Conceitos básicos de Redes de

Computadores

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1 - Uso das redes de computadores

• Os meios de Transmissão de dados, estão localizados abaixo da camada física e são diretamente

controlados por ela. Poderíamos dizer que os meios de transmissão pertencem à “camada zero”.

• A figura abaixo mostra a posição dos meios de transmissão em relação à camada física.

• Um meio de transmissão, pode ser definido como qualquer coisa capaz de transportar informações

de uma origem a um destino.

• O meio de transmissão geralmente pode ser:

o espaço livre;

um cabo metálico;

um cabo de fibra óptica.

• A informação normalmente é um sinal, resultado da conversão de dados.

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• O uso das comunicações em longa distância usando sinais elétricos começou com a invenção do

telégrafo elétrico (dispositivo que utiliza correntes elétricas para controlar eletroímans que funcionam

para emissão ou recepção de sinais) por Samuel Finley Breese Morse (Americano, 1791-1872), em

1835 no séc. XIX.

• A comunicação era lenta e dependente de um meio metálico.

• Ampliar o alcance da voz humana tornou-se possível quando foi inventado o telefone, em 1869. A

comunicação telefônica na época também precisava de um meio metálico para transportar sinais

elétricos resultantes da conversão da voz humana. Entretanto, a comunicação não era confiável em

razão da baixa qualidade dos fios. As linhas eram ruidosas e a tecnologia era rudimentar.

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• A comunicação sem fio começou em 1895, quando Heinrich Hertz (Alemão, 1857-1894)foi capaz de

transmitir sinais de alta frequência.

• Em 1899, o Marquês Guglielmo Marconi (Italiano, 1874-1937)teve sucesso na transmissão sem

fios do código Morse através do canal da Mancha. Dois anos mais tarde, conseguiu que sinais

radiotelegráficos (a letra S do código Morse) emitidos de Inglaterra, fossem escutados claramente em

St. Johns, no Labrador, atravessando o Atlântico Norte.

• Desde este evento, avançamos muito. Mídias metálicas foram inventadas (Cabos coaxiais e de par

trançado, etc...) e com o advento das fibras ópticas possibilitou aumento incrível na taxa de dados.

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Tabela do Código Morse

Máquina Código Morse

http://www.icomamerica.com/en/amateur/boyslife-morse-code-machine.aspx

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• Tanto os computadores os computadores quanto outros dispositivos de telecomunicações usam

sinais para representar dados.

• Esses sinais são transmitidos de um dispositivo a outro na forma de energia eletromagnética, que é

propagada pelos meios de transmissão.

• Energia eletromagnética significa uma combinação de campos magnéticos e elétrico vibrando uns

em relação aos outros.

Ex.: energia elétrica, ondas de rádio, luz infravermelha, luz visível, luz ultravioleta, raios X, raios

gama e raios cósmicos.

• Cada um desses constitui uma parte do espectro eletromagnético. Nem todas as faixas de

frequência do espectro são atualmente utilizáveis em telecomunicações.

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• Para melhor aproveitamento dos meios de transmissão, o número e o tipo desses meios são

limitados.

• Em telecomunicações, meios de transmissão são divididos em duas amplas categorias:

Guiados - cabos de par trançado, cabos coaxiais e cabos de fibra óptica.

Não guiados - o espaço livre.

• A figura abaixo mostra essa distinção.

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2 - Uso das redes de computadores

Meios de Transmissão Guiados

• Os meios de transmissão guiados, que são aqueles que requerem um condutor físico para

interligar um dispositivo ao outro, temos:

Cabo de Par Trançado e Cabo Coaxial, usam condutores metálicos(cobre) que aceitam e

transportam sinais na forma de corrente elétrica.

Cabo de Fibra Óptica, é um cabo que aceita e transporta sinais na forma de luz.

Cabo de Par Trançado, é formado por dois condutores (normalmente, cobre), cada qual revestido por

um material isolante plástico PVC, trançados juntos, conforme figura abaixo:

• Um dos fios é usado para transportar sinais elétricos para o receptor e o outro, apenas como uma

terra de referência.

• O receptor utiliza a diferença de potencial entre os dois fios pra determinar a amplitude do sinal

elétrico.

