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Redes de Computadores

Redes de ComputadoresCamada física:

sinais digitais e analógicos e codificação de linha, multiplexação e modulação,meios de transmissão

Versão 1.0Maio de 2017

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Sumário 1 – Camada Física...............................................................................................................................3

1.1 – Sinais digitais e analógicos e codificação de linha................................................................3 1.2 – Multiplexação........................................................................................................................5 1.3 – Modulação.............................................................................................................................6 1.4 – Meios de transmissão.............................................................................................................9

1.4.1 – Cabo de rede (par trançado)...........................................................................................9 1.4.2 – Cabo coaxial.................................................................................................................10 1.4.3 – Cabo de fibra ótica.......................................................................................................11 1.4.4 – Wireless........................................................................................................................12

1.5 – Aspectos da transmissão de dados.......................................................................................13



1 – Camada Física

A camada física é a camada 1 do RM-OSI. Esta camada é o suporte de transmissão que assegura o transporte de dados entre os nós na rede.

Na camada 1, os dados são representados por um conjunto de bits. Os bits são sinais digitais.

1.1 – Sinais digitais e analógicos e codificação de linha

Os sinais digitais são compostos de sequências discretas, isto é, descontínuas no tempo e na amplitude. O sinal digital só é definido para determinados instantes de tempo, e o conjunto de valores que pode assumir é finito.

O sinal analógico é contínuo no tempo, porém pode variar tanto na frequência quanto na amplitude.

Digitalização é a conversão de um sinal analógico em uma série de sinais discretos. Por exemplo, a voz analógica num disco de vinil para um arquivo mp3. A digitalização degrada um pouco o sinal original, afinal sinais discretos não são representação fiel do sinal analógico, que é contínuo no tempo. Mesmo assim, a digitalização évantajosa devido à robustez do sinal digital, quepermite a verificação da integridade e mesmocorreção caso haja alguma falha na transmissão.Outra vantagem é que os sinais digitais podem serfacilmente compactados e criptografados.

Devido à eficiência do sinal digital,atualmente os sinais analógicos são cada vezmenos usados.

Normalmente, nos computadores eequipamentos de rede o sinal digital é representadopor uma sequência de bits, com valores 0 ou 1.

Na figura 2, abaixo, é mostrado umexemplo de sinal digital. O sinal consiste numasequência de 0 ou 1.


Fig 1: sinal digital sobreposto ao analógico.

0

digitalanalógico

t (tempo)


Porém, a transmissão simples de bits 0 e 1 exige sincronização entre emissor e receptor, que é difícil nos casos que requer transmitir blocos de dados com milhares de bits de informação.

Para os casos de transmissão de blocos de dados muito grandes é exigido um mecanismo de temporização mais confiável, isso para poder manter a sincronização entre transmissor e receptor.

Uma opção seria então transmitir separadamente um sinal de temporização para sincronizar a operação de envio e recepção do sinal, mas isto poderia consumir muita largura de banda, além dedificultar o desenho e implementação desta solução. Felizmente, tudo isto pode ser simplificado, pois o sinal de temporização pode ser incluído nos bits de dados, que é obtido codificando estes dados para que haja um nível de transição do sinal para cada bit. Este esquema de codificação é chamado de codificação Manchester.

Na codificação Manchester, existe uma transição entre a transmissão de cada bit, que serve como um mecanismo de relógio, além de método de codificação de dados. Nesta codificação, a transição de baixo para cima (low-to-high) representa o número 1 binário, enquanto a transição de cima para baixo (high-to-low) representa o 0 binário. Este tipo de codificação também é conhecido como codificação digital bifásico (bi-phase), e possui um autorelógio (self-clocking).


Fig 2: sequência de bits com valores 0 ou 1 do sinal digital.

0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1

t

Fig 3: codificação Manchester.

0 0 0 0 0

1 1 1 1 1

t

1

0 0 0


1.2 – Multiplexação

Multiplexação é uma forma de transmitir várias informações num mesmo canal físico, ao mesmo tempo. Na multiplexação, o dispositivo chamado multiplexador tem como objetivo criar diversos caminhos ou canais dentro do mesmo meio físico.

A multiplexação pode ser feita por meio de divisão de frequência (FDM), divisão de tempo (TDM), divisão de espaço (SDM) e divisão de código (CDM).

