Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores)

1. Prof. Fábio Moreira Costa Capítulo 2 Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores)

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

3. Transmissão de Dados: Terminologia • Transmissor • Receptor • Meio de transmissão • Meios guiados • Ex.: par trançado, fibra ótica • Meios não-guiados • Ex.: ar, água, vácuo 3 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

4. Transmissão de dados: Cenário típico 4 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

6. Enlaces ponto-a-ponto e multi-ponto 6 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

8. Modelo de comunicações • Aspectos-chave: • Freqüência • Espectro • Largura de banda No domínio do tempo No domínio da freqüência 8 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

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

11. Sinaisperiódicos 11 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

13. Exemplo: Diferentes ondas senoidais 13 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

14. Comprimento de onda (λ) • Distância ocupada por um ciclo do sinal ou • 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) 14 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

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

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

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

19. Sinal com componente DC 19 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

21. Sinal digital representado com 3 componentes de freqüência (f, 3f e 5f ) 21 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

22. Sinal digital representado com 4 componentes de freqüência (f, 3f, 5f e 7f ) 22 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

23. Sinal digital representado com infinitas componentes de freqüência 23 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

25. Problemas de transmissão • Atenuação do sinal • Distorção por atraso • Ruído 25 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

27. Atenuação do sinal (2) P2watts P1 watts receptor transmissor 10 log10 (P1/P2) dB Atenuação 10 log10 (P2/P1) dB Amplificação 27 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

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

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

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

32. Signal Noise Signal+Noise Sampling times 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 Data Received 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 Original data Bit error Ruído: Interferência no sinal Logic Threshold 32 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

33. 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 = log2M bits • Teorema de Nyquist (1924): • H = largura de banda do canal • canal livre de ruídos • taxa máxima de transmissão = 2H log2M bits/s • Ex.: M = 8; H = 3,1KHz: 18.600bps 33 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

35. Meios de Transmissão • Par trançado • Cabo coaxial • Fibra ótica • Transmissão sem fio – Meios não-guiados Meios guiados 35 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

36. Par Trançado • Dois fios de cobre isolados, trançados em espiral • Aplicações comuns • telefonia fixa • redes locais 36 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

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

39. Par trançado: Características físicas Conector RJ-45 39 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

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

42. Fibra Ótica (2) 42 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

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

45. Fibra ótica: Tipos 45 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

46. Fibra ótica: Uso em redes 46 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

47. Fibra ótica: Rede em estrela passiva 47 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

49. 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: λf = c • Faixas de transmissão são alocadas por agências reguladoras (governamentais) 49 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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