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Redes de Computadores

Fabiano Mario Rodrigues Fialho

Definição

● Uma rede de computadores é formada por um conjunto de módulos processadores capazes de trocar informações e compartilhar recursos, interligados por um sistema de comunicação (meios de transmissão e protocolos).

Usos das Redes de computadores

● As redes de computadores possuem diversas aplicações comerciais e domésticas

● As aplicações comerciais proporcionam:

Compartilhamento de recursos: impressoras, licenças de software, etc.

Maior confiabilidade por meio de replicação de fontes de dados

Economia de dinheiro: telefonia IP (VoIP), vídeo conferência, etc.

Meio de comunicação eficiente entre os empregados da empresa: e-mail, redes sociais, etc.

Comércio eletrônico

Modelo Cliente-servidor

● Uma configuração muito comum em redes de computadores emprega o modelo cliente-servidor

● O cliente solicita o recurso ao servidor

Modelo Cliente-servidor

● No modelo cliente-servidor, um processo cliente em uma máquina se comunica com um processo servidor na outra máquina

● O temo processo se refere a um programa em execução

● Uma máquina pode rodar vários processos clientes e servidores simultaneamente

Aplicações domésticas

● As aplicações domésticas proporcionam

Acesso a informações remotas: : jornais, bibliotecas digitais, etc.

Comunicação entre as pessoas: twitter, orkut, facebook, messenger, etc.

Entretenimento interativo: distribuição de músicas, filmes, etc.

Comércio eletrônico

Usuários Móveis● Recentemente, a parcela de usuários móveis conectados às

redes aumentou significativamente

• Notebooks superaram os desktops em quantidade de vendas

• Tablets e smartphones se tornaram os novos sonhos de consumo

• Módulos de GPS se tornaram indispensáveis nas grandes cidades

• As aplicações para usuários móveis estão aumentando a cada dia

• Pagamento de contas com o celular

• Parquímetros sem fio

Questões sociais

Com a popularização e a massificação das redes de computadores surgiram questões de natureza social que até então não eram notadas

• Pontos de vista polêmicos abordando temas como sexo, política, religião ou racismo

• Apologia a "coisas"proibidas

• Pirataria fora de controle

• Políticas de espionagem das empresas

• Grandes corporações como o Google traçando perfis a partir do comportamento dos usuários

• Roubo de identidade (phishing)

Hardware de rede● O hardware de rede varia bastante de acordo com o tipo de rede

● Dentre os muitos critérios para classificar uma rede, destacam-se: a tecnologia de transmissão e a escala

● Segundo a tecnologia de transmissão, as redes são classificadas em

• Redes de difusão (broadcast)

• Redes ponto-a-ponto

● Segundo a escala

• Redes pessoais

• Redes locais

• Redes metropolitanas

• Redes a longas distâncias

• Redes interligadas

Tecnologia de transmissão● Redes de difusão

• Todas as máquinas compartilham um único canal

• Comunicação por meio de pacotes endereçados

• O endereçamento pode ser

✔ Para uma máquina específica (unicast)

✔ Para todas as máquinas da rede (broadcast)

✔ Para um subconjunto de máquinas da rede (multicast)

● Redes ponto-a-ponto

• Conexões entre pares de máquinas

• Ocorre o roteamento dos dados

Escala

● Em relação a escala, as redes são classificadas de acordo com a tabela abaixo

Redes pessoais

● As redes pessoais (PAN - Personal Area Networks) permitem que dispositivos se comuniquem pelo alcance de uma pessoa

● São exemplos de redes pessoais

• Computador ligado aos seus periféricos

• Fone ligado ao celular via Bluetooth

Redes locais● As redes locais (LAN - Local Area Networks) são normalmente

redes privativas que permitem a interconexão de equipamentos presentes em uma pequena região (um prédio ou uma universidade ou que tenha poucos quilômetros de extensão)

● As LANs podem ser cabeadas, sem fio ou mistas

• Atualmente as LANs cabeadas mais usadas usam o padrão IEEE 802.3

• Para melhorar a eficiência, cada computador é ligado por um cabo a uma porta de um comutador (switch)

• Dependendo do cabeamento e tecnologia usados, essas redes atingem velocidades de 100Mbps, 1Gbps ou até 10Gbps

• Hoje em dia, hubs raramente são usados

Redes locais

● Com a preferência do consumidor por notebooks, as LANs sem fio ficaram bastante populares

● O padrão mais utilizado é o IEEE 802.11 conhecido como WiFi

● A versão mais utilizada, o 802.11n, permite alcançar velocidades da ordem de 300Mbps

● LANs sem fio são geralmente interligadas à rede cabeada através de um ponto de acesso