• FDM (Frequency Division Multiplexing, Multiplexação por Divisão de Frequência) consiste em dividir o canal em bandas, onde cada banda trabalha numa frequência distinta da outra. Para cada frequência emitida pelo multiplexador (MUX), tem que haver uma mesma frequência de recebimento do demultiplexador (DEMUX). Como exemplos, os sinais de um canal de TV são divididos em diferentes frequências subportadores para vídeo, áudio e cores, e as transmissões DSL (Digital Subscriber Line) usam diferentes frequências subportadoras para voz e dados. Quando FDM é usado para permitir a múltiplos usuários compartilharem um mesmo meio físico (por exemplo, wireless), a tecnologia é chamada de FDMA (Frequency Division Multiple Access);

• TDM (Time Division Multiplexing, Multiplexação por Divisão de Tempo) consiste em dividir o canal de comunicação em muitos segmentos, cada um com duração muito pequena,de modo que cada emissor tenha um instante para enviar a sua mensagem, após o qual outro emissor envia, e assim prosseguir até completar um ciclo. Divide-se em síncrono e assíncrono.TDM síncrono garante exatamente a mesma quantidade de tempo para cada dispositivo conectado no canal, num ciclo periódico. Mesmo que determinado dispositivo não tenha nada a transmitir naquele momento é alocada a fatia de tempo, por isso TDM síncrono não garante eficiência nem maximização no uso da linha.TDM assíncrono aloca apenas tempo para os dispositivos que têm dados a transmitir naquele momento, portanto é mais flexível que o TDM síncrono. É mais complexo, porém mais eficiente na utilização da largura de banda. Opera "tagueando" (tagging) cada quadro com um número de identificação para saber a qual dispositivo ele pertence;

• SDM (Space Division Multiplexing, Multiplexação por Divisão de Espaço) consiste na separação física dos canais de transmissão, para que possa haver simultaneamente transmissão de diferentes dados. Como exemplo temos a transmissão wireless MIMO (multiple input, multiple output), onde são combinadas múltiplas antenas para otimizar a velocidade de transmissão dos dados;

• CDM (Code Division Multiplexing, Multiplexação por Divisão de Código) consiste na combinação de múltiplos sinais de dados para transmissão simultânea numa banda comum de frequência. Quando o CDM é usado para permitir a múltiplos usuários compartilharem um único canal de comunicação, a tecnologia é chamada de CDMA (Code Division Multiplexing Access).



1.3 – Modulação

Devido a sua natureza, na maior parte dos casos, o sinal não tem como ser enviado diretamente através do canal de transmissão. Devido a isto, o sinal precisa ser modulado numa ondaportadora, com propriedades mais convenientes ao meio de transmissão, para poder então enviar este sinal. Por exemplo, numa rádio convencional (AM ou FM) a voz humana (onda acústica) é modulada numa onda eletromagnética portadora, que é quem transmite a fala desde a antena da emissora até o aparelho receptor.

Modulação é uma alteração sistemática de uma onda portadora pela ação de um sinal modulante, que pode incluir também uma codificação.

No exemplo de transmissão de voz humana pelo rádio, acima, a modulação é analógica. Se for rádio AM, a modulação é em amplitude (Amplitude Modulation, AM), se for FM, a modulação éem frequência (Frequency Modulation, FM).

Existe também a modulação em fase, Phase Modulation, PM, que está próxima do FM e é usada em transmissões de sinais em ondas de rádio em geral.

Mas independente da modulação, seja ela analógica ou digital, a escolha do tipo de modulação é uma decisão fundamental para o sucesso do sistema de transmissão de dados.

Muitas técnicas de modulação são utilizadas para atender às especificações e requisitos de um sistema de transmissão de sinais. Em todos estes casos, o processo de modulação precisa ser reversível para que no receptor a mensagem possa ser recuperada pela operação complementar da demodulação.

A modulação digital também é chamada de modulação discreta ou codificada, e tem como objetivo transmitir sinais num conjunto finito de valores discretos. No caso da comunicação binária, as mensagens são transmitidas por pulsos, que correspondem aos valores binários 1 e 0.

Modulação digital é uma técnica para transportar dados digitais sobre formas de onda analógicas.

A diferença fundamental entre os sistemas de comunicação de dados digitais e analógicos é que no caso digital envolve a transmissão e detecção de pulsos (0 ou 1), enquanto que nos sistemas analógicos existe uma forma de onda contínua, forma esta muitas vezes não conhecida.

Devido a isto, nos sistemas digitais o problema da detecção (demodulação) é mais simples e confiável que nos sistemas contínuos. Cabe lembrar que durante a transmissão as formas de onda portadora podem ser alteradas pelo ruído do canal, e quando este sinal modificado é recebido no receptor é necessário recuperar a onda original.

As técnicas de modulação para sinais digitais mais utilizadas são ASK, FSK, PSK e QAM.



• ASK (Amplitude Shift-Keying, Modulaçãoem Amplitude por Chaveamento) consistena alteração da amplitude da ondaportadora em função do sinal digital a sertransmitido, que é comutada entre doisvalores, usualmente ligado e desligado (namodulação em amplitude multinívelpodem ser utilizados mais valores). A ondaresultante consiste então em pulsos derádio frequência (RF), que representam osinal binário "1" e espaços representando odígito binário "0" (supressão daportadora). Tem como vantagem asimplicidade, e como desvantagem sermuito suscetível a interferências externas.É usada para transmitir dados digitais emfibra ótica.

• FSK (Frequency Shift-Keying, Modulaçãoem Frequência por Chaveamento),consiste em variar a frequência da ondaportadora em função do sinal digitalmodulante a ser transmitido. A amplitudeda onda portadora modulada é mantidaconstante durante todo o processo damodulação, e quando ocorrer a presençade um nível lógico "1" no sinal digital, afrequência da portadora é modificada. Temcomo vantagem ser menos suscetível aerros que ASK. É usado em rádiotransmissões, altas frequências, etc.


Fig 4: modulação ASK.

t

sinaldigital

portadora

sinalmodulado

Fig 5: modulação FSK.

t

sinaldigital

sinal modulado

portadora 1

portadora 2


• PSK (Phase Shift-Keying, Modulação emFase por Chaveamento) consiste emalterar a fase da onda portadora em funçãodo sinal digital a ser transmitido. Quandoocorre uma transição de nível lógico dosinal digital modulante, há uma mudançade 180 graus na fase da onda portadoracom relação ao ângulo anterior. Atransição observada pode ser tanto de nívellógico "0" para "1" como de nível lógico"1" para "0". Tem como vantagem maioreficiência no uso da largura de banda, ecomo desvantagem exige circuitos derecepção (demodulação) mais complexos.

• QAM (Quadrature Amplitude Modulation, Modulação de Amplitude em Quadratura) consiste numa combinação de ASK comPSK. É usado em modems de altavelocidade como modem a cabo (cablemodem) e ADSL (Asymmetric DigitalSubscriber Line).No caso da linha telefônica convencional(cabo de par trançado, analógica), parapermitir que dois equipamentos digitaisse comuniquem é necessário um modemem cada ponta dessa linha, pois os sinaisem rede são binários e na telefonia sãoanalógicos, daí a necessidade de uma"tradução" chamada de modulação e demodulação (MODEM).

No entanto, em muitos casos o sinal digital pode ser transportado diretamente, sem necessidade de modulação. Por exemplo, numa LAN, os impulsos elétricos nos cabos UTP normalmente não são modulados.


Fig 7: modem modula e demodula o sinal digital.

modem modemlinha telefônica

A B

sinal digital sinal digitalsinal analógico

tt t

Fig 6: modulação PSK.

t

sinaldigital

portadora

sinal modulado


1.4 – Meios de transmissão

Meio de transmissão é o suporte físico que transporta um ou mais canais de comunicação. O canal de comunicação é um circuito usado para estabelecer a comunicação entre a origem e o destinatário.

Existem vários meios físicos que podem ser usados como circuitos de comunicação. Cada um deles tem as suas próprias características em termos de transmissão de dados, tais como largura de banda (bandwidth), atraso (delay), imunidade a ruído (noise immunity), confiabilidade (reliability), manutenção e custo de instalação.

Os meios de transmissão classificam-se pela existência de guia físico (por exemplo, fibra ótica) e pela ausência de guia físico (por exemplo, ondas eletromagnéticas ou wireless).

Como exemplos de suportes de transmissão com guia físico temos o cabo de par de fio trançado (cabo de rede), cabo coaxial e cabo de fibra ótica.

