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
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Transmissão de Dados: Terminologia
Transmissor
Receptor
Meio de transmissão Meios guiados
Ex.: par trançado, fibra ótica
Meios não-guiados Ex.: ar, água, vácuo
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Transmissão de dados: Cenário típico
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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
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Enlaces ponto-a-ponto e multi-ponto
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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
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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
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Sinais discretos e contínuos
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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
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Exemplo: Diferentes ondas senoidais
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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
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Adição deondassenoidais
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Domínio daFreqüência
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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
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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
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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
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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
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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
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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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