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REDES I – REDES DE COMUNICAÇÃO E NORMAS AULA 5 Prof. Luis José Rohling 2 CONVERSA INICIAL O surgimento da internet levou ao desenvolvimento de uma grande gama de novos serviços e também possibilitou o acesso a uma base de informações com proporções antes inimagináveis. E o acesso a esses serviços e informações, inicialmente, era possível apenas com a utilização de um computador de uma linha telefônica. Assim, como as redes telefônicas já estavam sendo implementadas há muitas décadas, praticamente todos tinham acesso à internet, bastando a aquisição de um computador. Com essa facilidade de acesso, a expansão da internet foi algo natural, aumentando a demanda por novas conexões continuamente. E além do aumento do número de usuários, tivemos também o aumento da base de informações contidas na rede, em um processo de crescimento exponencial. No entanto, esta tecnologia, que era conhecida como acesso de linha discada, apesar de tornar o acesso à internet disponível praticamente a todas as pessoas, apresentava uma série de limitações, tanto tecnológicas quanto em relação aos custos envolvidos. Além da aquisição do computador e da linha telefônica, o que no Brasil já representava um custo significativo na época do surgimento da internet, que ocorreu em meados da década de 1990, tínhamos também o custo mensal desse serviço, comercializado pelos chamados Provedores de Acesso, e também o custo da linha telefônica, utilizada para estabelecer a conexão com o provedor. Assim, tínhamos um custo mensal do serviço, pago ao provedor, e um custo da linha telefônica, pago à Operadora de Telecomunicações, que fornecia o serviço de telefonia. Como esses custos eram proporcionais ao tempo de utilização do serviço, este era outro fator limitante do uso da internet, pois uma utilização excessiva poderia levar a um custo proibitivo dos serviços de telefonia e de acesso à internet. E ainda em relação ao investimento inicial, era necessário também a aquisição de um hardware adicional, que era o Modem, que realizava a modulação dos dados digitais, gerados pelo computador, para que pudessem ser transmitidos através das linhas telefônicas, até os equipamentos instalados no Provedor. Nesta época, para contornar o custo elevado do serviço de telefonia, era muito comum realizar o acesso à internet apenas nos horários em que a tarifação do serviço era reduzida, o que ocorria no período entre as 24h e as 6h, e também 3 nos finais de semana. E uma evolução do modelo de tarifação dos Provedores foi a cobrança de uma assinatura mensal, sem limitação de tempo de utilização, pois incialmente também era aplicada a tarifação em função do tempo de utilização. Porém, por parte das operadoras de Telecomunicações não houve essa flexibilização, o que tornava o custo do acesso à internet no horário comercial muito elevado, sendo viável apenas para as empresas que já utilizam a internet como plataforma de comunicação corporativa, principalmente com a utilização do serviço de e-mail. A outra limitação do acesso à internet foi a tecnologia empregada para o processo de modulação, que estava limitada em uma largura de banda de 56kbps. Porém, mesmo que fosse utilizado um modem que possibilitasse uma taxa maior de dados, não seria possível obter uma taxa maior de tráfego no processo de comunicação com o Provedor. Essa limitação estava associada ao fato de que a rede de telefonia já utilizava o processo de digitalização da voz, para tráfego entre as centrais telefônicas, através de canais de 64 kbps. Assim, mesmo que os dados digitais fossem codificados em uma taxa maior do que 65kbps, não seria possível trafegar esses sinais através da rede telefônica. Uma solução inicial para permitir maiores larguras de banda foi a utilização da rede telefônica para a implementação de linhas dedicadas de comunicação com os provedores de serviço de acesso à internet, com os padrões designados com T1, nos Estados Unidos, e E1, na Europa, sendo que no Brasil foram sempre adotados os padrões europeus para a área de Telecomunicações. Porém, essas tecnologias exigiam a instalação de equipamentos que apresentam um custo muito elevado, além de não permitir