TeleProcessamento e Redes Redes de Computadores Prof Fbio

Tele-Processamento e Redes (Redes de Computadores) Prof. Fábio Moreira Costa Capítulo 2

Camada Física q q Comunicação e codificação de dados Meios de transmissão q q q Sistema telefônico q q Meios guiados (com cabeamento elétrico ou ótico) Meios não-guiados: Transmissão sem fio Convencional Celular móvel ISDN, B-ISDN / ATM (aspectos físicos) Satélites de comunicação Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 2

Transmissão de Dados: Terminologia q Transmissor q Receptor q Meio de transmissão q Meios guiados q q Ex. : par trançado, fibra ótica Meios não-guiados q Ex. : ar, água, vácuo Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 3

Transmissão de dados: Cenário típico Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 4

Transmissão de Dados: Terminologia (2) q Enlace direto q Sem dispositivos intermediários q q Enlace ponto-a-ponto q q q Exceto amplificadores / repetidores de sinal Enlace direto Compartilhado por apenas dois dispositivos Enlace multi-ponto q Mais do que dois dispositivos compartilham o mesmo enlace Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 5

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

Transmissão de Dados: Terminologia (3) q Transmissão Simplex q Dados fluem em uma direção apenas q q Transmissão Half-duplex q Fluxo de dados alterna entre as duas direções q q Ex. : televisão Ex. : walk-talk (. . . câmbio. . . ) Transmissão Full-duplex q Fluxo de dados em ambas as direções ao mesmo tempo q Ex. : telefone Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 7

Modelo de comunicações Aspectos-chave: q. Freqüência q. Espectro q. Largura de banda No domínio do tempo No domínio da freqüência Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 8

Conceitos no domínio do tempo q Sinal contínuo q q Sinal discreto q q Mantém um nível constante por certo tempo e então muda para um outro nível constante Sinal periódico q q Varia de maneira suave ao longo do tempo Um mesmo padrão se repete ao longo do tempo Sinal aperiódico q Padrão não se repete ao longo do tempo Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 9

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

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

Características de sinais periódicos q q q Amplitude de pico q Máxima potência (força) do sinal q Medida em Volts Freqüência (f ) q Taxa de mudança do sinal q Medida em Hertz (Hz): ciclos por segundo q Período (T ): duração de uma repetição do sinal q T=1/f Phase (Φ) q Posição relativa do sinal no tempo Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 12

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

Comprimento de onda (λ) q Distância ocupada por um ciclo do sinal ou q q Distância entre dois pontos de fase correspondente entre ciclos consecutivos Assumindo que a velocidade do sinal seja v q q q λ = v. T λf=v Caso particular: v = c q c = 3*108 ms-1 (velocidade da luz no vácuo) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 14

Conceitos no domínio da freqüência q Sinais são usualmente compostos por muitas freqüências q Componentes de um sinal: ondas senoidais q Análise de Fourrier q Qualquer sinal é composto por uma somatória (infinita) de componentes senoidais Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 15

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

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

Espectro e Largura de Banda q Espectro q q Largura de banda absoluta q q Largura do espectro Largura de banda efetiva q q q Faixa de freqüências contidas em um sinal Ou simplesmente “largura de banda” Faixa estreita de freqüências que concentra a maior parte da energia do sinal Componente DC q q Componente de freqüência zero Desloca o sinal para cima ou para baixo no eixo da amplitude Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 18

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

Taxa de Dados e Largura de Banda q Qualquer sistema de transmissão tem uma faixa de freqüências limitada q Isto limita a taxa máxima de transmissão de dados Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 20

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

Sinal digital representado com 4 componentes de freqüência (f, 3 f, 5 f e 7 f ) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 22

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

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

Atenuação do sinal q q q A potência do sinal cai com a distância Freqüências mais altas sofrem maior atenuação Requisitos: q q 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 q q amplificadores (sinais analógicos) repetidores (sinais digitais) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 26

Atenuação do sinal (2) P 1 watts transmissor P 2 watts receptor Atenuação 10 log 10 (P 1/P 2) d. B Amplificação 10 log 10 (P 2/P 1) d. B Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 27

Distorção por atraso q A velocidade de propagação de um sinal em um meio varia com a freqüência q as várias componentes de freqüência de um sinal q se propagam a velocidades diferentes q chegam ao receptor em tempos diferentes q q Em transmissão digital q q deslocamento de fase causa interferência entre bits sucessivos Equalização do sinal Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 28

