Redes de ComputadoresCamada Física

Introdução

Neste capítulo, vamos analisar a camada mais baixa. Ela define as interfaces mecânica, elétrica e de sincronização para a rede.

A base teórica da comunicação de dados

As informações podem ser transmitidas por fios, fazendo-se variar alguma propriedade física, como voltagem (tensão elétrica) ou corrente.

Análise de Fourier

No início do Século XIX, o matemático francês Jean-Baptiste Fourier provou que qualquer função periódica razoavelmente estável, g(t), com o período T pode ser construída como a soma de um número (possivelmente infinito) de senos e co-senos.

Sinais limitados pela largura de banda

(a) Um sinal binário e suas amplitudes de média quadrática de Fourier. (b) Aproximações sucessivas do sinal original

Taxa máxima de dados de um canal

Em 1924 um engenheiro da AT&T, percebeu que até mesmo um canal perfeito tem uma capacidade de transmissão finita. Ele derivou uma equação expressando a taxa máxima de dados de um canal sem ruído com largura de banda finita.

Em 1948, outro estudo aprofundou o trabalho de anterior e o estendeu ao caso de um canal sujeito a ruído aleatório.

Meios magnéticos

Uma das formas mais comuns de transportar dados de um computador para outro é gravá-los em fita magnética ou em mídia removível.

Uma fita Ultrium de padrão industrial pode armazenar 200 gigabytes. Uma caixa de 60 60 60 cm pode conter cerca de 1000 fitas desse tipo, perfazendo uma capacidade total de 200 terabytes, ou 1600 terabits.

Meios magnéticos

A largura de banda efetiva dessa transmissão é de 1600 terabits/86400s, ou 19 Gbps.

Par trançado

Um par trançado consiste em dois fios de cobre encapados, que em geral têm cerca de 1 mm de espessura.

Os fios são enrolados de forma helicoidal, assim como uma molécula de DNA. O trançado dos fios é feito porque dois fios paralelos formam uma antena simples. Quando os fios são trançados, as ondas de diferentes partes dos fios se cancelam, o que significa menor interferência.

Par trançado

Os pares trançados podem ser usados na transmissão de sinais analógicos ou digitais.

A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida mas, em muitos casos, é possível alcançar diversos megabits/s por alguns quilômetros.

Cabo coaxial

Ele tem melhor blindagem que os pares trançados, e assim pode se estender por distâncias mais longas em velocidades mais altas. Dois tipos de cabo coaxial são amplamente utilizados.

• 50 ohms

• 75 ohms

Cabo coaxial

Fibra óptica

Um sistema de transmissão óptica tem três componentes fundamentais: a fonte de luz, o meio de transmissão e o detector.

Por convenção, um pulso de luz indica um bit 1, e a ausência de luz representa um bit zero.

O meio de transmissão é uma fibra de vidro ultrafina. O detector gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz.

Fibra óptica

(a) Três exemplos de um raio de luz dentro de uma fibra de sílica incidindo na fronteira ar/sílica em diferentes ângulos. (b) A luz interceptada pela reflexão total interna

Transmissão de luz na fibra

As fibras ópticas são feitas de vidro que, por sua vez, é produzido a partir da areia, uma matéria-prima de baixo custo e abundante.

A atenuação da luz através do vidro depende do comprimento de onda da luz (bem como de algumas propriedades físicas do vidro).

Transmissão de luz na fibra

Cabos de fibra

Os cabos de fibra óptica são semelhantes aos cabos coaxiais, exceto por não terem a malha metálica.

Cabos de fibra

Dois tipos de fontes de luz são usadas geralmente para fazer a sinalização: os diodos emissores de luz (LEDs — Light Emitting Diodes) e os lasers semicondutores.

Redes de fibra óptica

As fibras ópticas podem ser usadas em LANs e nas transmissões de longa distância, apesar de sua conexão ser mais complexa que a conexão a uma rede Ethernet. Uma forma de contornar esse problema é perceber que uma rede em anel é, na verdade, apenas um conjunto de enlaces ponto a ponto.

