Pontifícia Universidade Católica – PUC-SP

1. Pontifícia Universidade Católica – PUC-SP Matéria: Redes Tema: Tecnologias para Conexões Digitais de Longa Distância Apresentação: Diogo Arruda Pereira Rafael Esteves

2. Introdução Nas apresentações anteriores foram apresentados tecnologias des LANs que fundamentalmente possuem como características as limitações de números de computadores interligados e a distância que também não poderia ser arbitraria. Nesta apresentação serão apresentados basicamente duas características chave desse tema: > Circuitos de conexão digital ponto a ponto; > Tecnologia que fornecem acesso digital de alta velocidade.

3. Telefonia Digital A telefonia já utilizava comunicação digital antes das redes de computadores, tal motivação surgiu por tentar tratar de uma grande quantidade de conexões de voz em alta qualidade e a longa distância. Como já visto anteriormente, os sinais elétricos se degradam conforme sua viagem e o uso de amplificadores são necessários, porém estes amplificadores além de distorcer levemente o sinal ainda insere ruído na mesma. Mas com a digitalização do áudio esse processo passa a não mais ocorrer, porque é feita a codificação do áudio original para o formato digital e esse processo ocorre com um hardware digitalizador chamado conversor analógico-digital (conversor A-D).

4. O conversor analógico-digital (conversor A-D) tem o funcionamento como mostrado no exemplo acima. Ele busca o sinal e o digitaliza com um número inteiro mais próximo do sinal, onde no exemplo começa com 0, 2, 4, 4, 7, 1, ... e assim por diante.

5. Após estudos chegaram a conclusão que para a reprodução da voz humana exigisse um sistema que reproduza freqüências em até 4000 Hz. E isso mostra que um conversor analógico-digital dentro da telefonia deva amostrar o sinal de um microfone uma vez a cada 125 microssegundos. Para um projeto de codificação digital além da taxa de amostragem deve ser escolhida também a faixa de valores inteiros a ser usada. O que se nota com isso é que quanto maior a taxa de valores, mais exato ou preciso fica o sinal porém a transmissão dos bits será ainda maior e talvez inviabilizando o processo. A digitalização da voz foi escolhida por pesquisadores na faixa de 0 a 255 e o esquema de amostragem ficou padronizado mundialmente pelo PCM (Pulse Code Modulation). Resumindo o PCM obtém amostras a cada 125 microssegundos e converte cada amostra em um inteiro entre 0 e 255.

6. Comunicação Síncrona Trata-se de uma tecnologia utilizada na telefonia que é o oposto da utilizada nas redes de computadores onde a comunicação é assíncrona. Na telefonia os dados precisam ser transferidos com exatidão sem atrasos ou acelerações nas transmissões mesmo que digitalizadas. Esses empecilhos poderiam causar ruídos e interferências. A transmissão síncrona funciona de tal maneira que o receptor desses dados usa informações adicionais para sincronizar seu relógio e assegurar que os dados deixam a rede exatamente na mesma taxa em que entram.

7. Circuitos Digitais e DSU/CSUs Mesmo sendo projetadas para transporte do tráfego de voz, as instalações telefônicas desde o início das redes tem sido usadas nas conexões básicas para computadores em longa distância e isso ocorre porque as companhias telefônicas alugam seus circuitos por uma taxa mensal. Os circuitos digitais alugados de transportadores (carriers) comuns formam as peças fundamentais para as redes de computadores de longa distância. Cada circuito se estende entre dois pontos especificados; a taxa depende da capacidade do circuito e da distância.

8. Para que tal processo seja efetivado é necessário concordar com as regras do sistema telefônico. Uma vez que as tecnologias de telefonia e dos computadores são diferentes mesmo que sejam digitais é necessário um dispositivo de hardware especial chamado de DSU/CSU (Data Service Unit/Channel Service Unit). E são necessários dois destes dispositivos em cada ponta de um circuito digital alugado.

9. A parte CSU do dispositivo DSU/CSU é a terminação da linha de diagnósticos. Este possui circuitos onde acomoda surtos de corrente gerados por raios ou interferências eletromagnética, ele ainda testa se a linha foi desconectada e se o outro dispositivo DSU/CSU da outra ponta está funcionando corretamente. Ainda possui uma característica denominada de Loopback que é usada ao instalar e testar circuitos. O CSU ainda possui a características de verificar excessos de bits 1. O porque de controlar a entrada de muitos desses bits é pelo fato de considerar que o excesso deles significa que a voltagem está alternada e isso se deve pelo fato da utilização dos cabos de cobre.