Ruído q Sinais indesejados introduzidos pelo meio de transmissão q q Somam-se ao sinal transmitido Ruído térmico q função da temperatura – agitação dos elétrons q não pode ser eliminado q constante ao longo da faixa de freqüências q ruído branco Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 29

Tipos de ruído q Ruído de intermodulação q quando sinais em diferentes freqüências compartilham o meio de transmissão q as freqüências dos sinais se somam produzindo um sinal expúrio em uma outra freqüência q pode interferir com um sinal transmitido naquela freqüência q produzido por comportamento não-linear (defeituoso) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 30

Tipos de ruído (2) q q Ruído de “Linha cruzada” q Acoplamento acidental entre meios transmissores q Sinais indesejados captados pelo meio transmissor q Comum em cabos de par trançado e em transmissão por microondas Ruído de Impulso q Pulsos (ou picos) de curta duração (não contínuos) e alta amplitude Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 31

Ruído: Interferência no sinal Signal Noise Logic Threshold Signal+Noise Sampling times 0 1 1 0 0 1 0 1 Data Received Original data Bit error Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 32

Taxa de transmissão máxima de um canal q Taxa de sinalização – medida em bauds q quantidade de vezes que o valor do sinal muda em um segundo M níveis de sinal: 1 baud = log 2 M bits Teorema de Nyquist (1924): q q H = largura de banda do canal livre de ruídos taxa máxima de transmissão = 2 H log 2 M bits/s Ex. : M = 8; H = 3, 1 KHz: 18. 600 bps Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 33

Taxa de transmissão máxima de um canal (2) q Lei de Shannon (1948): q Admite a existência de ruído térmico q Com base na razão entre a potência do sinal e a potência do ruído (S/N) q S: potência do sinal q N: potência do ruído q medida em decibéis (d. B) q Taxa máxima = H log 2 (1 + S/N) q Ex. : H=3, 1 KHz; S/N=30 d. B (1000): 30. 000 bps Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 34

Meios de Transmissão q Par trançado q Cabo coaxial q Fibra ótica q Transmissão sem fio – Meios não-guiados Meios guiados Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 35

Par Trançado q Dois fios de cobre isolados, trançados em espiral q Aplicações comuns q telefonia fixa q redes locais Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 36

Par Trançado: Características de transmissão q q q Regeneração do sinal q transmissão analógica: a cada 5 ou 6 Km q transmissão digital: a cada 2 ou 3 Km Problemas de transmissão q atenuação (aumenta com a freqüência) q interferência eletromagnética (ruídos) q trançamento reduz interferências Taxas de transmissão típicas q longa distância: poucos Mbps q curtas distâncias (redes locais): 10 Mbps a 1 Gbps Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 37

Par Trançado: Tipos q Não-blindado (UTP) q Blindado (STP) q UTP Categoria 3 q q tipicamente utilizados para voz UTP Categoria 5 q trançamento mais denso q isolamento de teflon q menor interferência e melhor qualidade do sinal q tipicamente utilizados em redes locais q largura de banda: até 100 MHz Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 38

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

Cabo Coaxial q q q Usos típicos q CATV q redes locais (em desuso) Vantagens em relação a UTP q Menos susceptível a ruídos e interferências q Maior largura de banda q Suporta distâncias maiores Largura de banda típica: 500 MHz Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG Conector BNC 40

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

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

Fibra Ótica: Vantagens q Largura de banda: 30. 000 GHz q q Tamanho e peso reduzidos q q diâmetro da fibra: 8 a 100μm Baixa atenuação q q Taxas de transmissão possíveis da ordem de Tbps maiores distâncias sem repetidores Isolamento eletromagnético Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 43

Fibra ótica: Tipos q q Fibra multi-modo q pulso composto de múltiplos raios de luz q cada raio se propaga por um caminho diferente dentro da fibra q aumenta a duração do pulso Fibra mono-modo q raio transversal da fibra = 1 comprimento de onda q apenas um raio se propaga q q pulos mais curtos: maior taxa de transmissão maiores distâncias Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 44

