O nível Físico

1. O nível Físico • Relacionado a transmissão de bits sobre um canal de comunicação. Enviar um bit 1 e garantir que se receba um bit 1 do outro lado. • Define características mecânicas, elétricas e funcionais para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits entre as entidades do nível superior.   Regulamenta interfaces:   • Mecânicas - Número de pinos dos conectores, dimensões ... • Elétricas - Níveis de tensão, corrente, balanceamento de carga ... • Funcionais - Temporizações, controle, estabelecimento das conexões-físicas ...   A Camada Física

2. Princípios da Comunicação de Dados Nenhum recurso de transmissão é capaz de transmitir sinais sem perder parte da energia no processo. Largura de Banda (Definição dos eletrônicos): Faixa de freqüências transmitidas sem serem fortemente atenuadas. Propriedade física do Meio de Transmissão medida em Hz. Largura de Banda (Definição dos computeiros): taxa de dados máxima de um canal, medido em bps. É o resultado final do uso da largura de banda analógica. A Camada Física

3. Suportes de Transmissão • Vários meios físicos podem ser utilizados para suportar a transmissão. Cada um com seu delay, custo, facilidade de instalação, manutenção, largura de banda, etc. • Suportes mais comuns: • Meios Magnéticos (DVDs, fitas) ->caminhonete com fitas: menor custo, maior capacidade de transmissão (Custo fita = meio centavo por gigabyte); • Par trançado; • Cabo coaxial; Meios guiados • Fibra óptica; • Wireless – Rádio Terrestre • Satélite. A Camada Física

4. Par Trançado Consiste de um par de fios enrolados em espiral fechados em uma borda protetora. O mais comum. Trançados para diminuir a interferência elétrica. • UTP – UnshieldedTwistedPair– o mais popular hoje, consiste de 4 pares de fios de cobre; As padronizações foram feitas pela EIA/TIA (Electronic Industries Association/Telecommunications Industries Association). Categoria 3 – Largura de Banda 16 MHz; Categoria 5 – Largura de Banda 100 MHz; (100 Mbps usa 2 pares,1 Gbps usa os 4 pares). Categoria 6 – Largura de Banda 250 MHz; Categoria 7 – Largura de Banda 600 MHz: possuem blindagem: • STP – ShieldedTwisted-Pair . Cada par possui uma malha metálica (blindagem). A Camada Física

5. Exemplo Fast Ethernet sobre diferentes suportes A Camada Física

6. Fibra óptica • Consiste de um cilindro finíssimo de vidro, o núcleo, circundado por uma camada concêntrica de vidro. • Sinais de dados são transmitidos na forma de pulsos de luz: não estão sujeitos a interferência elétrica, são rápidos e transmitem a grandes distâncias e ... são caros. • Um pulso de luz indica bit 1, ausência de luz indica bit 0. A Camada Física

7. Fibra óptica – Componentes • O sistema de transmissão óptica tem 3 componentes: a fonte da luz, o meio de transmissão e o detector que gera um pulso elétrico quando entra em contato com a luz. • Um raio de luz incidente em um meio apropriado, com um ângulo de incidência apropriado, faz com que a luz seja refletida internamente e possa se propagar por kilômetros sem perda. A Camada Física

8. Fibra óptica – Modos • Fibra multimodo– É possível que muitos raios acima do ângulo crítico estejam sendo refletidos internamente. Muitos raios diferentes em angulos diferentes. Cada raio em um modo diferente. Tem 50 mícrons de diâmetro (1 fio de cabelo humano) • Fibra monomodo – Ao reduzir o diâmetro da fibra, ela atua como guia de onda e a luz se propaga em linha reta. Tem entre 8 e 10 mícrons. É mais cara pelo processo de fabricação mais sofisticado, porém atinge distâncias maiores.Hoje chega a 100 Gpbs por 100km sem amplificação (?). Limitação devido à conversão elétrico-ótico. A Camada Física

9. Wireless LAN O princípio utilizado é a transmissão através de ondas eletromagnéticas que se propagam no ar. O número de oscilações por segundo é a frequência, medida em Hz. O espectro  eletromagnético: A Camada Física

10. Rádio • Ondas de rádio : fáceis de gerar, percorrem longas distâncias, penetram em prédios; são omnidirecionais (viajam em todas as direções a partir da fonte) o que não exige que tx e rx estejam cuidadosamente alinhados (a) Nas bandas VLF, LF e MF, as ondas obedecem a curvatura da terra. (b) Nas bandas HF e VHF ricocheteiam na ionosfera. A Camada Física

