Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores)

Prof. Fábio Moreira Costa

Capítulo 2

Camada Física

Comunicação e codificação de dados Meios de transmissão

Meios guiados (com cabeamento elétrico ou ótico) Meios não-guiados: Transmissão sem fio

Sistema telefônico Convencional Celular móvel

ISDN, B-ISDN / ATM (aspectos físicos) Satélites de comunicação

2Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão de Dados: Terminologia

Transmissor

Receptor

Meio de transmissão Meios guiados

Ex.: par trançado, fibra ótica

Meios não-guiados Ex.: ar, água, vácuo

3Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão de dados: Cenário típico

4Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão de Dados: Terminologia (2)

Enlace direto Sem dispositivos intermediários

Exceto amplificadores / repetidores de sinal Enlace ponto-a-ponto

Enlace direto Compartilhado por apenas dois dispositivos

Enlace multi-ponto Mais do que dois dispositivos compartilham o

mesmo enlace

5Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Enlaces ponto-a-ponto e multi-ponto

6Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão de Dados: Terminologia (3)

Transmissão Simplex Dados fluem em uma direção apenas

Ex.: televisão Transmissão Half-duplex

Fluxo de dados alterna entre as duas direções Ex.: walk-talk (... câmbio ...)

Transmissão Full-duplex Fluxo de dados em ambas as direções ao mesmo

tempo Ex.: telefone

7Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Modelo de comunicações

Aspectos-chave:FreqüênciaEspectroLargura de banda

No domínio do tempoNo domínio da freqüência

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Conceitos no domínio do tempo

Sinal contínuo Varia de maneira suave ao longo do tempo

Sinal discreto Mantém um nível constante por certo tempo e

então muda para um outro nível constante Sinal periódico

Um mesmo padrão se repete ao longo do tempo Sinal aperiódico

Padrão não se repete ao longo do tempo

9Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sinais discretos e contínuos

10Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sinaisperiódicos

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Características de sinais periódicos

Amplitude de pico Máxima potência (força) do sinal Medida em Volts

Freqüência (f ) Taxa de mudança do sinal Medida em Hertz (Hz): ciclos por segundo Período (T ): duração de uma repetição do sinal T = 1 / f

Phase (Φ) Posição relativa do sinal no tempo

12Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Exemplo: Diferentes ondas senoidais

13Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comprimento de onda (λ)

Distância ocupada por um ciclo do sinalou

Distância entre dois pontos de fase correspondente entre ciclos consecutivos

Assumindo que a velocidade do sinal seja v λ = vT λ f = v Caso particular: v = c

c = 3*108 ms-1 (velocidade da luz no vácuo)

14Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Conceitos no domínio da freqüência

Sinais são usualmente compostos por muitas freqüências

Componentes de um sinal: ondas senoidais

Análise de Fourrier Qualquer sinal é composto por uma somatória

(infinita) de componentes senoidais

15Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Adição deondassenoidais

16Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Domínio daFreqüência

17Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Espectro e Largura de Banda

Espectro Faixa de freqüências contidas em um sinal

Largura de banda absoluta Largura do espectro

Largura de banda efetiva Ou simplesmente “largura de banda” Faixa estreita de freqüências que concentra a maior parte da

energia do sinal Componente DC

Componente de freqüência zero Desloca o sinal para cima ou para baixo no eixo da amplitude

18Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sinal com componente DC

19Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Taxa de Dados eLargura de Banda

Qualquer sistema de transmissão tem uma faixa de freqüências limitada

Isto limita a taxa máxima de transmissão de dados

20Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sinal digital representado com 3 componentes de freqüência (f, 3f e 5f )

21Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sinal digital representado com 4 componentes de freqüência (f, 3f, 5f e 7f )

22Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sinal digital representado com infinitas componentes

de freqüência

23Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

24Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Problemas de transmissão

Atenuação do sinal

Distorção por atraso

Ruído

25Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Atenuação do sinal

A potência do sinal cai com a distância Freqüências mais altas sofrem maior atenuação Requisitos:

a potência do sinal deve ser suficiente para que o receptor o interprete corretamente

a potência do sinal deve ser suficientemente maior do que a potência do ruído

Efeito pode ser reduzido com o uso de equalizadores Solução para transmissão a longas distâncias

amplificadores (sinais analógicos) repetidores (sinais digitais)

26Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Atenuação do sinal (2)

transmissor receptor

P1 watts P2 watts

Atenuação 10 log10 (P1/P2) dB

Amplificação 10 log10 (P2/P1) dB

27Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Distorção por atraso

A velocidade de propagação de um sinal em um meio varia com a freqüência

as várias componentes de freqüência de um sinal se propagam a velocidades diferentes chegam ao receptor em tempos diferentes

deslocamento de fase

Em transmissão digital causa interferência entre bits sucessivos

Equalização do sinal

28Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Ruído

Sinais indesejados introduzidos pelo meio de transmissão

Somam-se ao sinal transmitido

Ruído térmico função da temperatura – agitação dos elétrons não pode ser eliminado constante ao longo da faixa de freqüências

ruído branco

29Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Tipos de ruído

Ruído de intermodulação quando sinais em diferentes freqüências

compartilham o meio de transmissão as freqüências dos sinais se somam produzindo

um sinal expúrio em uma outra freqüência pode interferir com um sinal transmitido naquela

freqüência produzido por comportamento não-linear

(defeituoso)

30Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Tipos de ruído (2)

Ruído de “Linha cruzada” Acoplamento acidental entre meios transmissores Sinais indesejados captados pelo meio

transmissor Comum em cabos de par trançado e em

transmissão por microondas

Ruído de Impulso Pulsos (ou picos) de curta duração (não

contínuos) e alta amplitude

31Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Ruído: Interferência no sinal

32Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Signal

Noise

Signal+Noise

0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 Data Received

Sampling times

Bit error

0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 Original data

Logic Threshold

Taxa de transmissão máxima de um canal

Taxa de sinalização – medida em bauds quantidade de vezes que o valor do sinal muda

em um segundo M níveis de sinal: 1 baud = log2 M bits Teorema de Nyquist (1924):

H = largura de banda do canal canal livre de ruídos taxa máxima de transmissão = 2H log2 M bits/s Ex.: M = 8; H = 3,1KHz: 18.600bps

33Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Taxa de transmissão máxima de um canal (2)

Lei de Shannon (1948): Admite a existência de ruído térmico Com base na razão entre a potência do sinal e a

potência do ruído (S/N) S: potência do sinal N: potência do ruído medida em decibéis (dB)

Taxa máxima = H log2 (1 + S/N) Ex.: H=3,1KHz; S/N=30dB (1000): 30.000bps

34Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Meios de Transmissão

Par trançado

Cabo coaxial

Fibra ótica

Transmissão sem fio – Meios não-guiados

Meios guiados

35Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Par Trançado

Dois fios de cobre isolados, trançados em espiral

Aplicações comuns telefonia fixa redes locais

36Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Par Trançado: Características de transmissão

Regeneração do sinal transmissão analógica: a cada 5 ou 6Km transmissão digital: a cada 2 ou 3Km

Problemas de transmissão atenuação (aumenta com a freqüência) interferência eletromagnética (ruídos) trançamento reduz interferências

Taxas de transmissão típicas longa distância: poucos Mbps curtas distâncias (redes locais): 10Mbps a 1Gbps

37Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Par Trançado: Tipos

Não-blindado (UTP) Blindado (STP) UTP Categoria 3

tipicamente utilizados para voz UTP Categoria 5

trançamento mais denso isolamento de teflon menor interferência e melhor qualidade do sinal tipicamente utilizados em redes locais largura de banda: até 100MHz

38Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Par trançado: Características físicas

ConectorRJ-45

39Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Cabo Coaxial

Usos típicos

CATV redes locais (em desuso)

Vantagens em relação a UTP

Menos susceptível a ruídos e interferências Maior largura de banda Suporta distâncias maiores

Largura de banda típica: 500MHz

40Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Conector BNC

Fibra Ótica

41Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Fibra Ótica (2)

42Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Fibra Ótica: Vantagens

Largura de banda: 30.000GHz Taxas de transmissão possíveis da ordem de Tbps

Tamanho e peso reduzidos diâmetro da fibra: 8 a 100μm

Baixa atenuação maiores distâncias sem repetidores

Isolamento eletromagnético

43Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Fibra ótica: Tipos

Fibra multi-modo

pulso composto de múltiplos raios de luz

cada raio se propaga por um caminho diferente dentro da fibra

aumenta a duração do pulso

Fibra mono-modo

raio transversal da fibra = 1 comprimento de onda

apenas um raio se propaga pulos mais curtos: maior taxa de transmissão

maiores distâncias

44Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Fibra ótica: Tipos

45Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Fibra ótica: Uso em redes

46Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Fibra ótica: Rede em estrela passiva

47Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão sem fio

48Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão sem fio: Taxa de transmissão máxima

Proporcional à largura de banda da faixa de freqüências usada para transmissão

Quanto maior a largura de banda (em Hz), maior a taxa de transmissão que pode ser atingida (em bps)

Obs.: a freqüência é inversamente proporcional ao comprimento de onda: λ f = c

Faixas de transmissão são alocadas por agências reguladoras (governamentais)

49Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Técnicas de transmissão sem fio

Spread spectrum Sinais transmitidos são espalhados em um faixa

de freqüências Usado para Ethernet sem fio (padrão IEEE

802.11b)

Frequency hopping Transmissão salta de uma freqüência para outra

periodicamente, seguindo um padrão regular Usado no padrão Bluetooth para PANs

50Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão por rádio

Omnidirecional

Longas distâncias Potência cai bastante com a distância (1/r3)

Em freqüências mais altas Ondas tendem a se propagar em linha reta São refletidas por obstáculos no caminho

Transmissão sujeita a interferências

Transmissão por ondas de rádio

52Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão pormicro-ondas

Ondas se propagam em linha reta Exigem alinhamento preciso das antenas

Distância máxima de propagação Proporcional à raiz-quadrada da altura das antenas. Ex.:

h=100m, distância máxima = 80Km Distorções

Ondas são refletidas por obstáculos Ondas podem ser refratadas pela atmosfera, absorvidas

por gotas de chuva Multipath fading: partes do sinal são recebidas em tempos

diferentes

53Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão pormicro-ondas (2)

Faixas de freqüência 2,400 – 2,484GHz: redes locais sem fio 902-928MHz: telefones sem fio 5,725 – 5,850GHz: redes locais sem fio mais

recentes

54Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão porinfra-vermelho

Altamente direcional Ex.: controles remotos

Aplicações em redes locais Embora não usado amplamente

55Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão por laser

56Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sistema Telefônico

Motivação para seu estudo

Comunicação entre computadores separados por longas distâncias

Infra-estrutura já existente

Embora não apropriada para transmissão digital

Originalmente projetada para transmissão analógica de voz

Usos em redes de computadores:

conexão através de modems – linha discada (dial up)

alocação de canais de transmissão de alta capacidade conexão de redes locais remotas

57Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comparação com redes de computadores

Redes locais Rede telefônica

Taxa de transmissão

107 a 109 bps 104 bps

Taxa de erros 10-12 a 10-13 10-5

Diferença de desempenho: 11-12 ordens de magnitude

Otimização do uso Melhoria da infra-estrutura da rede telefônica

58Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Estrutura do sistema telefônico

Evolução Totalmente conectado hierárquico

59Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Estrutura do sistema telefônico (2)

Local loop: par trançado, transmissão analógica

Troncos: fibra ótica ou microondas, digital

Estações comutadoras

60Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Local loops

Representam as extremidades da rede telefônica (última milha)

Transmissão analógica Necessidade de modulação do sinal digital

61Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Local loops: Por que não transmissão digital?

Atenuação, distorção do sinal e ruído

efeitos aumentam à medida que se aumenta a faixa de freqüências do sinal transmitido

Transmissão de sinais digitais exige faixas de freqüências largas

i.e., mais componentes de freqüência

Sofrem mais atenuação e distorções

Ruídos afetam a integridade da informação

Além disso: largura de banda disponível (3KHz) é insuficiente para transmissão digital a taxas razoáveis

62Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Clarificando...

