois faz controle de fluxo de dados.

Pontes manipulam frames (quadros) ao invés de sinais elétricos.

Operam na camada de enlace (camada 2)

Podem interligar padrões de LANs diferentes (Ethernet para Token Ring, por exemplo).

Analisa os pacotes recebidos e verifica qual o destino. Se o destino for o

trecho atual da rede, ela não replica o pacote nos demais trechos, diminuindo

a colisão e aumentando a segurança..

Cabeamento -implementação necessária nacamada física.

Atenção para o meio físico em redes cabeadaspor onde circulam os sinais entre o servidor, asestações de trabalho e os periféricos.

É no cabeamento de rede onde concentra-se omaior número de problemas, em parte pelaqualidade dos componentes e por outra parte,pelo tipo de cabeamento adotado (equipamentose meios).Dos investimentos de uma rede é o de maiordurabilidade.

Cabeamento Estruturado

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Rede Estruturada:Infra-estrutura que permite evolução eflexibilidade para serviços detelecomunicações (voz, dados, imagens,sonorização, controle de iluminação,sensores de fumaça, controle de acesso,sistema de segurança, controlesambientais, etc).Permite mudanças imediatas, sem obrascivis adicionais.

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1991 =>1ª versão da EIA/TIA 5681994 =>Norma definitiva:EIA/TIA 568 A e B2000 =>Complementos:

569, define a interface entre a cabeação externa e a cabeação

interna do prédio, assim como o projeto da sala de equipamentos

606, documentação, administração e identificaçãode cabeamento 607, define o aterramento elétrico.

O padrão EIA/TIA 568 descreve as especificaçõesdesempenho do cabo e sua instalação.

Apresenta a especificação de requisitos mínimosrelativos à distâncias, topologias, pinagens,interconectividade e transmissão

A Evolução do Cabeamento -Normas

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Algumas das especificações da EIA/TIA 568:

•Cabo categoria 3: fios de pares trançadossólidos com AWG (bitola) 24, com W = 16MHz etaxas até 10Mbps•Cabo categoria 4: fios de pares trançados AWG22 ou 24, com W = 20MHz e taxas de até16Mbps.•Cabo categoria 5: fios de pares trançados AWG22 ou 24, com W = 100 MHz e taxas de até 100Mbps.•Cabo categoria 6: fios de pares trançados AWG23, com W = 300 MHz e taxas até 1000 Mbps.

A Evolução do Cabeamento -Normas

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Especificação de requisitos mínimos relativosà distâncias, topologias, pinagens,interconectividade e transmissão.

Em função do ambiente de instalação umsistema de cabeamento estruturado, deveráser projetado com vida útil de no mínimo 10anos.

A Evolução do Cabeamento -Norma

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Composição de um Sistema de Cabeamento

Estruturado (SCE): 6 subsistemas

Composição de um SCE (Subsistemas)

1. Facilidades de Entrada

As facilidades de entrada estão relacionadascom os serviços que estarão disponíveis parao cliente, estes serviços podem ser de:-Dados;-Voz;-Sistema de Segurança;-Redes Corporativas;-Outros serviços.

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2. Sala de EquipamentosEspaço reservado dentro do edifício ondeesta instalado o distribuidor principal detelecomunicações, que irá providenciar ainterconexão entre os cabos do armário detelecomunicações, backbone cabling oucampus backbone, com os equipamentosde rede, servidores e os equipamentos devoz (PABX).


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3. Cabos Verticais (BackBone Cabling)

• Interligam todos os armários detelecomunicação ou distibuição instalados nosandares de um edifício comercial (backbonecabling) ou vários edifícios comerciais (campusbackbone), onde também serão interligadas asfacilidades de entrada (entrance facilities).•A topologia adotada para os cabos verticais éa Estrela.


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3. Cabos Verticais (BackBone Cabling)Os principais fatores a serem consideradosquando do dimensionamento dos cabosverticais são:-Quantidade de área de trabalho;-Quantidade de armários detelecomunicações instalados;-Tipos de serviços disponíveis;-Nível de desempenho desejado.


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4. Armário de Distribuição• Sala na qual instalamos o hardware de conexão paratodo o cabeamento horizontal.

• Deverá ser instalado em racks, e outros equipamentosem uma sala destinada para esta função localizada emcada andar.

• Um armário de telecom deve ser instalado levando-seem conta:

• Quantidade de áreas de trabalho, disponibilidade deespaço no andar, instalação física.


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5.Cabeamento Horizontal (HorizontalCabling)

• -É a parte do sistema que contém a maiorquantidade de cabos instalados, estende-se datomada de telecomunicação instalada na áreade trabalho até o armário de telecomunicação.• -É chamado de horizontal devido aos caboscorrerem no piso, suspensos ou não, em dutosou canaletas.


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6. Área de Trabalho (Work Area)

Local onde o usuário começa à interagir com o sistema de

cabeamento estruturado, é neste local que estão situados seusequipamentos de trabalho:-Computador;-Telefone;-Sistemas de armazenagem de informações;-Sistema de impressão;-Sistema de videoconferência;

-Sistema de controle


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Distribuição do Campus

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Distribuição Predial Vertical


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Distribuição Predial Horizontal


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Facilidades


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Norma x Par trançado

Padrões EIA/TIA 568

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Padrões EIA/TIA 568

Norma x Par trançado

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redes mod 2 fisica

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