Apostila - Telecomunicações e Redes de Computadores

Telecomunicaes e Redes de Computadores

1 Introduo

Prof. Paulo Lobato CorreiaIST, DEEC Seco de Telecomunicaes

ObjectivosIntroduzir o conceito de Telecomunicaes e terminologia associada; Rever alguns marcos histricos na evoluo das Telecomunicaes; Caracterizar os diversos tipos de dados e modalidades de processamento, avaliando o seu impacto nas redes de transmisso; Identificar e descrever as principais operaes de um Sistema de Telecomunicaes; Estudar as redes de computadores modelos OSI e Internet (TCP/IP);TRC Prof. Paulo Lobato Correia 2

Aplicaes das TelecomunicaesComunicaes pessoais (telefone, telemvel, videotelefone, videoconferncia); Difuso (rdio, televiso); Telecpia; Correio electrnico; World Wide Web; Transferncia de ficheiros; Multibanco; Comrcio electrnico; Medio, monitorizao e controlo distncia (processos industriais, segurana, casa inteligente); ...TRC Prof. Paulo Lobato Correia 3

Telecomunicaes: Evoluo Histrica1837 Telgrafo; 1844 Cdigo Morse; 1866 1 cabo submarino transatlntico; 1875 1 cabo submarino Lisboa-Brasil; 1876 Telefone (Bell); 1891 Comutao automtica (Strowger); 1894 Telegrafia sem fios (Marconi); 1928 Teoria da amostragem (Nyquist); 1936 PCM (Reeves) transmisso digital;TRC Prof. Paulo Lobato Correia 4

Telecomunicaes: Evoluo Histrica1948 Transstor; 1956 1 cabo submarino telefnico (73 repetidores, 35 circuitos); 1962 1 satlite de telecomunicaes (12 circuitos); 1966 Proposta de utilizao de fibras pticas; 1967 Projecto da 1 rede de comutao de pacotes (ARPAnet); 1973 Ethernet (Metcalfe); 1978 1 sistema de rdio mvel celular analgico; 1981 TCP/IP; 1982 Correio electrnico;TRC Prof. Paulo Lobato Correia 5

Telecomunicaes: Evoluo Histrica1990 SDH; 1990s WWW; 1991 - GSM 1997 Satlite Intelsat VIII (22 500 circuitos); 1999 Cabo submarino ptico TAT14/15 (40 Gbit/s, ~106 circ.); 2000 ~50 milhes de computadores ligados Internet; 2000 Sistemas comerciais de fibra ptica:160 canais a 10 Gbit/s (~10 milhes de circuitos), distncias > 1000km, transmisso sem converso para sinal elctrico;

2002 - UMTSTRC Prof. Paulo Lobato Correia 6

Evoluo Histrica FasesTelefone e Telegrafo (sculo 19); Comunicaes via satlite (1960s); Comunicaes digitais (1980s); Internet (1990s); Telemvel (1990s); Sculo 21: ??? tendncias: fixo -> mvel (no apenas voz) voz -> dadosTRC Prof. Paulo Lobato Correia 7

Evoluo de Trfego e Tecnologia

Requisitos de TrfegoUtilizadores da Internet Dbito de acesso

Perodo de duplicao12 meses 6 meses

TecnologiaLei de Moore [gates/chip] Fibra ptica [bits/fibra] Comutao de pacotes [bits/dlar]

Perodo de duplicao18 meses 12 meses 12 meses

TRC Prof. Paulo Lobato Correia

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Conceitos BaseInformao conhecimento adquirido pela experincia e queresulta da incerteza do resultado da experincia;

Dados informao representada de forma adequada para trocarou processar, por seres humanos ou por meios automticos;

Comunicao transmisso de informao usando dados; Telecomunicaes transmisso fivel de informao distncia usando dados (recorrendo a sinais elctricos, electromagnticos, ou pticos); No contexto de TRC: Comunicaes = TelecomunicaesTRC Prof. Paulo Lobato Correia 9

Conceitos BaseSistema grupo de componentes que interagem de modo prestabelecido para atingir um objectivo. A alterao de um componente afecta outros elementos do sistema;

Sinal codificao elctrica, electromagntica, ou ptica dosdados, representada como uma grandeza varivel no tempo;

Transmisso de dados comunicao de dados (digitais)atravs da propagao e processamento de sinais.


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Critrios de Qualidade

Fidelidade transmisso sem perdas nem alteraes; Fiabilidade assegurar servio permanente e sem falhas(frequncia de falhas, tempo para recuperao, redundncia);

Desempenho velocidade de transmisso, tempo deresposta;

Segurana proteco contra acessos no autorizados econtra vrus;


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Organismos de Normalizao

International Telecommunication Union (ITU) European Telecommunication Standards Institute (ETSI) International Standards Organisation (ISO) Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) Internet Engineering Task Force (IETF) ...


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Tipos de DadosTexto no formatado (a partir de umconjunto limitado de caracteres), ou formatado (para estruturar, aceder e apresentar documentos em formato electrnico);

Multimdia(combina diversos tipos de dados)

Imagem resultando de digitalizao dedocumentos, ou produzida em computador;

udio inclui voz e msica; Vdeo inclui sequncias de imagens efilmes;TRC Prof. Paulo Lobato Correia 13

Representao dos Dados

Analgica dados tomam valores contnuos ao longo do tempo;Voz: o sinal acstico convertido num sinal elctrico cuja amplitude varia continuamente ao longo do tempo com a mesma variao que o sinal sonoro (mesma frequncia);

Vdeo: feito um varrimento de cada imagem, sendo a intensidade luminosa do ponto de varrimento convertida num sinal elctrico;TRC Prof. Paulo Lobato Correia 14

Representao Analgica dos DadosExemplo: Voz(Sinal acstico convertido pelo microfone num sinal elctrico contnuo no tempo e em amplitude)

Microfone


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Representao dos Dados

Digital dados tomam valores discretos em instantes discretosde tempo. Exemplo:Texto: um teclado possui um nmero limitado de teclas, que so premidas em instantes de tempo discretos;

Binria dados digitais tomam apenas 2 valores (0 ou 1);bit: binary digit .


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Representao Digital dos DadosExemplo: Ficheiro (conjunto de caracteres)(Cada carcter pode ser representado por um valor numrico, representvel em numerao binria)


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Codificao de Caracteres: Cdigo ASCIIExemplo: i -> 110 1001 Bit de paridade:

(paridade par)


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Representao de Imagens Binrias

Cdigo:

00000000 00111100 01110110 01111110 01111000 01111110 00111100 00000000


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Rtmo Binrio e Taxa de TransmissoRitmo binrio: Rb [bit/s] ou [bps] quantidade de bits enviados porunidade de tempo;

Taxa de transmisso: fsmb [smbolo/s] ou [Baud] velocidade aque o sinal elctrico (smbolo) muda de estado;Dibit: a cada smbolo correspondem 2 bits => Tribit: a cada smbolo correspondem 3 bits => Se a cada smbolo correspondem m bits => Rb = 2 . fsmb Rb = 3 . fsmb Rb = m . fsmb

Para que a cada smbolo correspondam m bits, so necessrios pelo menos M smbolos distintos, com:

M = 2mTRC Prof. Paulo Lobato Correia 20

Rtmo Binrio e Taxa de TransmissoU (V)

1 5

0

1

1

0

0

1

0 Tsimb

t (ms)

f simb =

1 Tsimb

Tb = Tsimb

Rb = f simbTRC Prof. Paulo Lobato Correia 21

Cada smbolo transmitido corresponde a 1 bit

Rtmo Binrio e Taxa de TransmissoU (V) 11 10 01 10 01 00 10

6 4 2 0 Tsimb

t (ms)

f simb =

1 Tsimb

1 Tb = Tsimb 2

Rb = 2 f sim b

Cada smbolo transmitido corresponde a 2 bitsTRC Prof. Paulo Lobato Correia 22

Converso Analgico-DigitalUm sinal analgico pode ser representado de forma digital:Linha analgica Voz analgica telefone

Voz analgica

Voz digitalizada Linha digital Codec 01101000110 Codec: codificador e descodificadorTRC Prof. Paulo Lobato Correia 23

Converso Analgico-Digital


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Converso Digital-AnalgicoUm sinal digital pode ser representado de forma analgica;Linha analgica

Dados modulados modem

Dados

Dados DSU 01101000110 DSU: data service unit

Linha digital


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Converso Digital-Analgico

1

1

0

1TRC Prof. Paulo Lobato Correia 26

Exemplo de Aplicao

Microfone

Converso A D

Rede de Telecomunicaes

Converso D A Altifalante

Sinal acstico -> Sinal elctrico analgico (Transduo) Sinal analgico -> Sinal digital Transmisso Sinal digital -> Sinal analgico Sinal analgico -> Sinal acstico


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Processamento Distribudo

Aplicaes distribudas:Uma aplicao dispersa por diversos sistemas; Uma aplicao replicada em diversos sistemas; Diferentes aplicaes em diferentes sistemas.

Dados distribudos:Base de dados centralizada (no distribuda); Base de dados replicada; Base de dados particionada.

Necessitam de redes de comunicao.TRC Prof. Paulo Lobato Correia 28

Modelo Bsico de Sistema de Comunicao

Fonte de Informao (Emissor)

Mensagem Meio de Transmisso Confirmao (acknowledgement)

Destinatrio (Receptor)


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Modelo de Sistema de Telecomunicaes

Informao entrada Mensagem, m

Sistema Emissor

Fonte de Informao

Dispositivo de entrada, g Entrada Sinal deentrada, g(t)

Dados de

Sinal de transmitido, s(t)

Emissor

Meio de Transmisso Sistema Receptor Dados de sada, Sinal de sada, (t)

DestinatrioInformao sada ^ Mensagem, m

Dispositivo de Sada

Receptor

Sinal de recebido, r(t)


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Blocos do Sistema de Telecomunicaes

Fonte de informao gera mensagem m que se pretende transmitir; Dispositivo de entrada representa mensagem como dados g, queso apresentados ao emissor como um sinal g(t); transdutor converte sinais de de natureza diferente; (microfone: acstico -> elctrico) teclado + codificador transforma a mensagem num conjunto de caracteres e estes em conjuntos de bits;

Emissor converte g(t) num sinal adequado para transmisso s(t);TRC Prof. Paulo Lobato Correia 31

Blocos do Sistema de Telecomunicaes

Meio de transmisso assegura ligao entre os sistemas emissor ereceptor;

Receptor converte o sinal recebido r(t) numa estimativa do sinal deentrada;

Dispositivo de sada entrega a mensagem estimada ao destinatrio;transdutor converte sinais de de natureza diferente; (altifalante: elctrico -> acstico) dispositivo para apresentar a mensagem na forma desejada (visual).


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Exemplo: Fax

Dispositivo de entrada: scanner Dados: intensidade de cada pixel (pixel = picture element) Sinal: sequncia de valores dos pixels obtidos por varrimento


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Redes de ComunicaoAs redes de comunicao oferecem:facilidade de comunicao rpida recolha / troca de informao partilha de recursos centralizao ou descentralizao de operaes

A avaliao do desempenho de uma rede faz-se em termos de:capacidade / velocidade qualidade de servio (bloqueio e / ou atraso, fiabilidade) segurana custos


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Redes de ComunicaoA crescente importncia das redes de comunicao deve-se:ao desenvolvimento da tecnologia digital (que permitir integrar todos os servios de dados, udio, imagem e vdeo), ao desenvolvimento das Telecomunicaes ao desenvolvimento dos sistemas ao aumento da procura a qual se deve aceitao de que a posse e a troca de informao esto na base do crescimento tcnico, cientfico e econmico


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Redes de Comunicao EstruturaProblema: como interligar diversos equipamentos terminais?

Central de comutao

Nmero ptimo decusto

centraiscusto total custo de comutao

custo da linha

nmero de centrais de comutao TRC Prof. Paulo Lobato Correia 36

Redes de Comunicao Estrutura


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Redes de Comunicao: Principais Elementos

Ns terminais

Equipamento terminal telefone, fax, computador, ...; Equipamento de transmisso cabo, fibra, ...;

Ligaes

Equipamento de comutao comutadores;Ns de comunicao

Equipamento de sinalizao e gesto


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Redes de ComputadoresRede de Computadores:Sistema constitudo por sistemas terminais (estaes), equipamento de transmisso, de comutao e de encaminhamento, que permite a comunicao entre quaisquer duas estaes diferentes ligadas rede;


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Elementos de uma Rede de ComputadoresAplicao Aplicao

PacoteServidor

Cliente

Cliente Mvel

Comutador

A rede de computadores interliga aplicaes em diferentes estaes; As estaes podem ser computadores ou outros dispositivos (ex.: PDA); As estaes comunicam enviando pacotes atravs de comutadores.TRC Prof. Paulo Lobato Correia 40

Comutador

Comutador

Estao A

Estao B

Estao C

Estao D

Estao A transmite para estao C:O comutador reenvia a mensagem para a sada adequadaTRC Prof. Paulo Lobato Correia 41

Classificao quanto TecnologiaRedes

Comutadas (Switched)

Difuso (Broadcast)

Comunicao Bidireccional Comutao de Circuitos Comutao de Pacotes Redes LocaisEx.: PDN ou PSDN (Public Switched Data Network)

Comunicao Unidireccional

Ex.: PSTN (Public Switched Telephone Network)

(LANs e MANs)

Redes de Satlites

Redes Rdio de PacotesEx.: Redes de Rdio-difuso AM, FM e TV


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Redes de Comunicao com ComutaoOs dados so transferidos da fonte at ao destino atravs de ns intermdios, que no esto preocupados com o contedo dos dados ==> o objectivo destes ns fornecer capacidade de comutao para mover os dados n a n at ao destino. Estas redes consistem em muitas ligaes entre pares de ns ==> redes ponto-a-ponto Em redes ponto-a-ponto o encaminhamento (routing) muito importante (routing)TRC Prof. Paulo Lobato Correia 43

Tipos de Redes: LAN

Rede Local (LAN Local Area Network):Cobertura geogrfica limitada:casa, escritrio, edifcio, campus, instalao industrial;

Operao local:escolha da tecnologia; gesto da rede;

Baixo custo de transmisso:a rede pertence empresa; transmisso a alta velocidade possvel; um PC ligado rede a 100 Mbit/s habitual.TRC Prof. Paulo Lobato Correia 44

Tipos de Redes: LAN


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Tipos de Redes: WAN

Rede de Grande Cobertura (WAN Wide Area Network):Grande cobertura geogrfica:usadas para interligao de redes.

Exploradas por operadores de telecomunicaes:h que escolher o operador que oferece condies mais vantajosas para uma dada ligao.

WAN

Custo de transmisso elevado:geralmente a transmisso a alta velocidade dispendiosa; habitualmente: ligaes rede desde 56 kbit/s a poucos Mbit/s.


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Tipos de Redes: WAN


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Outros Tipos de RedesRede Metropolitana (MAN Metropolitan Area Network):Cobertura restrita a uma rea urbana; Permite velocidades maiores que as WAN.

Rede Pessoal (PAN Personal Area Network):Cobertura restrita a uma pessoa (e sua mesa de trabalho).

Rede de Armazenamento (SAN Storage Area Network):Cobertura restrita ligao de servidores a dispositivos de armazenamento.TRC Prof. Paulo Lobato Correia 48

Tipos de Redes: MAN


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Interligao de Redes (Internet)


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Arquitecturas de RedeFilsofo

Filsofo

Tradutor

Tradutor

Secretria

Secretria


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Arquitecturas de Rede


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Arquitecturas de Rede: Funes NecessriasFunes na comunicao entre estaes:Especificao mecnica das tomadas, tipo de modulao, ... Segmentao, reconstruo e delimitao dos pacotes; Multiplexagem/desmultiplexagem; Controlo de erros e de fluxo; Encaminhamento; Controlo de congesto; Formato para apresentao dos dados; Autenticao; ...

Abordagem Modular:Simplicidade de desenho e compreenso; Flexibilidade, possibilidade de normalizao da interface entre mdulos.


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Arquitecturas de Rede: ConceitosProtocolo: conjunto de regras a seguir, entre dois nveis pares, para garantirsucesso na troca de dados;

Servio: cada nvel presta servio ao nvel acima e usa os serviosdisponibilizados pela interface de servio do nvel abaixo;


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Arquitecturas de Rede: Protocolos

Entidades pares da mesma camada executam algoritmo distribudo Protocolos definem as regras de comunicao entre entidades paresFormato das mensagens trocadas; Sequncia no envio e recepo de mensagens; Aces a tomar quando uma mensagem enviada ou recebida;

Mensagens usadas no protocolo do nvel n: n-PDU (Protocol Data Unit):Cabealho (header); Dados (payload); Cauda (trailer).


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Arquitecturas de Rede: Interface de ServioInterface de servio especifica os servios que a camada n fornece camada n+1; Servio orientado sesso (connection-oriented):Estabelecimento de sesso; Troca de mensagens; Terminao da sesso;

Servio no orientado sesso (connectionless):No h estabelecimento nem terminao de sesso.


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Arquitecturas de Rede: NveisProcessos pares

Nvel n+1 Interface de servio Nvel n

Protocolo


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Arquitecturas de Rede: Modelo OSI


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Arquitecturas de Rede: Modelo OSI


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Modelo OSI: Nvel de Aplicao


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Modelo OSI: Nvel de Apresentao


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Modelo OSI: Nvel de Sesso


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Modelo OSI: Nvel de Transporte


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Modelo OSI: Nvel de Rede


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Modelo OSI: Nvel de Ligao de Dados


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Modelo OSI: Nvel Fsico


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Modelo OSI: Sumrio


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Modelo OSI: Sumrio7 Aplicao: serve de suporte aos programas de aplicao do utilizador 6 Apresentao: formata os dados para apresentao ao utilizador; exemplos: compresso de dados, traduo entre diferentes formatos de dados, encriptao 5 Sesso: responsvel por iniciar, manter e terminar cada sesso lgica entre emissor e receptor; estabelece pontos de sincronismo 4 Transporte: lida com problemas na transmisso extremo-a-extremo, tais como: segmentao das mensagens para transporte na rede, manuteno das ligaes entre emissor e receptor 3 Rede: responsvel pelo encaminhamento de pacotes ao longo da rede e pelo controlo de congesto 2 Ligao de dados: responsvel pela transmisso e recepo de dados por um canal fsico de comunicao; lida com problemas n-a-n, tais como o controlo de erros e de fluxo, ou o controlo de acesso ao meio 1 Fsico: define as caractersticas mecnicas, elctricas, funcionais e de procedimento da interface com o meio fsico; exemplo: como formatar cada bit a ser transmitido atravs da redeTRC Prof. Paulo Lobato Correia 68

Arquitecturas de Rede: Modelo TCP/IP


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Modelo TCP/IPAplicao:Aplicaes de rede distribudas: FTP, SMTP, HTTP;

Aplicao Transporte Rede Dados Fsico

Transporte:Transferncia de dados entre estaes: TCP, UDP;

Rede:Encaminhamento e expedio de mensagens: IP, protocolos de encaminhamento;

Ligao de dados:Transferncia de dados entre mquinas vizinhas: PPP, Ethernet;

Nvel fsico:Passagem de bits entre mquinas vizinhas: RS-232c, V.92.


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Modelo TCP/IP: Protocolos


71

Modelo TCP/IP: exemplo


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Documents

Apostila - Telecomunicações e Redes de Computadores