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

Transmissão de dados: Cenário típico 4 Teleprocessamento 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 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

Enlaces ponto-a-ponto e multi-ponto 6 Teleprocessamento 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 7 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Espectro e Largura de Banda 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

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

Taxa de Dados e Largura 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

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

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

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

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Problemas de transmissão Atenuação do sinal Distorção por atraso Ruído 25 Teleprocessamento 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) 26 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Atenuação do sinal (2) Atenuação 10 log10 (P1/P2) dB Amplificação P1 watts P2 watts transmissor receptor Atenuação 10 log10 (P1/P2) dB Amplificação 10 log10 (P2/P1) dB 27 Teleprocessamento 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 28 Teleprocessamento 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 29 Teleprocessamento 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) 30 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Tipos de ruído (2) Ruído de “Linha cruzada” Ruído de Impulso 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

Ruído: Interferência no sinal Signal Noise Signal+Noise Logic Threshold 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 32 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

Meios de Transmissão Meios guiados 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

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

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

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

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

Cabo Coaxial 40 Conector BNC Usos típicos Vantagens em relação a UTP 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

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

Fibra Ótica (2) 42 Teleprocessamento 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 43 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Fibra ótica: Tipos Fibra multi-modo Fibra mono-modo 44 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

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

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

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

Transmissão sem fio 48 Teleprocessamento 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) 49 Teleprocessamento 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 50 Teleprocessamento 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 52 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão por micro-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 53 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão por micro-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 54 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão por infra-vermelho Altamente direcional Ex.: controles remotos Aplicações em redes locais Embora não usado amplamente 55 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão por laser 56 Teleprocessamento 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 57 Teleprocessamento 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 58 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Estrutura do sistema telefônico Evolução Totalmente conectado  hierárquico 59 Teleprocessamento 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 60 Teleprocessamento 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 61 Teleprocessamento 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 62 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Clarificando... Transmissão digital Transmissão analógica 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 63 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

Modulação 66 Sinal original Modulação por amplitude Modulação por freqüência Modulação por mudança de fase 66 Teleprocessamento 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 67 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Esquemas de modulação 68 Teleprocessamento 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 69 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Uso de fibra ótica no contexto do local loop: custo 70 Teleprocessamento 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) 71 Teleprocessamento 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 72 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

FDM (2) 73 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

FDM (3) 74 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

FDM: Receptor 76 Teleprocessamento 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 77 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

WDM (2) 78 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM Multiplexação no domínio do tempo Exemplo: 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 79 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM: 24 canais de 64Kbps Duração de um slot (canal): 5,18μs Duração de um bit: 0,6477μs 80 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM síncrono: Quadros e slots 1 2 3 n 1 2 3 n 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 81 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM síncrono: Transmissor Multiplexador 82 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

TDM síncrono: Receptor Demultiplexador 83 Teleprocessamento 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 (Esquema utilizado nos EUA) 84 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Multiplexação TDM em vários níveis: Hierarquia européia 2,048Mbps 4:1 8,848Mbps 4:1 34,304Mbps 4:1 4:1 139,264Mbps 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 86 Teleprocessamento 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 10 11 12 9 7 4 3 2 87 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Otimização: Delta Modulation 88 Teleprocessamento 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) 89 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET / SDH Provê: Emprega transmissão síncrona 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 90 Teleprocessamento 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 91 Teleprocessamento 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 92 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET: Estrutura de transmissão (2) 93 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET: Multiplexação 94 622,08Mbps 155,52Mbps 51,84Mbps Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET / SDH: Hierarquia de multiplexação 95 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

SONET: Arquitetura Camada física dividida em 4 sub-camadas 96 Fotônica: propriedades do sinal ótico Seção: enlaces diretos de fibra ótica Linha: multiplexação/demultiplexação Caminho: questões fim-a-fim da conexão 96 Teleprocessamento 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 97 Teleprocessamento 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 98 Teleprocessamento 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. 99 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de circuitos (2) 100 Teleprocessamento 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 101 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de circuitos 102 Teleprocessamento 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 103 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de 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 104 Teleprocessamento 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 105 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutação de pacotes Sem conexão Cada pacote roteado independentemente Menos tempo para se concluir a transmissão Apropriado para tráfego interativo Não monopoliza os enlaces e comutadores 106 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Técnicas de comutação: Comparação 107 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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

Comutação de circuitos vs. comutação de pacotes (2) 109 Teleprocessamento 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 110 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

N-ISDN: Taxa básica e taxa primária 111 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

N-ISDN: Arquitetura – conexão para uso doméstico 112 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

N-ISDN: Arquitetura – conexão de uso comercial 113 Teleprocessamento 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 114 Teleprocessamento 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 115 Teleprocessamento 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 116 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

RDSI-FL: Circuitos Virtuais (3) 117 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Circuitos virtuais vs. 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 118 Teleprocessamento 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 119 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Transmissão em redes ATM TDM: ATM:  Multiplexação estatística por divisão de tempo 120 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

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) 121 Teleprocessamento 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 122 Teleprocessamento 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 123 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Redes ATM: Modelo de Referência – Camadas 124 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Redes ATM: Modelo de Referência – Camadas (2) 125 Teleprocessamento 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) 126 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Camada Física em Redes ATM (2) Recebe um fluxo de células da camada ATM Remonta as células e as entrega à camada ATM Interface uniforme para a camada ATM (independente do meio físico) TC TC Repassa as células como uma seqüência de bits p/ PMD Entrega um fluxo de bits para a camada TC PMD PMD Codifica bits em sinais digitais para transmissão Recebe sinais digitais através do meio 127 Teleprocessamento 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 128 Teleprocessamento 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 129 Teleprocessamento 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 130 Teleprocessamento 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 131 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores ATM: Enfileiramento de células na entrada do switch 132 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Comutadores ATM: Enfileiramento de células na saída do switch 133 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG

Leitura complementar Redes de rádio celular Satélites de comunicação Tanenbaum, seção 2.7 Satélites de comunicação Tanenbaum, seção 2.8 134 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG