MAT164 – Redes de Computadores I Universidade Federal da Bahia Instituto de Matemática Departamento de Ciência da Computação

Camada física - Conceitos Define as interfaces mecânica, elétrica e funcionais entre o meio físico e equipamento de comunicação Meios de Transmissão: Guiados : fios de cobre, fibra ótica Sem fio: Rádio Terrestre e Satélite Sistemas de Transmissão: Telefonia fixa Telefonia móvel TV a cabo

Camada física - Conceitos Modelagem do comportamento do sinal e análise matemática do modelo: Faz-se variar alguma propriedade física do sinal, Voltagem (tensão elétrica) ou Corrente Representa-se o valor dessa Voltagem ou Corrente como uma função de Tempo Análise de Fourier mostra que funções periódicas podem ser construídas como soma de um número de senos e co-senos O modelo é usado para definir número de harmônicos do sinal de transmissão

Camada física - Conceitos Largura da Banda: Faixa de frequências transmitidas sem sofrerem forte atenuação EX. Linhas telefônicas: 3.1 kHz Taxa Máxima de dados ( Nyquist): TM = 2H log V bits/s (base 2, canal sem ruído) Taxa Máxima de Dados (Shannon): TM = H log (1 + S/N ) bits/s (base 2 , canal com ruído) S/N: Potência do sinal sobre a do ruído térmico, expresso em decibéis

Camada física - Conceitos BELL Relação entre potência de dois sinais: B = log S1/S2 DECIBELL dB = 10 log S1/S2 Variação da Potência do Sinal Potência do sinal na entrada Potência Do sinal Na saída Circuito

Camada física - Conceitos Ganho: 10 log S1/S2 dB (base 10) S1: Potência de Saída S2: Potência de entrada Atenuação: 10 log S1/S2 dB (base 10) S1: Potência de Entrada S2: Potência de Saída Potência do sinal na entrada Potência Do sinal Na saída Circuito

Camada física - Conceitos Tipos de Sinais: Sinais analógicos: São sinais que podem assumir, no tempo, infinitos valores de amplitude permitidos pelo meio de Transmissão: Amplitude Tempo

Camada física - Conceitos Tipos de Sinais: Sinais Digitais: São sinais que podem assumir, no tempo, valores de amplitude predeterminados, que correspondem, mediante uma lei de formação, a informação que se deseja transmitir : Amplitude Tempo

Camada física – Meios físicos guiados Meios Magnéticos: Par Trançado Cabo coaxial Meios óticos: Fibra ótica

Meios Físicos de Comunicação de Dados Características: faixa passante potencial para conexão ponto a ponto ou multiponto limitação geográfica imunidade a ruído custo disponibilidade de componentes confiabilidade

Meio Magnético Uma das formas mais comuns de transportar dados de um computador para outro é gravá-los em uma fita magnética ou em discos flexíveis, transportar fisicamente a fita ou os discos para a máquina de destino, onde eles serão finalmente lidos.

Par Trançado É o meio de transmissão para conexão on-line mais antigo que existe e ainda comum até hoje. Um par trançado consiste em dois fios de cobre encapados, que em geral tem cerca 1mm de espessura. Os fios são enrolado de forma helicoidal Tempo de transmissão: Minutos ou horas Aplicação mais comum: Sistema telefônico

Podem percorrer diversos quilômetros sem amplificação Podem ser usados nas transmissões analógicas ou digitais Largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida Devido ao custo e ao desempenho obtidos são usados em larga escala

VANTAGENS: Simplicidade Facilidade de instalação DESVANTAGENS: Baixa extensão do cabo (máximo de 90 metros) Existência de interferência eletromagnética.

Tipos: não-blindado (UTP) e blindado (STP). Par trançado não-blindado (UTP) É especificado no padrão de cabeamento de prédios comerciais, da Associação de Indústrias Eletrônicas e Associação de Indústrias de Telecomunicações - Categorias: Categoria 1 Refere-se ao cabo telefônico UTP tradicional que pode transportar voz, mas não dados. Categoria2 Certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 4 Mbps (megabits por segundo).

