Redes de Comunicação

É um sistema de comunicação de dados constituído através da interligação de computadores e periféricos, com a finalidade de trocar informação e partilhar recursos.

Partilha de recursos físicos (discos, impressoras, etc.);

Partilha de programas; Partilha de ficheiros; Intercâmbio de mensagens e informação; Melhor organização do trabalho em grupo; …

PAN (Personal Area Network) – rede local de alcance muito restrito, para apenas um utilizador.

LAN (Local Area Network) – rede local confinada a uma sala ou, no máximo, a um edifício.

CN (Campus Network) – rede que interliga redes locais em edifícios próximos.

MAN (Metropolitan Area Network) – rede alargada a uma cidade ou região.

WAN (Wide Area Network) – rede alargada a um país ou até ao mundo inteiro...

VAN (Virtual Area Network) – As redes virtuais interligam apenas alguns computadores pertencentes à mesma rede ou a diferentes redes. São muito usadas actualmente as VLAN (Virtual Local Area Network) em que computadores fisicamente ligados à mesma rede estão separados em sub-redes por questões de segurança e/ou performance.

Exemplo: Na rede de uma escola podem existir

duas VLANs

Rede “Alunos”

Rede

“Administração”

Internet

Comunicar sempre foi uma necessidade humana. Já à muitotempo que os humanos comunicavam entre si, desenvolvendomuitas formas. Como por exemplo, os índios comunicavam emsinais de fumo, as forças especais comunicavam reflectindo aluz em espelhos, as forças aliadas durante a Segunda GuerraMundial usam o Código Morse ...

Sistemas de Comunicação que utilizamos hoje em dia: Telefone;

Internet;

Televisão;

Rádio;

… A informação deve ser transportada de forma

segura, rápida e sem erros.

Emissor Recetor Canal

Para um Sistema de Comunicação funcionar correctamente é necessário de três componentes: emissor, recetor e canal.

Por exemplo: • Numa conversa entre duas pessoas, uma é o emissor, outra e o Receptor e o Ar é o canal para a

mensagem passar. • Numa comunicação entre dois computadores existem equipamentos responsáveis para a

mensagem ser entregue corretamente. O emissor é o computador, o canal é cabos de electricidade e o Receptor é o Servidor.

Um envio de um email entre duas pessoas um deles é o emissor e outro o recetor. Ex: Emissor envia um email, utilizamos o canal que é a rede e depois chega ao respetivo recetor.

Em equipamentos de comunicação, a direçãoem que a comunicação se realiza entre oemissor e o recetor pode basear-se em trêssistemas distintos:

Simplex;

Half- duplex;

Full-duplex.

Simplex: apenas um computador pode emitir para o outro;

Half-duplex: qualquer computador pode enviar para o outro, mas as transmissões são alternadamente num sentido e noutro;

Full-duplex: as transmissões em ambos os sentidos são possíveis em simultâneo.

Nas Transmissões de sistemas existem dois sinais:

sinais analógicos;

sinais digitais.

Exemplos de sinais analógicos: gira-discos, os leitores de cassetes e os vídeos de sala.

Exemplos de sinais digitais: CDs e DVDs.

Um sinal analógico possui duas grandezas fundamentais associadas: a amplitude e a frequência.

O sinal digital possuem geralmente amplitudes limitadas entre 0 e 1 que são utilizadas para transmitir dados. Um dos exemplos destas amplitudes são os sinais electrónicos usados pelo CPU de um computador.

Um sinal analógico apresenta várias características como a amplitude, a frequência e a fase.

Estas características são usadas em sinais de rádio e televisivos. Para que esta mensagem seja bem transmitida utiliza-se a modulação.

Por definição, a modulação é um processo pelo qual uma onda analógica pode ser alterada, de modo a apresentar um padrão uniforme para transmitir dados. O equipamento usado por este processo é o modem.

O modem é um dispositivo eletrónico que modula um sinal analógico numa determinada faixa de frequência pronta para transmitir e que desmodula o sinal analógico para a faixa de frequência original que contem a informação.