• Além do sinal enviado pelo emissor por um dos fios, interferências(ruído) e linha cruzada podem

afetar ambos os fios e gerar sinais indesejados.

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Cabo de Par Trançado Blindado x Não Blindado

• O cabo de par trançado mais comumente usado em comunicação é chamado:

UTP (cabo de par trançado não blindado) do inglês Unshield Twisted Par

• IBM produziu uma versão de cabo de par trançado para seu uso:

STP (cabo de par trançado blindado) do inglês Shield Twisted Par

• O cabo tem uma folha de metal ou uma capa de malha trançada que reveste cada par de condutores

isolados.

• A cobertura metálica aumenta a qualidade do cabo, impedindo a penetração de ruídos ou linha

cruzada, porém ele se torna mais denso e mais caro.

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Categorias

• A EIA (Electronic Industries Association – Associação das Indústrias Eletrônicas) desenvolveu

diversos padrões que classificam os cabos de par trançado em 7 categorias.

• As categorias são determinadas pela qualidade do cabo, na qual :

1 representa a qualidade mais baixa;

7 representa a qualidade mais alta.

• Cada categoria EIA é adequada para usos específicos, veja tabela abaixo:

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Conectores

• O conector UTP mais comum é o RJ45 ( Registered Jack), conforme Fig. abaixo.

• É um conector chavetado, significando que ele só pode ser inserido de uma única forma.

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Desempenho

• Para medição do desempenho de cabos de par trançado comparamos sua:

Atenuação x frequência e distância

• Um cabo de par trançado é capaz de transmitir em ampla faixa de frequências.

• Entretanto a atenuação, medida em decibéis por Quilômetro (𝒅𝑩 𝑲𝒎 ) , aumenta de forma abrupta

para frequências acima de 100KHz.

• Gauge (Bitola) é uma medida da espessura do fio.

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Aplicação

• Os cabos de par trançado são usados em linhas telefônicas para transmissão de voz e de dados.

• O loop local ( a última milha que conecta os assinantes ao prédio da central telefônica) consiste

normalmente em cabos de par trançado não blindados.

• As linhas DSL, que são usadas pelas carriers para prover conexões de alta velocidades e alta taxa

de dados, usam a capacidade de largura de banda elevada dos cabos de par trançado não

blindados.

• Rede locais, como 10Base-T e 100Base-T, também usam cabos de par trançado

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Cabo Coaxial

• O cabo coaxial (ou coax) transporta sinais de faixas de frequência mais alta que as do cabo de par

trançado, em parte pelo fato de que os dois meios de transmissão são construídos de forma bem

diferente.

• O cabo coaxial apresenta um núcleo condutor central de fio torcido ou sólido (normalmente, cobre)

envolto em um revestimento isolante que, por sua vez, é revestido por um condutor externo de folha

de metal, uma capa ou uma combinação de ambos.

• O invólucro metálico externo serve tanto como uma blindagem contra ruídos como um segundo

condutor que completa o circuito. Este condutor externo também é revestido por uma cobertura

isolante e o cabo é protegido por uma cobertura plástica.

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Padrões de Cabos Coaxiais

• Os cabos coaxiais são classificados em categorias de acordo com seus índices RG (Radio

Government).

• Cada índice representa um conjunto exclusivo de especificações físicas, incluindo a bitola do fio

condutor interno, a espessura e o tipo do isolante interno, a construção da blindagem e o tamanho e

tipo de revestimento externo.

• Cada cabo definido por um índice RG é adaptado para uma função especializada, conforme Fig.

Abaixo:

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Conectores de Cabos Coaxiais

• Para conectar cabos coaxiais a dispositivos, precisamos de conectores coaxiais.

• O tipo mais comum de conector usado atualmente é o conector BNC (Bayone-Neil-Concelman), os

tipos mais usados são mostrados na Fig. Abaixo.

• O conector BNC é usado para conectar a extremidade de um cabo coaxial a um dispositivo:

Set-Up-Box de TV a cabo;

Redes Ethernet para ramificar um conexão a um computador ou outro dispositivo.

• O terminador BNC é utilizado no final do cabo para impedir a reflexão do sinal.