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

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

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

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

Transmissão sem fio: Taxa de transmissão máxima q Proporcional à largura de banda da faixa de freqüências usada para transmissão q Quanto maior a largura de banda (em Hz), maior a taxa de transmissão que pode ser atingida (em bps) q q Obs. : a freqüência é inversamente proporcional ao comprimento de onda: λ f = c Faixas de transmissão alocadas por agências reguladoras (governamentais) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 49

Técnicas de transmissão sem fio q q Spread spectrum q Sinais transmitidos são espalhados em um faixa de freqüências q Usado para Ethernet sem fio (padrão IEEE 802. 11 b) Frequency hopping q Transmissão salta de uma freqüência para outra periodicamente, seguindo um padrão regular q Usado no padrão Bluetooth para PANs Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 50

Transmissão por rádio q Omnidirecional q Longas distâncias q q q Potência cai bastante com a distância (1/r 3) Em freqüências mais altas q Ondas tendem a se propagar em linha reta q São refletidas por obstáculos no caminho Transmissão sujeita a interferências

Transmissão por ondas de rádio Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 52

Transmissão por micro-ondas q Ondas se propagam em linha reta q q Distância máxima de propagação q q Exigem alinhamento preciso das antenas Proporcional à raiz-quadrada da altura das antenas. Ex. : h=100 m, distância máxima = 80 Km Distorções q Ondas são refletidas por obstáculos q Ondas podem ser refratadas pela atmosfera, absorvidas por gotas de chuva q Multipath fading: partes do sinal são recebidas em tempos diferentes Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 53

Transmissão por micro-ondas (2) q Faixas de freqüência q 2, 400 – 2, 484 GHz: redes locais sem fio q 902 -928 MHz: telefones sem fio q 5, 725 – 5, 850 GHz: redes locais sem fio mais recentes Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 54

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

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

Sistema Telefônico q q Motivação para seu estudo q Comunicação entre computadores separados por longas distâncias q Infra-estrutura já existente q Embora não apropriada para transmissão digital q Originalmente projetada para transmissão analógica de voz Usos em redes de computadores: q conexão através de modems – linha discada (dial up) q alocação de canais de transmissão de alta capacidade q conexão de redes locais remotas Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 57

Comparação com redes de computadores Taxa de transmissão Taxa de erros Redes locais 107 a 109 bps Rede telefônica 104 bps 10 -12 a 10 -13 10 -5 Diferença de desempenho: 11 -12 ordens de magnitude q Otimização do uso q Melhoria da infra-estrutura da rede telefônica q Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 58

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

Estrutura do sistema telefônico (2) q Local loop: par trançado, transmissão analógica q Troncos: fibra ótica ou microondas, digital q Estações comutadoras Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 60

Local loops q Representam as extremidades da rede telefônica (última milha) q Transmissão analógica q Necessidade de modulação do sinal digital Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 61

Local loops: Por que não transmissão digital? q Atenuação, distorção do sinal e ruído q q efeitos aumentam à medida que se aumenta a faixa de freqüências do sinal transmitido Transmissão de sinais digitais exige faixas de freqüências largas q i. e. , mais componentes de freqüência q Sofrem mais atenuação e distorções q Ruídos afetam a integridade da informação q Além disso: largura de banda disponível (3 KHz) é insuficiente para transmissão digital a taxas razoáveis Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 62

Clarificando. . . q Transmissão digital q sinalização DC q q q níveis discretos de voltagem em geral, utilizando tantas componentes de freqüência quantas permitidas pela largura de banda do meio Transmissão analógica q sinal varia continuamente q transmissão de dados digitais: exige modulação Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 63

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Modems q Modulação: digital analógico q De-modulação: analógico digital q Entre um par de modems: sinalização AC (contínua) q Onda portadora senoidal em uma determinada freqüência q q sinal resultante centrado na freqüência da portadora Técnicas de modulação: q por amplitude q por freqüência q por deslocamento de fase Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 65

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

Esquemas de modulação q Na rede telefônica: q q Largura de banda: 3 KHz De acordo com Nyquist (2 H log 2 M): q q taxas de amostragem mais altas do que 6000 Hz são inúteis Solução para taxas mais altas de transmissão q combinação de técnicas de modulação para transmissão de múltiplos bits por baud q q Ex. : amplitude + fase técnicas de compressão de dados Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 67

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

Interface com o modem (tradicionalmente) q RS-232 C q Utilizada com modems externos q Atualmente, modems internos são mais comuns (em computadores pessoais) q diretamente ligados ao barramento Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 69