o compartilhamento com outros serviços, levando a um custo elevado para esse tipo de conexão. A evolução dessas tecnologias dedicadas foram as tecnologias designadas como serviços digitais na linha do assinante, que em inglês são identificados pela sigla DSL (Digital Subscriber Line). Elas permitiram aumentar a largura de banda do tráfego de dados sobre as linhas telefônicas, utilizando a infraestrutura já existente, e compartilhando o acesso com o serviço de telefonia. Essa infraestrutura de rede que já existia era designada com a sigla POTS (Plain Old Telephone Service), fazendo referência à rede telefônica tradicional. Assim, conforme mostrado na figura abaixo, a rede que já havia sido implementada para os sistemas de telefonia, que era a rede de acesso, já estava 4 construída com os cabos telefônicos e amplamente disseminada em todas as cidades. Além disso, também os espaços para a alocação de novos equipamentos deveriam ser pensados considerando-se as centrais já existentes, pois também já havia sido feito um grande investimento na construção das edificações que abrigavam as grandes centrais telefônicas. Figura 1 – As redes POTS Fonte: Rohling, 2021. Além disso, as tecnologias DSL sofreram uma evolução com o passar do tempo, pois apesar de representar uma grande evolução em relação à tecnologia de acesso de Linha Discada, a demanda por largura de banda continuou a crescer. Inclusive, com o aumento da largura de banda na tecnologia de acesso, tivemos um aumento do número de usuários, em função da melhoria da qualidade de acesso, com o desenvolvimento de novas aplicações e serviços na internet. E esses novos serviços levaram a um aumento da largura de banda necessária para o acesso, aumentando a demanda por largura de banda, levando à evolução das tecnologias DSL. Redes de Acesso Backbone CENTRAL 1 CENTRAL 2 CENTRAL 3 5 TEMA 1 – A TECNOLOGIA DSL Temos diversas tecnologias de redes digitais, sendo utilizado o termo xDSL para designar essas tecnologias de maneira genérica. Assim, temos diversas tecnologias de linhas digitais, que visam atender às diferentes necessidades dos assinantes, mas sempre visando à utilização das redes de acesso já existentes, otimizando o investimento já realizado pelas operadoras de telecomunicações ao longo de muitas décadas, no mundo todo. Esta evolução tecnológica também é chamada de tecnologia de banda larga, para diferenciar da tecnologia anterior, que possuía uma largura de banda bastante limitada, pois representou um aumento de uma largura de banda de 56kbps para a ordem de megabits por segundo, ou seja, de mais de vinte vezes a largura de banda da tecnologia de acesso discado, utilizada anteriormente. Portanto, temos tecnologias DSL para atender à demanda dos padrões de linhas dedicadas, tais como os padrões T1 e E1, e também para o assinante residencial, que irá utilizar a linha digital basicamente para o serviço de acesso à internet. Para atender às diferentes necessidades dos assinantes, que podem ser do tipo residencial ou corporativo, temos dois tipos de tecnologias DSL em relação à largura de banda entre o assinante e a central, que são as tecnologias do tipo simétrica ou assimétrica. Nas tecnologias simétricas, teremos a mesma largura de banda para o tráfego enviado da central para o assinante, que é chamado de Download, e para o tráfego enviado do assinante para a central, que é chamado de Upload, ou seja, o Download e o Upload são realizados na mesma velocidade. Nas tecnologias assimétricas, as taxas de Download e de Upload são diferentes, sendo que a taxa de Downloadpode variar de 8Mbps até 34 Mbps, e a taxa de Upload pode variar de 500kbps até 1Mbps, de acordo com a tecnologia utilizada. A utilização de uma rede de acesso com características assimétricas se justifica pelo fato de que o processo de transferência de dados na internet tem esse perfil. Assim, ao acessarmos um site na internet, utilizando o protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol), o software de navegação, que é chamado de Browser, irá enviar uma requisição HTTP para o servidor WEB e receberá como resposta o conteúdo da página solicitada, o que representa um volume de dados muito maior. Desta forma, a