Transmissão digital sinalização DC

níveis discretos de voltagem

em geral, utilizando tantas componentes de freqüência quantas permitidas pela largura de banda do meio

Transmissão analógica sinal varia continuamente transmissão de dados digitais: exige modulação

63Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

64Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Modems

Modulação: digital analógico De-modulação: analógico digital Entre um par de modems: sinalização AC (contínua) Onda portadora senoidal em uma determinada

freqüência sinal resultante centrado na freqüência da portadora

Técnicas de modulação: por amplitude por freqüência por deslocamento de fase

65Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

ModulaçãoSinal original

Modulação poramplitude

Modulação porfreqüência

Modulação pormudança de fase

66Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Esquemas de modulação

Na rede telefônica: Largura de banda: 3KHz De acordo com Nyquist (2H log2 M):

taxas de amostragem mais altas do que 6000Hz são inúteis

Solução para taxas mais altas de transmissão combinação de técnicas de modulação para

transmissão de múltiplos bits por baud Ex.: amplitude + fase

técnicas de compressão de dados

67Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Esquemas de modulação

68Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Interface com o modem(tradicionalmente)

RS-232C Utilizada com modems externos Atualmente, modems internos são mais comuns (em

computadores pessoais) diretamente ligados ao barramento

69Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Uso de fibra ótica no contexto do local loop: custo

70Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Conexões entre centrais telefônicas: Troncos

Canais de alta capacidade

Enlaces de fibra ótica

Multiplexação da capacidade Compartilhamento da largura de banda dos

troncos entre conexões independentes

Tipos de multiplexação básicos: FDM (Multiplexação por Divisão de Freqüência) TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo)

71Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

FDM

Espectro de freqüências é dividido, permitindo múltiplos canais lógicos

Cada canal individual é deslocado para uma freqüência diferente (mais alta)

Canais são então combinados, sem interferência mútua

O usuário de um canal possui uso exclusivo da sub-faixa de freqüência alocada (enquanto durar a conexão)

Exemplo:

12 canais de voz (3000Hz) multiplexados em uma faixa de 48KHz (ex.: 60-108KHz), com espaçamento de 1KHz

72Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

FDM (2)

73Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

FDM (3)

74Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

FDM: Transmissor

75Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

FDM: Receptor

76Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

WDM

Multiplexação por divisão do comprimento de onda

Uma variação de FDM para uso em fibra ótica

Possibilita uma melhor ocupação da fibra Capacidade máxima de transmissão: 25.000GHz Capacidade máxima de sinalização: da ordem de

alguns GHz Limite imposto pela conversão elétrico-ótica

Multiplexação WDM: inteiramente ótica

77Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

WDM (2)

78Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM

Multiplexação no domínio do tempo Múltiplos sinais digitais combinados intercalando porções de

cada sinal para transmissão no meio

Exemplo: 24 sinais digitais de 64Kbps = 24 canais TDM

Cada canal: 8 bits a cada 125μs (8000 x 8bits = 64Kbps)

A cada 125μs: 24 x 8 bits + 1 bit de sincronização = 193 bits

Capacidade total: 193 x 8000 = 1,544Mbps

Canais amostrados em round robin

Conhecido como TDM síncrono

79Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM: 24 canais de 64Kbps

80Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Duração de um slot (canal): 5,18μs Duração de um bit: 0,6477μs

TDM síncrono: Quadros e slots

2 3 n

Quadro

1 2 3 n

Quadro

Slot de tempo alocado ao canal 2(pode estar vazio ou ocupado)

Quadros se repetem com periodicidade constante

Cada quadro tem um número igual de slots, alocados identicamente

1

81Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM síncrono: Transmissor

Multiplexador

82Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM síncrono: Receptor

Demultiplexador

83Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Multiplexação TDM em vários níveis

Hierarquia de sinais digitais

Cada nível utiliza TDM síncrono para combinar os sinais do nível anterior

84Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

(Esquema utilizado nos EUA)

Multiplexação TDM em vários níveis: Hierarquia européia

4:14:1

4:1

2,048Mbps

8,848Mbps34,304Mbps

139,264Mbps4:1

565,148Mbps

TDM: Aplicações

Apenas para sinais digitais

Sinais analógicos precisam ser primeiro codificados em termos de sinais binários

Pulse Code Modulation (PCM) A amplitude total do sinal analógico é dividida em

n níveis A cada nível é atribuído um código binário

n níveis: log2 n bits são necessários para codificação

86Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

PCM: Exemplo Codificação de sinal analógico usando PCM de 4 bits:

16 níveis de sinal Uma amostra a cada t milissegundos Cada amostra: 4 bits são transmitidos

6

8

1011

12 1211

9

7

43

2 23

46

78 9 9

109

87Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Otimização: Delta Modulation

88Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET / SDH

Alternativa padronizada para as hierarquias de sinais diginais então existentes (e incompatíveis entre si)

Unifica os três sistemas de transmissão digital então existentes: americano, europeu e japonês

Sinônimos (com pequenas diferenças): SONET = Synchronous Optical Network

Padrão original desenvolvido pela Bellcore (EUA) SDH = Synchronous Digital Hierarchy

Padrão conforme adotado pelo CCITT (atual ITU-T)

89Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET / SDH

Provê: Uma estrutura padronizada para a transmissão de

sinais digitais Uma hierarquia padrão para a multiplexação de

canais digitais

Emprega transmissão síncrona Como em TDM, mas de maneira estruturada

Base para a transmissão de dados em redes ATM de longa distância

90Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sistema SONET

Comutadores (switches), multiplexadores e repetidores

Seção: entre dois dispositivos

Linha: entre multiplexadores

Caminho: conexão fim-a-fim

91Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET: Estrutura de transmissão

Quadros transmitidos a cada 125μs, contendo Informações de controle Dados

Canal de transmissão básico: Quadros de 810 bytes: 90 colunas X 9 linhas

8 x 810 = 6480 bits transmitidos 8000 vezes por segundo, resultando em uma taxa de transmissão de 51,84Mbps

STS-1 (Synchronous Transport Signal 1) 3 primeiras colunas – informação de controle 87 colunas – dados do usuário: 50,112Mbps

92Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET: Estrutura de transmissão (2)

93Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET: Multiplexação

51,84Mbps

155,52Mbps

622,08Mbps

94Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET / SDH: Hierarquia de multiplexação

95Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET: Arquitetura

Camada física dividida em 4 sub-camadas Fotônica: propriedades do sinal ótico Seção: enlaces diretos de fibra ótica Linha: multiplexação/demultiplexação Caminho: questões fim-a-fim da conexão

96Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET e ATM

SONET como a principal alternativa para implementar a camada física de redes ATM

Utiliza o nível STS-3 (OC-3) como a taxa básica: 155,52Mbps

ATM permite a utilização de redes SONET de forma assíncrona

Multiplexando várias conexões de forma assíncrona, sem reserva estática de capacidade

Permitindo melhor aproveitamento da capacidade total de transmissão da rede física

97Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação (Switching)

Comutador:

n linhas de entrada

m linhas de saída

Permite conectar cada uma das linhas de entrada a qualquer uma das linhas de saída

Função básica para o roteamento de uma transmissão

Técnicas de comutação:

Comutação de circuitos – utilizada no sistema telefônico

Comutação de mensagens – pouco utilizada

Comutação de pacotes – utilizada em redes de computadores

98Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de Circuitos

Um caminho físico (circuito) é estabelecido entre as duas extremidades da conexão

Comutadores intermediários se encarregam de conectar os diversos segmentos da conexão

Circuito dedicado permanece ativo e fixo enquanto durar a conexão

Os vários segmentos podem ser fisicamente diferentes: cobre, fibra ótica, microondas, etc.

99Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de circuitos (2)

100Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de circuitos: Fases na comunicação

Estabelecimento do circuito Tempo de conexão decorrente de:

propagação da requisição de conexão até o destino envolve a descoberta de um caminho físico até o destino

propagação do reconhecimento de volta para o iniciador Transmissão

dados são transmitidos diretamente e sem atraso, utilizando o caminho dedicado já estabelecido

não há risco de congestionamento: capacidade dedicada Fechamento da conexão

101Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutaçãode circuitos

102Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de mensagens

Ausência de um caminho físico dedicado Cada mensagem é tratada individualmente

mensagem enviada é recebida e buferizada (completamente) pelo próximo comutador no caminho

comutador decide para onde encaminhar a mensagem e a transfere para o próximo comutador, que atua semelhantemente, até que a mensagem chegue ao destino

