16.36: Engenharia de Sistemas de Comunicação
Aula1: Introdução
Eytan Modiano
Eytan Modiano
Slide 1
Questões administrativas
•
Instrutores: Eytan Modiano
•
Horário do Curso: Terças e Quintas-feiras
•
Texto: "Communications Systems Engineering", Proakis e Salehi
•
Avaliação
–
–
–
Eytan Modiano
Slide 2
10% Tarefas semanais como Trabalho de Casa
30% cada um dos 3 exames
Exame final durante o período de exame final!
Cronologia da comunicação moderna
Sistemas
Comun.
Analógicos
Sistemas
Comun.
Digital
Sistemas
Comun.
em Rede
(pacotes)
Eytan Modiano
Slide 3
•
•
•
1876 - Primeiro telefone
1920 - Transmissão de Rádio
1936 - Transmissão de TV
•
•
Anos 1960 - Comunicações digitais
1965 - Primeiro satélite comercial
•
1970 - Primeiro nó da Internet
Darpa-net, Aloha-net
•
•
1980 - Desenvolvimento do TCP/IP
1993 - Invenção da Web
Cursos típicos de comunicação
•
Antigamente (nos anos 1980): O ensino de comunicação análogica e digital
era dado em cursos separados
– Aulas sobre rede às vezes eram dadas em turmas de pós-graduação, mas a
maioria das pessoas não via muita utilização!
•
Hoje:A maioria dos cursos de comunicação se concentra basicamente na comun. digital
– Alguns cursos podem discutir sobre comun. analógica por razões “históricas”
– Turmas de rede são oferecidas tanto para níveis universitário quanto superior
•
MIT: uma turma de comunicação digital e uma de rede, ambas de nível
superior (6.450, 16.37/6.263)
•
Este curso apresentará os conceitos de comunicação e de rede em nível
universitário
– Primeira tentativa de combinar os dois conceitos
Importância de não pensar nos dois sistemas separadamente
Eytan Modiano
Slide 4
Por que comunicação em AA?
•
Primeiro passo para as informações da AA
–
–
–
•
Computadores são parte imprescindível de um sistema aeroespacial
–
–
–
•
TV por satélite, acesso à Internet
Tecnologia da informação é uma importante disciplina de engenharia
–
Eytan Modiano
Slide 5
Controle de sistema, interface humana
Envolve computadores, software, comunicações etc.
Ex.: complexas redes de comunicação dentro de naves espaciais e aeronaves
Comunicação espacial é uma indústria em franca expansão
–
•
Comunicações
Software e computadores
Sistemas autônomos
Essas qualificações são tão fundamentais hoje quanto o conhecimento da matemática
básica ou física
Plano de Estudos do Curso
Data
Aula
Tópico
Leitura
4-Fev
L1
Introdução
Capítulo1
6-Fev
L2
Avaliação das Informações
Seção 6.1
11-Fev
L3
Teorema de Exemplo
Sec. 2.2, 2.4
13-Fev
L4
Quantização
Sec. 6.5
18-Fev
HORÁRIO DE SEGUNDA-FEIRA
20-Fev
L5
Codificação da Fonte
Sec. 6.2-6.3
25-Fev
L6
Variação
Sec. 7.1 - 7.3
27-Fev
L7
Variação
4-Mar
L8
Recepção de sinal de ruído
Sec. 7.5
6-Mar
L9
Recepção de sinal de ruído
Sec. 7.5
11-Mar L10
Eytan Modiano
Slide 6
Questionário 1
13-Mar L11
Análise da BER
Sec. 7.6
18-Mar L12
Capacidade e Codificação do Canal
Capítulo 9
20-Mar L13
Codificação do Canal
Sec. 9.5 - 9.6
25-Mar
Intervalo de Primavera
27-Mar
Intervalo de Primavera
1-Abr
L14
Análise de orçamento de links
3-Abr
L15
Espectro de sinais digitalmente modulados
Sec. 7.7
Sec. 8.1 - 8.3
Plano de Estudos do Curso
Eytan Modiano
Slide 7
Data
Aula
Tópico
8-Apr
L16
Comunicações de pacote,
DLC, erro de verificação usando CRC
Leitura
Tanenbaum 3
10-Apr
L17
Técnicas de ARQ
Tanenbaum 3.4, 3
15-Apr
L18
Acesso múltiplo: TDMA, FDMA, CDMA
Anotações de Aula
