Redes de Computadores Transmissão de Dados Ely Edison Matos [email protected] ago2003 Transmissão de Dados Dado e sinal Comunicação envolve a transmissão de informação de um ponto a outro: Geração de uma idéia, padrão ou imagem na origem Descrição dessa idéia por um conjunto de símbolos Codificação destes símbolos em forma propícia a transmissão em um meio físico disponível Transmissão dos símbolos codificados ao destino Decodificação e reprodução dos símbolos, com possível perda de qualidade Recriação da idéia transmitida Dado: associado a idéia, padrão ou imagem Sinal: materialização específica do dado, para transmissão Sinais Ondas que se propagam através de um meio físico Podem ser representados como um função do tempo Os sinais transmitidos em uma linha de comunicação são sinais elétricos preparados de forma que a qualidade da linha pouco os modifique Podem ser classificados em Sinais analógicos Sinais digitais Sinais Analógicos Produzidos a partir de fenômenos que apresentam variação contínua no tempo Apresentam infinitos valores possíveis de amplitude Aplicação em telefonia, rádio e televisão Parâmetros Amplitude: valor instantâneo do nível do sinal muito variável Freqüência: quantidade de vezes que a forma de onda se repete em uma unidade de tempo (KHz, MHz ou GHz) com valores oscilantes de acordo com a fonte geradora do sinal Sinais Analógicos +A /2 2 ---Frequência---A 3 /2 Sinais analógicos recebem a influência de ruídos externos, ou seja, novos sinais que são somados aos sinais originais e que eventualmente podem ser filtrados. Sinais Digitais Produzidos a partir de fenômenos que apresentam apenas alguns valores discretos (nível TTL) aos quais podemos associar valores binários e por isto são chamados “digitais” Têm uma temporização e repetição previsíveis, podendo ser codificados Aplicação em transmissão de dados Parâmetros Amplitude constante Freqüência constante em Hz normalmente +A --Frequência-- -A Sinais Digitais Sinal construído através de uma seqüência de intervalos de tamanho fixo iguais a T segundos: intervalo de sinalização O bit pode ser mapeado na amplitude bps – bits por segundo bauds – num. de intervalos por segundo Série de Fourier No Sec XIX o matemático francês Jean Fourier demonstrou que qualquer sinal periódico pode ser expresso através de uma função que varia no tempo contendo uma soma (possivelmente infinita) de cossenos e senos de diversas freqüências - Série de Fourier 1 g t a0 an sen2nft bn cos2nft 2 n 1 n 1 g = valor do sinal an,bn = amplitude de cada componente n = numero de ciclos de amostragem f = freqüências amostradas do sinal Série de Fourier Uma parte da equação retrata a freqüência fundamental “f” equivalente a “1/t” e os sinais nas freqüências intermediárias são conhecidos como “harmônicos”- primeiro, segundo, quarto, oitavo, etc. Uma representação mais realista da onda de pulsos quadrados t (seg) -T/2 T/2 seria como no desenho: -2/T -1/T 1/T 2/T f (Hz) Banda passante Banda passante de um sinal Intervalo de freqüências que compõe o sinal Largura de banda do sinal Tamanho da banda passante (diferença entre a maior e a menor freqüência que compõe o sinal) Banda passante Nenhum meio é capaz de transmitir sinais sem que ocorra perdas de energia durante o processo e mesmo distorções devidos a fatores externos (chamados ruídos de linha) Perdas significam redução na amplitude do sinal Se todos os sinais componentes fossem igualmente reduzidos em amplitude, o sinal resultante seria todo reduzido mas não distorcido Infelizmente a característica dos meios de transmissão é a de provocar perdas nos diversos componentes do sinal em proporções diferentes Cada meio influi de forma diferente no sinal transmitido, de acordo com uma Curva de Ganho característica do material Uma determinada faixa de freqüências sofre pouca alteração e outras faixas sofrem muita alteração podendo mesmo ser eliminadas Banda passante O meio de transmissão atua como um filtro sobre o sinal Isto ocasiona distorções no sinal resultante Estas distorções serão tão maiores quanto maiores forem as perdas nas freqüências mais significativas do sinal Banda passante do meio físico Faixa de freqüências que permanece praticamente preservada pelo meio em uma transmissão Banda passante Supondo-se que desejamos transmitir a seqüência de bits “01100010” o resultado no outro lado da transmissão seria 0 1 1 0 0 0 1 0 Sinal Original 1o harmônico 1o e 2o harmônico 1o, 2o e 4o harmônico 1o, 2o, 4o e 8o harmônico Ruídos Em qualquer transmissão, o sinal recebido consiste no sinal enviado modificado por várias distorções provocadas pelo meio transmissor adicionadas às distorções provocadas por sinais externos indesejáveis chamadas RUÍDOS Os ruídos são classificados em