10. Já o DSU é responsável pela parte dos dados em um DSU/CSU. Ele que é o intérprete dos dados do formato digital usado na companhia telefônica para o computador do cliente. Em resumo um circuito digital precisa de um dispositivo conhecido como DSU/CSU em cada ponta. Além de terminar a linha, o DSU/CSU traduz entre a representação digital usada pelas companhias telefônicas e a representação digital usada pela indústria de computadores.

11. Padrões Telefônicos Aqui um breve resumo onde informa que em determinados lugares cada um adotou uma padronização de transmissão digital diferente e acima estão os exemplos com suas especificações e características. Por exemplo os EUA usam o padrão T1 e ainda alguns outros como no exemplo, a Europa utiliza o padrão E e o Japão um padrão modificado do T americano.

12. Terminologia DS (Digital Signal level) e Taxas de Dados Essas taxas podem até parecer que são aleatórias, mas na verdade são números que as companhias telefônicas chegam como recorde que as companhias telefônicas projetaram os circuitos digitais no transporte de voz. Um canal de voz exige 64Kbps. A taxa padrão T1 foi projetada para permitir que sejam transportadas no circuito, 24 telefonemas de voz ao mesmo tempo. Nesses circuitos T1 são utilizados switch de telefone para multiplexar e demultiplexar as ligações em ambas as extremidades. Os circuitos digitais são classificados de acordo com um conjunto de padrões telefônicos. Dois dos tipos de circuitos mais populares na América do Norte são o T1 e T3, onde T3 é o equivalente 28 circuitos T1.

13. Circuitos de Capacidade Mais Baixa Uma empresa que não precisa da capacidade T1 pode economizar alugando um circuito fracionário digital T1. A companhia telefônica usa o termo Time Division Multiplexing (TDM) quando está se referenciando à tecnologia usada para subdividir um circuito T1. Umas das capacidades fracionárias de T1 mais populares é 56Kbps.

14. Circuitos Digitais de Capacidade Intermediária Estes são mais utilizados pelas empresas que necessitam de um circuito ligeiramente maior do que um T1 e que não compensaria financeiramente ter um circuito T3, nesse caso é feita a multiplexação inversa. Nesse caso é necessário o dispositivo Mux Inverso em cada uma das extremidades, e nesse caso o mux inverso recebe os dados do computador e os envia através dos canais do circuitos digitais e tudo isso por streams de dados. E isso pode-se dizer que exige um DSU/CSU nas pontas dos circuitos, e dependendo do modelo do mux inverso ele terá finalidade de DSU/CSU.

15. Circuitos de Capacidade Mais Alta As companhias telefônicas denominam isso como tronco e no crescimento da telefonia digital as companhias telefônicas começaram a trabalhar com mais circuitos digitais de grande capacidade. E alguns padrões foram adotados para a tecnologia de circuitos digitais de alta capacidade conhecido como STS (Synchronous Transport Signal). Abaixo os exemplo das especificações destes circuitos de grande capacidade:

16. Padrões de concessionárias Ópticas Os engenheiros usam a terminologia OC (Optical Carrier) visto no exemplo anterior para terminologia existentes nas taxas de dados mais altas utilizadas no STS que exigem fibra óptica. A diferença básica entre STS e OC é que o primeiro se refere aos sinais elétricos usados na interface de um circuito digital (em cobre) enquanto o OC se refere aos sinais ópticos utilizados através da fibra. Porém é comum a utilização dessas terminologias sem essa distinção.

17. Sufixo C Algum dos STS e OC mostrado anteriormente, possui ainda um sufixo adicional chamado C (concatenado), e a presença deste mostra um circuito sem multiplexação inversa. Um exemplo: um circuito OC-3 consiste de três circuitos OC-1 a 51,840Mbps e cada um é planejado para ser três circuitos enquanto um OC-3C (STS-3C) é um único circuito à 155,520Mbps. A vantagem deste é na utilização de rede de dados, onde são utilizados o tráfego de pacotes, dessa forma é melhor transitar em uma rede com sua capacidade total e com menos equipamentos de multiplexação inversa para uma melhor transitação dos pacotes.

18. Synchronous Optical NETwork (SONET) Existem ainda outros padrões de transmissão digital além dos apresentados STS e OC, na américa do norte por exemplo estes padrões são chamados de Sycronous Optical NETwork (SONET). O SONET basicamente especifica a forma que os dados são enquadrados, como os circuitos de baica capacidade são multiplexados com os de alta velocidade e como as informações síncronas de relógio são enviadas junto com os dados. As maior parte das concessionárias que alugam um STS-1 pedem para que seja usada a codificação SONET nos circuitos. Um SONET utilizado em um circuito STS-1 por exemplo, possui quadros onde cada um possui 810 octetos que são divididos em 9 filas com 90 colunas em cada fila, e assim com os demais STSs.

19. Embora o padrão de SONET defina uma tecnologia que possa ser usada para se construir uma rede em anel de alta capacidade com múltiplos circuitos de dados multiplexados através das fibras que constituem o anel, a maioria das redes de dados usa SONET apenas para definir o enquadramento e a condificação em um circuto alugado.

20. O Loop de Assinante Local Este termo é utilizado para se referir à conexão entre o Escritório Central (EC) de uma companhia telefônica até a residência ou empresa, isso significa a conexão entre os provedores de rede aos assinantes individuais e a maioria desses loops locais usam sinais analógicos devido ao serviço telefônico que também é analógico. Embora tenha evoluído com o tempo os modems dial-up e a largura das bandas, ainda sim a conexão é limitada devido a relação entre sinal e ruído das linhas telefônicas.

21. ISDNIntegrated Services Digital Network • Esta foi a primeira tecnologia desenvolvida para tentar suprir a baixa velocidade dos modens da época onde operavam a 10Kbps. O ISDN utiliza o mesmo par trançado de cobre da telefonia normal, porém opera com três canais digitais separados: B, B, e D (2B+D). • Os canais B operam em uma velocidade de 64Kbps e servem para o transporte de Voz Digitalizada, Dados ou Vídeo Comprimido. • O canal D opera a 16Kbps e serve como um canal de controle (pode solicitar serviços providos pelos canais B e também para administrar uma sessão em andamento ou finalizar uma sessão ou ainda para fazer um telefonema que utiliza voz digitalizada). • Os canais B podem ser unidos e usados a 128Kbps. • O ISDN(2B+D) utiliza uma forma de multiplexação por divisão de tempo para dar a ilusão de múltiplos canais de dados em apenas um par de fios.

22. Cabo e foto de um modem ISDN Placa Isdn

23. Tecnologia da Linha Assimétrica digital de Assinante • Uma dasmais interessantes tecnologias desenvolvidas recentemente para serviços digitais em loop local é a DSL. Como existem algumas variantes dessa tecnologia então chamaremos de XDSL onde apenas a primeira palavra difere a tecnologia utilizada. • A mais conhecida é a ADSL (Asymmetric Digital Subscribe Line). Esta é utilizada de maneira a fornecer um serviço mais rápido no envio e recebimento das informações. • Por ser assimétrica a ADSL divide a Banda utilizada em Downstream (recebimento) e Upstream (envio). • A ADSL é geralmente utilizada usuários que recebem muito mais informações do que enviam. Para acomodar tal uso, a ADSL fornece uma taxa de transferência Downstream mais alta do que Upstream.

24. Taxas de dados chegam a 6,144Mbps em Downstream e emUpstream a 640Kbps (-64Kbps do controle de Rede ficam 576Kbps). • Além de possuir alta velocidade de transmissão de dados a ADSL se conecta em paralelo ao cabeamento telefônico padrão e podem simultaneamente ser utilizados os serviços de dados e voz.

25. Esquema de ligação de um modem ADSL

26. Foto de um modem ADSL

27. Um dos fatores que são muito interessantes e exmplicam muito bem o fato de a ADSL possuir uma taxa tão alta e com o mesmo cabeamento é o esquema utilizado entre os modems de ADSL que é chamada de modulaçãoDiscrete Multi Tone (DMT) que nada mais é que a combinação entre a multiplexação por divisão de freqüência e técnicas de multiplexação inversa. • Para alcançar taxas de bit altas através de cabeamento de par trançado convencional, a ADSL usa uma tecnologia adaptativa em que um par de modems examina muitas freqüências na linha entre eles e seleciona freqüências e técnicas de modulação que fornecem resultados ótimos naquela linha.