17-Apr L19
Questionário 2
22-Apr
Dia do Patriota
24-Apr
L20
Introdução ao Enfileiramento
Anotações de Aula
29-Apr
L21
Introdução ao Enfileiramento
1-May
L22
Acesso múltiplo a pa cotes: Aloha/CSMA
6-May
L23
Redes Locais (LANs)
8-May
L24
Roteamento de pacotes
Tanenbaum 5
13-May L25
Roteamento de pacotes
Tanenbaum 5
15-May L26
TCP/IP e a Internet
5/19 - 5/23
PERÍODO DE EXAME FINAL
Anotações de Aula
Tanenbaum 4
Tanenbaum 4
Tanenbaum 6: 6.4
Aplicativos de Comunicação
•
Transmissão de TV/Rádio
–
•
Telefonia digital
–
•
Moderno
Com e sem fio
Redes de computador e comunicação
– Compartilhamento de recursos
Computação: computador de grande porte (mainframe) (nos velhos tempos)
Impressoras, periféricos
Informações, acesso e atualização de BD
– Serviços de Internet
E-mail, FTP, Telnet, acesso à Web
•
Eytan Modiano
Slide 8
Hoje, o principal tráfego de rede é de aplicativos da Internet
Tipos de Redes
•
Redes Remotas (WANS)
–
Alcança grandes áreas (países, continentes, mundo)
– Usa linhas concedidas (caro!)
Anos 1980: 10 Kbps, Anos 2000: 2.5 Gbps
Taxas de acesso de usuários: 56Kbps – 155 Mbps mais comum
– Links de comunicação compartilhados: comutadores e roteadores
Ex.: SNA da IBM , Redes X.25, Internet
•
Redes Locais (LANS)
–
Alcança escritório e prédio
–
Hop simples (canal compartilhado) (barato!)
– Taxas de usuário: 10 Mbps – 1 Gbps
Ex.: Ethernet, Token rings, Apple-talk
•
•
Eytan Modiano
Slide 9
Redes Metropolitanas (MANS)
Redes de armazenamento
Serviços de rede
•
•
•
•
Síncrona (fluxo)
–
A sessão aparenta ser um fluxo contínuo de tráfego (ex.: voz)
–
Normalmente exige retardo fixo e limitado
Assíncrona (transmite em rajadas)
–
A sessão aparenta ser uma seqüência de mensagens
–
Transmissão em rajadas
–
Ex.: Sessões interativas, transferência de arquivos, e-mail
Serviços baseados em conexão
–
Sessões prolongadas
–
Remessa de pacotes ordenada e em tempo hábil
–
Ex.: Telnet, FTP
Serviços sem conexão
–
•
Eytan Modiano
Slide 10
QoS
Uma única transação (ex.: e-mail)
Técnicas de Comutação
•
Comutação de Circuitos
–
–
•
Comutação de Pacotes
–
–
Eytan Modiano
Slide 11
Recursos dedicados
Redes de telefonia tradicional
Recursos compartilhados
Redes atuais de dados
Comutação de Circuitos
•
Para cada sessão é alocada uma fração fixa da capacidade de cada
link junto com seu caminho
– Recursos dedicados
– Caminho fixo
– Se a capacidade for usada, as chamadas são bloqueadas
Ex.: rede de telefonia
•
Vantagens da comutação de circuitos
–
–
•
Retardos fixos
Remessa contínua garantida
Desvantagens
– Os circuitos não são utilizados quando a sessão está inativa
– Ineficaz no tráfego em rajadas
– A comutação de circuitos normalmente é feita usando um fluxo de taxa fixa (ex.: 64 Kbps)
Difícil de suportar taxas variáveis de dados
Eytan Modiano
Slide 12
Redes de Pacotes Comutados
Mensagens dividas em
Pacotes que são roteados
ao seu destino
PC
PC
PC
Rede de Pacotes
PC
PC
PC
Buffer
PC
Eytan Modiano
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Pacote
Comutado
Modelo de Referência OSI de 7 Camadas
Aplicativo
Aplicativo
Serviço de rede virtual
Apresentação
Apresentação
Serviço de rede virtual
Sessão
Sessão
Link virtual para mensagens ponto a ponto
Transporte
Transporte
Link virtual para pacotesponto a ponto
Rede
Rede
Rede
Rede
Link virtual para
pacotes seguros
Data link
Control
DLC
DLC
DLC
DLC
inter.fís.
inter.fís.
