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1 Unidade III Camada 1 Física (Physical Layer) Hercules Zimmermann Willig Camada Física � A Camada física transforma os quadros da camada de enlace (ou link) de dados em sinais compatíveis com o meio que será usado (radio, luz, microondas, etc) � Transfere assim os quadros da camada superior � Não entende o significado dos 0s e 1s que são transmitidos � Não inclui o meio (o cabeamento), apenas a placa de rede, conectores e o tipo de cabo Camada Física � A camada física provê características físicas, elétricas, funcionais e procedimentos para ativar, manter e desativar conexões entre duas partes. � Ela está ligada diretamente à transmissão de bits primários por um canal de comunicação. � As tarefas de planejamento desta camada devem garantir que quando um lado envia um bit 1, este é recebido do outro lado como um bit 1, não como um bit 0. Camada Física � É o nível de comunicação física dos circuitos que compreende as especificações do hardware (documentados em padrões internacionais): ethernet 802.3, RS-232, V.22, V.24, V.35, etc � Nesta camada são revisadas tarefas básicas como: � Acoplamento dos níveis de voltagem, � Os fatores de tempo (velocidades de transmissão), � A definição de se a comunicação é serial ou paralela, � Se o modo de operação é full-duplex ou half-duplex e � Regras para inicio estabelecimento e terminio da comunicação Funções camada � A camada física possui ainda as seguintes funções: � Estabelecimento / encerramento de conexões � Transferencia de dados � Gerenciamento das conexões Funções da camada � Estabelecimento/encerramento de conexões: ativa e desativa conexões físicas mediante a solicitação das entidades da camada de enlace; � Transferência de dados: a unidade de transmissão utilizada é o bit. O nível físico tem como função transmitir os bits na mesma ordem em que chegam da camada de enlace (no sistema de origem) e entregá-los à camada de enlace na mesma ordem que chegaram (no sistema de destino); � Gerenciamento das conexões: gerência da qualidade de serviço das conexões físicas estabelecidas. Deve monitorar taxa de erros, disponibilidade de serviço, taxa de transmissão, atraso de trânsito etc. 2 Camada Física � Podemos relacionar abaixo, as principais características inerentes a camada física: � Mecânicas � Elétricas � Funcionais � Procedurais Principais características � mecânicas: propriedades físicas da interface com o meio físico de transmissão, topologia física, incluindo, por exemplo, o tipo de conector utilizado; � elétricas: se relacionam com a representação de um bit em termos de, por exemplo, nível de tensão utilizado e taxa de transmissão de bits (clocking); � funcionais: definem as funções a serem implementadas por esta interface; � procedurais: especificam a seqüência de eventos trocados durante a transmissão de uma série de bits através do meio de transmissão. Fundamentos da Camada Física Fundamentos da Transmissão � As características elétricas dos componentes utilizados num sistema de cabeamento determinam a eficiência do transporte de sinais do sistema. � Essas características elétricas determinam a qualidade dos sinais e a distância máxima em que eles podem trafegar Fundamentos da Camada Física Fundamentos da Transmissão � Resistência � É a propriedade de um condutor resistir ao fluxo de eletricidade através dele. � Expressa em Ohms (é a voltagem sobre a amperagem fluxo de corrente) � Frequência � É o número de ciclos (positivos ou negativos) que ocorrem na corrente � Medida em Hertz � Capacitância � É a propriedade dos condutores que permitem um armazenamento de cargas elétricas quando diferenças de potencial (tensões) existem entre os mesmos � Medida em Farads Fundamentos da Camada Física Fundamentos da Transmissão � Indutância � É a propriedade que se opõe à mudança no fluxo de corrente de um circuito � É medida em henry’s � Impedância � Em oposição total ao fluxo de corrente em fluxos de corrente