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Redes de ComputadoresConceitos Básicos

Walter Fetter [email protected]

Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Elétrica

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica

ELE00002 Sistemas de Automação

Copyright (c) Walter Fetter Lages – p.1

Modos de Transmissão

• Paralela• Bits transmitidos simultaneamente através de

vários suportes físicos• Serial

• Bits transmitidos um através de um únicosuporte físico


Comunicação Serial

• Modo Simplex• Modo Duplex• Modo Half-duplex


Transmissão Síncrona

• Transmissão síncrona• Um bit transmitido a cada pulso de clock• Caracteresback-to-back


Transmissão Assíncrona

• Transmissão assíncrona• Utiliza Start bit para sinalizar o início de cada

caracter


Codificação de Bits

• Banda básica• Sinal digital não modulado

• Banda estreita• Sinal analógico modulado pelo sinal digital

• Banda larga• Sinal analógico modulado pelo sinal digital


Codificação em Banda Básica

• On-off• NRZ polar• RZ unipolar• Manchester• Bifase• Manchester diferencial• Bifase diferencial• Miller• CMI


Codificação em Banda Básica


Modulação

• Alteração e uma ou mais características(amplitude, fase, frequência, ...) de um sinal(portadora) segundo um outro sinal (modulante)

• Modulação contínua• Portadora analógica• Modulante analógico

• Modulação de pulso• Portadora digital• Modulante analógico

• Modulação Digital• Portadora analógica• Modulante digital


Modulação Contínua

• Modulação em amplitude (AM)• Modulação em fase (PM)• Modulação em freqüência (FM)


Modulação em Amplitude (AM)


Modulação em Fase ou Freqüência


Modulação de Pulso

• Modulação de código de pulso (PCM)• Modulação de amplitude de pulso (PAM)• Modulação de largura de pulso (PWM)• Modulação de posição de pulso (PPM)


Modulação de Amplitude de Pulso


Modulação Digital

• Modulação por chaveamento de amplitude (ASK)• Modulação por chaveamento de freqüência (FSK)• Modulação por chaveamento de fase (PSK)• Modulação em amplitude e quadratura (QAM)


ASK, FSK, PSK


QAM


Taxa de Comunicação

• Taxa de informação• Quantidade bits transmitidos por segundo• Medido em bps

• Taxa de símbolos ou taxa de sinalização• Quantidade de sinais transmitidos por

segundo• Medido em Bauds• Um símbolo pode corresponder 1, mais ou

menos bits• Baud 6= bps


Multiplexação

• Combinação de diversos sinais para transmissãoem um único canal

• Multiplexação por divisão de freqüência (FDM)• Multiplexação por divisão de tempo (TDM)• Multiplexação por divisão de código (CDM)


Modulações Robustas a Ruído

• Spread-spectrum (SS)• Utiliza uma banda maior do que a mínima

para transmitir o sinal• Espalha o sinal em uma banda mais larga do

que o sinal original• Multiplexação por divisão de freqüências

ortogonais (OFDM)• O canal é dividido em diversos canais de

banda estreita em freqüências ortogonais• Estas mesmas modulações são utilizadas em

redes sem fio


Spread-Spectrum

• Frequency Hoping Spread-Spectrum (FHSS)• A banda é dividida em subcanais e o sistema

chaveia pseudo-aleatoriamente entre eles• Direct Sequence Spread-Spectrum (DSSS)

• O sinal é multiplicado por um sinalpseudo-aleatório antes de ser transmitido

• Sistema híbrido DS/FHCopyright (c) Walter Fetter Lages – p.21

OFDM


OFDM

• Na utilização de OFDM em PLC, as freqüênciasutilizadas são monitoradas em tempo real e asportadoras que são mais sensíveis ao ruído sãocarregadas com menos bits

• O sistema adapta-se às variações da rede elétrica


Topologias de Rede


Rede em Estrela

• Nó central: comutador ou switch• Não necessitam roteamento• Desempenho depende da velocidade do nó central• Problemas: confiabilidade, modularidade