Existem três parâmetros que se usam para variar um sinal analógico: Modulação em amplitude ( AM – Amplitude Modulation ) Modulação em frequência ( FM- Frequency Modulation ) Modulação em fase ( PM – Phase Modulation ).

O sinal digital também usa três tipos de modulações: Modulação em amplitude ( ASK – Aplitude shift keying); Modulação em frequência ( FSK – frequency shift keying ); Modulação em fase ( PSK – phase shift keying ).

Nestas modulações digitais usam-se bits, enquanto no sinal analógico não.

ASK: quando recebe bits nulos, a componente é nula e quando recebe bit de valor 1, a componente tem uma onda de frequência f.

FSK: os bits 0 e 1 vão alternando a onda de frequência. PSK: sempre que existe uma transmissão entre 0 para 1 ou 1

para 0 existe uma inversão de fase de onda com o sentido contrário ao do bit anterior.

Rede cliente/servidor –rede em que existe pelo menos um computador –o servidor – possui algum recurso ou função de que os outros – os clientes – se servem.

Exemplos de servidores: de ficheiros, de e-mail, proxy...

Redes peer-to-peer –não existem servidores, todos os computadores estão ao mesmo nível na hierarquia da rede, sendo, por isso, todos servidores e todos clientes.

Fala-se muito que, estamos na era digital, que os 0 e os 1controlam o mundo. Se por um lado existe informaçãodigital (como o Word, páginas de internet, jogos decomputador...), por outro existe informação analógica queé transformada em informação digital. Temos o exemplodas fotografias digitais, digitalização de documentos,música, vídeos e muitos outros.

Chama-se digitalização ao processo de transformação deum sinal analógico num sinal digital. Este processoconsiste em três fases sequenciais:

AmostragemQuantizaçãoCodificação

Esta fase consiste em retirar amostras dosinal original a uma cadência suficiente pararepresentar o sinal após a digitalização.

Um sinal pode ser completamentereconstruído se deste forem extraídasamostras a um ritmo do dobro da frequênciamáxima do sinal original (teorema daamostragem ou teorema de Nyquist)

As sequências das amostras, sãotransformadas numa outra sequência cujasamplitudes fazem parte de um conjuntofinito de valores. São chamados níveis dequantização, separados uns dos outros pordegraus de quantização. Cada amostra ésubstituída pelo valor do nível de quantizaçãoque lhe estiver mais próximo. A conversão éfeita por um circuito conversor analógico-digital.

A codificação é o processo pelo qual os valores quantizados são convertidos em bits.

É o processo responsável por converter sinais digitais, segundo os formatos necessários à transmissão e por incluir no sinal digital o sincronismo de relógio, indispensável para a transmissão.

No final do processo de conversão A/D nemsempre obtemos o resultado próximo dooriginal. Este problema pode surgir por nãose ter respeitado o teorema de Nyquist oudevido ao número reduzido dos níveis dequantização. (Quanto menor for o número debits de codificação maior pode ser o erroentre os valores originais e o resultado daconversão)

São feitas entre um transmissor e um recetor eatravés de um meio de transmissão ou canal.

Os dados são transportados por ondaseletromagnéticas ou luminosas.

Os meios de transmissão podem ser guiados ounão guiados. Os guiados orientam as ondas – casodos cabos – e os não guiados não orientam – casodo ar ou da água do mar.

O termo ‘digital’ está associado a tudo aquilo que pode ser representado por valores discretos (como 0,1,2,3,...).

Como os computadores ‘digitais’ trabalham com a base binária (0,1) o termo ‘digital’ neste âmbito fica restringido a tudo aquilo que se refere aos valores ‘0’ e ‘1’ ou a dois quaisquer valores ou estados que lhes podem estar associados.

Em contrapartida, o termo ‘analógico’refere-se a tudo aquilo que pode ser representado por valores contínuos.

Os termos ‘digital’ e ‘analógico’, no contexto das comunicações de dados, podem aplicar-se a:

Dados

Sinais

Transmissões

Dados

Dados analógicos tomam valores contínuos dentro de umdeterminado intervalo. O exemplo mais comum é o davoz. Também o são vídeos, temperaturas, pressões, etc.

Dados digitais tomam valores discretos. São exemplocaracteres de texto e números inteiros. Também todos osdados armazenados e tratados por computadores digitaisestão nesta forma.

Sinais Digitais - sinais com apenas duas amplitudes que deste modo codificam os bits (0 e 1) que transportam.

Analógicos - sinais cujas amplitudes e/ou frequência são usadas para codificar os bits da informação transmitida.

0 0 01 1

1 0

Dados e sinaisSinais analógicos

Dados analógicosVoz Telefone Sinal analógico

Dados digitaisFicheiro binário MODEM (MOdulator / DEModulator) Sinal analógico

Sinais digitaisDados analógicos

Sinal analógico CODEC (codificador/ descodificador) Sinal digital

Dados digitaisDados digitais Transmissor digital Sinal digital

Transmissões

Analógicas – são um meio de transmitir sinais analógicos (como vozou dados digitais modulados por um MODEM). O sinal, ao longodo canal, perde energia e fica distorcido. Por isso, usam-seamplificadores que recuperam a energia mas não a formaoriginal; pelo contrário, aumentam a distorção.

Digitais – são um meio de transmitir sinais digitais, binários nonosso caso. O sinal, ao longo do canal, perde energia e ficadistorcido. Mas aqui usam-se repetidores que leem o padrão de0’s e 1’s do sinal e reenviam-no num sinal ‘limpo’ e com a energia

inicial.

Perda de amplitude do sinal ao longo da transmissão. Pode obrigar ao uso de repetidores para corrigir essa perda.

Perda de forma do sinal durante a transmissão.

É fundamental conhecer algumas grandezas e medidas.

A unidade de bit é sem duvida fundamental para as Redes e Comunicação.

É importante saber a velocidade e a quantidade de bits que transferimos por unidade de tempo, mas também é importante o equipamento que usamos para transferir esses dados.

Decibel:O Decibel mede a perda ou ganho da potência de uma onda.

Os decibéis podem ser números negativos (representam a perda da potência) e também ser números positivos (representa o ganho na potência).

Consiste no número de bits por segundo (bps) quepodem ser transmitidos por um canal.

Esta taxa também ser expressa em Kylobits, Megabits ou Gigabits por segundo. As taxas de transmissão entre dois computadores dependem de vários fatores, tais como:- as características dos cabos utilizados;- a quantidade de tráfego de mensagens provenientes dos vários nós da rede;- a utilização de largura de banda para transmissão de um só ou vários fluxos de mensagens ao mesmo tempo (multiplexação);- as taxas máximas de transmissão dos modems ou outros dispositivos de comunicação; etc.

Expressa em hertz, mostra a diferença entre a maior frequência e a menor frequência que o canal suporta.

A linha telefónica, por exemplo, tem uma largura de banda típica de 3100Hz.

Existe uma relação entre taxa de transmissão e largura de banda estabelecida por Nyquistem 1924 (para canais sem ruído):

taxa máxima = 2Hlog2V bpsCom H = largura de banda V = nº de níveis do sinal

Exemplo:

Transmissão de sinal binário (V = 2) num canal com LB de 3KHz (H = 3000)

Taxa máxima = 2*3000*log2V = 6000 bps

Throughput:Por exemplo, um download de um ficheiro apresenta-nos o valor em bits de uma certa largura de banda. Mas, essa largura de banda não apresenta o verdadeiro valor em bits do ficheiro. O verdadeiro valor é chamado Throughput, que pode ser traduzido por taxa de transferência efetiva de um sistema de transmissão.