alternada � Combina os efeitos da resistência, indutância e capacitância do circuito � NEXT (Near End Crosstalk) � É um sinal que é induzido em pares adjacentes por um par transmitindo um sinal � Medido em dB (decibel) Fundamentos da Camada Física Taxa de transmissão máxima de um canal Taxa de transmissão máxima de um canal é afetada por: �pela largura de banda do canal �pelos ruídos �pela atenuação �por ecos 3 Fundamentos da Camada Física � Banda passante banda passante de um sinal é o intervalo de freqüências que compõe o sinal. � Por Exemplo: A banda passante do ouvido humano vai de 20 Hz a 20 kHz � largura de banda (bandwidth) largura de banda ou bandwidth é o tamanho da banda passante (diferença entre a maior e a menor freqüência). � Por Exemplo: A largura de banda do ouvido humano é 20.000 - 20 = 19.980 Hz Banda passante do meio físico Banda passante para o sinal Frequência Hz 0 Hz Fundamentos da Camada Física Fontes de distorção de sinais � Ruido � Atenuação � Ecos Fundamentos da Camada Física Fontes de distorção de sinais Ruído � Em qualquer transmissão o sinal recebido é sempre igual ao sinal transmitido modificado por distorções impostas por meios físicos e por distorções inseridas através de interferências indesejáveis (ou ruídos). � O ruído faz uma mensagem chegar distorcida ao seu destino, destituindo-a de seu significado real. � Os Ruídos são a maior limitação no desempenho dos sistemas de comunicação. Fundamentos da Camada Física Fontes de distorção de sinais Tipos de ruído � Térmico � Intermodular � Crosstalk � Impulsivo Fundamentos da Camada Física Tipos de ruido � Térmico: causado pela agitação dos elétrons nos Condutores. presente em todos os dispositivos eletrônicos e meios de transmissão.É uniformemente distribuído em todas as freqüências do espectro (ruído branco), com quantidade definida em função da temperatura. � Intermodular: causado pelo compartilhamento de um mesmo meio físico (através de multiplexação de freqüência) por sinais de diferentes freqüências. Ocorre em geral devido a defeitos de equipamento ou na presença de sinais de potência muito alta. Fundamentos da Camada Física Tipos de ruido � Crosstalk: causado pela interferência indesejável entre condutores muito próximos que induzem sinais entre si (linhas telefônicas cruzadas, cabos de pares trançados em redes Ethernet, por exemplo). � Impulsivo: pulsos irregulares de grande amplitude, não contínuos e de difícil prevenção. Tem origem em várias fontes: distúrbios elétricos externos, falha de equipamento, etc. Na transmissão analógica, sendo de curta duração, não causam danos. Na transmissão digital são a maior causa de erros. 4 Fundamentos da Camada Física Atenuação � Quando a potência de um sinal cai com a distância. � Acontece devido às perdas de energia por calor e radiação. � Quanto maior for a freqüência transmitida, maior será a perda. � Em transmissão digital, a atenuação é facilmente corrigida desde que não ultrapasse um determinado valor máximo, através da colocação de repetidores que podem recompor totalmente o sinal. Fundamentos da Camada Física Ecos � Causam efeitos semelhantes ao ruído. � São sinais refletidos quando ocorre uma mudança de impedância em uma linha, podendo corromper os sinais que estão sendo transmitidos. � Impedância é a resistência elétrica imposta a passagem de corrente alternada Fundamentos da Camada Física EMI – interferência eletromagnética � São formas de interferência em um sinal por alguma fonte interna ou externa � Algumas fontes: � Rádio transmissores � Transceptores portateis � Linhas de força � Radar � Telefones celulare � Iluminação � Motores elétricos � Localizadores eletrônicos Fundamentos da Camada Física Multiplexação � Multiplexação é o nome dado ao artifício de fazer com que mais de um sinal seja transmitido pelo mesmo meio físico dividindo-o em mais de um canal; Existem duas formas de multiplexação: � por freqüência (FDM): Sobreo mesmo canal de transmissão são criados