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Desempenho

• Podemos medir o desempenho de um cabo coaxial.

• A atenuação é muito maior nos cabos coaxiais que em cabos de par trançado.

• Em outras palavras, embora o cabo coaxial tenha uma largura de banda muito maior, o sinal

enfraquece rapidamente e requer o uso frequente de repetidores.

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Aplicações

• O cabo foi bastante usado em :

Redes de telefonia analógica e digital para transportar 10.000 sinais de voz simultaneamente;

Redes de transmissão de dados à velocidade de até 600 Mbps.

Redes de TV a cabo (cabo coaxial RG-59)

• Porém os cabos coaxiais em redes de telefonia, de dados e de TV a cabo foram substituídos por

cabos de fibra óptica.

• Uma aplicação comum do cabo coaxial é nas Redes LANs Ethernet tradicionais, em razão de sua

largura de banda elevada, e da taxa de dados elevada, o cabo coaxial foi escolhido para a

transmissão digital de sinais nas primeiras LANs Ethernet.

• A Ethernet 10Base2, ou Ethernet de cabo fino, usa o cabo coaxial RG-58 com conectores BNC para

transmitir dados a 10Mbps com um alcance de 185m.

• A Ethernet 10Base5, ou Ethernet de cabo grosso, utiliza o cabo RG-11 (cabo coaxial grosso) para

transmitir a 10 Mbps com alcance de 5.000m.

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Cabo de Fibra Óptica

• Um cabo de fibra óptica é construído sobre uma estrutura de vidro ou plástico e transmite sinais na forma

de luz

Funcionamento da fibra óptica

• A luz trafega em linha reta desde que esteja se movimentando em um meio físico uniforme.

• Se um raio de luz trafegando por um meio de repente passar para outro meio (de densidade diferente),

ele muda de direção.

• Um raio de luz muda de direção quando passa de um meio mais denso para outro menos denso.

• Ângulo de incidência I< ângulo crítico ⟹ o raio de luz refrata, se desloca mais próximo da superfície.

• Ângulo de incidência I= ângulo crítico ⟹ o raio de luz, faz um desvio ao longo da superfície.

• Ângulo de incidência I> ângulo crítico ⟹ o raio de luz reflete, e trafega novamente no meio mais denso.

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• As fibras ópticas usam a reflexão para guiar a luz por um canal.

• Um Núcleo( Core ) de vidro ou plástico é revestido por uma Casca( Cladding ) de vidro ou plástico

menos denso.

• A diferença na densidade dos dois materiais tem de ser tal que um fluxo de luz deslocando-se através

do núcleo seja refletido pela casca em vez de ser refratado nele.

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Cabo de Fibra Óptica

• A tecnologia atual suporta dois modos para a propagação da luz ao longo de canais ópticos, cada um

dos quais exigindo fibras ópticas com características físicas diferentes.

Multimodo ( índice degrau e índice gradual );

Monomodo.

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Multimodo

• É chamado multimodo, pois os múltiplos fluxos de um fonte de luz se deslocam ao longo do núcleo

usando caminhos diferentes.

• A movimentação do fluxo dentro do cabo depende da estrutura do núcleo.

Multimodo com índice degrau

• A densidade do núcleo permanece constante do centro para as bordas.

• Um fluxo de luz se desloca por essa densidade constante em linha reta até atingir a interface do

núcleo e a casca.

• Na interface, há uma mudança abrupta em virtude da densidade menor; isso altera o ângulo de

movimentação do fluxo.

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Multimodo com índice gradual

• Um segundo tipo de fibra, chamado fibra multimodo com índice gradual, diminui essa distorção do

sinal através do cabo.

• A palavra índice gradual aqui se refere ao índice de refração, como vimos anteriormente o índice de

refração está relacionado com a densidade e esta fibra tem densidades variáveis.

• A densidade é mais alta no centro do núcleo e diminui gradualmente em sua borda.

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Monomodo

• O modo Monomodo utiliza fibra de índice degrau e uma fonte de luz extremamente focalizada que

limita os fluxos a um pequeno intervalo de ângulos, todos próximos da horizontal.