Categoria 3 Certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 10 Mbps. Categoria 4 Certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 16 Mbps. Categoria 5 Certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 100 Mbps. Problema O UTP é especialmente suscetível à diafonia (mistura de sinais). A blindagem é utilizada para reduzi-la.

Par trançado blindado (STP) Utiliza uma proteção de cobre entrelaçada de maior qualidade e mais protetora do que a do UTP. O STP também utiliza um envoltório de folha metálica entre e em torno dos pares de fio e, internamente, entre as torções dos pares. Isso proporciona ao STP ótimo isolamento para proteger os dados transmitidos contra interferências externas.

Considerações sobre o cabo de par trançado Indicações de utilização: LAN sujeita a restrições de orçamento. Necessidade de rede de instalação relativamente fácil de manejar em que as conexões do computador sejam simples. Contra-indicação: Necessidade que a rede possua integridade dos dados transmitidos ao longo de grandes distâncias, a altas velocidades.

Par trançado não-blindado (UTP) e par trançado blindado (STP)

Cabo Coaxial Characteristics: O cabo coaxial é formado por camadas. Um cabo coaxial consiste em um fio condutor, rígido ou flexível revestido por um material isolante.

Cabo Coaxial Cobrindo o isolante, temos uma outra camada de material condutor constituída de uma malha metálica de fios intrelaçados, e uma camada de isolante externa (PVC ou Teflon) responsável pela proteção do cabo.

Cabo Coaxial Os cabos coaxiais são mais resistentes a interferências e a atuações do que os pares trançados Utilizado em transmissões de dados a longa distância, de alta velocidade e confiáveis, onde é possível a utilização de equipamentos de baixo custo.

Tipos de Cabo CABO 10 BASE 2 OU Fino (Thin) CABO 10 BASE 5 OU Grosso (Thick)

Tipos de Cabo CABO 10 BASE 2 OU Fino (Thin) Flexível, com espessura aproximada igual a 6,5 mm. Portanto, é de fácil manuseio e pode ser utilizado em quase todo tipo de instalação de redes. Amplamente utilizado em redes locais com topologia em barramento Conectado diretamente à placa de rede através de um conector BNC-T

Tipos de Cabo CABO 10 BASE 2 OU Fino (Thin) Capaz de carregar um sinal sem atenuações por aproximadamente 185 metros. Agrupado pelos fabricantes na família de cabos RG-58 Impedância igual a 50 ohm. Impedância é a resistência que o cabo oferece à circulação de corrente elétrica alternada. O núcleo condutor pode ser rígido ou flexível.

Tipos de Cabo CABO 10 BASE 5 OU Grosso (Thick) relativamente rígido, com espessura aproximada igual a 13 mm. frequentemente é chamado de "cabo padrão Ethernet" por ter sido o primeiro cabo utilizado nas redes Ethernet. o núcleo condutor geralmente é feito de cobre. capaz de carregar um sinal sem atenuações por aproximadamente 500 metros

CABO 10 BASE 5 OU Grosso (Thick) Tipos de Cabo CABO 10 BASE 5 OU Grosso (Thick) O cabo coaxial thick é mais difícil de ser manuseado e mais difícil de instalar do que o cabo coaxial thin, pois é dificilmente dobrado. Isso deve ser considerado quando o local de instalação possui dutos de cabeamento estreitos. O cabo coaxial thick é mais caro que o cabo coaxial thin.

Vantagens Este tipo de cabeamento é bastante resistente a ruídos externos, muito mais que qualquer cabo de par trançado. Isso se deve a sua constituição disposta em camadas. Além das camadas de material isolante, a malha metálica que reveste o núcleo do cabo funciona como um escudo, protegendo o fio central que é por onde a informação viaja.

Vantagens Alguns tipos de cabo coaxial ainda possuem mais de uma camada de malha condutora afim de uma maior proteção. Isso permite que eles sejam instalados mais próximos a fontes de ruído, porém tornam o cabo mais rígido e mais caro.