11. Microondas • Acima de 100Mhz, as ondas trafegam praticamente em linha reta o que exige o alinhamento preciso. Em grandes distâncias a terra ficaria entre as ondas. • Não atravessam bem paredes de edifícios, e acima de 4Ghz são absorvidas pela água. (Desligar os enlaces afetados pela chuva e criar rota alternativa); • Conveniente pelo custo para distâncias relativamente grandes. • Os governos dos países devem controlar o uso do espectro. Algumas bandas podem ser usadas sem controle, como para telefone sem fio, abertura de portas de garagens, pois com baixa potência o alcance é pequeno e é difícil a interferência. • Bluetooth e 802.11 operam na banda de 2,4 Ghz. A Camada Física

12. Bandas ISM ISM – Industrial, Scientific, Medical – Bandas reservadas pelos governos para uso sem licença, regulando a potência utilizada. Banda ISM no Brasil, tem muita coincidênciacom EUA. 2,4GHz – usadas pelo 802.11b/g 5 GHz – usadas pelo 802.11a - Ambas usadas pelo 802.11n A Camada Física

13. Modulação Digital e Multiplexação Modulação Digital: processo de conversão entre bits e sinais que os representam; • Transmissão de Banda Base: o sinal ocupa frequências de zero até um máximo (depende da taxa de sinalização) – os bits são convertidos diretamente em sinais – comum para fios; • Transmissão de Banda Passante: o sinal ocupa uma banda de frequências em torno da frequência do sinal da portadora; regulam amplitude, fase ou frequência de um sinal da portadora para transportar bits. A Camada Física

14. Transmissão em Banda Passante Modulação: Processo de variar periodicamente uma forma de onda para utilizar aquele sinal para transportar uma mensagem. Realizado pelo modem. Sinal binário; Modulação por mudança de amplitude (ASK – Amplitude ShiftKeying) Modulação por mudança de frequência (FSK – Frequency ShiftKeying) Modulação por mudança de fase (BPSK – BinaryPhaseShiftKeying) A Camada Física

15. Taxa de bits Baud: Número de amostras por segundo. Durante cada baud é enviado um símbolo. Uma linha de 2400 bauds, envia 2400 símbolos/s. Taxa de bits: Se o símbolo consiste em 0 volts para indicar 0 lógico, e 1 volt para indicar valor 1 lógico, a taxa de bits é 2400 bps. Se usar as voltagens 0,1,2,3 cada símbolo consiste em 2 bits, e assim uma linha de 2400 bauds pode transmitir 2400 símbolos/s a uma taxa de bits de 4800 bps. Utiliza-se técnicas avançadas para transmitir vários bits por baud. Taxa de bits (bps) = símbolos/s * bits/símbolo A Camada Física

16. Modulações mais eficientes (a) QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 4 combinações de fase => 2 bits por símbolo. (b) QAM-16(Quadrature Amplitude Modulation )16 combinações de amplitude e fase => 4 bits por símbolo. (c) QAM-64- 64 combinações de amplitude e fase => 6 bits por símbolo. A Camada Física

17. Multiplexação Multiplexar:Combinarem um únicosinalváriosfluxos de dados paracompartilharumamesmalinha com váriosusuários. FDM (Frequency Division Multiplexing) MuliplexaçãoporDivisão de Frequência: o espectro é divididoembandas de frequência, tendocadausuário a posse exclusiva de algumabanda. Ex: 3 canais de voz, limitados a 3100Hz multiplexados OFDM– Orthogonal Frequency Division Multiplexing: usada no 802.11 e 802.16. A Camada Física

18. TDM e CDM TDM (Time Division Multiplexing): Cadausuárioobtém a largura de bandainteirapordeterminadoperíodo de tempo; CDM (Code Division Multiplexing): cadaestaçãousa o espectro de frequência o tempo todo: as txssãoseparadasusandocodificação. Poristochamada de CDMA (Code Division Multiple Access). Comparação: Suponha um saguão de aeroporto com pares de pessoasconversando. TDM: um par fala de cadavez. FDM: gruposseparadosfalamsimultaneamenteem tons de vozdiferentes. CDM: Todosfalamsimultaneamenteemidiomasdiferentes (o quenão é francês é ruído…). A Camada Física

19. RedePública de TelefoniaComutada PSTN – Public Switched Telephone Network : é útil aproveitar a infra-estrutura existente para o envio de dados. O uso de transmissãoanalógica e digital paraumachamada de computador a computador. A conversação é feitausando modems (Modulador-demodulador) e codecs (Codificador-decodificador : paraatingircertamedida de compressão). A Camada Física O Circuito Terminal: Modems

20. O Sistema de TelefoniaMóvel PrimeiraGeração - VozAnalógica; Emoperaçãodesde a década de 60; Criou a ideia de célula: utiliza um conjunto de frequênciasnãoutilizadoporcélulasvizinhasparaevitarinterferência. No centrodacélulahá a estação base (BS) - retransmissorade rádio. • SegundaGeração: Voz Digital: D-AMPS (Digital AMPS); GSM - usadonaEuropa – acaboudominando; CDMA - usadonos EUA: base p/ 3G; A Camada Física

21. O Sistema de TelefoniaMóvel • TerceiraGeração: Voz Digital e Dados (smart phones). Há 2 propostas: W-CDMA - Wideband CMDA (Ericsson) - uniãoeuropéia o chamou de UMTS; CDMA2000dos EUA (Qualcomm). • QuartaGeração: LTE (Long Term Evolution) . Alguns dos requisitosespecificadospela ITU parausar o termo 4G: • Comutação de Pacotes (nãocircuitos); • RTT abaixo de 10ms • Alta Largura de Banda: Taxa de pico de Uplink – até 50Mbps; Taxa de pico de downlink – até 100Mbps com altamobilidade; • Conectividade em todo lugar; • Integração uniforme com IP; (e outros requisitos...) A Camada Física

22. O nível de Enlacede Dados • Obter uma linha de transmissão e oferecê-la livres de erros para o nível 3. • Questões típicas: • Quantos bits serão transmitidos de cada vez? (Definição dos quadros de dados) • Como delimitar estes bits? • Se um quadro foi destruído como corrigir? (Retransm.) • Se o reconhecimento de um quadro for destruído como corrigir? (Lidar com duplicação de quadros) • Como regular o tráfego se o tx é mais rápido que o rx? • Como controlar o acesso a um canal compartilhado em redes de difusão? Nível Enlace

23. Papel do Nível Enlace Nível Enlace Nível enlace – Fornece ao nível superior (Rede) a capacidade de pedir o estabelecimento ou liberação dos meios físicos associados ao Nível Físico. Permite comunicação eficiente e confiável entre dois computadores adjacentes, ou conectados por meio de um canal de comunicação que funciona conceitualmente como um fio (pode ser cabo coaxial, ou canal sem fio): os bits são entregues na ordem exata em que são enviados.

24. Quadro • As unidades de informação transferidas chamam-se quadros. Cada protocolo tem um formato de quadro próprio. Relação entre pacotes (N3) e quadros (N2): • Dividir um fluxo de bits em quadros: permitir que o receptor encontre o início de um quadro sem gastar muita banda para isto. Nível Enlace

25. Serviços fornecidos a camada de Rede • Fluxo de dados em um roteador. Nível Enlace

26. Serviços fornecidos a camada de Rede C O N F I A B I L I D A D E Nível Enlace Serviços oferecidos com freqüência pelo Nível 2: • Serviço sem conexão e sem confirmação; Ex: Ethernet. • Serviço sem conexão com confirmação; Ex: WiFi • Serviço com conexão e confirmação. (Quando enlaces são longos, não confiáveis); Ex: Satélites

27. Serviços oferecidos - 2 Nível Enlace • Controle de erro:Detecta e possivelmente corrige erros que possam ocorrer na troca de informações do Nível Físico. O nível de Rede é notificado de erros não recuperáveis. Tarefas importantes: gerência de timers e número de seqüência de quadro; • Controle de fluxo: manter regras bem definidas sobre quando o transmissor pode enviar o quadro seguinte. Controla a taxa de transferência na interface com o Nível de Rede. Ex: smartphone pede página a servidor Web potente

28. Detecção e Correção de Erros Nível Enlace Há 2 estratégias para tratar erros: • Código de correção de erros(FEC-ForwardErrorCorrection). Incluir informação redundante em cada bloco de dados para que o rx deduza os dados transmitidos. Utilizado em canais que geram muitos erros. Ex: wireless. • Código de detecção de erros: Incluir redundância apenas para permitir que o rx deduza que houve um erro, mas sem identificar qual. Em canais altamente confiáveis basta detectar o erro (Ex: fibra); É acrescentada à mensagem, um código (CRC) montado a partir de uma combinação polinomial dos dados que compõem o quadro. O recebedor confere o CRC, realizando a mesma combinação e comparando o CRC obtido com o recebido.