Como exemplo de suporte de transmissão com ausência de guia físico temos os diversos tipos de transmissão wireless, tais como wi-fi e bluetooth.

1.4.1 – Cabo de rede (par trançado)

O par de fio trançado é o mais clássico de todos os meios detransmissão. Consiste de dois fios de cobre isolados e arranjados naforma helicoidal na longitude, isto é, enrolados um no outro. A técnicade enrolar o par é para diminuir os efeitos das induçõeseletromagnéticas parasitas, provenientes do ambiente.

O uso mais comum desse suporte de transmissão está na redetelefônica, e neste caso o sinal pode percorrer alguns quilômetros semnecessidade de amplificação ou regeneração do sinal.

O cabo de par de fio trançado pode ser usado tanto na transmissão de sinais analógicos (como é o caso do telefone) quanto digitais (por exemplo, telégrafoe computador).

A banda passante é função do diâmetro e pureza docondutor, além da natureza do isolante e comprimento do cabo. Ataxa de transmissão está na faixa de algumas dezenas de Kbps (103 bits por segundo).

Este suporte de transmissão apresenta baixo custo e grande faixa de utilização, por isso é dos


Fig 8: fio de cobre.

comprimento

diâmetro

Fig 9: cabo de par trançado.


mais utilizados atualmente.

No caso das LANs, costuma-se usar cabos com pelo menos 2 pares, onde um par é para transmitir e outro para receber os dados. Se esse conjunto for envolvido por uma capa simples, será do tipo UTP (Unshielded Twisted Pair), se tiver uma blindagemexterna será STP (Shielded Twisted Pair).

Os cabos UTP estão divididos em categorias que têm a vercom a frequência de transmissão, e que definem a taxa detransferência nesse meio. Por exemplo, a categoria 3 transmite a 10MHz e pode ser usada para Ethernet (10 Mbps), já a categoria 5transmite a 100 MHz e é adequada para FastEthernet (100 Mbps). Épossível transmitir a 1 Gbps com categoria 5 se forem usados todosos 4 pares do cabo no esquema bidirecional, e não apenas doispares.

Na tabela 1, abaixo, estão as categorias de cabos UTP mais usados atualmente.

Categoria Comprimento máximo (metros) Velocidade máxima Frequência (MHz)

Cat-5 100 100 Mbps 100

Cat-5e 100 1 Gbps 100

Cat-6 100 1 Gbps 250

Cat-6 55 10 Gbps 250

Cat-6a 100 10 Gbps 500Tabela 1: categorias de cabos UTP mais usados.

A tabela acima mostra que para aumentar a velocidade (taxa de transferência) é necessário aumentar a frequência do sinal, e isto é conseguido através de um maior enrolamento dos pares e melhor isolação. Mas isto deixa o cabo mais grosso e menos flexível.

Todas as categorias acima trabalham com conectoresgenéricos 8P8C (que são erradamente tratados como conectoresRJ45, que é específico da categoria 5).

1.4.2 – Cabo coaxial

Os cabos coaxiais são constituídos por dois condutores arranjados de forma concêntrica: umcondutor central, que é envolto por um material isolante na forma cilíndrica, e externamente envolto


Fig 10: corte em cabo UTP.

Fig 11: conector 8P8C cabeado.


por uma trança metálica.

O cabo coaxial, por ser menos suscetível a interferênciaseletromagnéticas externas, oferece uma maior banda passante em relaçãoao par trançado, porém tem a desvantagem de ser mais caro.

As principais vantagens do cabo coaxial são:

• Suporta faixas de frequências suficientes para atender a múltiploscanais, que permite maior vazão (throughput) de dados;

• Baixas taxas de erros de transmissão, isto é, imunidade a erros pois o condutor central (interno) está bem blindado pela trança (capa) metálica externa.

Porém, comparativamente ao cabo de par trançado, tem as desvantagens de ser mais caro, mais grosso e menos flexível.

Devido a tudo isso, nas redes atualmente os cabos coaxiais são poucos usados quando comparado com cabo de rede e cabo de fibra ótica.

1.4.3 – Cabo de fibra ótica

A fibra ótica é o meio pelo qual os sinais binários são conduzidos sob a forma de impulsos luminosos. A luz visível é uma onda eletromagnética cuja frequência está entre 1014 e 1015 Hz, e por isso neste suporte de transmissão a banda passante potencial é bastante grande, ficando na faixa dos Gbps (109 bits/s).