Como já foi referido anteriormente, éfundamental que a mensagem chegue semerros. Para que isso não aconteça, existemdiferentes tipos de codificações: NRZ (No Return Zero)

▪ NRZ Unipolar▪ NRZ Polar▪ NRZ Bipolar

RZ (Return Zero)▪ RZ Unipolar▪ RZ Polar▪ RZ Bipolar

NRZ

RZ

NRZ:O código de linha Non Return Zero indica que o sinal nãonecessita obrigatoriamente de ir a zero entre transições de

bit, isto significa que tem o Duty Cycle (tempo de bit) de 100%(o impulso prolonga-se por todo o bit).

NRZ UnipolarEsta técnica de codificação é a mais simples. Os limitesda onda estão sempre entre “0” e “1”. Toma o valor de“1” quando o bit é “1”, quando o bit a codificar é “0”toma o valor “0”.Esta técnica é utilizado para gravação digital emsuportes magnéticos.

NRZ Polar: Esta técnica de codificação apresenta as mesmasvantagens e desvantagens do NRZ Unipolar. Oslimites da onda nesta codificação e “-1” e “1”. O valor“1” quando o bit a codificar é “1” e o valor “-1” quandoo bit a codificar é “0”.

NRZ Bipolar Esta técnica de codificação resolve o problema

relativo à componente DC - Duty Cycle (tempo de bit), mas sofre igualmente a perda de sincronismo com facilidade. Os limites da onda nesse tipo de codificação são entre “-1”, “0”,” 1”. Toma o valor “0” quando o bit a codificar é “0” e toma o valor “1” e “-1” alternadamente quando o bit a codificar é “1”.

RZ:

O código de linha do tipo Return Zero indica que, cadatransição, metade do bit sinal vai a zero. Por causa disto,diz-se que o Duty Cycle é de 50% e utiliza o dobro dalargura de banda em relação aos códigos NRZ.

RZ Unipolar-Esta técnica de codificação apresenta asmesmas vantagens e desvantagens do NRZ unipolar. Oslimites da onda estão sempre entre “1” e “0” e tomam ovalor 1 quando o bit a codificar é 1 e “0” quando o bit acodificar é “0”. No entanto, os valores só têm metade dotempo bit.

RZ Polar-Esta técnica de codificação apresenta as mesmasvantagens e desvantagens do NRZ polar. Os limites daonda neste tipo de codificação estão sempre entre -1 e 1.A onda toma valor 1 quando o bit a codificação é 1 e tomavalor -1 quando o bit a codificar é “0”. No entanto maisuma vez, tem metade do valor.

RZ Bipolar-Esta técnica de codificação apresenta as mesmas vantagens e desvantagens do NRZ Bipolar. Os limites da onda neste tipo de codificação estão entre -1, “0” e 1. Toma o valor “0” quando o bit a codificar é “0” e toma o valor 1 e -1 alternadamente quando o bit a codificar é 1. Contudo, só permanecem metade do tempo.

Manchester: Este código, à semelhança do RZ, também

apresenta um Duty Cycle de 50%, necessitado dobro da largura de banda, no entanto,exibe vantagens em relação aos anteriores,nunca apresenta componente nula, nuncaperde o sincronismo entre o emissor e orecetor e deteta erros.

Existe 2 tipos de codificação Manchester: Manchester Normal: Esta técnica de

codificação é semelhante à RZ apresentametade do valor em bit. Os valores limitesde onda neste tipo de codificação estãoentre 1 e -1. As transições entre “0” a 1 e 1 a“0” ocupam a largura de um bit desde omeio bit anterior até o meio bit seguinte.As restantes, de “o” a “o” e de 1 a 1,ocupam apenas meio bit.

Manchester Diferencial: Esta técnica decodificação também é semelhante ao RZ. Oslimites da onda neste tipo de codificação estãoentre -1 e 1, à semelhança do anterior. Adiferença reside nas transições entre bits quesão codificadas de forma diferente do anterior.As transições “0” a “1” e “1” a “1” ocupam alargura de um bit desde o meio bit anterior, atéao meio bit seguinte. As restantes transições, “0”a “0” e “1” a “0”, ocupam apenas meio bit.