29. Protocolos Básicos Umaimplementaçãocomum: • na NIC (Network Interface Card) funcionam o processodacamadafísica e parte dacamada de enlace. • O restantedacamada de enlace e redesão parte do SO. Nível Enlace

30. Sub-Camada de Controle de Acesso ao Meio Nível Enlace • Em redes de difusão, normalmente utilizadas em LANs, é necessário determinar quem tem direito de usar o canal quando há uma disputa por ele. • A subcamada da Camada de Enlace que cuida desta tarefa é chamada de subcamada MAC (Medium Access Control). • Nenhum dos métodos estáticos tradicionais de alocação de canais funciona bem com tráfego de rajadas. Se dividir a banda (ou tempo) entre N usuários e tiver mais ou menos que N?

31. Alocação Dinâmica de canais Nível Enlace Premissas fundamentais para formular problema de alocação: • Tráfego Independente: Há N estações independentes que geram quadros para transmissão. • Canal Único: Todas as estações podem transmitir e receber por um único canal; • Colisão: Dois quadros transmitidos simultaneamente se sobrepõem no tempo e o sinal resultante é adulterado. Quadros que colidiram devem ser retransmitidos; • Tempo: Contínuo – tx começa a qualquer instante Segmentado - Tempo dividido em slots ; • Detecção de portadora: As estações podem ou não detectar se o canal está sendo usado. Estas premissas estão envolvidas nos métodos de alocação de canais, dos quais veremos CSMA/CD e CSMA/CA.

32. CSMA / CD - Apresentação Nível Enlace CSMA/CD – Carrier SenseMultiple Access withCollisionDetection. Comparação: Um jantar em uma sala escura. As pessoas ao redor da mesa devem escutar, aguardando um período de silêncio, antes de falar (Carrier Sense). Quando há espaço, qualquer pessoa tem chance igual de falar (Multiple Access). Se duas pessoas falarem ao mesmo tempo, detectam o fato (CollisionDetection) e param de falar. Quando uma estação detecta uma colisão e interrompe a transmissão, deve esperar um tempo aleatório para tentar retransmitir o pacote.

33. CSMA / CD Nível Enlace O CSMA/CD pode estar em um destes tres estados: disputa, transmissão ou inatividade. As colisões podem ser detectadas verificando-se a potência e a largura do pulso do sinal recebido e comparando-o com o sinal transmitido.

34. IEEE 802 Nível Enlace • O IEEE padronizou várias redes locais e metropolitanas com o nome de IEEE 802. • Alguns sobreviveram, outros não. Difícil prever: • Entre os sobreviventes: • 802.3 (Ethernet), • 802.11 (WiFi). • 802.15 (Bluetooth) • 802.16 (WiMax).

35. 802.3 – O quadro (1) Nível Enlace • Endereço Ethernet – (MAC address) – contém 6 bytes: • Os 3 primeiros atribuídos pela IEEE às organizações que constroem interfaces Ethernet; • Os 3 últimos bytes são atribuídos pela organização. • Exemplo: 06-0A-00-19-BC-24 • O primeiro bit é 0 para endereços comuns e 1 para endereços de grupos (Multicast). • Endereço com todos os bits em 1 são recebidos por todas as estações (Broadcast).

36. 802.3 – O quadro (2) Nível Enlace • Formato do quadro (a) Formato Ethernet (DIX) (b) Formato 802.3. (as 2 maneiras podem ser usadas pois muito difundidas) • Preâmbulo: 7 bytes 10101010 – sinalização de ocupação do meio. Permite sincronização entre clock do receptor e do transmissor (a nível de bit). • IdQ (Início de quadro) – 1 byte para sincronismo a nível de quadro.