navegação na internet possui uma 6 característica de tráfego assimétrica, necessitando de muito mais largura de banda de Download do que de Upload. Outra evolução das tecnologias DSL em relação ao acesso discado foi a possibilidade da utilização do serviço de telefonia mesmo quando está sendo realizado o acesso à internet, o que não era possível na tecnologia anterior. Ademais, essa evolução tecnológica também causou um impacto significativo em relação ao custo do acesso à internet, pois não havia mais a cobrança pelo uso da linha telefônica durante o tempo em que era feito o aceso à internet. Em relação ao aumento de largura de banda, temos também uma evolução em relação às tecnologias que foram desenvolvidas, permitindo o acesso com taxas de até 50 Mbps. E para a obtenção de maiores taxas, foram desenvolvidas diversas tecnologias de modulação do sinal, possibilitando uma maior velocidade de transmissão de dados digitais, utilizando a mesma largura de banda analógica nas linhas telefônicas. No entanto, essas tecnologias de modulação do DSL apresentam uma relação inversa entre a largura de banda e a distância entre a central e o assinante. Assim, para obter taxas mais elevadas, é necessário que o assinante esteja em uma distância de aproximadamente 2 quilômetros da central onde está instalado o concentrador DSL. Para distâncias maiores, teremos uma perda significativa da capacidade de transmissão dos sinais, levando a uma diminuição da capacidade de transmissão de banda digital. Desta forma, para redes telefônicas mais antigas, era necessária a verificação da capacidade da linha do assinante para então ser definida qual seria a largura de banda do serviço de acesso à internet disponibilizado pela operadora de Telecomunicações para cada um dos assinantes. 1.1 A conexão da rede DSL A principal vantagem das tecnologias DSL, conforme vimos anteriormente, é que, para a conexão entre o assinante e a central da operadora de Telecomunicações, são utilizados os cabos já instalados que compõem a rede telefônica do serviço de voz. Porém, como a linha telefônica é um meio compartilhado para os serviços de voz e de dados, é necessária a separação dos sinais nas instalações do assinante, permitindo a conexão do computador e do telefone simultaneamente. Assim, nas tecnologias mais atuais, temos a instalação de um filtro entre o aparelho telefônico e a linha telefônica, que irá permitir apenas a passagem do 7 sinal de voz, e o Modem, que fará a adequação dos sinais digitais para serem transmitidos pela linha telefônica, instalado entre o computador e a linha telefônica. Na tecnologia anterior, de linha discada, também tínhamos a instalação do Modem, porém, quando utilizada a linha para a transmissão de dados, não era possível a utilização do serviço de telefonia. Inclusive, caso fosse utilizado o aparelho telefônico enquanto estava sendo feita a navegação na internet, era possível “ouvir” os dados, ou seja, se ouvia um ruído de alta frequência, pois os dados eram transmitidos através de um sinal na ordem de centenas de quilohertz, com uma parcela do sinal ficando dentro do espectro de frequências que podem ser percebidas pelo ouvido humano. Na central da operadora de Telecomunicações, teremos a conexão da linha do assinante ao concentrador das conexões DSL, que é chamado de DSLAM. Assim, é necessário que a linha do assinante seja conectada nesse equipamento, e não mais à central telefônica, como ocorria quando o serviço era apenas o de telefonia. Na figura a seguir, temos ilustradas essas conexões. Figura 2 – A conexão DSL entre o usuário e a central Fonte: Rohling, 2021. Outra limitação da rede telefônica em relação à transmissão de dados em maiores frequências é o efeito chamado de crosstalk, que consiste na interferência gerada entre os pares metálicos, que estão instalados dentro de um mesmo cabo telefônico, quando percorridos por sinais elétricos. Nas comunicações de voz, esse efeito já era percebido quando estávamos em uma chamada telefônica e se ouvia o som de outra conversa telefônica, também chamado de linha cruzada. Isso ocorre porque o sinal elétrico, que está se DSLAM Linha telefônica Filtro Modem Voz Dados Voz 8 propagando através de um