Rede em Anel

• Uso de repetidores ligados ao meio físico• Usualmente transmissão unidirecional para

simplificar o projeto dos repetidores quando umamensagem é enviada por um nó, ela entra no anele circula até ser retirada pelo nó de destino (oupelo nó que enviou, dependendo do protocolo)


Anel com Repetidor Interno


Anel com Repetidor Externo

• Aumento da confiabilidade


Rede em Anel


Anel Secundário


Redes usando difusão


Barramentos

• Ligação das estações ao meio devem alterar omínimo possível as características elétricas


Acesso ao Meio de Transmissão

• Barramentos são compartilhados por todas asestações.

• Como definir o acesso ao meio ?


Estratégias de Acesso

• Mestre Escravo• Com colisões• Sem colisões• Prioridade


Acesso Baseado em Contenção

• Não existe uma ordem de acesso• Dois ou mais nós podem transmitir

simultaneamente ocasionando colisão (perda dasmensagens)

• Técnicas de detecção de colisão e retransmissãosão necessárias


Protocolo Aloha

• Universidade doHawai 1970

• Rede via satélite• Interligação do cen-

tro de computaçãocom terminais espa-lhados na ilha


Protocolo Aloha

• Dois canais de freqüência• Um para a difusão de mensagens do

computador central para os terminais• Outro dos terminais para o computador central

• Possibilidade de colisão no segundo canal• Estratégia de acesso:

• Cada terminal somente pode "ouvir"o canalde transmissão do computador central

• Quando um terminal tem algo para transmitirele transmite sem poder verificar se o meioestá livre


Protocolo Aloha

• Técnica de detecção de colisão• Nos terminais

• Relógio temporizador (time-out) paraaguardar chegada do quadro dereconhecimento da recepção

• Caso reconhecimento da recepção não sejarecebido: retransmissão

• No computador central• Análise do CRC


Protocolo Aloha


Slotted Aloha

• Maximização dos períodos de colisão• Reduz tempo morto de canal

• Tempo é dividido pelo sistema central emintervalos (slots): terminais somente podeminiciar transmissão no começo de cada intervalo


Slotted Aloha


Aloha puro × Slotted


Protocolo CSMA

• Também adota a sincronização dos quadros emcolisão, fazendo com que se superponham desdeo início

• Estações ’escutam’ o meio para verificar se háalguma estação transmitindo

• CarrierSenseMultiple Access


np-CSMA e p-CSMA

• Estações, após transmitirem, esperam oreconhecimento da mensagem por um tempodeterminado

• Não chegada de recebimento implica emretransmissão

• Diferença está no algoritmo que especifica o quefaz uma estação quando deseja transmitir e omeio está ocupado


CSMA Não Persistente

• Caso o canal esteja ocupado, estação não ficaconstantemente esperando, mas espera um tempoaleatório e, em seguida, repete o algoritmo


np-CSMA × p-CSMA


CSMA p-persistente

• Aplicável a canais segmentados (slotted)• Se o canal está ocupado, estação continua a

escutar o meio até que este fique livre• Então transmite com uma probabilidade p. Com

uma probabilidade q=1-p há um adiamento até opróximo slot. Processo se repete até que a estaçãotransmita ou que o canal esteja ocupado (nesteúltimo caso, estação aguarda um tempo aleatório)


CSMA 1-persistente

• Quando estação tem dados a transmitir elaprimeiro escuta o canal. Se o canal estiver livreela transmite (probabilidade = 1). Caso detectecanal ocupado, a estação espera até que o canalfique inativo.