Desvantagens A principal desvantagem na utilização de cabos coaxiais é a dificuldade de manter a impedância constante. Para a aplicação em redes ponto a ponto, onde cada trecho do cabo pode ter um potencial diferente, este tipo de cabo não é recomendado, pois qualquer ponto que esteja fora das especificações do padrão pode danificar um equipamento ou prejudicar a estabilidade da rede.

Fibra Ótica A natureza da luz. Atualmente, temos duas teorias aceitas e comprovadas experimentalmente, que explicam a natureza da luz: a teoria ondulatória e a teoria corpuscular. A teoria ondulatória é mais antiga e trata a luz como campos eletromagnéticos oscilantes propagando-se no espaço. É nessa teoria que se baseia todo o funcionamento da fibra ótica. A teoria corpuscular, mais nova, trata a luz como pacotes de energia, chamados fótons.

Fibra Ótica Uma fibra óptica é um capilar formado por materiais cristalinos e homogêneos, transparentes o bastante para guiar um feixe de luz (visível ou infravermelho) através de um trajeto qualquer. A estrutura básica desses capilares são cilindros concêntricos com determinadas espessuras e com índices de refração tais que permitam o fenômeno da reflexão interna total. O centro (miolo) da fibra é chamado de núcleo e a região externa é chamada de casca.

Características De Transmissão Da Fibra Óptica Fibra Ótica   ATENUAÇÃO Nas fibras ópticas, a atenuação varia de acordo com o comprimento de onda da luz utilizada. Essa atenuação é a soma de várias perdas ligadas ao material que é empregado na fabricação das fibras e à estrutura do guia de onda. Os mecanismos que provocam atenuação são: absorção espalhamento deformações mecânicas. Características De Transmissão Da Fibra Óptica

Fibra Ótica Um sinal luminoso é transmitido para a fibra ótica sob a forma de pulso '0'/'1'. As ondas passam através do núcleo do cabo, que é coberto por uma camada chamada cladding . A refração do sinal é cuidadosamente controlada pelo desenho do cabo. O sinal luminoso não pode escapar do cabo ótico porque o índice de refração no núcleo é superior ao índice de refração do cladding.

Fibra Ótica Os tipos básicos de fibras óticas são: Fibra de Índice Degrau, Fibra de Índice Gradual , Fibra Monomodo.

Fibra Ótica

Fibra Ótica Fibra ótica Multimodo com índice degrau     Foi o primeiro tipo a surgir e é também o mais simples. Na fibra multimodo com índice degrau, o núcleo e o cladding estão claramente definidos. O núcleo é constituído de um único tipo de material (plástico, vidro), ou seja, tem índice de refração constante, e tem diâmetro variável, entre 50 e 400 mm. Os raios de luz refletem no cladding em vários ângulos, resultando em comprimentos de caminhos diferentes para o sinal. Isto causa o espalhamento do sinal ao longo da fibra e limita a largura de banda do cabo para aproximadamente 35 mhz.Km. Este fenômeno é chamado dispersão modal. A atenuação é elevada (maior que 5 db/km), fazendo com que essas fibras sejam utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e iluminação.

Fibra Ótica Fibra ótica multimodo com índice gradual: Num desenvolvimento melhor, chamado multimodo com índice gradual, a interface núcleo/cladding é alterada para proporcionar índices de refração diferentes dentro do núcleo e do cladding. Os raios de luz viajam no eixo do cabo encontrando uma grande refração, tornando baixa sua velocidade de transmissão . Os raios que viajam na direção do cabo tem um índice de refração menor e são propagados mais rapidamente. O objetivo é ter todos os modos do sinal à mesma velocidade no cabo, de maneira a reduzir a dispersão modal. Essa fibra pode ter larguras de banda de até 500 Mhz.km. O núcleo tem, tipicamente, entre 125 e 50 mm e a atenuação é baixa (3 dB/km), sendo por esse motivo empregada em telecomunicações.