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

Conexões entre centrais telefônicas: Troncos q Canais de alta capacidade q Enlaces de fibra ótica q Multiplexação da capacidade q q Compartilhamento da largura de banda dos troncos entre conexões independentes Tipos de multiplexação básicos: q FDM (Multiplexação por Divisão de Freqüência) q TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 71

FDM q q Espectro de freqüências é dividido, permitindo múltiplos canais lógicos q Cada canal individual é deslocado para uma freqüência diferente (mais alta) q Canais são então combinados, sem interferência mútua q O usuário de um canal possui uso exclusivo da sub-faixa de freqüência alocada (enquanto durar a conexão) Exemplo: q 12 canais de voz (3000 Hz) multiplexados em uma faixa de 48 KHz (ex. : 60 -108 KHz), com espaçamento de 1 KHz Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 72

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

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

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

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

WDM q Multiplexação por divisão do comprimento de onda q Uma variação de FDM para uso em fibra ótica q Possibilita uma melhor ocupação da fibra q Capacidade máxima de transmissão: 25. 000 GHz q Capacidade máxima de sinalização: da ordem de alguns GHz q q Limite imposto pela conversão elétrico-ótica Multiplexação WDM: inteiramente ótica Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 77

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

TDM q Multiplexação no domínio do tempo q q q Múltiplos sinais digitais combinados intercalando porções de cada sinal para transmissão no meio Exemplo: q 24 sinais digitais de 64 Kbps = 24 canais TDM q Cada canal: 8 bits a cada 125μs (8000 x 8 bits = 64 Kbps) q A cada 125μs: 24 x 8 bits + 1 bit de sincronização = 193 bits q Capacidade total: 193 x 8000 = 1, 544 Mbps q Canais amostrados em round robin Conhecido como TDM síncrono Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 79

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

TDM síncrono: Quadros e slots Quadro 1 2 3 n Slot de tempo alocado ao canal 2 (pode estar vazio ou ocupado) q Quadros se repetem com periodicidade constante q Cada quadro tem um número igual de slots, alocados identicamente Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 81

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

TDM síncrono: Receptor Demultiplexador Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 83

Multiplexação TDM em vários níveis q Hierarquia de sinais digitais q Cada nível utiliza TDM síncrono para combinar os sinais do nível anterior (Esquema utilizado nos EUA) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 84

Multiplexação TDM em vários níveis: Hierarquia européia 2, 048 Mbps 8, 848 Mbps 4: 1 565, 148 Mbps 34, 304 Mbps 4: 1 139, 264 Mbps

TDM: Aplicações q Apenas para sinais digitais q Sinais analógicos precisam ser primeiro codificados em termos de sinais binários q Pulse Code Modulation (PCM) q A amplitude total do sinal analógico é dividida em n níveis q A cada nível é atribuído um código binário q n níveis: log 2 n bits são necessários para codificação Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 86

PCM: Exemplo q Codificação de sinal analógico usando PCM de 4 bits: 16 níveis de sinal q Uma amostra a cada t milissegundos q Cada amostra: 4 bits são transmitidos 10 8 6 11 12 12 11 9 7 4 3 2 2 3 4 6 7 8 9 9 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 10 9 87

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

SONET / SDH q Alternativa padronizada para as hierarquias de sinais diginais então existentes (e incompatíveis entre si) q q Unifica os três sistemas de transmissão digital então existentes: americano, europeu e japonês Sinônimos (com pequenas diferenças): q SONET = Synchronous Optical Network q q Padrão original desenvolvido pela Bellcore (EUA) SDH = Synchronous Digital Hierarchy q Padrão conforme adotado pelo CCITT (atual ITU-T) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 89

SONET / SDH q q Provê: q Uma estrutura padronizada para a transmissão de sinais digitais q Uma hierarquia padrão para a multiplexação de canais digitais Emprega transmissão síncrona q q Como em TDM, mas de maneira estruturada Base para a transmissão de dados em redes ATM de longa distância Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 90

Sistema SONET q Comutadores (switches), multiplexadores e repetidores q Seção: entre dois dispositivos q Linha: entre multiplexadores q Caminho: conexão fim-a-fim Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 91