28. Outras Tecnologias de DSL • SDSL: (Symmetric Digital Subscriber Line) ao contrário do ADSL ela funciona de maneira simétrica, com a taxa de transferência igual para ambas as direções. Essa tecnologia é vantajosa para usuários ou empresas que necessitam de enviar mais informações do que obte-las. • HDSL: (High-Rate Digital Subscriber Line) pode alcançar uma taxa de 1,544Mbps. Porém possui duas desvantagens, a primeira é o fato da limitação da distância entre os escritórios centrais e os loops locais,a segunda é o cabeamento, exige dois cabos de pares trançados. Mas essa tecnologia suporta tolerância a falhas por possuir dois cabos e seu modem detecta quando há um problema e passa a trablhar automaticamente em um cabo até que o outro retome. E a segunda vantagem é a taxa de transferência compatível com um circuito T1 onde mover dados de uma para o outo é um processo simples.

29. Outras Tecnologias de DSL Uma outra variante da DSL é a VDSL (Very-high bit rate Digital Subscriber Line), esta pode alcançar taxas de dados de até 52Mbps. Embora a alta taxa de dados, é necessário que existam pontos de concentração intermediários, por exemplo, um Escritório Central em cada bairro para que seja alcançada tal taxa.

30. Tecnologia de Modem a Cabo • Apesar da tecnologia DSL possuir uma taxa alta de transferência, chega a um ponto onde ela fica estável não conseguindo alcançar uma taxa maior devido ao seu cabeamento. Por isso após alguns estudos chegaram a conclusão que poderiam utilizar as TVs a cabo para fazer com que transferissem dados por elas utilizando o cabeamento de cabo coaxial que é imune a interferências eletromagnéticas. • Na teoria o sistema a cabo envia informações digitais downstream usando a multiplexação de divisão de freqüência. Como existem freqüências sobressalentes pesquisadores estudam como melhor utilizar essa Banda Ociosa para realizar a transmissão de dados.

31. Foto de um Cable Modem

32. O problema com a comunicação Upstream nos Cable Modems • Como a infra-estrutura original de cabo fornecia somente o serviçoDownstream, por não haver condições de realizar-se o Upstream, foram realizadas pesquisas e alterações no sistema de cabeamento da TV a Cabo para que o sistema se tornasse bidirecional. • Foram também adicionados a essa nova direção de dados a possibilidade de realizar TVs interativas além da transferência de dados como na tecnologia DSL.

33. Coaxial de Fibra Híbrido • HFC (Hybrid Fiber Coax) é que a mistura da fibra óptica com o cabo coaxial em hierarquia, ou seja, é necessário que as empresas de cabo passem a utiliziar cabos de fibra óptica e amplificadores bidirecionais e nas residências poderão ser utilizadas cabos coaxiais e cable-modems bidirecionais, esse sistema opera por meio da combinação entre multiplexação de divisão de freqüência e multiplexação por divisão de tempo. As taxas de Downstream se equivalem ao utilizado no ADSL e a taxa de upstream pode alcançar cerca de 1,5 a 2,0Mbps.

34. Fibra para o Meio-fio (Curb) • FTTC (Fiber to the Curb) este utiliza também a fibra óptica nos troncos e usar os fios de cobre nos circuitos alimentadores. • A idéia é levar a Fibra Óptica até perto do assinante e então usar fio de cobre para os circuitos alimentadores.

35. Alternativas para Casos Especiais • Em regiões muito distantes dos centros urbanos, pelas tecnologias ADSL E HFC não possuírem um longo alcance, para esse caso existe um esquema híbrido com conexão dial-up transportando Upstream em um satélite de transmissão broadcast direto transportando Downstream. E ainda é possível usar tecnologias sem-fio como os dos serviços celulares digitais.

36. Pergunta 1 – Onde são e porque são utilizados os DSU/CSUs?.

37. Resposta 1 – Utilizados em redes de transmissões de dados via companhias telefônicas e servem basicamente para fazer a comunicação entre os computadores digitais e a telefonia digital, funcionando como um interprete das duas tecnologias digitais.

38. Pergunta 2 – Quais as vantagens básicas de possuir conexão ADSL em relação as conexões dial-up?.

39. Resposta 2 – As principais vantagens fica por conta de possuírem taxas de transferências muito maiores e não é preciso fazer mudança de cabeamento.

40. Pergunta 3 – Quais os tipo de tecnologia DSL existentes?.

41. Resposta 3 – ADSL, SDSL, HDSL e VDSL.

42. FIM!!!