Redes metropolitanas● Uma rede metropolitana (MAN - Metropolitan Area Network) é

basicamente uma grande versão de uma LAN onde a distância entre os equipamentos ligados à rede começa a atingir distâncias metropolitanas (uma cidade)

● Exemplos de MANs são as redes de TV a cabo e as redes IEEE 802.16 (WiMAX)

Redes a longas distâncias

● Uma rede a longas distâncias (WAN - Wide Area Network) é uma rede que cobre uma área geográfica grande, usualmente um país ou continente. Os hospedeiros da rede são conectados por uma sub-rede de comunicação

● A sub-rede é composta de dois elementos: linhas de transmissão e elementos de comutação (roteadores)

Redes a longas distâncias

● Nos enlaces de longa distância em redes WAN são usadas tecnologias que permitem o tráfego de grandes volumes de dados: SONET, SDH, etc.

● Quando não há cabos, satélites podem ser utilizados em parte dos enlaces

● A sub-rede é em geral operada por uma grande empresa de telecomunicações conhecida como provedor de serviço de Internet (ISP - Internet Service Provider)

Software de redeHierarquia de protocolos

● A maioria das redes é organizada como uma pilha de camadas (níveis) colocadas umas sobre as outras

● Cada camada oferece alguns serviços para as camadas superiores escondendo os detalhes de implementação desses serviços

● A camada n de uma máquina se comunica com a camada n de outra máquina

● As regras e convenções usadas na comunicação entre camadas de mesmo nível são conhecidas como um protocolo da camada n

● As entidades que ocupam as mesmas camadas em diferentes máquinas são chamadas de pares

● Camadas, protocolos e interfaces

● A transmissão de dados ocorre realmente de uma camada para a camada imediatamente inferior ou superior

● Entre camadas adjacentes existe uma interface

● Uma interface define um conjunto de operações e serviços que a camada inferior tem a oferecer à camada superior

● As interfaces devem ser claras de modo a reduzir o fluxo de dados e simplificar a substituição da implementação da camada

● As implementações dos protocolos podem ser diferentes, contanto que os serviços sejam oferecidos

● Um conjunto de camadas e protocolos é chamado de arquitetura de rede

● Os detalhes da implementação nem a especificação das interfaces pertencem à arquitetura

● Uma lista com os protocolos usados em um determinado sistema é chamada de pilha de protocolos (um protocolo por camada)

● Exemplo de uma comunicação em camadas: arquitetura filósofo-tradutor-secretária

● Cada camada acrescenta o seu cabeçalho a fim de permitir que a mensagem seja entregue corretamente

● Cabeçalhos podem conter endereços, números de seqüência, tamanhos, etc.

Questões de projeto

● Existem algumas questões fundamentais de projeto de redes de computadores que estão presentes em diversas camadas

• Detecção e correção de erros para aumentar a confiabilidade

• Necessidade de mecanismos de endereçamento

• Escalabilidade para lidar com o crescimento das redes

• Escolha de rotas (roteamento)

• Lidar com os problemas de interligação de redes (fragmentação, ordenação, etc.)

• Controle de fluxo quando o transmissor e o receptor operam em velocidades diferentes

• Qualidade de serviço

• Acesso ao meio compartilhado

• Confidencialidade

Serviços orientados e não orientados a conexão

● As camadas podem oferecer dois tipos diferentes de serviços às camadas superiores

• Serviços orientados a conexões

• Serviços não orientados a conexões

● Um serviço orientado a conexões segue a mesma idéia do sistema telefônico

• Uma conexão deve ser estabelecida antes de se iniciar a comunicação

• Depois de utilizada, a conexão é liberada

• Uma conexão funciona como um tubo ligando as duas extremidades

• As partes podem negociar os parâmetros da conexão

● Um serviço não orientado a conexões segue a mesma idéia do sistema postal

• Cada mensagem carrega o endereço de origem e o de destino

• Cada mensagem (pacote) é independente e dessa forma, pode seguir rotas diferentes

● Esses dois tipos de serviços podem ainda ser confiáveis ou não confiáveis

• Em um serviço confiável, a mensagem sempre é entregue

• A confiabilidade requer a confirmação do recebimento

● Seis diferentes tipos de serviço

Relacionamento entre serviços e protocolos

● Serviços e protocolos são conceitos distintos

• Um serviço é um conjunto de primitivas (operações básicas) que uma camada oferece à camada situada acima

• Um protocolo é um conjunto de regras que controla o formato e o significado dos pacotes ou mensagens que são trocadas pelas entidades pares em um camada

• O protocolo pode ser alterado, desde que os serviços não sejam alterados

Modelos de referência

● Dois modelos de referência para arquiteturas de redes merecem destaque: OSI e TCP/IP

● Modelo de referência ISO OSI (Open Systems Interconnection)