O suporte de transmissão à base de fibra ótica é composto por três elementos: o próprio suporte de transmissão (a fibra), o dispositivo de emissão e o dispositivo de recepção.

A fibra ótica é constituída de um cilindro de fibra de vidro bem fino envolto por uma capa, odispositivo emissor consiste de um LED (Light Emitting Diode) ou diodo laser e o dispositivo de recepção é constituído por um fotodiodo ou de um fototransistor. A vantagem da fibra é oferecer alta taxa de transmissão em redes de comunicação em longa distância.

As fibras óticas precisam também de alimentação elétrica para amplificar o sinal ótico que reduz com a distância percorrida. No caso de fibras intercontinentais, o cabo submarino é alimentado com energia elétrica de alta voltagem para possibilitar esta amplificação em longas distâncias.

O backbone da internet consiste basicamente de cabos de fibra ótica por muitas razões, entreas quais estão:

• Altas velocidades e grande largura de banda;• Sofrem pouca ou relativamente pouca atenuação com a distância, que permite cobrir longas

distâncias com poucos repetidores de sinais;


Fig 12: cabo coaxial.


• São imunes a linhas cruzadas ou outras formas de interferência eletromagnética que possam prejudicar a transmissão de dados.

No datacenter, o principal uso de fibra ótica é para atender a altas velocidades e grande largura de banda. As principais tecnologias usadas são:

• Fibre Channel (canal de fibra), para redes SAN. Atualmente tem velocidades típicas de 8 Gbps, 16 Gbps (Geração 5 ou Gen 5) e 32 Gbps (Gen 6);

• Fibre Channel over Ethernet (FCoE). Usado tanto para transmissão de dados IP quanto em SAN, com velocidade de 10 GB.

1.4.4 – Wireless

As redes wireless usam diversas faixas de frequências, desde rádio (KHz, 103 Hz), microondas (GHz, 109 Hz) até infravermelho (THz, 1012 Hz).

Pela própria natureza, as redes wireless são adequadas tanto para ligações ponto a ponto quanto ligações multiponto.

A principal vantagem do uso de redes wireless é dispensar a necessidade de cabeamento, porém como o meio de transmissão é compartilhado por vários dispositivos, faz-se necessário um método para disciplinar esse comportamento.

Alguns desses métodos são FDM (Frequency Division Multiplexation), TDM (Time Division Multiplexation), SDM (Space Division Multiplexation) e CDM (Code Division Multiplexing). O GSM (General System for Mobile Communications) usa FDM e TDM combinados.

O método SDM pode ser usado de duas maneiras: a primeira usa antenas direcionais e sinaisde rádio de alta frequência concentrados em feixe e a segunda estrutura a rede em células. Neste segundo caso, por não ser um feixe direcionado, a intensidade do sinal cai rapidamente à medida que um dispositivo se afasta da transmissora.

Uma consideração muito importante no wireless é a segurança, pois o sinal de rádio pode serdetectado por receptores não autorizados.



1.5 – Aspectos da transmissão de dados

Um canal de transmissão de dados, a nível de bit, envolve transmissor, receptor, destinatário e suporte de transmissão. No meio desse processo está sempre presente o ruído.

A transmissão pode ser unidirecional e bidirecional. Se a transmissão ocorrer somente numa direção o canal é chamado de simplex, se o mesmo canal transmite e recebe mas não simultaneamente, o canal é half-duplex, se transmite e recebe simultaneamente, o canal é full-duplex.

full-duplexdois canais distintos, um para transmissão e outro para recepção (transmissão e recepção simultânea)

half-duplexo mesmo canal é usado para transmissão e para recepção, porém não simultaneamente

simplexum único canal para transmissão ou recepção somentenuma direção

Tabela 2: canais de transmissão e recepção.

Para finalizar o item Camada física, convém lembrar que o meio físico envolve também os conectores e path panel.

Como exemplo de equipamento de camada 1 temos o hub, que também é um concentrador de rede. Os repetidores também são de camada 1.


Fig 13: transmissão ponto a ponto unidirecional.

fonte deinformaçãobinária

destinatário dainformaçãobinária

transmissor receptorsuporte detransmissão

ruído

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