SONET: Estrutura de transmissão q Quadros transmitidos a cada 125μs, contendo q q q Informações de controle Dados Canal de transmissão básico: q Quadros de 810 bytes: 90 colunas X 9 linhas q q 8 x 810 = 6480 bits transmitidos 8000 vezes por segundo, resultando em uma taxa de transmissão de 51, 84 Mbps STS-1 (Synchronous Transport Signal 1) 3 primeiras colunas – informação de controle 87 colunas – dados do usuário: 50, 112 Mbps Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 92

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

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

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

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

SONET e ATM q q q 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, 52 Mbps ATM permite a utilização de redes SONET de forma assíncrona q q Multiplexando várias conexões de forma assíncrona, sem reserva estática de capacidade Permitindo melhor aproveitamento da capacidade total de transmissão da rede física Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 97

Comutação (Switching) q Comutador: q n linhas de entrada q m linhas de saída q Permite conectar cada uma das linhas de entrada a qualquer uma das linhas de saída q q Função básica para o roteamento de uma transmissão Técnicas de comutação: q Comutação de circuitos – utilizada no sistema telefônico q Comutação de mensagens – pouco utilizada q Comutação de pacotes – utilizada em redes de computadores Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 98

Comutação de Circuitos q Um caminho físico (circuito) é estabelecido entre as duas extremidades da conexão q Comutadores intermediários se encarregam de conectar os diversos segmentos da conexão q Circuito dedicado permanece ativo e fixo enquanto durar a conexão q Os vários segmentos podem ser fisicamente diferentes: cobre, fibra ótica, microondas, etc. Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 99

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

Comutação de circuitos: Fases na comunicação q Estabelecimento do circuito q Tempo de conexão decorrente de: q propagação da requisição de conexão até o destino q q q propagação do reconhecimento de volta para o iniciador Transmissão q dados são transmitidos diretamente e sem atraso, utilizando o caminho dedicado já estabelecido q q envolve a descoberta de um caminho físico até o destino não há risco de congestionamento: capacidade dedicada Fechamento da conexão Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 101

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

Comutação de mensagens q q Ausência de um caminho físico dedicado Cada mensagem é tratada individualmente q q q 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 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 103

Comutação de mensagens Sem o atraso inicial para estabelecimento de conexão q Mensagens muito longas monopolizam o enlace (e o comutador) por um longo período de tempo q não apropriado para tráfego interativo q Pouco utilizada em redes de computadores q Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 104

Comutação de Pacotes q Pacote: mensagem de tamanho fixo q Mensagens longas são segmentadas em pacotes q Cada pacote é tratado independentemente dos demais q Melhor aproveitamento da capacidade do meio de transmissão: q não é necessário esperar a recepção da mensagem completa – cada pacote pode ser encaminhado assim que recebido Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 105

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

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

Comutação de circuitos vs. comutação de pacotes Comutação de circuitos Comutação de pacotes Reserva prévia e estática da largura de banda necessária Largura de banda é adquirida e liberada dinamicamente Largura de banda não utilizada é Alocação dinâmica: melhor perdida 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 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 108

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

RDSI de Faixa Estreita (N-ISDN) q Rede Digital de Serviços Integrados q q RDSI-FE Integração de serviços de voz e dados Transmissão digital Conceito de um “tubo” de dados digital q q q Multiplexado em vários canais usando TDM Taxa básica: 16 Kbps controle + 2 x 64 Kbps dados Taxa primária: 64 Kbps controle + 23 (ou 30) x 64 Kbps dados Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 110

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

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

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

RDSI de Faixa Larga (B-ISDN) q RDSI-FL q Tecnologia baseada em circuitos digitais virtuais q Taxa básica: 155 Mbps q q Capaz de acomodar serviços mais avançados (ex. : vídeo sob demanda, teleconferência) Transmissão baseada em tecnologia ATM q Asynchronous Transfer Mode q q Multiplexação estatística – alocação dinâmica da capacidade de transmissão Primariamente em redes de fibra ótica Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 114

RDSI-FL: Circuitos Virtuais q Comportamento de comutação de circuitos implementado comutação de pacotes q q Serviço orientado a conexões Circuitos virtuais permanentes (PVC) q q Configurados manualmente Ativos por tempo indeterminado (permanentemente) q q Elimina o tempo de estabelecimento de conexão Circuitos virtuais comutados (SVC) q q q Estabelecidos dinamicamente Liberados quando não mais necessários Estabelecimento – Transmissão – Liberação Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 115