par de fios, irá induz um sinal nos pares próximos. E como esse feito aumenta com o aumento da frequência do sinal, esse ruído gerado pela transmissão de um sinal de dados irá interferir na transmissão de dados nos pares adjacentes, afetando o desempenho do sistema de transmissão. Além disso, temos dois tipos de interferência gerados em função do crosstalk: o NEXT (near-end-crosstalk) e o FEXT (far-end-crosstalk). O NEXT é a medição do nível de ruído que uma transmissão causa nos pares adjacentes, sendo medido na extremidade onde o sinal está sendo transmitido, ou seja, o ruído próximo (near). E o FEXT é medido na extremidade oposta de onde o sinal está sendo transmitido, ou seja, no ponto distante (far). Assim, o NEXT representa um nível maior de interferência, pois é gerado pelo sinal que está sendo transmitido próximo à origem, ou seja, com um nível de potência muito maior. Já na outra extremidade do cabo, o sinal sofrerá a atenuação de todo o caminho da linha telefônico, sendo, portanto, muito menor. 1.2 Os equipamentos DSL Conforme vimos anteriormente, para utilização das linhas telefônicas para a transmissão de dados e de voz entre o assinante e a central da Operadora de Telecomunicações, é necessária a utilização dos equipamentos específicos, de acordo com cada tecnologia DSL. Assim, na extremidade da linha telefônica nas instalações do assinante é necessária a instalação de um equipamento que fará a modulação e demodulação dos sinais digitais para serem transmitidos através da linha analógica, que é o MODEM (MOduador/DEModulador). E para permitir a conexão do computador, o MODEM DSL deverá ter uma interface de rede, tipicamente no padrão Ethernet. Na outra extremidade da linha, é instalado o equipamento Multiplexador, que fará, além da modulação e demodulação dos sinais digitais, a separação dos sinais de voz e de dados, e que é chamado de DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer). Nas tecnologias iniciais, também era instalado um divisor (splitter) no assinante, que realizava a divisão do sinal de dados e de voz, possuindo as duas saídas distintas, para a conexão do aparelho telefônico e do MODEM. Posteriormente, nas tecnologias mais atuais, temos a instalação apenas de um filtro para a conexão do aparelho telefônico, com um custo muito menor do que os divisores utilizados inicialmente. 9 Figura 3 – O splitter DSL Fonte: Rohling, 2021. Atualmente os modens DSL, principalmente os residenciais do tipo ADSL, já incluem outras funcionalidades, integrando um switch a portas ethernet para conexão de diversos equipamentos via cabo de rede e também um roteador WiFi, permitindo a conexão dos dispositivos sem fio, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 4 – O modem ADSL com WiFi Créditos: Albert Pego/Shutterstock. Linha telefônica Modem Voz Dados Voz Splitter Dados Telefone 10 Todas as linhas telefônicas que atendem ao serviço de DSL deverão então ser conectadasao concentrador das conexões dos assinantes, que é o DSLAM, que se conectará então às redes de dados e de voz. Para a conexão com a rede de voz, normalmente o DSLAM já fará a digitalização desses sinais, se conectando à rede de voz já com os padrões digitais baseados na modulação PCM. Desta forma, um DSLAM que concentra a conexão de 300 assinantes necessitaria de 10 interfaces do tipo E1, com 30 canais de voz cada. Porém, para viabilizar a conexão dessa grande quantidade de canais de voz, o mais eficiente é a conexão já no padrão SDH, que em sua primeira hierarquia, que é o STM-1, pode conter até 63 canais E1, conforme vimos anteriormente. E para a conexão de dados do DSLAM, podemos ter as interfaces padrão Ethernet, tal como uma interface gigabit Ethernet. No entanto, essa conexão poderá representar um gargalo no tráfego de dados, caso tenhamos a utilização da rede de dados por todos os assinantes, simultaneamente. Como a conexão DSL também irá conectar os equipamentos de dados dos assinantes, na central o DSLAM também será conectado ao provedor de acesso à internet, identificado como ISP (Internet Service Provider), ou aos switches ou outros equipamentos de rede da operadora de telecomunicações, que permitam a conexão com o serviço de dados contratado