Ruídos Térmicos Ruídos de Intermodulação Ruído Impulsivo CrossTalk (linha cruzada) Atenuação Eco Ruídos Térmicos São provocados pela agitação dos elétrons nos condutores Este ruído é distribuído em todas as freqüências uniformemente (e por isto é chamado Ruído Branco) Resistência ao sinal Fluxo de energia elétrica Elétrons Ruído de Intermodulação Quando sinais de diferentes freqüências compartilham o mesmo meio de transmissão este ruído é gerado Ruído Impulsivo Sinais irregulares na forma de pulsos não contínuos mas de grande amplitude provocados por distúrbios atmosféricos, falhas nos equipamentos, faiscamento, etc. Em comunicação de voz este ruído pouco interfere mas em comunicação de dados é a maior fonte de danos a equipamentos Crosstalk - Linha cruzada Provocado pela interferência indesejada entre condutores muito próximos que induzem sinais uns nos outros Eco e Reflexão de Sinal O eco ocorre toda vez que há uma mudança de impedância na linha de transmissão Quando inserimos um dispositivo na linha para ampliar o sinal, para fazer uma nova conexão ou para inserir um novo ponto na rede Este ponto funciona como uma parede refletindo o sinal de volta O sinal refletido interfere com o sinal original A utilização de terminadores e transceptores de alta impedância eliminam este problema Atenuação A atenuação não chega a ser um ruído pois é provocada pela perda de potência do sinal ao longo do meio de transmissão É facilmente resolvido com o uso de repetidores que podem regenerar o sinal de distância em distância ao longo da linha de transmissão Tipos de conexão Ponto-a-ponto Ligação direta entre dois dispositivos Normalmente associado ao uso de modems Multiponto Ligação entre três ou mais dispositivos Historicamente usada para conectar um mainframe aos terminais Atualmente em LAN significa a ligação de vários equipamentos, dependendo da topologia da rede Tipos de Transmissão Transmissão em Paralelo 1 0 0 1 1 1 0 Transmissão em Série start 1 1 0 1 0 1 0 1 paridade stop start ... O sinal acima é colocado sobre outro sinal “portador” Codificação Codificação dos dados (bits) em sinais digitais Necessidade de manter a integridade Codificações absolutas ou diferenciais Métodos NRZ (Non-Return to Zero) NRZI (NRZ Invert) Manchester Manchester diferencial Codificação NRZ (Non-Return to Zero) Mais simples 2 níveis de tensão para representar “0” e “1” Um positivo e um negativo Codificação NRZI (Non-Return to Zero Invert) Mais robusta - diferencial Codificação Manchester Dados sinalizados por uma rampa Subida indica um nível alto Descida indica um nível baixo Codificação Manchester diferencial Codificação no instante em que ocorre a troca de dados Se novo dado é nível “0”, ocorre uma rampa Se novo dado é nível “1”, permanece imutável Transmissão Serial Comunicação serial síncrona Os dados são transmitidos continuamente, seguindo uma taxa estabelecida por um relógio que marca o tempo necessário para cada bit Quando não há nada a ser transmitido, um padrão de bits fica sendo repetido para marcar a presença da portadora Comunicação serial assíncrona Os dados somente são transmitidos quando existirem No início da transmissão a estação transmissora DTE envia um bit de partida que alertar o outro lado DCE para que aguarde os dados, em seguida são enviados os bits de dados e por último um bit de término (bit de parada) Cada octeto deverá ser acrescido de bits de checagem elevando a quantidade de dados transmitidos e também a confiabilidade da transmissão. Transmissão Serial Síncrona +A -A Sem dados Dados Sem dados Dados Dados Dados Assíncrona +A -A Sem dados Dados Sem dados Dados Dados Dados Modo de operação Transmissão SIMPLEX A comunicação flui apenas em um único sentido (por exemplo o rádio e a TV convencional) Transmissão HALF DUPLEX A comunicação flui em ambos os sentidos, uma de cada vez (por exemplo a conversa telefônica entre pessoas educadas) Transmissão FULL DUPLEX A informação transita nos 2 sentidos ao mesmo tempo (modems que permitem voz e dados ao mesmo tempo) Modulação Processo de representação dos dados em um sinal analógico As características de uma onda, denominada portadora, são alteradas em função de um sinal, denominado modulador Técnicas de modulação da onda portadora Amplitude-shift keying (ASK) Os dados binários são codificados através da variação da amplitude da onda portadora Frequency-shift keying (FSK) Os dados binários são codificados através da variação da frequencia da onda portadora Phase-shift keying (PSK) Os dados binários são codificados através da variação da fase da onda portadora Modulação Onda Portadora Sinal Digital Sinal AM Onda Portadora Sinal Digital Sinal FM Onda Portadora Sinal Digital Sinal PM } } } ASK FSK PSK Banda passante