Fibra Ótica

Fibra Ótica Fibra Ótica Monomodo A fibra monomodo vai um passo à frente.  O tamanho do núcleo, 8 micrometros (µm) de diâmetro, e o índice núcleo/cladding permite que apenas um modo seja propagado através da fibra., conseqüentemente diminuindo a dispersão do pulso luminoso. A emissão de sinais monomodo só é possível com laser, podendo atingir taxas de transmissão na ordem de 100 GHz.km, com atenuação entre 0,2 dB/km e 0,7 dB/km . Contudo, o equipamento como um todo é mais caro que o dos sistemas multimodo. Essa fibra possui grande expressão em sistemas telefônicos. .

Fibra Ótica

Fibra Ótica Fabricação: Os materiais básicos usados na fabricação de fibras óticas são sílica pura ou dopada, vidro composto e plástico. As fibras fabricadas de sílica pura ou dopada são melhores, porém, todos seus processos de fabricação são complexos e caros. Nas fibras de vidro e plástico os processos são mais simples e baratos, comparados aos de sílica.

Fibra Ótica Aplicações: Redes de telecomunicacões ·      entroncamentos locais ·      entroncamentos interurbanos ·      conexões de assinantes Redes de comunicação em ferrovias Redes de distribuição de energia elétrica (monitoração, controle e proteção)

Fibra Ótica Aplicações: Redes de transmissão de dados e fac-símile Redes de distribuição de radiodifusão e televisão Redes de estúdios, cabos de câmeras de TV Redes internas industriais Equipamentos de sistemas militares Aplicações de controle em geral Veículos motorizados, aeronaves, navios, instrumentos, etc.

Fibra Ótica Vantagens: Perdas de transmissão baixa e banda passante grande Pequeno tamanho e peso Imunidade a interferências Isolamento elétrico: não há necessidade de se preocupar com aterramento, uma vez que é constituída de vidro ou plástico, que são isolantes elétricos. É uma alternativa muito mais segura contra possíveis escutas telefônicas. Segurança do sinal: possui um alto grau de segurança, pois não irradiam significativamente a luz propagada. Matéria-prima abundante: é constituída por sílica, material abundante e não muito caro.

Fibra Ótica Desvantagens: Fragilidade das fibras óticas : Dificuldade de conexões das fibras óticas: Acopladores tipo T com perdas muito grandes: Impossibilidade de alimentação remota de repetidores: requer alimentação elétrica independente para cada repetidor, não sendo possível a alimentação remota através do próprio meio de transmissão. Falta de padronização dos componentes óticos: o contínuo avanço tecnológico e a relativa imaturidade não tem facilitado e estabelecimento de padrões. Alto custo de instalação e manutenção.

Camada física – Meios físicos não guiados – Transmissão sem fio Transmissão de Rádio: Transmissão de Microondas: Transmissão por ondas de infravermelho: Transmissão por ondas de luz: Satélites de comunicação:

Camada física – Transmissão sem fio O espectro eletromagnético F(HZ) Rádio:10 a quarta Microondas: 10 a oitava Infra:10 a doze UV: 10 a 14 Raios X: 10 a 16 Raios Gama: 10 a 22 Luz Visível Rádio Microondas Infra-Vermelho Raios Gama UV Raios X

Camada física – Transmissão sem fio O espectro eletromagnético F(HZ) 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Par Trançado LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF Satélite Fibra Ótica Cabo Coaxial Microonda Terrestre AM FM TV

Camada física – Transmissão sem fio Transmissão de Rádio: Fáceis de gerar Percorrem longas distâncias Atravessa obstáculos Sujeitas a interferências Bandas: VLF LF MF – obedecem a curvatura da terra Bandas : HF VHF – São refratadas na Ionosfera

Camada física – Transmissão sem fio 2. Transmissão de Microondas: Acima de 100 MHZ, trafegam praticamente em linha reta Altas frequências de até 10GHZ Acima de 4 GHZ são absorvidas pela água (chuva) devido ao curto comprimento da onda Sistema bastante econômico e em expansão

Camada física – Transmissão sem fio 3. Transmissão de Infra-vermelho: Usadas para comunicação de curto alcance Controle remoto, conexão de periféricos, troca de informações entre equipamentos próximos Relativamente direcionais, econômicas e fáceis de montar Grande desvantagem: não atravessam objetos sólidos Consequência: Não interferem em sistemas semelhantes

Infra-vermelho O Surgimento da transmissão de dados usando conexão infravermelho veio a partir da necessidade de se ter redes com alto desempenho e conexão confiável. O estudo desse tipo de transmissão vem sido estudado há muitos anos, porém obteve sucesso a mais ou menos 10 anos atrás.