subcanais cada um utilizando uma faixa de freqüência � por tempo(TDM): Sobre um mesmo canal de transmissão são criados subcanais cada um utilizando um determinado momento do tempo Fundamentos da Camada Física Multiplexação Fundamentos da Camada Física Modulação � A transmissão de dados digitais numa linha analógica é feita através de modulação de uma onda portadora � A modulação é a "modificação" que o transmissor faz na portadora para transmitir os dados � O transmissor modula a portadora com base na seqüência de bits � O Receptor identifica cada modulação e extrai da portadora a seqüência de bits original 5 Fundamentos da Camada Física Modulação � Os principais modos de modulação são: � Por amplitude: � Por Freqüência: � Por fase: Fundamentos da Camada Física Modulação Fundamentos da Camada Física Comutação � Comutação de circuitos: os recursos necessários ao longo de um caminho para promover comunicação entre os sistemas finais ficam reservados pelo período de duração da sessão. � Comutação de pacotes: os recursos não ficam reservados por sessão, os pacotes usam o recurso por demanda. Ex. dos restaurantes com e sem reserva. Fundamentos da Camada Física Comutação Fundamentos da Camada Física Transmissão de dados Assíncrona e Síncrona � Na transmissão assíncrona, os caracteres são enviados um a um, sem controle do tempo entre um e outro. � O início de cada caractere é indicado por um bit de início (start bit) e o fim do caractere é indicado por um bit de fim (stop bit) que indica o término desse caractere. � Quando um novo start bit for transmitido, indica o início de um novo caractere. � A transmissão assíncrona é utilizada em baixas velocidades, sendo uma solução de baixo custo. Fundamentos da Camada Física Transmissão de dados Assíncrona e Síncrona � Na transmissão síncrona, os caracteres são enviados em blocos. � Os caracteres são transmitidos em intervalos de tempo definidos e não aleatoriamente como no assíncrono. � Caracteres de sincronismo são enviados ao longo da transmissão, sincronizando assim o início dos blocos de caracteres. 6 Fundamentos da Camada Física Transmissão de dados Assíncrona e Síncrona � A transmissão síncrona é utilizada em altas velocidades e os equipamentos, para operarem com ela, necessitam de placas que gerem o sincronismo necessário para o envio dos blocos de caracteres, o que faz com que seja uma forma de transmissão de custo mais elevado do que a assíncrona. Camada Física Meios de transmissão Cabeamento de Rede � É o meio físico por onde circulam os sinais entre o Servidor, as Estações de Trabalho e os Periféricos, podem ser de vários tipos. � É no Cabeamento de Rede onde concentram-se o maior número de problemas, em parte pela qualidade dos componentes e por outra parte, pelo tipo de Cabeamento adotado. Camada Física Meios de transmissão A Evolução do Cabeamento � Até o final dos anos 80 o cabeamento serviam apenas a uma aplicação, ou sejam eram sistemas dedicados, � As taxas de transmissão limitadas ao no máximo 16MB/s. � Em 1985, por a falta de uma norma os representantes das industrias de telecomunicações e informática solicitaram para a CCIA – Computer Communication Industry Association, normas � Então a EIA – Eletric Industry Association desenvolveu em julho de 1991 a 1ª versão da EIA/TIA 568 � Subseqüentemente, vários boletins técnicos foram sendo emitidos e incorporados a esta norma. � Em janeiro de 1994, foi emitido o EIA/TIA 568 � Atualizada em 2000 com mais normas e suas complementares, 569, 606 e 607, � Entendeu-se que o cabeamento deve ser de arquitetura aberta � O sistema de cabeamento com fibra óptica foi complementado e tornou-se escopo do projeto. Camada Física Meios de transmissão O Cabeamento Estruturado � Permite o tráfego de qualquer tipo de sinal elétrico de áudio, vídeo, controles ambientais e de segurança, dados e telefonia, convencional ou não, de baixa intensidade, independente do produto adotado ou fornecedor. � Possibilita mudanças, manutenções ou implementações de forma rápida, segura e controlada (administração e documentação) � Identificação que não permite erros ou dúvidas quanto aos cabos, tomadas, posições e usuários. � Combina requisitos (mínimos) relativos à distâncias, topologias, pinagens, interconectividade e transmissão, permitindo desta forma que atinja-se o desempenho esperado. � É instalado em pisos, canaletas e dutos, este sistema tem uma vida útil de no mínimo 10 anos. Camada Física Meios de transmissão � Os sinais de telecomunicação podem fluir de várias maneiras diferentes, que incluem: � Ondas de rádio � Sinais elétricos em cabos � Pulsos de som � Feixes de luz: � Através do ar � Através de uma fibra ótica Camada Física Meios de transmissão � Em redes de computadores, os principais tipos de cabeamento são: � Par trançado � Coaxial � Fibra óptica � Wireless 7 Camada Física Meios de transmissão O cabo de par trançado � São pares de fios se entrelaçam por toda a extensão do cabo, mantendo uma distância fixa entre si, evitando assim interferências externas, ou do sinal de um dos fios para o outro. Camada Física Meios de transmissão � Cabo coaxial � A: revestimento de plástico B: tela de cobre C: isolador dialétrico interno D: núcleo de cobre � O cabo coaxial é constituído por diversas camadas concêntricas de condutores e isolantes, daí o nome coaxial. � O cabo coaxial é constituído por um fio de cobre condutor revestido por um material isolante e rodeado duma blindagem. Camada Física Meios de transmissão � São utilizados nas topologias físicas em barramento. � Características e funcionamento � A blindagem eletromagnética é feita pela malha circular metálica, criando uma gaiola de Faraday, isolando deste modo o condutor interior de interferências, o inverso também é verdadeiro. � O cabo coaxial é dividido em dois tipos: cabo coaxial fino (thinnet) ou cabo coaxial 10Base2, e cabo coaxial grosso (thicknet) ou cabo coaxial 10Base5. � A velocidade máxima de transmissão é de 10 Mbps. Camada Física Meios de transmissão Fibra óptica � Fibra óptica é um filamento, de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de transmitir luz. � Estes filamentos têm diâmetros variáveis � As ondas electromagnéticas mais utilizadas são as correspondentes à gama da luz infravermelha. � O meio de transmissão por fibra óptica é chamado de "guiado", contrariamente à transmissão "sem-fio", cujo meio é chamado de "não-guiado". Camada Física Meios de transmissão Fibra óptica � Baixa taxa de atenuação por quilômetro. Mas a velocidade de transmissão total possível ainda não foi alcançada pelas tecnologias existentes. � Como a luz se propaga no interior de um meio físico, sofrendo ainda o fenômeno de reflexão, ela não consegue alcançar a velocidade de propagação no vácuo, que é de 300.000 km/segundo � Alguns cabos que atravessam o oceano Atlântico têm capacidade para 200 milhões de circuitos telefónicos! � O componente fotoemissor pode ser um diodo emissor de luz (LED) ou um diodo laser que converte sinais elétricos em pulsos de luz que representam os valores digitais binários (0 e 1). Camada Física Meios de transmissão Vantagens � Dimensões Reduzidas - Capacidade para transportar grandes quantidades de informação � Atenuação muito baixa � Imunidade às interferências electromagnéticas; � Matéria-prima muito abundante. � Tipos de fibras � Basicamente de dois modos: � Monomodo: � Dimensões menores que do outro tipo � Maior banda passante por ter menor dispersão. � Multimodo: � Permite o uso de fontes luminosas como LEDs (mais baratas). � requerem pouca precisão nos conectores 8 Camada Física Meios de transmissão Os tipos de Pares trançados são: � Unshielded Twisted Pair - UTP ou Par Trançado sem Blindagem: � É o mais usado (em redes domesticas e industriais) � Taxas de 10 até 1000 Mbps conforme a categoria� Mais barato para distâncias não superiores a 200 � Estrutura é de quatro pares de fios entrelaçados e revestidos por uma capa de PVC � Shield