Manchester normal e Diferencial:

Um sistema de comunicação interliga o emissor e um recetor através de um canal. Essa emissão é transmitida por duas ligações, que poderá ser síncrona e assíncrona. Para o recetor conseguir ler as mensagens ou dados de comunicação, depende destes tipos de rede.

Transmissão síncrona:A palavra síncrona indica a presença de um relógio. Ele é o responsável por sincronizar emissor e o recetor. O sincronismo permite ao recetor durante a transmissão saber quando pode ler os dados e quando deve parar.Este tipo de transmissão permite que uma grande quantidade de dados sejam transmitidos de uma só vez e ao longo de grandes distâncias, tornando-se muito eficiente.

Transmissão assíncrona:Este tipo e comunicação chama-se assíncrona visto não usar relógio para sincronizar a transmissão de dados. Menos eficiente, mas com baixo custo e de fácil configuração.

Em qualquer meio que comuniquemos podem sucedersituações em que a transmissão da mensagem pode nãoser a correta. Ruídos e interferências podem ocorrer. Paraque estes erros se corrijam existem códigos de deteção ecorreção de erros.

Deteção de erros:

Existem três códigos de deteção de erros frequentementeutilizados que são: Verificação de paridade checksum CRC.

Verificação de paridade:

Esta técnica é a mais utilizada para detetar erros. O bit de paridade indica o número de bits 1 presente num bite (caracter).A paridade é par, se tiver um número par de 1’s e ímpar caso tenha um número ímpar de 1’s. (“o”, se tivermos paridade par1, se tivermos paridade ímpar)

Exemplos:11001100- A mensagem está correta.10101011- A mensagem está incorreta.

Podem existir erros e o bit de paridade indicar que a transmissão foi realizada sem erros.

Por exemplo, quando 2 bits 1’s foram alvo de erro.

Checksums:Esta técnica serve para detetar erros principalmente nainternet. Esta verificação é usada ao nível de transporte ebaseia-se na soma do conteúdo do segmento que écolocado numa posição da trama UDP, no lado do emissor.No recetor há lugar novamente à soma do segmento. Seda soma de checksums resultarem apenas de 1´s,podemos inferir que não houve erro na transmissão, casocontrário, existiu erro na transmissão. Esses erros sãoassinalados nas posições que da soma de checksumsresultem zeros.

Os erros podem ocorrer no segmento ou no própriocódigo detetor de erros.

CRC- Cyclic Redundancy Check:

Esta técnica é mais eficiente que as anteriores. Échamada por método de deteção polinomial.Este método consiste em adicionar um conjuntode bits FCS( Frame Check Sequence) àmensagem original a transmitir.Os bits FCS são calculados através de umaexpressão:

FCS(x)= resto[M(x)x^n/G(x)]M(x)- mensagem originalG(x) - polinómio pré-definido

Correção de erros:

Anteriormente identificámos formas de detetar os erros.Porém, esses erros apenas eram detetados e nãocorrigidos. Geralmente quando um erro é encontrado todaa informação terá de ser retransmitida.

A técnica (retransmissão) utilizada chama-se ARQ-Automatic repeat request, baseia-se em confirmações positivas e negativas por parte do recetor.As versões mais utilizadas são Stop and Wait ARQ, Go-back-N ARQ e seletive reject ARQ.

Corrigir erros sem retransmissão – código de Hamming

Objetivos:

Reduzir o espaço ocupado pelos ficheiros;

Reduzir o tempo de transferência de ficheiros.

Os ficheiros comprimidos dependendo dos parâmetros e técnicas de compressão utilizadas apresentam maior ou pior relação espaço/qualidade.

Utilizada para ficheiros multimédia

Vídeo (mpeg)

Música(Mp3)

Imagem(jpeg)

Na compressão sem perdas é retirada apenas a informação que se pode prescindir sem que existam perdas. A informação é recuperada após o processo de descompressão.

zip, rar, arj, …(utilizado na compressão de texto)

O processo de compressão pode ser realizado com conhecimento ou não da natureza dos dados.

Compressão por entropia – não tem em conta a natureza dos dados

Compressão atendendo à fonte – tem em conta a natureza dos dados