Store-and-forward networks

103Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutaçãode mensagens

Sem o atraso inicial para estabelecimento de conexão

Mensagens muito longas monopolizam o enlace (e o comutador) por um longo período de tempo não apropriado para

tráfego interativo Pouco utilizada em redes

de computadores

104Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de Pacotes

Pacote: mensagem de tamanho fixo Mensagens longas são segmentadas em pacotes

Cada pacote é tratado independentemente dos demais

Melhor aproveitamento da capacidade do meio de transmissão:

não é necessário esperar a recepção da mensagem completa – cada pacote pode ser encaminhado assim que recebido

105Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutaçãode pacotes

106Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Sem conexão Cada pacote roteado

independentemente Menos tempo para

se concluir a transmissão

Apropriado para tráfego interativo

Não monopoliza os enlaces e comutadores

Técnicas de comutação: Comparação

107Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de circuitos vs. comutação de pacotes

Comutação de circuitos Comutação de pacotes

Reserva prévia e estática da largura de banda necessária

Largura de banda é adquirida e liberada dinamicamente

Largura de banda não utilizada é perdida

Alocação dinâmica: melhor utilização

Garante a largura de banda necessária ao canal

Surtos de transmissão podem sobrecarregar a rede

Usuários definem os parâmetros de transmissão

Rede define parâmetros básicos: formato e tamanho dos pacotes

108Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de circuitos vs. comutação de pacotes (2)

109Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

RDSI de Faixa Estreita(N-ISDN)

Rede Digital de Serviços Integrados RDSI-FE

Integração de serviços de voz e dados Transmissão digital Conceito de um “tubo” de dados digital

Multiplexado em vários canais usando TDM Taxa básica: 16Kbps controle + 2 x 64Kbps dados Taxa primária: 64Kbps controle + 23 (ou 30) x

64Kbps dados

110Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

N-ISDN: Taxa básica e taxa primária

111Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

N-ISDN: Arquitetura – conexão para uso

doméstico

112Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

N-ISDN: Arquitetura – conexão de uso comercial

113Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

RDSI de Faixa Larga(B-ISDN)

RDSI-FL

Tecnologia baseada em circuitos digitais virtuais

Taxa básica: 155Mbps

Capaz de acomodar serviços mais avançados (ex.: vídeo sob demanda, teleconferência)

Transmissão baseada em tecnologia ATM

Asynchronous Transfer Mode Multiplexação estatística – alocação dinâmica da capacidade de

transmissão

Primariamente em redes de fibra ótica

114Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

RDSI-FL: Circuitos Virtuais

Comportamento de comutação de circuitos implementado com comutação de pacotes

Serviço orientado a conexões Circuitos virtuais permanentes (PVC)

Configurados manualmente Ativos por tempo indeterminado (permanentemente)

Elimina o tempo de estabelecimento de conexão Circuitos virtuais comutados (SVC)

Estabelecidos dinamicamente Liberados quando não mais necessários Estabelecimento – Transmissão – Liberação

115Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

RDSI-FL: Circuitos Virtuais (2)

Uma rota é definida entre origem e destino da conexão

Todos os pacotes trafegam por esta rota Comutadores intermediários

registram, em suas tabelas internas, a rota que pacotes de cada circuito virtual devem seguir

reservam recursos para cada circuito virtual Pacotes possuem um campo identificando o circuito

virtual a que pertencem Esta informação é usada pelo comutador para determinar a

rota a ser usada para encaminhar o pacote

116Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

RDSI-FL: Circuitos Virtuais (3)

117Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Circuitos virtuais vs. Comutação de circuitos

Comutação de circuitos

Alocação rígida da capacidade de transmissão Com circuitos físicos, FDM, ou com a reserva de slots TDM

Capacidade não utilizada não pode ser reaproveitada

Circuitos virtuais: Alocação flexível Baseada em estatísticas de uso global da rede A soma das capacidades individuais alocadas pode ser maior

do que a capacidade nominal da rede! Na prática, contudo, o tráfego global gira em torno de uma

média, não ocorrendo congestionamentos constantes

Capacidade não utilizada por um circuito pode ser reaproveitada por outros circuitos

118Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão em redes RDSI-FL: ATM

Asynchronous Transfer Mode ATM vs. TDM:

Em TDM: Cada conexão tem uma posição de slot fixa em quadros

que se repetem periodicamente Alocação estática, fixa, sincronizada com o relógio

mestre Em ATM:

Unidades de transmissão: Célula (pacote pequeno, de tamanho fixo)

Células provenientes de fontes distintas não precisam se alternar de maneira fixa na transmissão

119Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão em redes ATM

TDM:

ATM:

120Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Multiplexação estatística por divisão de tempo

Transmissão em redes ATM: Células

Pacotes pequenos, de tamanho fixo 53 bytes:

5 bytes de cabeçalho (header) Identificação do circuito virtual, CRC do cabeçalho, tipo da

célula, prioridade, etc. 48 bytes de informação do usuário (payload)

121Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão em redes ATM (2)

Fluxo de células não precisa ser contínuo Lacunas podem existir Preenchidas com células de enchimento (vazias)

Formato para transmissão de células Diretamente sobre o meio físico Utilizando uma estrutura de transmissão padrão subjacente

(carrier). Exemplos T3 (44,736Mbps), SONET / SDH (155,52Mbps ou

622,08Mbps), FDDI (100Mbps) Padroniza a forma em que células são encaixadas nas

respectivas estruturas de transmissão

122Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão em redes ATM (3)

Meios de transmissão Fibra ótica Par trançado categoria 5 (ou coaxial)

Para enlaces com menos de 100m Enlaces ponto-a-ponto

Entre um computador e um comutador (switch) Entre dois switches Multicasting: switch propaga uma célula recebida através de

múltiplas linhas de saída Enlaces unidirecionais

Full duplex: dois enlaces, um para cada sentido de transmissão

123Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Redes ATM: Modelo de Referência – Camadas

124Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Redes ATM: Modelo de Referência – Camadas (2)

125Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Camada Física em Redes ATM

Dividida em duas sub-camadas: PMD: Physical Medium Dependent

Interface própria para cada tipo de meio de transmissão Codifica um fluxo de células em um fluxo de bits

apropriado TC: Transmission Convergence

Interface uniforme para a camada superior (camada ATM) – independentemente do meio físico utilizado

Reconstituir um fluxo de células consistente a partir do fluxo de bits recebido – enquadramento de células

Funcionalidade de camada de enlace (próximo capítulo)

126Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Camada Física em Redes ATM (2)

TC

PMD

TC

PMD

Interface uniforme para a camada ATM

(independente do meio físico)

Codifica bits em sinais

digitais para transmissão

Recebe sinais digitais através

do meio

Entrega um fluxo de bits para a camada TC

Remonta as células e as entrega à

camada ATM

Recebe um fluxo de

células da camada ATM

Repassa as células como

uma seqüência de bits p/ PMD

127Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores (switches) ATM

N linhas de entrada M linhas de saída Tipicamente: N = M Switching fabric

mecanismos internos que se encarregam de retransmitir as células através das saídas apropriadas

128Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores ATM (2)

Operação síncrona Dirigida por um relógio mestre

demarca o início de cada ciclo de comutação pois células chegam de maneira assíncrona

A cada ciclo, células são retransmitidas Pipelining

Vários estágios no processo de comutação Células são recebidas, p. ex., a 150Mbps

duração do ciclo: 2,7μs Ex.: com 32 linhas de entrada/saída: 32 células comutadas

a cada 2,7μs

129Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores ATM (3)

Objetivos de projeto: Comutar todas as células com uma taxa de

descarte de células mínima em casos de congestionamento, células podem ser

descartadas não deve ultrapassar 1 célula a cada 1012 células

recebidas Nunca reordenar as células em um circuito virtual

células que chegam em determinada ordem devem ser despachadas na mesma ordem

se todos os comutadores agirem assim, a ordem será preservada no circuito virtual como um todo

130Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores ATM (4)

O que fazer quando duas células são recebidas no mesmo ciclo (por linhas de entrada diferentes), as quais devem deixar o switch pela mesma linha de saída?

O switch deveria retransmitir uma das células e buferizar a outra para retransmissão no próximo ciclo

Duas alternativas: Filas na entrada Filas na saída

131Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores ATM: Enfileiramento de células na

entrada do switch

132Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores ATM: Enfileiramento de células na

saída do switch

133Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Leitura complementar

Redes de rádio celular Tanenbaum, seção 2.7

Satélites de comunicação Tanenbaum, seção 2.8

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