Redes de fibra óptica

Comparação entre fibras ópticas e fios de cobre

A fibra tem muitas vantagens. Para começar, ela pode gerenciar larguras de banda muito mais altas do que o cobre. Apenas essa característica justificaria seu uso nas redes de última geração. Devido à baixa atenuação, os repetidores só são necessários a cada 50 quilômetros de distância em linhas longas, comparada à distância de 5 km no caso do cobre, uma economia de custo significativa.

Comparação entre fibras ópticas e fios de cobre

Transmissão sem fios

Quando se movem, os elétrons criam ondas eletromagnéticas que podem se propagar pelo espaço livre (até mesmo no vácuo).

O número de oscilações por segundo de uma onda eletromagnética é chamado frequência, f, e é medida em Hz (em homenagem a Heinrich Hertz). A distância entre dois pontos máximos (ou mínimos) consecutivos é chamada comprimento de onda.

Transmissão sem fios

Transmissão sem fios

O volume de informações que uma onda eletromagnética é capaz de transportar está diretamente relacionado à sua largura de banda.

Com a tecnologia atual, é possível codificar alguns bits por Hertz em frequências baixas; no entanto, comumente esse número pode chegar a 8 em altas frequências.

Transmissão de rádio

As ondas de rádio são fáceis de gerar, podem percorrer longas distâncias e penetrar facilmente nos prédios; portanto, são amplamente utilizadas para comunicação, seja em ambientes fechados ou abertos.

Transmissão de rádio

As ondas de rádio também são omnidirecionais, o que significa que elas viajam em todas as direções a partir da fonte; desse modo, o transmissor e o receptor não precisam estar cuidadosa e fisicamente alinhados.

Transmissão de rádio

Devido à capacidade que as ondas de rádio apresentam de percorrer longas distâncias, a interferência entre os usuários é um problema.

Por essa razão, todos os governos exercem um rígido controle sobre o licenciamento do uso de transmissores de rádio, com apenas uma exceção, descrita a seguir

(a) Nas bandas VLF, VF e MF, as ondas de rádio obedecem à curvatura da T erra. (b) Na banda HF, elas ricocheteiam na ionosfera

Transmissão de microondas

Acima de 100 MHz, as ondas trafegam praticamente em linha reta e, portanto, podem ser concentradas em uma faixa estreita.

A concentração de toda a energia em um pequeno feixe através de uma antena parabólica.

Transmissão de microondas

Ao contrário das ondas de rádio nas frequências mais baixas, as microondas não atravessam muito bem as paredes dos edifícios.

Além disso, muito embora o feixe possa estar bem concentrado no transmissor, ainda há alguma divergência no espaço.

Transmissão de microondas

As bandas de até 10 GHz agora são de uso rotineiro, mas a partir de 4 GHz surge um novo problema: a absorção pela água. Essas ondas têm apenas alguns centímetros e são absorvidas pela chuva

Ondas de infravermelho e milimétricas

As ondas de infravermelho e ondas milimétricas sem guias são extensamente utilizadas na comunicação de curto alcance.

Todos os dispositivos de controle remoto utilizados nos aparelhos de televisão, videocassetes e equipamentos estereofônicos empregam a comunicação por infravermelho.

Ondas de infravermelho e milimétricas

Eles são relativamente direcionais, econômicos e fáceis de montar, mas têm uma desvantagem importante: não atravessam objetos sólidos.

Transmissão por ondas de luz

Uma aplicação mais moderna consiste em conectar as LANs em dois prédios por meio de lasers instalados em seus telhados.

Por sua própria natureza, a sinalização óptica coerente que utiliza raios laser é unidirecional; assim, cada prédio precisa do seu próprio raio laser e do seu próprio fotodetector.

Satélites de comunicações

Os satélites de comunicações possuem algumas propriedades interessantes, que os tornam atraentes para muitas aplicações.