• Problema: tempo de retardo vs. tamanho doquadro


Comparação

• Não persistente: bom para evitar colisões emtráfego alto

• 1-persistente: minimiza o tempo perdido (emcaso de poucas estações querendo transmitir),porém gera número elevado de colisões

• p-persistente: busca um compromisso entreambos


CSMA-CD

• Collision Detection• Estações continuam ’escutando’ o canal durante o

envio, cancelando por um período de tempoaleatório caso detectem colisão

• Redução do período de colisão = aumento do usoefetivo do canal

• Tempo mínimo de detecção de uma colisão =tempo de propagação


CSMA-CD


CSMA-CD

• Tamanho de quadrotp: tempo de propagaçãoM : tamanho do quadroC: taxa de transmissãoM ≥ 2Ctp


CSMA-CD


Comparação


Protocolos Livres de colisão

• Protocolo de Mapa de Bits• Contagem Regressiva Binária (CSMD-BA)• Reconhecimento de Difusão com Prioridades

Alternantes


Protocolo de Mapa de Bits

• Numa fase inicial cada estação tem suaoportunidade de informar se quer ou nãotransmitir• N slots de contenção (1 bit para cada estação)

• No final desta fase, todas já sabem quantasestações transmitirão e inicia-se a transmissãodos quadros (em ordem numérica)


Protocolo de Mapa de Bits


Contagem Regressiva Binária

• similar ao anterior, usa porém código binário paraas estações (1 predomina sobre 0 = OR )

• Semelhante ao CSMA-BA

eficiência=d

d + lnN


Contagem Regressiva Binária


BRAP

• Reconhecimento de Difusão com PrioridadesAlternantes

• Assim que estação insere seu bit 1 em suaabertura, ela pode iniciar a transmissão

• Varredura de permissão inicia sempre da estaçãoseguinte à última que transmitiu


Protocolos de Contenção Limitada

• Procuram combinar as vantagens das outrasabordagens (com contenção tem bomdesempenho em carga baixa e livres de colisãotem bom desempenho em carga alta)

• Idéia: divide-se as estações em N grupos e osgrupos dividem os N slots


CSMA-CA

• CA: collision avoidance• Depois de cada transmissão (com ou sem

colisão), estações somente podem começar atransmitir em intervalos a elas pré-alocados(ordenação do acesso e maior prioridade àprimeira estação)

• Se todos os intervalos não são utilizados, métodoCSMA comum é utilizado


Refinamentos CSMA-CA

1. Se nenhuma estação transmitir, primeira estaçãotransmite quadro sem conteúdo para reinicializarprocesso

2. Busca tornar mais justo o esquema de acesso:depois de transmitir, estação somente pode tentarnova transmissão depois que todas as outrastiverem oportunidade

3. Permite diálogo: estação que recebe tem direitode transmitir


Acesso Ordenado sem Contenção

• Polling• Controlador (árbitro) determina quem transmite• Diferentes estratégias

• Fisicamente mais distante primeiro• Numeração• Estações solicitam transmissão (em canal

independente)


Slots

• Topologia em anel• Divide o espaço de comunicação em número

inteiro de pequenos segmentos• Cabeçalho da mensagem circulando no segmento

contém informação se está vazio ou cheio• Estação que quer transmitir aguarda slot vazio


Analogia


Acesso ao Anel


Passagem de Permissão (token)

• Permissão de transmissão é passada de umaestação para outra

• Ordem lógica de transmissão pode ser distinta daordem física


Passagem de Token em Barramento

• Permissão identifica quem recebe• Anel virtual• Requer funções de gerenciamento

• Adição e retirada de estações no anel virtual• Gerenciamento de falhas• Inicialização do anel

• Desvantagem: overhead quando tráfego é baixo


Passagem de Token em Anel

• Permissão para transmissão é enviada para anel(sem identificação de quem recebe)

• Possibilidade de múltiplos tokens


Múltiplos Tokens


Acesso Baseado em Reservas


Protocolos de Comunicação

• Conjunto de regras a serem seguidas por todos osparticipantes, a fim de permitir a comunicação

• Hierarquia de Protocolos• Para reduzir a complexidade de projeto• Organização em camadas ou níveis• Propósito da camada é oferecer servicos às

camadas superiores, omitindo detalhes sobre aimplementação dos serviços


Referências

[1] A. S. Tanenbaum.Rede de Computadores.Campus, Rio de Janeiro, 1997.


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