• A fibra Monomodo é fabricada com um diâmetro de núcleo muito menor que a da fibra multimodo e

com densidade substancialmente menor (índice de refração).

• A diminuição na densidade resulta em um ângulo crítico próximo de 90º, que faz a propagação dos

fluxo ocorra praticamente na horizontal.

• Com a propagação de fluxos diferentes é praticamente idêntica e os retardos são desprezíveis, todos

os fluxos chegam “juntos” no destino e podem ser recombinados com pequena distorção do sinal.

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Tamanho de Fibras

• As fibras ópticas são categorizadas pela razão entre o diâmetro de seus núcleos e o diâmetro de

suas cascas, ambos expressos em micrômetros.

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Composição dos Cabos

• O invólucro externo é fabricado em PVC, ou então, em teflon.

• Dentro do invólucro, temos fibras de Kevlar para reforçar a estrutura do cabo (Kevlar é um material

muito resistente, usado na fabricação de coletes à prova de balas).

• Abaixo do Kevlar, temos outro revestimento plástico para proteger a fibra. A fibra óptica se encontra

no centro do cabo, formada pela casca e pelo núcleo.

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Conectores para Cabos de Fibra Óptica

• Existem três tipos de conectores para cabos de fibra óptica:

Conector SC , utiliza um sistema de travamento empurra/puxa;

Conector ST , é empregado para conectar o cabo de fibra óptica aos dispositivos de rede, ele

usa um sistema de travamento baioneta.

Conector MT-RJ , é um conector que é do mesmo tamanha do RJ45.

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Desempenho

• O gráfico atenuação versus comprimento de onda mostra um fenômeno muito interessante.

• A atenuação é mais plana que nos cabos coaxiais e par trançado.

• O desempenho é tal que precisamos de menos repetidores quando usamos cabos de fibra óptica.

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Aplicações

• O cabo de fibra óptica é normalmente encontrado em

Backbone de Redes de Dados por apresentar excelente relação entre ampla largura de banda

e custo.

Redes DWDM (Multiplexação por divisão de comprimento de onda), pode transferir dados à

velocidade de até 1.600 Gbps.

Redes locais, como 100Base-FX (Fast Ethernet) e 100Base-X, também usam cabos de fibra

óptica.

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Vantagens x Desvantagens

• O cabo de fibra óptica apresenta uma série de vantagens em relação ao cabo metálico (par trançado

ou coaxial):

Vantagens

Largura de banda mais ampla;

Menor atenuação do sinal;

Imunidade à interferência eletromagnética;

Resistência a materiais corrosivos;

Peso leve;

Maior imunidade à interceptação.

Desvantagens

Instalação e manutenção;

Propagação unidirecional da luz;

Custo.

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Meios de Transmissão não Guiados

• Os meios de transmissão não guiados, transportam ondas eletromagnéticas sem o uso de um

condutor físico.

• Conhecido como meio de comunicação sem fio.

• A figura abaixo mostra o mapeamento do espectro eletromagnético, que vai dos 3KHz aos 900THz,

usados para a comunicação sem fio.

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• Os sinais não guiados podem trafegar da origem ao destino de diversas maneiras:

Propagação terrestre, as ondas de rádio trafegam pela parte mais baixa da atmosfera,

próximo à Terra;

Propagação ionosférica, as ondas de rádio de alta frequência são irradiadas para cima

atingindo a ionosfera (camada da atmosfera onde existem partículas na forma de íons) onde

são refletidas de volta para a Terra;

Propagação em linha de visada, sinais de frequência muito alta são transmitidos em linha reta

de uma antena para outra. As antenas têm de ser unidirecionais, voltadas umas para as outras,

e também altas o suficientes ou próximas o bastante para não serem afetadas pela curvatura

da Terra.

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• A seção do espectro eletromagnético definida como ondas de rádio e microondas é dividida em oito

faixas, denominadas bandas, cada uma das quais regulamentada por órgãos governamentais.

• Classificadas de VLF(Frequências muito baixas) a EHF (Frequências extremamente altas):

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• Podemos dividir a transmissão sem fio em três grandes grupos:

Ondas de rádio, microondas e ondas infravermelhas

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Ondas de rádio

• Embora não haja uma demarcação clara entre ondas de rádio e microondas, as ondas

eletromagnéticas que vão de 3 KHz a 1 GHz são normalmente chamadas de ondas de rádio.