37. 802.3 – O quadro (3) Nível Enlace Felizmente, todos os valores do campo tipo usados até 1997, eram maiores que 1500, o tamanho máximo do quadro, e assim, IEEE padronizou que se o campo contiver um número menor ou igual a 0x600 (1536) bytes é interpretado como tamanho

38. 802.3 - Colisão Há um comprimento mínimo de quadro Nível Enlace

39. 802-3 –Recuo Binário Exponencial Nível Enlace O tempo é dividido em slots discretos de tamanho igual ao pior tempo de propagação de viagem de ida e volta (2t). Depois da primeira colisão, cada estação espera 0 ou 1 slot antes de tentar novamente. Depois da segunda colisão, cada estação espera 0,1,2 ou 3 tempos de slot. Se ocorrer uma terceira colisão (cuja probabilidade é 0,25), na próxima vez o número de slots que deverá esperar é escolhido ao acaso entre 0 e 23-1. Após i colisões, é escolhido um número aleatório entre 0 e 2i-1. Acontece um congelamento em 1023 após 10 colisões.

40. Fast Ethernet – 802.3u Nível Enlace • Decisão IEEE: Manter o 802.3 apenas tornando-o mais rápido. Motivação: • Manter o cabeamento existente – compatibilidade com as redes existentes; • Medo de protocolo novo trazer problemas inesperados; • Manter o emprego. • Assim, mantém o formato dos pacotes, interfaces, regras e reduz o tempo do bit. • Para não abandonar as placas existentes de 10Mbps, o switch permite que duas estações negociem automaticamente a velocidade ideal ou o tipo de duplex. O comum hoje é o switch 10/100/1000.

41. GigabitEthernet Nível Enlace Objetivo: tornar a Ethernet 10 vezes mais rápida, mantendo a compatibilidade retroativa com os padrões Ethernet existentes. A padronização mais popular foi chamada IEEE 802.3ab Configurações ponto-a-ponto e não multiponto como no padrão original.

42. 802.3ae – 10Gigabit Ethernet Nível Enlace Funciona apenas em fibra, só opera em modo full-duplex, os protocolos de detecção de colisão são desnecessários; Expandiu o padrão Ethernet para uso em redes metropolitanas (MAN) e redes de longa distância (WAN), mantendo princípios de operação e administração de redes; Aindaháautonegociaçãopara ser flexível

43. ARP – Address Resolution Protocol ARP mapeia endereços IP em endereços de enlace. Responde à pergunta: A quem pertence tal endereço IP? Há broadcast na rede perguntando o MAC de tal IP. Caso 1: Hosts na mesma rede. Ex: Host 1 tx para Host 2 Nível Enlace

44. ARP em redes diferentes Nível Enlace Caso 2: Hosts em redes diferentes. Ex: Host 1 (65.7) tx para Host 4 (63.8): não é IP de sua rede, coloca MAC do rot. Roteador pega o quadro e procura IP em suas tabelas, descobre para que roteador mandar (talvez ARP na sua rede para descobrir o MAC deste roteador); Último roteador troca seu MAC pelo MAC de destino do host 4 (talvez ARP na sua rede para descobrir).

45. Redes sem Fio • Tipos de Redes • Redes Infra-estruturadas • A Estação Móvel está em contato direto com um Ponto de Acesso. • Redes Ad-Hoc • Os nós são capazes de trocar, diretamente, informações entre si. • Redes Mesh • Os nós são capazes de trocar, diretamente, informações entre si, mas contam com uma infraestrutura de apoio. Nível Enlace

46. MH FH FH MH AP FH MH AP – Access Point FH – Fixed Host MH – Mobile Host Tipos de Redes <= Infra-Estruturadas Ad Hoc=> Nível Enlace

47. Redes Mesh Nível Enlace

48. Tecnologias de Redes sem Fio Nível Enlace

49. Alcance das Redes sem Fio WWAN IEEE 802.20 (MBWA) WMAN IEEE 802.16 (WiMAX) WLAN IEEE 802.11a/b/g WPAN IEEE 802.15 Bluetooth, WUWB, ZigBee 0-10m 50m 75m 100m 10km 15km Nível Enlace

50. WPAN – Wireless PersonalArea Networks • Bluetooth (IEEE 802.15.1) • Ultra WideBand(IEEE 802.15.3) • Zigbee(IEEE 802.15.4). • Conjunto de dispositivos de uma pessoa dispostos, ao redor desta, como uma bolha, dispositivos que podem se mover e se conectar entre si. Nível Enlace