Twisted Pair - STP ou Par Trançado Blindado (cabo com blindagem): � É igual ao UTP com uma blindagem feita com a malha do cabo. � Para ambientes com interferência eletromagnética e umidade. � É mais caro, menos usado e necessita de aterramento. � Screened Twisted Pair - ScTP ou Par Trançado Laminado � Também referenciado como FTP (Foil Twisted Pair), � Os cabos são cobertos por uma pelicula de metal e enrrolada sobre todos os os pares Trançados. Maior controle de EMI � Exije o aterramento do mesmo. Camada Física Meios de transmissão Categoria � Os cabos UTP foram padronizados pelas normas da EIA/TIA com a norma 568 e são divididos em 5 categorias, levando em conta o nível de segurança e a bitola do fio � Esses cabos contém 4 pares de fios, que são crimpados (ligados ao conector) com uma determinada combinação de cores onde existem dois padrões de Terminadores: T568A e o T568B. � Categoria do cabo 1 ( Voz): possui medida 26 AWG. Não é mais usada. � Categoria do cabo 2 (Dados - LocalTalk): antiga rede token ring (4 Mbps). Não é mais usada. � Categoria do cabo 3: padronizado para transmissão de dados (16 MHz e dados a 10 Mbps Ethernet). Não é mais usada. Camada Física Meios de transmissão � Categoria do cabo 4: para transmissão até a frequência de 20 MHz e dados a 20 Mbps foi usado em redes token ring a uma taxa de 16 Mbps. Não é mais usada � Categoria do cabo 5: usado em redes fast ethernet em frequências de até 100 MHz com uma taxa de 100 Mbps. Novas categorias foram adicionadas: � Categoria do cabo 5e: é uma melhoria da categoria 5. Pode ser usado para frequências até 125 MHz em redes 1000BASE-T gigabit ethernet. � Categoria do cabo 6: definido pela norma ANSI TIA/EIA 568B-2.1 possui bitola 24 AWG e banda passante de até 250 MHz para redes gigabit ethernet (1.000 Mbps). � Categoria 7:em fase de aprovação e testes. Camada Física Meios de transmissão Cores � A seqüência de cores que a norma EIA/TIA 568A determina: branco e verde, verde, branco e laranja, azul, branco e azul, laranja, branco e marrom, marrom. � Essa seqüência deve ser usada pra ligar um computador a um hub. � Se você quer ligar dois computadores diretamente deve ter o cuidado de inverter os fios 1 de um conector com o 3 do outro e o 2 de um com o 6 do outro. Crossover � Existem também limites de comprimentos para esse tipo de cabo. É recomendado um limite de 80 à 100 metros de comprimento para que não haja lentidão e perda de informações. Camada Física Meios de transmissão Camada Física Meios de transmissão Montagem do Cabo de Rede de Par Trançado � 1 - Corta-se o cabo no comprimento desejado. � 2 - Em cada ponta, com a lamina do alicate climpador retira- se a 2 cm da capa de isolamento azul. � 3 - Prepare os oitos pequenos fios para serem inseridos dentro do conector, obedecendo a seqüência de cores desejada. Após ajustar os fios na posição corta-se as pontas dos mesmos com um alicate ou com a lamina do próprio climpador para que todos fiquem no mesmo alinhamento e sem rebarbas, para que não ofereçam dificuldades na inserção no conector RJ-45. � 4 - Segure firmemente as pontas dos fios e os insira cuidadosamente no conector observando a posição correta. � 5 - Examine o cabo contra a luz, para verificar se os fios estão inseridos totalmente nos pinos do conector. � 6 - Inserir o conector já com os fios colocados dentro do alicate climpador, e pressionar até o final. 9 Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado � Um sistema de cabeamento estruturado compõem- se de 6 subsistemas, cada qual tendo suas próprias especificações de instalação, desempenho e teste. � Cabeamento Horizontal (Horizontal Cabling); � Área de Trabalho (Work Area); � Cabeamento Vertical (Back Bone); � Armário de Telecomunicações (Telecommunications Closet); � Sala de Equipamento (Equipments Room); � Entrada de Facilidades (Entrance Facilities). Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado � Cabeamento Horizontal (Horizontal Cabling) � Definição Geral � É a parte do sistema de cabeamento estrutura que contém a maior quantidade de cabos instalados, estende-se da tomada de telecomunicação instalada na área de trabalho até o armário de telecomunicação. É chamado de horizontal devido aos cabos correrem no piso, suspensos ou não, em dutos ou canaletas. Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Área de Trabalho (Work Area) � Área de trabalho, também chamada no inglês de work area, é o local onde o usuário começa à interagir com o sistema de cabeamento estruturado, é neste local que estão situados seus equipamentos de trabalho, estes equipamentos podem ser: � Computador; � Telefone; � Sistemas de armazenagem de informações; � Sistema de impressão; � Sistema de videoconferência; � Sistema de controle. Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Área de Trabalho (Work Area) Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Cabos Verticais (BackBone Cabling) � A função básica dos cabos verticais ou backbone cabling é interligar todos os armários de telecomunicação instalados nos andares de um edifício comercial (backbone cabling) ou vários edifícios comerciais (campus backbone), onde também serão interligadas as facilidades de entrada (entrance facilities). � A topologia adotada para os Cabos Verticais é a Estrela. � Os principais fatores a serem considerados quando de dimensionamento dos cabos verticais são: � Quantidade de área de trabalho; � Quantidade de armários de telecomunicações instalados; � Tipos de serviços disponíveis; � Nível de desempenho desejado. 10 Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Armário de Telecomunicação (Telecommunication Closet) � Quando instalamos todos os cabos do cabeamento horizontal, fazemos sua instalação em cada área de trabalho e na outra ponta, no hardware de conexão escolhido. � Este hardware de conexão deve ser protegido contra o manuseio indevido por parte de pessoas não autorizadas, para que isto não aconteça, instalamos todos os hardwares de conexão, suas armações, racks, e outros equipamentos em uma sala destinada para esta função locada em cada andar, esta sala é chamada de armário de telecomunicação (telecommunication closet). Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Armário de Telecomunicação (Telecommunication Closet) � Um armário de telecomunicações deve ser instalado levando-se em conta algumas premissas: � Quantidade de áreas de trabalho; � Disponibilidade de espaço no andar; � Instalação física. Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Sala de Equipamentos (Equipments Room) � A sala de equipamentos é o espaço reservado dentro do edifício ou área atendida onde esta instalado o distribuidor principal de telecomunicações, que irá providenciar a interconexão entre os cabos do armário de telecomunicações, backbone cabling ou campus backbone, com os equipamentos de rede, servidores e os equipamentos de voz (PABX). � Existem algumas regras que devem ser seguidas quando da instalação da sala de equipamentos: � Área maior ou igual a 14m2 ; Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado Sala de Equipamentos (Equipments Room) � Instala-lo fisicamente à um mínimo de 3m de qualquer fonte de interferÊncia eletromagnética, como cabinas de força, máquinas de Raio X, elevadores, sistemas irradiantes; � Instalar tomadas elétricas a cada 1,5m; � Instalar uma iluminação com um mínimo de 540 Luz/m2 � Deve ser instalado longe de infiltração de águas fluviais, esgotos e outros afluentes. Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado � Facilidades de Entrada (Entrance facilities) � As facilidades de entrada estão relacionadas com os serviços que estarão disponíveis para o cliente, estes serviços podem ser de: � Dados; � Voz; � Sistema de Segurança;� Redes Corporativas; � Outros serviços. Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado 11 Camada Física Sistema de Cabeamento Estruturado
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