• Ondas de 1 a 300 GHz são denominadas microondas, entretanto o comportamento das ondas, e não

o de suas frequências, é o melhor critério para a classificação.

• Ondas de rádio são omnidirecionais, ou seja, as antenas transmitem ondas de rádio em todas as

direções.

• As ondas de rádio transmitidas por uma antena podem causar interferência no sinal de outra antena,

que pode, eventualmente, enviar sinais usando a mesma frequência ou banda.

• As ondas de rádio são aquelas que se propagam no modo ionosférico, podem percorrer grandes

distâncias, são usadas como o rádio AM.

• A utilização de qualquer trecho de banda requer autorização dos órgãos governamentais.

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• As ondas de rádio são transmitidas por antenas omnidirecionais, que enviam sinais em todas as

direções.

• Com base no comprimento de onda, na potência e na finalidade da transmissão, podemos ter vários

tipos de antenas.

“As ondas de rádio são usadas

para comunicação em

broadcast, como rádio,

televisão, sistemas de

rádionavegação marítima.”

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Microondas

• As ondas eletromagnéticas com frequências entre 1 a 300 GHz são denominadas microondas.

• Microondas são unidirecionais, ou seja, as antenas que transmitem microondas elas têm um foco

estreito.

• As antenas transmissoras e receptoras precisam estar alinhadas. Esta propriedade tem uma

vantagem, um par de antenas microondas pode ser alinhado sem provocar interferência em outro par

de antenas alinhadas.

• A propagação é do tipo linha de visada. As torres com antenas montadas precisam estar em visão

diretas uma da outra, torres muito distantes precisam ser muito altas.

• A banda de microondas é relativamente ampla, quase 299 GHz. Portanto, podemos atribuir larguras

de banda mais largas e obter velocidade maior.

• O uso de certos trechos de banda exige autorização de órgãos governamentais.

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Antena Unidirecional

• As microondas utilizam antenas unidirecionais que enviam sinais em uma única direção. São usados

dois tipos de antenas para comunicações:

A antena parabólica, se baseia na geometria de uma parábola, toda reta paralela à linha de

simetria(linha de visada) reflete a curva em ângulos tais que todas as retas interceptam um

ponto comum chamado foco.

Funcionando como um funil, capturando ampla gama de ondas e as direcionando a um ponto

comum, podemos recuperar a maior parte do sinal do que seria possível com um receptor de

ponto único.

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Captador direcional, se parece com uma concha gigante. As transmissões que partem são

difundidas para cima por uma haste ( que relembra o cabo de uma concha) e defletidas para

fora pela parte superior curvada em uma série de fluxos paralelos estreitos.

As transmissões recebidas são coletadas pelo captador direcional da antena, em uma maneira

similar à antena parabólica, e são defletidas para baixo por dentro da haste.

“As microondas são

usadas para comunicação

unicast (telefonia celular),

redes via satélite e LANs

sem fio.”

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Infravermelho

• As ondas eletromagnéticas com frequências que vão dos 300 GHz aos 400 THz (comprimento de

onda de 1nm a 770nm).

• As ondas infravermelhas, tendo frequência mais altas, não conseguem ultrapassar paredes.

Aplicações

• A banda infravermelha, quase 400THz, apresenta excelente potencial para a transmissão de dados,

uma largura de banda ampla pode ser usada para transmitir dados digitais com taxa de dados muito

alta.

• A Infrared Data Association (IrDa), uma associação para o patrocínio do uso de ondas infravermelhas,

estabeleceu padrões para o uso desses sinais na comunicação entre dispositivos como teclado,

mouse, PC e impressora

• Alguns fabricantes fornecem uma porta especial chamada porta IrDa que permite que um teclado

sem fio se comunique com um PC. O padrão original definia uma taxa de dados de 75Kbps para uma

distância de até 8m, o padrão recente define uma velocidade de 4 Mbps.

“Sinais infravermelhos podem ser

usados para comunicação em curta

distância em uma área fechada usando

propagação em linha de visada.”