Infra-vermelho Além da alta velocidade de transmissão, uma das vantagens mais atrativas é o baixo custo dos produtos e de sua implementação. Em 1993, a Hewlett – Packard e outras empresas formaram a IrDA (Infrared Data Association). Atualmente centenas de empresas se uniram a essa associação. O objetivo era criar um sistema de rede onde não existisse interrupções, onde o custo fosse baixo e fosse adaptável a muitas aplicações. Porém ficou claro para a associação que não seria fácil alcançar esse objetivo, visto que os membros do IEEE 802.11 já haviam discutido sobre o assunto.

Infra-vermelho CARACTERÍSTICAS Infra-vermelho tem como característica uma alta velocidade. porém, um curto alcance. Esta tecnologia necessita de um caminho livre para poder fazer uma transferência de dados ponto a ponto em um meio físico sem cabos. PRINCIPAIS APLICAÇÕES As aplicações mais aconselháveis nessa tecnologia se dá em ligações entre câmeras digitais, impressoras, notebooks, palmtops, periféricos em geral. A transmissão de dados pode ser feita nos dois sentidos, máquina-periférico, periférico-máquina.

Infra-vermelho SISTEMA DIFUSO SISTEMA DIRETO Usam sofisticados transmissores Indicados para computadores portáteis Mais caros Mais baratos Distâncias mais longas Distâncias mais curtas Transmitem o sinal de 5 a 10 vezes mais extenso Média de distância de alcance de 1 a 2 m Usam mais Energia Não permitem nenhuma obstrução em sua conexão Maior capacidade de correção de erros Receptores são de 1.000 a 10.000 vezes mais sensíveis SISTEMA DIFUSO SISTEMA DIRETO

Infra-vermelho Atualmente a taxa mais rápida de transmissão é de 4 Mbits / seg. No nível físico a interface básica infravermelho esta baseada em características de um transmissor / receptor Universal Assynchrnous (UART), um componente que esta presente nas partes seriais de quase todos os componentes e possuem taxas de transmissão de bits variando de 2.400bps a 115 kbps. Os dispositivos IrDA, fazem dados a partir da luz. Os bits específicos são convertidos para infravermelhos, onde em termos simplificados, um flash de luz representa 0 e nenhum flash de luz representa 1.

Infra-vermelho A utilização de múltiplos LEDs podem amplificar o cone de sinal e aumentar a distância entre dispositivo de conexão. O feixe infravermelho em forma de cone garante que o usuário não “derrame” dados sobre dispositivos

Camada física – Transmissão sem fio 4. Transmissão por ondas de luz: Sinalização ótica sem guia Unidirecional: cada ponto possui o foto-emissor de luz e o fotodetector Utiliza raios laser para implementação dos canais de transmissão Fácil de ser instalado, alta largura de banda a custo relativamente baixo Desvantagem: Não atravessam chuva ou neblina espessa

Camada física – Transmissão sem fio 5. Satélites de comunicação: Sistema que retransmite o sinal recebido de volta a terra, após amplificação Composto de transponders, sintonizados em faixas de frequências. Após receberem os sinais eles amplifica-os e retransmitem de volta em outra faixa de frequência para evitar interferência Satélites Geoestacionários: Altitude de 35.800 km, com período de 24 hs ( GEO ) Vida útil: 10 a 20 anos

Transmissão via satélite - Sistema GEO Satélites no sistema GEO já são utilizados há algum tempo, sendo que a tecnologia já é bem conhecida. Já existem sistemas de rastreamento, não há o problema de satélites caírem tão facilmente como no sistema LEO, pois os satélites estão numa órbita bem mais distante e, portanto, menos sujeitos à atração da gravidade da Terra. O sistema GEO tem, como grande desvantagem, a latência