Em sua forma mais simples, um satélite de comunicações pode ser considerado um grande repetidor de microondas no céu

Satélites de comunicações

Ele contém diversos transponders ; cada um deles ouve uma parte do espectro, amplifica os sinais de entrada e os transmite novamente em outra freqüência, para evitar interferência com o sinal de entrada.

Os feixes descendentes podem ser largos, cobrindo uma fração substancial da superfície terrestre, ou estreitos, cobrindo uma área com apenas centenas de quilômetros de diâmetro.

Satélites de comunicações

Satélites de comunicações

Satélites terrestres de baixa órbita

A uma altitude menor, encontramos os satélites LEO(Low-Earth Orbit). Devido a seu rápido movimento, são necessárias grandes quantidades desses satélites para formar um sistema completo.

Por outro lado, pelos fato de os satélites estarem muito próximos da Terra, as estações terrestres não precisam de muita potência, e o retardo de ida e volta é de apenas alguns milissegundos.

Projeto Iridium

Projeto Globalstar

Projeto Teledesic

Teledesic, se destina a usuários da Internet ávidos por largura de banda, existentes em todo o mundo. Ele foi concebido em 1990 pelo pioneiro da telefonia móvel (celular) Craig McCaw e pelo fundador da Microsoft Bill Gates.

Projeto Teledesic

O projeto original era um sistema que consistia em 288 satélites de área de cobertura pequena, organizados em 12 planos imediatamente abaixo do cinturão de Van Allen inferior, a uma altitude igual a 1350 km. Mais tarde, essa organização mudou para 30 satélites com área de cobertura maior. A transmissão ocorre na banda Ka, relativamente pouco ocupada e com alta largura de banda.

Estrutura do sistema telefônico

Estrutura do sistema telefônico

Em suma, o sistema telefônico é formado por três componentes principais:

• Loops locais (pares trançados analógicos indo para as residências e para as empresas).

• Troncos (fibra óptica digital conectando as estações de comutação).

• Estações de comutação (onde as chamadas são transferidas de um tronco para outro).

Estrutura do sistema telefônico

O loop local

Vamos começar pela parte com que a maioria das pessoas está familiarizada: o loop local de dois fios que vem da estação final de uma companhia telefônica até residências e pequenas empresas.

O loop local

O loop local

Quando um computador deseja transmitir dados digitais por uma linha de discagem analógica, primeiro os dados devem ser convertidos para a forma analógica, a fim de se realizar a transmissão pelo loop local. Essa conversão é feita por um dispositivo chamado modem.

O loop local

O que é um Modem????

Modems

Um sinal binário e Modulação de amplitude.

Modems

Modulação de freqüência e Modulação de fase

Modems

Um dispositivo que aceita um fluxo serial de bits como entrada e produz uma portadora modulada por um desses métodos é chamado modem (modulador-demodulador).

Linhas digitais do assinante

Quando a indústria telefónica atingiu a marca dos 56 kbps seu serviço de transferência de dados se estabilizou.

Equanto isso a indústria de TV a cabo oferecia serviços a 10 Mbps e a satélite já oferecia 50 Mbps.

Surgem serviços como xDSL (linha digital do assinante), para diversos x.

Linhas digitais do assinante

Porque um Modem é lento?

Linhas digitais do assinante

No ponto em que cada loop local termina na estação final, o fio passa por um filtro que atenua todas as frequências abaixo de 300 Hz e acima de 3400 Hz.

Linhas digitais do assinante

O artifício que faz o xDSL funcionar é o fato de que, quando um cliente se inscreve nele, a linha de entrada é conectada a um tipo diferente de switch, que não tem esse filtro, tornando assim disponível toda a capacidade do loop local.

Linhas digitais do assinante

Objetivos da xDSL

Os serviços devem funcionar nos loops locais de pares trançados da categoria 3 existente.

Não devem afetar os telefones e os aparelhos de fax atuais dos clientes.

Devem ser muito mais rápidos que 56 kbps.