• Modelo destinado à interconexão de sistemas abertos

• Possui 7 camadas: física, enlace de dados, rede, transporte, sessão, apresentação e aplicação

Modelo OSI● Modelo OSI com as suas sete camadas

Modelo OSI● Para se chegar nas sete camadas do modelo OSI, foram aplicados os

seguintes princípios

• Uma camada deve ser criada onde houver necessidade de outro grau de abstração

• Cada camada deve executar uma função bem definida

• A função de uma camada deve ser escolhida tendo em vista a definição de protocolos padronizados internacionalmente

• Os limites das camadas devem ser escolhidos para minimizar o fluxo de informações pelas interfaces

• O número de camadas deve ser grande o bastante para que funções distintas não precisem ser desnecessariamente colocadas na mesma camada e pequeno o suficiente para que a arquitetura não se torne difícil de controlar

Modelo OSI

● Camada de enlace de dados

• A sua principal função é transmitir quadros entre duas máquinas ligadas diretamente, transformando o canal em um enlace de dados confiável

• Divide os dados em quadros e os envia sequencialmente

• Regula o tráfego

• Detecta a ocorrência de erros ocorridos na camada física

• Em redes de difusão, uma subcamada de controle de acesso ao meio é inserida para controlar o acesso ao canal compartilhado

Modelo OSI

● Camada de rede

• A sua função é encaminhar pacotes entre a máquina de origem e a máquina de destino

• O roteamento pode ser estático ou dinâmico

• Realiza o controle de congestionamento

• Responsável pela qualidade de serviço

• Tem que permitir que redes heterogêneas se comuniquem, sendo assim, deve lidar com questões como endereçamento, tamanho dos pacotes e protocolos heterogêneos

Modelo OSI

● Camada de apresentação

• A sua função básica é transformar a sintaxe dos dados (forma de representação) sem afetar a semântica

• Gerencia estruturas de dados abstratas

● Camada de aplicação

• Contém uma série de protocolos necessários para os usuários

• É nessa camada que o usuário interage

Modelo TCP/IP

● Arquitetura voltada para a interconexão de redes heterogêneas (ARPANET)

● Posteriormente, essa arquitetura ficou conhecida como modelo TCP/IP graças aos seus principais protocolos

● O modelo TCP/IP é composto por quatro camadas: enlace, internet, transporte e aplicação

Modelo TCP/IP

● Camada de enlace

• Não é uma camada propriamente dita, mas uma interface entre os hospedeiros e os enlaces de transmissão

● Camada internet (camada de rede)

• Integra toda a arquitetura, mantendo-a unida

• Faz a interligação de redes não orientadas a conexão

• Tem o objetivo de rotear as mensagens entre hospedeiros, ocultando os problemas inerentes aos protocolos utilizados e aos tamanhos dos pacotes

• Tem a mesma função da camada de rede do modelo OSI

• O protocolo principal dessa camada é o IP

Modelo TCP/IP

● Camada de transporte

• Permite que entidades pares (processos) mantenham uma comunicação

• Foram definidos dois protocolos para essa camada: TCP (Transmission Control Protocol) e UDP (User Datagram Protocol)

• O TCP é um protocolo orientado a conexões confiável que permite a entrega sem erros de um fluxo de bytes

• O UDP é um protocolo não orientado a conexões, não confiável e bem mais simples que o TCP

● Camada de aplicação

• Contém todos os protocolos de nível mais alto

Modelo TCP/IP

● Modelo TCP/IP e seus protocolos

Modelos de referência

● O modelo de referência usado no livro do Tanenbaum e do Kurose é um modelo em cinco camadas: física, enlace, rede, transporte e aplicação

OSI vs TCP/IP

● O modelo OSI

• O modelo foi concebido antes dos protocolos

• O modelo explicita a distinção entre serviços, interfaces e protocolos

• Possui 7 camadas

• Na camada de rede podem existir serviços orientados à conexão e não orientados à conexão

• Na camada de transporte só existem serviços orientados à conexão

OSI vs TCP/IP

● O modelo TCP/IP

• Os protocolos foram concebidos antes do modelo

• Possui 4 camadas

• Na camada de rede só existe serviço não orientado à conexão

• Na camada de transporte podem existir serviços orientados à conexão e não orientados à conexão

OSI vs TCP/IP

● O modelo TCP/IP apesar de ser bastante popular enfrenta alguns problemas

• Ele falha em ser geral, ou seja, é complicado utilizá-lo para o projeto de novas redes

• Ele não diferencia claramente os conceitos de serviços, interfaces e protocolos

• Ele não faz distinção entre as camadas física e de enlace de dados

Exemplos de rede: A internet

● A Internet não é uma rede propriamente dita, mas sim um vasto conjunto de redes diferentes com protocolos e serviços comuns