Transmissão via satélite Outra questão tecnológica é como definir as rotas que as diversas mensagens devem seguir para alcançar seus destinos. Em alguns sistemas, um sinal que é enviado a um satélite será transmitido para a estação em terra mais próxima, sendo então enviada por enlaces terrestres até uma estação próxima do destino. Lá, o sinal será enviado para um outro satélite e recebida pelo destinatário. Mas este esquema aumenta ainda mais a latência do sistema. Outros esquemas utilizam laser para a comunicação entre satélites e roteamento entre satélites, o que aumenta a complexidade dos mesmos. Utilização: - Redes de alta velocidade - Teleconferência - Telemedicina

Transmissão via satélite Vantagens: Grande largura de banda disponível. Cobertura de grandes áreas. Todos usuários têm as mesmas possibilidades de acesso. Facilidade de utilização em comunicações móveis. Superação de obstáculos naturais.

Transmissão via satélite Limitações: Alto investimento inicial. Pequena vida útil. Dificuldades e alto custo de manutenção. Necessidade de um veículo de lançamento. Elevado tempo de trânsito da informação. Na tecnologia atual não é aconselhável ter satélites mais próximos entre si do que 4 graus no plano equatorial de 3610 graus, em separações menores, o feixe transmitido por uma estação terrestre atingiria não só o satélite desejado, como também seus vizinhos.

Camada física – Transmissão sem fio 5. Satélites de comunicação: Padronização ITU Banda Dowlink GHZ Uplink Largura Banda MHZ Problemas L 1,5 1,6 15 Larg. Banda, lotada S 1,9 2,2 70 C 4,0 6,0 500 Interferên. terrestre Ku 11 14 Chuva Ka 20 30 3.500 Chuva, custo equip.

Camada física – Transmissão sem fio 5. Satélites de comunicação: VSAT ( Very Small Aperture Terminals ) Micro-estações de baixo custo Antenas de 1 m, ou menos, de diâmetro Uplink de 19,2 kbps e downlink de 512 kbps Sistema de transmissão central – HUB Retardo de 540 ms para subida e decida

Camada física – Transmissão sem fio 5. Satélites de comunicação: Satélites de órbita média – MEO ( Mediun Earth Orbit ) Entre 5.000 a 18.000 km de altitude Período de cerca de 6 horas GPS ( Global Positioning System ): 24 satélites a 18.000 km de altitude

Camada física – Transmissão sem fio 5. Satélites de comunicação: Satélites de órbita baixa – LEO ( low Earth Orbit ) Até 5.000 km de altitude Iridium: 66 satélites a 750 km de altitude ( o plano inicial eram 77 satélites ) Comunicação de voz ( celular em nível mundial com 1628 células ), dados, busca, navegação, fax. Globalstar: 48 satélites, alternativa ao Iridium Teledesic: 30 satélites a 1.350 km de altitude. Serviços de banda larga para internet. Uplink de 100 Mbps e Downlink de 720 Mbps

Transmissão via satélite Sistema LEO X GEO LEO – Baixa órbita Constitui-se em uma nova tecnologia e novos desafios. O maior deles é que necessita-se de um grande número de satélites para fazer a cobertura total do globo. Os satélites LEO podem estar visíveis apenas por 210 ou 310 minutos, antes de passar pelo horizonte. Com isto, fica difícil apontar antenas (rastrear) e manter o link ativo. A tecnologia de phased-array antenna pode resolver este problema. Em vez de utilizar uma antena de prato, utilizam-se caixas de antenas pequenas que apontam automaticamente para os satélites.

Conclusão Pode-se utilizar esta nova tecnologia para todo o tipo de transmissão que já se faz em linhas terrestres. Então, por que investir tanto nesta tecnologia? Se pensarmos que, muitas vezes, a infra estrutura terrestre pode ser escassa e existem grandes distância a serem cobertas por fio e os recursos são poucos, começaremos a ver o porquê que muitas empresas estão apostando nos satélites, principalmente os do tipo LEO. Não esquecendo que a função das redes terrestres e de satélites é de complementar uma à outra e não de substituir ou competir.