Devem estar sempre ativos, apenas com uma tarifa mensal, mas nenhuma tarifa por minuto.

Primeiro serviço ADSL AT&T

• POTS (Plain Old Telephone Service);

• upstream (do usuário para a estação final);

• downstream (da estação final para o usuário).

A técnica de ter várias bandas de frequência é chamada multiplexação por divisão de frequência;

Abordagem da DMT

Dividir o espectro de 1,1 MHz disponível no loop local em 256 canais independentes de 4312,5 Hz cada.

Configuração típica de equipamento ADSL

Loops locais sem fios

Empresas aumentam a atuação no ramo de transferência de dados sem fio, um serviço semelhante a ADSL.

Desafios para a comunicação sem fio

Quais são os desafios para a comunicação sem fio?

Início

Em 1969, a FCC alocou dois canais de televisão (a 6 MHz cada) como televisão educativa a 2,1 GHz. Em anos subsequentes, foram acrescentados mais 31 canais a 2,5 GHz, perfazendo um total de 198 MHz.

Início

A televisão educativa nunca decolou e, em 1998, a FCC aceitou a devolução das frequências e as alocou ao rádio bidirecional. De imediato, elas foram ocupadas por loops locais sem fios.

Propagação do serviço

A essas frequências, as microondas têm 10 a 12 cm de comprimento. Elas têm um alcance de cerca de 50 km e podem penetrar moderadamente na vegetação e na chuva. Os 198 MHz do novo espectro foram imediatamente postos em uso nos loops locais sem fios, sob a forma de um serviço chamado MMDS (serviço de distribuição multiponto

multicanal).

Serviço de ondas milimétricas

Com o avanço da tecnologia no uso de arsenieto de gálio para construção de circuitos podemos alcançar frequências acima da MMDS, esse novo serviço vem a ser chamado de LMDS (serviço de distribuição multiponto local).

Arquitetura de um sistema LMDS

Troncos e multiplexação

Companhias telefônicas desenvolveram esquemas elaborados para multiplexar muitas conversações em um único tronco físico.

Troncos e multiplexação

Esses esquemas de multiplexação podem ser divididos em duas categorias básicas:

• FDM (Frequency Division Multiplexing — multiplexação por divisão de freqüência);

• TDM (Time Division Multiplexing — multiplexação por divisão de tempo).

Multiplexação por divisão de freqüência

O espectro de freqüência é dividido em bandas de freqüência, tendo cada usuário a posse exclusiva de alguma banda.

Multiplexação por divisão de freqüência. (a) As larguras de banda originais. (b) As larguras de banda aumentaram em freqüência. (c) O canal multiplexado

Multiplexação por divisão de tempo

Os usuários se revezam (em um esquema de rodízio), e cada um obtém periodicamente a largura de banda inteira por um determinado período de tempo.

Multiplexação por divisão de tempo

Multiplexação por divisão de tempo

Multiplexação por divisão de comprimento de onda

No caso de canais de fibra óptica, é usada uma variação de multiplexação por divisão de freqüência. Trata-se da WDM (Wavelength Division Multiplexing — multiplexação por divisão de comprimento de onda)

Multiplexação por divisão de comprimento de onda

Comutação

Do ponto de vista do engenheiro de telefonia médio, o sistema telefônico é dividido em duas partes principais:

• planta externa: os loops locais e troncos, pois eles estão localizados fisicamente fora das estações de comutação;

• planta interna: switches que estão situados no interior das estações de comutação.

Comutação

Dentro do sistema telefônico são usadas hoje duas técnicas de comutação diferentes:

• comutação de circuitos;

• comutação de pacotes.

Comutação de circuitos

Quando você ou seu computador efetua uma chamada telefônica, o equipamento de comutação do sistema telefônico procura um caminho físico desde o seu telefone até o telefone do receptor.

Comutação de circuitos

Comutação de circuitos

Para casa:

Como funciona a engrenagem de Strowger.