● A Internet teve suas origens no final da década de 1950 e vem passando por diversas transformações

● A Arpanet foi a precursora da Internet

● Rede criada pela ARPA (Advanced Research Projects Agency) ligada ao departamento de defesa dos Estados Unidos

● Rede com comutação de pacotes com tolerância a falhas

● Universidades americanas que tinham contratos com o departamento de defesa atuavam no seu desenvolvimento

● A sub-rede da Arpanet consistia de minicomputadores (os IMPs – Internet Message Processors) conectados por linhas de 56 kbps (as melhores que o dinheiro podia comprar naquela época)

● Testes de comunicação entre hospedeiros situados em diferentes universidades mostraram a necessidade de desenvolver protocolos adequados

● O TCP/IP foi implementado em diferentes plataformas A versão 4.2BSB do Unix desenvolvido pela universidade de Berkeley vinha com o TCP/IP com uma interface de soquetes

● A medida que a rede cresceu, foi necessário desenvolver o sistema de nomes de domínio DNS (Domain Name System)

● O crescimento da Arpanet (1969, 1970, 1971 e 1972)

● A Arpanet teve um impacto considerável nas pesquisas nos Estados Unidos, mas estava restrito às universidades com contratos militares

● A NSF (National Science Foundation) desenvolveu um rede que se integrou a Arpanet e depois decidiu desenvolver uma rede sucessora da Arpanet

● A NSF desenvolveu um backbone que permitia ligar várias universidades, laboratórios de pesquisa e museus

● A rede da NSF era chamada de NSFNET

● Com a entrada de grandes empresas privadas, a rede se ampliou formando a ANSNET

● A partir daí, os serviços de rede passaram a ser oferecidos comercialmente

● A partir de 1990, com o surgimento da World Wide Web, a Internet explodiu

● O backbone da NSFNET em 1988

● Para entrar na Internet, um usuário precisa se conectar a um ISP (Internet Service Provider)

● A forma como o usuário se conecta ao ISP varia

• DSL (Digital Subscriber Line)

• Conexão discada (dial-up)

• Cabo

• FTTH (Fiber to the home)

● Os ISPs conectam suas redes nos IXPs (Internet eXchange Points)

• Sala cheia de roteadores conectados por uma LAN de alta velocidade

● No topo estão os ISPs da camada 1 que formam o backbone principal da Internet

Camada Física

● Camada mais baixa da hierarquia do modelo de referência híbrido

● Define:

• Interfaces mecânicas

• Interfaces elétricas

• Interfaces de sincronização

Camada Física

● Transmissão das informações por fios através da variação de alguma propriedade física

● Tensão, corrente ● Se essa variação for representada por uma função

do tempo f(t) → modelo matemático do comportamento do sinal

Camada Física: Meios de transmissão

● Dependendo do meio várias características podem variar

• Largura de banda, retardo, custo, facilidade de instalação e manutenção

● Tipos de meios de transmissão

– Guiado ● Fio de cobre, fibra óptica

● Sem fio

– Rádio terrestre ● Satélite

Meios de transmissão guiados

● Par trançado

– Meio de transmissão mais antigo e comum

– Consiste em dois fios de cobre encapados enrolados

● O trançado reduz a interferência eletromagnética

● Sua aplicação mais comum é o sistema telefônico

● Podem se estender por diversos quilômetros sem amplificação

– Se necessário usa-se um repetidor

● Par trançado

– Podem transmitir sinais analógicos ou digitais

– A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida

– Por serem baratos e de bom desempenho, são utilizados atualmente em larga escala

● Existem diversos tipos

– Categoria 3 (Em geral, quatro pares encapados juntos)

– Categoria 5 (Maior quantidade de voltas)

● Par trançado

– Podem transmitir sinais analógicos ou digitais

– A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida

– Por serem baratos e de bom desempenho, são utilizados atualmente em larga escala

● Existem diversos tipos

– Categoria 3 (Em geral, quatro pares encapados juntos)

– Categoria 5 (Maior quantidade de voltas)

Par trançado

(a) Categoria 3 UTP

(b) Categoria 5 UTP

Par trançado sem blindagem

Par trançado com blindagem

● Cabo coaxial

– Possui uma blindagem melhor que o par trançado

– Permite distâncias mais longas e velocidades maiores

● Dois tipos são normalmente utilizados

– 50 ohms → usado nas transmissões digitais

– 75 ohms → usado nas transmissões analógicas e TV a cabo (também internet a cabo)

● Consiste em um fio de cobre envolto por um material isolante, protegido por uma malha condutora; sendo tudo colocado dentro de uma capa plástica protetora

● Cabo coaxial

– Largura de banda próxima de 1GHz atualmente

– Estão sendo substituídos por fibras ópticas

– Ainda são muito usados pela operadoras de TV a cabo

Cabo coaxial

A – Capa Plástica Protetora;B – Malha de CobreC – IsolanteD – Núcleo de Cobre

● Linhas de energia elétrica

– Os fios usados para a transmissão de energia dentro de uma residência podem ser usados na transmissão de dados

– O sinal de dados de alta freqüência são sobrepostos aos sinais elétricos de 60 Hz

– Problemas devidos a atenuações e ruído podem surgir

– Apesar disso, testes feitos já alcançam taxas acima de 100 Mbps

● Linhas de energia elétrica

– Conhecido como PLC (Power Line Communication) ou BPL (Broadband over Power Lines)

● A energia elétrica é transmitida na freqüência dos 50 a 60 Hz, enquanto que o sinal do PLC fica entre 1,7 a 30 Mhz. Os dois sinais podem passar pelo mesmo fio, sem que um interfira no funcionamento do outro.

● Eles também são independentes, e continuam funcionando mesmo que o outro pare de ser transmitido.

● Fibra Óptica

– Para não haver perda, a luz deve ser inserida na fibra respeitando um ângulo mínimo (crítico) de incidência de modo a não haver refração e toda a luz ser refletida para dentro da fibra

● Fibra Óptica

– Vários feixes de luz podem estar em uma mesma fibra, contanto que cada um seja refletido em um ângulo

– Dois tipos de fibras ● Multimodo → que pode transportar mais de

um sinal de luz ● Monomodo → transmitem apenas um sinal

de luz em linha reta – As fibras monomodos permitem uma largura de

banda maior, mas são mais caras

● Cabos de Fibra Óptica

– Semelhantes aos cabos coaxiais, mas sem a malha metálica

– Tem-se um núcleo de vidro revestido por uma outra camada de vidro, com tudo encapsulado em uma cobertura plástica

– Na prática os cabos de fibras óticas são compostos por vários cabos, revestidos por uma proteção exterior

(a) Vista lateral de uma única fibra.(b) Corte de um cabo com 3 fibras.

Cabo de fibra óptica

Meios de transmissão guiados● Cabos de Fibra Óptica

– Podemos conectar as fibras de 3 maneiras ● Uso de soquetes → perda de 10 a 20% da

luz, mas permite a reconfiguração do sistema

● União mecânica → uso de uma luva para a conexão e alinhamento dos cabos. Perda de 10% da luz, e conexão e alinhamento em 5 minutos

● Fundir as extremidades → formação de uma conexão sólida. Praticamente sem atenuação, mas não possibilita a reconfiguração

Meios de transmissão guiados● Cabos de Fibra Óptica

– São utilizados normalmente 2 tipos de fontes de luz ● Leds (diodos emissores de luz) ● Lasers semicondutores

– O receptor é normalmente um normalmente um fotodiodo

Cabo de fibra óptica

Meios de transmissão guiados● Vantagens das fibras óptica em relação aos fios de cobre

(par trançado)

– Suporta uma banda maior

– Necessita de menos repetidores

– Imune a interferências externas

– Imune a corrosão

– São menores e mais leves

– De difícil interceptação

● Desvantagens das fibras ópticas em relação aos fios de cobre (par trançado)

– Tecnologia mais complexa

– Mais fáceis de serem danificadas

– Maior custo

Transmissão sem fio

● A transmissão sem fio é caracterizada pela ausência de cabos entre as partes envolvidas na comunicação

– Característica desejada quando há limitações geográficas

– Em vários casos o cabeamento representa um custo considerável na instalação dos sistemas de comunicação

● A transmissão sem fio se dá através da propagação de ondas eletromagnéticas na atmosfera

– Cada onda possui ● Uma determinada freqüência - número de

oscilações por segundo medida em Hertz (Hz)

● Um comprimento de onda (m)– O espectro eletromagnético representa toda a faixa

de frequências usada para transmissões

Transmissão sem fioO espectro eletromagnético e seu uso para as

comunicações

● Cada porção do espectro possui vantagens e desvantagens que a tornam adequada a uma determinada aplicação

– São usadas as faixas de rádio, micro ondas, infravermelho e luz visível

– As faixas de ultravioleta, raios X e raios gama são perigosas para os seres vivos

(a) Nas bandas VLF, LF, e MF, as ondas de rádio seguem a curvatura da terra.

(b) Na banda HF, elas são rebatidas pela ionosfera.

Transmissão sem fio● Microondas

– Acima de 100MHz, as ondas viajam em linhas quase retas

● Antenas devem ser alinhadas● Bastante usadas no sistema telefônico de

longa distância● Torres são necessárias

– Não penetram tão bem no interior de construções

– Freqüências acima de 4GHz são absorvidas pela água

● Percursos alternativos são necessários

Transmissão sem fio● A utilização do espectro é regulada pelos governos

nacionais

– Licitação de bandas

– Concessões● Algumas faixas são liberadas para uso geral

– Equipamentos de baixa potência● Telefones sem fio, controles remotos, etc.

– Infravermelho● Não atravessam objetos sólidos

Satélites● Repetidor de microondas no céu

– Recebe, amplifica e retransmite os sinais● Quanto maior a altitude dos satélites, maior é o seu período

– 35.800km – período de 24 horas

– 384.000km (lua) – período de 1 mês ● Os satélites não podem ser colocados em todas as regiões

– Partículas carregadas podem destruí-los

Satélites

Satélites geoestacionários● O espaçamento entre os satélites limita o número deles no

céu (2 graus)

– Número de transponders aumenta a banda disponível

● Vida útil em torno de 10 anos

● O retardo introduzido na comunicação (ms) é bem maior que aquele da comunicação com fibra e enlaces de micro ondas (micro segundos)

SatélitesPrincipais bandas de satélite

Satélites● Satélites MEO (Medium-Earth Orbit)

– Cerca de 6 horas para circular a terra

– Área de cobertura menor

– Tipo usado no GPS (24 satélites)● Satélites LEO (Low-Earth Orbit)

– Iridium● Conjunto de satélites que varreria o globo● Serviço de telecomunicações em amplitude

mundial ● Comunicação entre clientes distantes ocorre

no espaço

Satélites Iridium

(a) 6 eixos em torno da terra(b) 1628 células móveis cobrem a terra

Satélites

(a)Iridium(b)Globalstar

Satélites vs Fibras ópticas

● Satélites oferecem

– Mobilidade mais abrangente (oceanos)

– Difusão

– Praticidade para terrenos inadequados

Sistema telefônico

● Para ligar dois computadores, o modo mais simples se dá através de um cabo interligando-os

– Para longas distâncias, isso, as vezes, se torna caro

– Alguns países simplesmente não permitem que se atravesse um cabo cruzando uma rua

● O sistema de telefonia foi desenvolvido para transmitir voz

– Tecnologias digitais e fibras ópticas permitem o tráfego de dados

Sistema telefônico

● Modulação

– Processo no qual um sinal é usado para modificar (modular) um sinal analógico de freqüência constante, denominado portadora

– Varia-se a amplitude, freqüência ou fase da portadora de acordo com o sinal digital

● Três tipos básicos de modulação

– Modulação de amplitude

– Modulação de frequência

– Modulação de fase

Sistema telefônico - Modulação

(a) Sinal binário

(b) Modulação em Amplitude

(c) Modulação em freqüência

(d) Modulação em Fase

Sistema telefônico

● Para se aumentar a taxa de transmissão são utilizadas técnicas mais avançadas de modulação

– QPSK

– QAM ● A uma taxa de 2400 amostras por segundo (bauds), mas

variando-se o tipo de modulação, consegue-se uma taxa de bits mais alta que 2400bps

Modems

(a) QPSK.

(b) QAM-16.

(c) QAM-64.

Modems

(a) V.32 for 9600 bps.

(b) V32 bis for 14,400 bps.

Modems

● O limite de Shannon limita os modems padrão em 33,6kbps

– Taxas mais altas só podem ser alcançadas melhorando a relação sinal-ruído ou usando uma banda maior

● Modems V.90 e V.92 alcançam taxas de download de 56kbps

– 8000 bauds, 8 bits (7 de dados e 1 de controle) por símbolo

– Lado receptor tem que ser digital

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Lines)

● Modems em geral são lentos porque a linha telefônica foi otimizada para a voz

– Freqüências abaixo de 300Hz e acima de 3400Hz (pontos de 3 dB) são atenuadas na estação final

– Banda estreita (4000Hz aproximadamente)● No caso do ADSL, a linha é conectada a um tipo diferente

de switch (sem filtro)

– A limitação passa a ser agora a qualidade da linha.

● A criação desse tipo de serviço partiu das seguintes premissas

– Funcionar nos loops locais de par trançado categoria 3

– Não pode afetar os telefones e faxes já existentes

– Ser mais rápido que um modem de 56Kbps

– Estar sempre ativo e com uma tarifa mensal

ADSL com a abordagem DMT (Discrete MultiTone)

● O padrão sucessor, o ADSL2 de 2002 ofereceu algumas melhorias

– 12Mbps (downstream)

– 1Mbps (upstream)

● Atualmente, o ADSL2+ amplia as taxas de transmissão através do uso de uma banda de 2,2MHz

● Tecnologia que permite que o nó óptico seja instalado mais próximo ao ponto de instalação do usuário, encurtando o cabo telefônico.

– 12 MHz de largura de banda

– 1Mbps (upstream)

ADSL Uma configuração ADSL típica

Troncos e multiplexação

● O custo de instalação e manutenção de um tronco é em geral independente de sua largura de banda

● Para maximizar a utilização dos troncos se utiliza a Multiplexação de chamadas

– Transmissão de várias chamadas ao mesmo tempo no mesmo meio físico

Multiplexação

● Compartilhamento de um mesmo meio de transmissão (cabo) entre várias transmissões diferentes

● Tipos

– Multiplexação por divisão de freqüência (Frequency Division Multiplexing)

– Multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM – Wavelenght Division Multiplexing)

– Multiplexação por divisão do tempo (TDM – Time Time Division Multiplexing)

● Divisão do espectro de freqüência disponível entre as diversas transmissões

– Esquema utilizado para separar voz e dados no ADSL

● Em telefonia, os padrões de multiplexação utilizam canais de 4kHz

● A WDM é uma variação da FDM utilizado em fibras ópticas

– Sinais ópticos no lugar de sinais elétricos

– Frequências mais altas

– Elementos de multiplexação e demultiplexação diferentes (colimadores e divisores)

– A utilização de amplificadores totalmente ópticos dispensa a conversão óptico-elétrica

● Só pode ser usada em loops digitais

– Conversão analógico-digital é necessária na estação final

● A digitalização é realizada com PCM (Pulse Code Modulation)

– 8 bits por amostra

– Amostragem 8000 bauds (4kHz de banda)

– Amostras são geradas a cada 125μs

TDM (Portadora T1 – 1,544 Mbps)

193 bits a cada 125 microssegundos – 1,544 Mbps

● Fora da América do Norte e do Japão, é utilizada a portadora E1 de 2,048 Mbps no lugar da T1

– A duração do quadro é de 125μs

– 32 canais com 8 bits cada

– 30 canais são para dado e até 2 para sinalização

TDM (Portadoras de velocidade mais alta)

Sonet/SDH

● Sonet (Synchronous Optical NETwork) e SDH (Syncronous Digital Hierarchy) são padrões TDM para fibras ópticas

● Abrange questões como comprimento de onda, sincronização, estrutura de enquadramento, etc a fim de garantir a interligação de redes das concessionárias

● Permite estender a hierarquia a velocidades na casa de gigabits por sergundo

Sonet/SDH

● Sistema síncrono controlado por um relógio mestre de alta precisão

● Quadro básico de 810 bytes transmitido a cada 125μs

● Canal básico (STS-1) possui uma taxa bruta de transmissão de 51,84 Mbps

● 8 x 810 = 6480 bits a cada 125μs

Sonet (Hierarquia de multiplexação)

Atualmente tem-se o STS-768/OC-768/STM-256 com taxa de aproximadamente 40 Gbps

Comutação

● Técnica responsável pelo conexão fim-a-fim entre duas máquinas (telefones, computadores)

● Tipos

– Comutação de circuitos

– Comutação de mensagens

– Comutação de pacotes

Comutação de circuitos

● Sistema básico do sistema telefônico

● É alocado um caminho físico estático entre o transmissor e o receptor

– Esse caminho dedicado existirá durante todo o tempo da conexão entre o transmissor e o receptor

● É gasto uma certa quantidade de tempo no estabelecimento de conexões físicas

– Para algumas aplicações isso não é aceitável

Comutação

(a) Comutação de circuitos.

(b) Comutação de pacotes.

Comutação

(a)Comutação de circuitos.

(b)Comutação de mensagens.

(c)Comutação de pacotes.

Comutação de mensagens

● Não existe um caminho físico entre o transmissor e o receptor

– O transmissor envia uma mensagem inteira para a primeira estação de comutação (roteador)

– O roteador recebe toda a mensagem, verifica erros e encaminha para o próximo roteador

● Essa técnica é chamada store-and-forward

● Técnica não mais utilizada atualmente

Comutação de pacotes

● Uma mensagem pode ser muito grande

– Necessidade de grandes buffers nos roteadores para a comutação de mensagens

– Uma mensagem pode bloquear uma linha de comunicação por muito tempo

● Solução → dividir as mensagens em pequenas partes (pacotes) a serem roteados pela rede

– As redes limitam o tamanho máximo do pacote que pode trafegar por elas (MTU – Maximum Transport Unit)

● Utiliza a técnica store-and-forward

● Nessa estratégia, o congestionamento pode ocorrer nos roteadores

● Por outro lado, a taxa de utilização da rede é otimizada

● A tarifação é baseada no volume de dados

● O roteamento dos pacotes pode ser dinâmico

– Pacotes podem chegar fora de ordem

– Necessário um mecanismo para reordenar os pacotes e recompor a mensagem

– A comutação de pacotes é mais tolerante a falhas que a comutação de circuitos

● Em interconexão de redes de computadores se utiliza a comutação de pacotes ou de circuitos, nunca a comutação de mensagens

Sistema de telefonia móvel● Telefones móveis passaram por quatro fases distintas

– Primeira geração:

● Voz analógica● Sistema AMPS

– Segunda geração:

● Voz digital● D-AMPS, GSM e CDMA

– Terceira geração: Voz digital e dados

● UMTS– Quarta geração: Voz digital e dados de altíssima

velocidade

● LTE

AMPS (Advanced Mobile Phone System)

(a) Frequências não são reutilizadas em células adjacentes.

(b) Para adicionar mais usuários, células menores podem ser utilizadas.

AMPS● Um sistema móvel possui os seguintes componentes

– ERB (Estação Rádio Base)● Antena que caracteriza uma célula

– CCC (Central de Comutação e Controle)● MTSO (Mobile Telephone Switching

Office) em inglês● Handoff é o nome do processo de transferência de uma

ERB para outra

AMPS● O AMPS utiliza 832 canais full-duplex, sendo cada um

formado por dois canais simplex

– 832 canais de transmissão entre 824 e 849 MHz

– 832 canais de recepção entre 869 e 894 MHz

– 30KHz de largura de banda para cada canal simplex

– FDM para separar os canais

– 45 canais estão disponíveis em cada célula devido à necessidade de reutilização

D-AMPS● Totalmente digital

– Compactação, segurança e novos serviços● Projetado para coexistir com o AMPS

● Faixa de frequências utilizada

– 850 MHz ou 1900 MHz (telefones menores)● Codificação usada reduz a taxa de dados para menos de 8

Kbps (realizada no telefone)

● Três usuários podem usar a mesma frequência usando TDM

D-AMPS

(a) Um canal D-AMPS com 3 usuários.(b) Um canal D-AMPS com 6 usuários (maior

compactação).

GSM (Global System for Mobile Communications)

● Surgiu a partir de um esforço para produzir um padrão europeu (Groupe Spécial Mobile)

● Logo se tornou um padrão global

● As informações do assinante e da conta são colocadas em um chip removível

– Cartão SIM (Subscriber Identity Module)

– Permite a ativação do aparelho

CDMA (Code Division Multiple Access)

● Transmissão em todo o espectro durante todo o tempo

– Espalhamento espectral● O espectro de transmissão é espalhado com o XOR da

sequência a ser transmitida com uma sequência pseudo-aleatória (seqüência de chips)

– Chips são os nomes dos intervalos de curta duração (em torno de 64 ou 128 chips por bit)

– Sequências de chips são ortogonais

– Outras transmissões são vistas como ruído

CDMA (Code Division Multiple Access)

● Para transmitir o bit 1, a estação envia a sua seqüência de chips

● Para transmitir o bit 0, a estação envia a negação da sua seqüência de chips

● A taxa de transmissão de b bits/s aumenta para mb chips/s e a banda utilizada aumenta m vezes

Sistemas 2,5G (Canais de voz e dados)

● Antes do lançamento dos sistemas 3G foram feitas algumas adaptações dos sistemas 2G para a transmissão de dados

● General Packet Radio Service (GPRS)

– Evolução do GSM

– Dados enviados em múltiplos canais (se disponíveis)

● Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE)

– Também evoluído do GSM, usando modulação avançada

– Taxas de dados de até 384K

● CDMA-2000 (fase 1)

– Taxas de dados de até 144K

– Evoluído do CDMA

Telefonia celular de Terceira Geração

● Serviços

– Transmissão de voz em alta qualidade

– Serviço de mensagens

– Multimídia

– Acesso à Internet

● Tecnologias

– WCDMA (Wideband CDMA) – Canais de 5MHz

● Interopera com o GSM● Adotado pela união européia e chamado de UMTS

● CDMA2000 – Canais de 1,5MHz

– Não interopera com o GSM

– Proposto pela Qualcomm

Telefonia celular de Quarta Geração● No modelo atual só funciona dados

● Para voz usa as redes 3G

● Tecnologia

– LTE (Long Term Evolution) ● Taxa de transmissão de 100Mbps para

download e 50Mbps para upload● No Brasil frequência de 2500 MHz● Permite 200 acessos simultâneos

Televisão a cabo

Um sistema antigo de TV a cabo

Televisão a cabo

Um sistema antigo de TV a cabo

Sistema híbrido de cabo coaxial e fibra – HFC (Hybrid Fiber Coax)

Televisão a cabo

Alocação de frequências em um sistema típico de TV a cabo usadopara acesso à Internet

ADSL vs Cabo● Largura de banda do cabo é compartilhada

– Taxas podem ser mais altas ou mais baixas que o ADSL

● ADSL é mais seguro

● Criptografia é necessária nos cabos

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