RDSI-FL: Circuitos Virtuais (2) q Uma rota é definida entre origem e destino da conexão q q q Todos os pacotes trafegam por esta rota Comutadores intermediários q registram, em suas tabelas internas, a rota que pacotes de cada circuito virtual devem seguir q reservam recursos para cada circuito virtual Pacotes possuem um campo identificando o circuito virtual a que pertencem q Esta informação é usada pelo comutador para determinar a rota a ser usada para encaminhar o pacote Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 116

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

Circuitos virtuais vs. Comutação de circuitos q Alocação rígida da capacidade de transmissão q q q Com circuitos físicos, FDM, ou com a reserva de slots TDM Capacidade não utilizada não pode ser reaproveitada Circuitos virtuais: Alocação flexível q q Baseada em estatísticas de uso global da rede q A soma das capacidades individuais alocadas pode ser maior do que a capacidade nominal da rede! q 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 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 118

Transmissão em redes RDSI -FL: ATM q q Asynchronous Transfer Mode ATM vs. TDM: q Em TDM: q q q Cada conexão tem uma posição de slot fixa em quadros que se repetem periodicamente Alocação estática, fixa, sincronizada com o relógio mestre Em ATM: q q Unidades de transmissão: Célula (pacote pequeno, de tamanho fixo) Células provenientes de fontes distintas não precisam se alternar de maneira fixa na transmissão Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 119

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

Transmissão em redes ATM: Células Pacotes pequenos, de tamanho fixo q 53 bytes: q q 5 bytes de cabeçalho (header) q Identificação do circuito virtual, CRC do cabeçalho, tipo da célula, prioridade, etc. q 48 bytes de informação do usuário (payload) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 121

Transmissão em redes ATM (2) q q Fluxo de células não precisa ser contínuo q Lacunas podem existir q Preenchidas com células de enchimento (vazias) Formato para transmissão de células q Diretamente sobre o meio físico q Utilizando uma estrutura de transmissão padrão subjacente (carrier). Exemplos q q T 3 (44, 736 Mbps), SONET / SDH (155, 52 Mbps ou 622, 08 Mbps), FDDI (100 Mbps) Padroniza a forma em que células são encaixadas nas respectivas estruturas de transmissão Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 122

Transmissão em redes ATM (3) q Meios de transmissão q Fibra ótica q Par trançado categoria 5 (ou coaxial) q q q Para enlaces com menos de 100 m Enlaces ponto-a-ponto q Entre um computador e um comutador (switch) q Entre dois switches q Multicasting: switch propaga uma célula recebida através de múltiplas linhas de saída Enlaces unidirecionais q Full duplex: dois enlaces, um para cada sentido de transmissão Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 123

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

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

Camada Física em Redes ATM q Dividida em duas sub-camadas: q PMD: Physical Medium Dependent q q q Interface própria para cada tipo de meio de transmissão Codifica um fluxo de células em um fluxo de bits apropriado TC: Transmission Convergence q q 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 q Funcionalidade de camada de enlace (próximo capítulo) Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 126

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

Comutadores (switches) ATM N linhas de entrada q M linhas de saída q Tipicamente: N = M q Switching fabric q q mecanismos internos que se encarregam de retransmitir as células através das saídas apropriadas Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 128

Comutadores ATM (2) q Operação síncrona q Dirigida por um relógio mestre q q q A cada ciclo, células são retransmitidas q Pipelining q q demarca o início de cada ciclo de comutação pois células chegam de maneira assíncrona Vários estágios no processo de comutação Células são recebidas, p. ex. , a 150 Mbps q duração do ciclo: 2, 7μs q Ex. : com 32 linhas de entrada/saída: 32 células comutadas a cada 2, 7μs Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 129

Comutadores ATM (3) q Objetivos de projeto: q Comutar todas as células com uma taxa de descarte de células mínima q q q 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 q q 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 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 130

Comutadores ATM (4) q 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? q q O switch deveria retransmitir uma das células e buferizar a outra para retransmissão no próximo ciclo Duas alternativas: q q Filas na entrada Filas na saída Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 131

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

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

Leitura complementar q Redes de rádio celular q q Tanenbaum, seção 2. 7 Satélites de comunicação q Tanenbaum, seção 2. 8 Teleprocessamento e Redes – Prof. Fábio M. Costa – Instituto de Informática – UFG 134