Capacidade do meio de transmissão Faixa de freqüências que podem ser transmitidas Canal: parte da banda passante Tipos Sinalização em banda base (baseband) Toda a banda para um único canal Não é usado qualquer tipo de modulação Sinalização digital Sinalização em banda larga (broadband) Múltiplos canais Criados através de multiplexação Suportam diversas transmissões simultâneas Sinalização analógica Multiplexação Processo que permite que canais múltiplos sejam criados em um único meio de transmissão Possibilita agrupar vários canais de baixo tráfego para preencher um meio de banda passante alta Também pode ser usada para transmitir um canal digital de alta velocidade usando diversos canais menos velozes O equipamento usado é chamado multiplexador ou mux Multiplexação Frequency-Division Multiplexing (FDM) São usadas freqüências separadas para estabelecer múltiplos canais Usado em redes locais de banda larga para separar os tráfegos de direções diferentes no cabo Time-Division Multiplexing (TDM) O uso do canal é divido em pequenos intervalos de tempo Cada intervalo é alocado para um “canal virtual” Usado em sistemas de banda base Statistical Time-Division Multiplexing (StatTDM) O uso do canal é divido em pequenos intervalos de tempo Cada intervalo é alocado dinamicamente, com base em ordem de chegada ou prioridade Comutação Comutação ou chaveamento (switching) refere-se a alocação de recursos da rede para a transmissão pelos diversos dispositivos conectados Em redes os recursos são compartilhados e é necessário uma forma para adotar este compartilhamento Formas de comutação Comutação de circuitos Comutação de mensagens Comutação de pacotes Comutação de circuitos Pressupõe a existência de um caminho dedicado de comunicação entre dois pontos Envolve 3 fases Estabelecimento do circuito Um circuito fim-a-fim é estabelecido Um canal é alocado e permanece dedicado Transferência de dados Desconexão do circuito Por um dos pontos ou por timeout Recursos devem ser liberados em cada enlace Comutação de mensagens Não é estabelecido um caminho dedicado A estação de origem adiciona um “endereço de destino” à mensagem, que será transmitida de nó em nó Processo store-and-forward Aproveitamento maior das linhas de comunicação Com tráfego alto, pedidos de novas conexões podem ser recusados Comutação de pacotes Semelhante à comutação de mensagens Diferença: as mensagens são quebradas em unidades menores denominadas pacotes Pacotes de uma mesma mensagem podem estar em transmissão simultaneamente pela rede em diferentes links Requerem nós de comutação com menor capacidade de armazenamento Mecanismos de recuperação de erros são mais eficientes Técnicas de Detecção de Erro Vários fenômenos podem interferir em uma transmissão É impossível eliminar totalmente os ruídos e erros em uma linha de transmissão São adotados vários métodos de conferência que forçarão a retransmissão da informação ou se possível a reconstrução do dado original As técnicas de detecção de erro são baseadas na inserção de bits extras juntos aos bits originais que estão sendo transmitidos Estes bits são informação redundantes e podem ser calculados tanto na origem quando no destino Na origem eles são agregados aos dados e no destino eles são lidos e comparados com os valores ai calculados Ocorrendo diferença, um erro foi detectado e o dado será retransmitido Paridade Escolhe-se um valor de forma que a soma de todos os bits incluindo o bit de paridade seja um número par (paridade par) Assim, se tivermos os bits “01010001” a soma de bits em “1” é “3” Acrescenta-se um bit de valor “1” e o valor total transmitido passa a ser “4”, que é par Ao receber o dado, o receptor soma os bits e o resultado deve ser um número par, senão o dado deve ser retransmitido 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 Soma de bits = 3 (impar) 1 Acrescentar +1(par) 1 Sinal a transmitir CRC CRC – Cyclic Redundancy Check Um quadro de k bits é representado por um polinômio em X, de ordem (k-1) onde o coeficiente do termo Xi é dado pelo (I+1)-ésimo bit da seqüência de k bits Assim o octeto “1 0 1 1 0 0 0 1” teria a representação X7 + X 5 + X 4 + 1 No transmissor o polinômio de ordem (k-1) é dividido em aritmética módulo 2, por um polinômio gerador de ordem n, tendo como resultado um quociente e um resto de ordem (n-1) São transmitidos os k bits originais seguidos dos n bits correspondentes ao polinômio obtido como resto da divisão O receptor divide o polinômio correspondente aos k bits pelo mesmo polinônimo gerador O resto da divisão é comparado com os últimos n bits O polinômio gerador mais usado é o CRC-32 CRC-32 = X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X + 1
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