Comutação de pacotes

Com essa tecnologia, pacotes individuais são enviados conforme necessário, sem a configuração com antecedência de qualquer caminho dedicado. Cabe a cada pacote descobrir sozinho seu caminho até o destino.

Comutação de pacotes

Comutação de Mensagens

Quando essa forma de comutação é usada, nenhum caminho físico é estabelecido com antecedência entre o transmissor e o receptor. Em vez disso, quando o transmissor tem um bloco de dados a ser enviado, esse bloco é armazenado na primeira estação de comutação (isto é, no roteador) e depois é encaminhado, um hop de cada vez.

Comutação de Mensagens

Cada bloco é recebido integralmente, inspecionado em busca de erros, e depois retransmitido.

Comparação entre CC e CP

O sistema de telefonia móvel

Há duas variedades básicas de telefones sem fios:

• telefones sem fios propriamente ditos;

• telefones móveis.

O sistema de telefonia móvel

Os telefones móveis passaram por três gerações distintas, com diferentes tecnologias:

1. Voz analógica.

2. Voz digital.

3. Voz digital e dados (Internet, correio eletrônico etc.).

AMPS (Advanced Mobile Phone System)

Inventado pelo Bell Labs e que foi instalado primeiramente nos Estados Unidos em 1982

Utilizado também por:

• Inglaterra;

• Japão

AMPS

Em todos os sistemas de telefonia móvel, uma região geográfica é dividida em células, e é esse o motivo pelo qual esses dispositivos são chamados às vezes telefones celulares. No AMPS, as células têm em geral 10 a 20 km; nos sistemas digitais, as células são menores. Cada célula utiliza algum conjunto de freqüências não utilizado por qualquer das células vizinhas.

AMPS

(a) As freqüências não são reutilizadas nas células adjacentes. (b) Para acrescentar usuários, podem ser utilizadas células menores

Canais AMPS

O sistema AMPS utiliza 832 canais full-duplex, cada um consistindo em um par de canais simplex.

Existem 832 canais de transmissão simplex de 824 a 849 MHz, e 832 canais de recepção simplex de 869 a 894 MHz. Cada um desses canais simplex tem 30 kHz de largura.

Canais AMPS

Os 832 canais estão divididos em quatro categorias:

1. Controle para gerenciar o sistema.

2. Localização para alertar os usuários móveis de chamadas destinadas a eles.

3. Acesso para configuração de chamadas e atribuição de canais.

4. Dados para voz, fax ou dados.

D-AMPS

Quando o D-AMPS foi lançado como um serviço, uma nova banda de freqüência se tornou disponível para lidar com o aumento esperado da carga.

Os canais upstream estavam na faixa de 1850 a 1910 MHz, e os canais downstream correspondentes estavam na faixa de 1930 a 1990 MHz, novamente aos pares, como no AMPS.

D-AMPS

Nessa banda, as ondas têm 16 cm de comprimento, e assim uma antena padrão de ¼ de onda tem apenas 4 cm de comprimento, lidando com telefones menores.

D-AMPS

GSM (Global System for Mobile Communications)

O GSM utiliza 124 canais de frequência, cada um dos quais emprega um sistema TDM de oito slots

GSM

CDMA (Code Division Multiple Access)

O D-AMPS e o GSM são sistemas bastante convencionais. Ambos utilizam a FDM e a TDM para dividir o espectro em canais, e os canais em slots de tempo. Porém, existe um terceiro tipo de sistema, o CDMA (acesso múltiplo por divisão de código), que funciona de modo completamente diferente.

CDMA

Em vez de dividir a faixa de frequências permitida em algumas centenas de canais estreitos, o CDMA permite que cada estação transmita sobre todo o espectro de frequências durante todo o tempo.

Várias transmissões simultâneas são separadas com o uso da teoria de codificação.

CDMA

O CDMA também relaxa a suposição de que quadros que colidem são totalmente adulterados.

Em vez disso, ele pressupõe que vários sinais se somam de modo linear.

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