Data link
Control
Bit pipe virtual
Interface
física
inter.fís.
inter.fís.
Interface
física
link físico
Eytan Modiano
Slide 14
Externo
Site
subnet
nó
subnet
nó
Externo
site
Camadas
•
Camada de Apresentação
–
•
Oferece conversão de conjuntos de caracteres, codificação de dados, compressão de dados etc.
Camada de Sessão
–
Obtém o serviço virtual de mensagens ponto a ponto proveniente da camada de transporte
–
Oferece assistência ao diretório, direitos de acesso, funções de bilhetagem etc.
• A padronização não foi bem seguida aqui, já que o transporte para os aplicativos está
todo no sistema operacional e não precisa de interfaces-padrão
•
Eytan Modiano
Slide 15
Foco: Camada de transporte e inferior
Camada de Transporte
•
A camada de transporte é responsável pela segurança das transmissões
de mensagens ponto a ponto pela rede
– A camada de rede oferece um canal virtual de pacotes ponto a ponto para a
camada de transporte.
– A camada de transporte oferece um serviço virtual de mensagens ponto a ponto
para as camadas superiores.
•
As funções da camada de transporte são:
1) Dividir as mensagens em pacotes e reuni-las novamente em
pacotes de tamanho adequado para a camada de rede
2) Multiplexar sessões com os mesmos nós de origem/destino
3) Reordenar pacotes para o destino
4) Restabelecer erros e falhas residuais
5) Oferecer controle de fluxo ponto a ponto
Eytan Modiano
Slide 16
Camada de Rede
•
A camada de rede é responsável pelo roteamento de pacotes pela
rede
– O módulo de camada de rede aceita pacotes recebidos da camada de
transporte e transita os pacotes da camada DLC
– Roteia cada pacote para o devido DLC de saída ou (no destino)
para a camada de transporte
– Tipicamente, a camada de rede adiciona seu próprio cabeçalho aos pacotes
recebidos da camada de transporte. Este cabeçalho fornece as
informações necessárias para o roteamento (ex.: endereço de destino)
Cada nó contém um módulo de
camada de Rede mais um módulo de
camada de Link por link
Camada de
Transporte
Camada de
Rede
Camada DLC
Eytan Modiano
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link 1
Camada DLC
link 2
Camada DLC
link 3
Camada de Link
•
Responsável pela transmissão sem erros dos pacotes através de um
único link
– Estrutura
Determina o início e o término dos pacotes
– Detecção de erro
Determina quais pacotes contêm erros de transmissão
– Correção de erro
Esquemas de retransmissão (Automatic Repeat Request (ARQ))
Eytan Modiano
Slide 18
Subcamada da Internet
•
Exige uma subcamada entre as camadas de transporte e de rede
quando várias redes incompatíveis são ligadas juntas
•
Esta subcamada é utilizada em gateways entre redes diferentes
•
Ela se parece com a camada de transporte para que as redes sejam ligadas
•
Ela é responsável pelo roteamento e controle de fluxo entre redes, e por isso
se parece com uma camada de rede para a camada de transporte ponto a ponto
•
Na Internet esta função é realizada utilizando-se o Internet Protocol (IP)
– Muitas vezes o IP também é usado como um protocolo de camada de rede,
portanto é necessário apenas um protocolo
Eytan Modiano
Slide 19
Funcionamento da Internet com TCP/IP
Cliente
FTP
Protocolo FTP
TCP
Protocolo TCP
Servidor
FTP
TCP
ROTEADOR
IP
Protocolo IP
Protocolo IP
IP
Protocolo
token ring
Driver
token ring
IP
Driver
Ethernet
Protocolo
Ethernet
Ethernet
Eytan Modiano
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Driver
Ethernet
Driver
token ring
token ring
Encapsulamento
dados do usuário
Aplicativo
Cabeçalho
do aplicativo dados do usuário
TCP
Cabeçalho
TCP
dados do aplicativo
IP
Segmento TCP
Cabeçalho
IP
Cabeçalho
TCP
dados do aplicativo
Driver
Ethernet
Datagrama IP
Cabeçalho
Ethernet
14
Cabeçalho
IP
20
Cabeçalho
TCP
20
dados do aplicativo
Quadros Ethernet
46 a 1500 bytes
Eytan Modiano
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Trailer
Ethernet
4
Ethernet
Camada Física
•
Responsável pela transmissão de bits através de um link
•
Retardos de propagação
– Tempo que um sinal leva para se deslocar da origem ao destino
O sinal se desloca aproximadamente à velocidade da luz, C = 3x108 metros/segundo
– Exemplo
Satélite LEO: d = 1000 km => retardo de propagação de 3.3 ms
Satélite GEO: d = 40,000 km => retardo de propagação de 1/8 seg.
Cabo Ethernet: d = 1 km => retardo
de propagação de 3 µs
µ
•
Erros de transmissão
– Os sinais experimentam perda de potencia devido à atenuação
– A transmissão é prejudicada pela interferência de ruídos
– Modelo de canal simples: Canal Binário Simétrico
1-P
P = probabilidade de erro de bits
0
Independente de bit a bit
P
P
– Na verdade, os erros de canal são sempre em rajadas
1
1-P
Eytan Modiano
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0
1
Elementos básicos da camada física
Entrada da
camada superior
Codificador
de canal
modulador
Canal
•
•
Decodificador
camada superior
de canal
Demodulador
Na visão tradicional do sistema de comunicação, a entrada era uma fonte
analógica de informações (tipicamente de voz)
Para transmitir digitalmente as informações analógicas é necessário
converter esta forma de onda analógica em digital
–
•
Saída para
Amostragem, Quantização, Codificação da fonte
Nas atuais redes de computadores a fonte de informação é sempre
digital
– A conversão de digital para analógico não é vista como parte do sistema
de comunicação, mas como uma função da camada superior (aplicativo)
Eytan Modiano
Slide 23
Transmissão de Informações
•
Fonte de informações
–
–
•
Sinal
–
–
•
Consegue remover o “ruído” indesejado para reproduzir o sinal digital
Consegue eliminar a redundância
Transmissão digital de dados contínuos
–
–
–
Eytan Modiano
Slide 24
Analógico (contínuo)
Digital (discreto)
Por que a transmissão digital?
–
–
•
Contínua - ex.: voz, vídeo
Discreta - ex.: texto, dados de computador
Amostragem
Quantização
Codificação
Elementos de um sistema de comunicação digital
•
Codificação da fonte
– Usado para compactar dados
com perdas e sem perdas
•
Codificação do canal
–
–
•
Usado para solucionar o ruído indesejado do canal
Introduz a “redundância” para se proteger dos erros
Modulação
– Representa os bits, utilizando sinais considerados contínuos apropriados para
a transmissão
Impõe sinais considerados discretos em uma forma de onda analógica
Utiliza ondas de seno e co-seno
Eytan Modiano
Slide 25
Canais de transmissão
•
Transmissão eletromagnética
–
–
•
Transmissão óptica
–
•
Mídia: fibra óptica, espaço livre (satélite)
Armazenamento
–
–
Eytan Modiano
Slide 26
Meio físico orientado: cabo de par trançado, cabo coaxial
Meio físico não-orientado (ar): transmissão de rádio, satélite
Magnético (fita, diquete)
Óptico (CD)
Espectro da freqüência
•
Transmissões de rádio e TV utilizam bandas de freqüência diferentes
•
As bandas de freqüência úteis não são ilimitadas
•
O espectro é um recurso natural que deve ser utilizado com eficácia
•
O espectro é reservado às operadoras pelo governo
–
Eytan Modiano
Slide 27
Federal Communications Commission (FCC)