pelo assinante. Figura 5 – O DSLAM Fonte: Rohling, 2021. Além do acesso à internet, que é o principal uso do DSL, principalmente do ADSL, a tecnologia de acesso via DSL pode ser utilizada para implementar a rede de acesso do assinante a outros serviços de rede, tal como a Linhas telefônicas Voz Rede POTS Rede de Dados Dados DSLAM 11 implementação de redes privadas de comunicação, utilizadas pelas empresas para a conexão entre a matriz da empresa e suas filiais. Assim, nesse tipo de serviço, o tráfego do usuário, ao chegar no DSLAM, será encaminhado para uma porta, física ou virtual, da rede exclusiva do cliente, e não será roteado para a internet. TEMA 2 – OS PADRÕES DSL A tecnologia desenvolvida para as linhas digitais de assinantes DSL possui diversas variações para atender aos usuários de acordo com as diferentes necessidades. Um usuário residencial não necessita de velocidades muito altas, e, em geral, necessita de maior largura de banda para download do que para upload, já que a principal utilização do acesso à rede de dados é a navegação na internet. No entanto, um escritório de uma empresa necessitará de velocidades mais altas e pode requerer uma grande largura de banda de download e de upload, pois utilizará essa conexão também para o envio de dados. Desta forma, foram desenvolvidas diversas tecnologias de rede digital para os assinantes, que possuem características distintas em relação à largura de bandas, disponibilidade do serviço e também quanto ao custo. E entre as diversas tecnologias, temos as tecnologias de banda simétrica, tal como o HDSL, e as tecnologias de bandas assimétricas, tais como o ADSL, o ADSL Lite, chamado de G.Lite, o RADSL e o VDSL, sendo que as principais características dessas tecnologias serão vistas adiante. 2.1 A tecnologia HDSL A tecnologia HDSL foi uma das primeiras tecnologias desenvolvidas para a transmissão de dados digitais através das linhas telefônicas já existentes, permitindo o tráfego de dados baseado nos padrões de multiplexação de voz já existentes, que eram o padrão T1, utilizado nos Estados Unidos, e o padrão Europeu, também adotado no Brasil, que era o padrão chamado de E1. Esses padrões tinham uma taxa de transmissão de 1,55Mbps para o T1 e de 2Mbps para o padrão E1, que eram muito superiores em largura de banda em relação ao padrão de linha discada, que era de apenas 56kbps. Como os padrões de digitalização de voz já eram utilizados para a conexão das centrais telefônicas privadas, que são chamados de PABX, com as 12 centrais telefônicas das operadoras, já existiam as tecnologias de transmissão para esses padrões, tal como o T1. Mas essas conexões eram do tipo dedicada e exigiam uma infraestrutura de rede com dois pares, sendo um para a transmissão e outro para a recepção dos sinais digitais. Assim, uma das mudanças implementadas pela tecnologia HDSL foi a possibilidade de realizar a transmissão e a recepção utilizando apenas uma linha telefônica. E caso existissem duas linhas disponíveis, ou seja, a mesma infraestrutura da conexão dedicada do padrão T1, poderíamos ter a transmissão bidirecional nas duas linhas, dobrando a largura de banda, conforme mostrado na figura abaixo. Figura 5 – Comparação entre T1 e HDSL Fonte: Rohling, 2021. A transmissão bidirecional, chamada de full-duplex, foi possível com a implementação da tecnologia de cancelamento de eco, além de utilizar uma largura de banda que demanda uma baixa frequência do sinal analógico, possibilitando a transmissão dos sinais através de rede telefônica existente. Por outro lado, para utilizar frequências menores de transmissão, o padrão HDSL não permite o compartilhamento da linha telefônica com o serviço de voz, exigindo um par metálico dedicado para a conexão dos equipamentos de transmissão digital. Ou seja, o HDSL permitiu compartilhar a infraestrutura da rede de telefonia, mas não permite o compartilhamento de uso simultâneo com o serviço de voz. T1 Linhas dedicadas T1 1,544 Mbps 1,544 Mbps HDSL Par trançado HDSL 784 kbps 784 kbps 13 Entretanto, como as operadoras de telecomunicações instalaram milhares de quilômetros de cabos de cobre nas cidades, a tecnologia HDSL está acessível praticamente para todos os assinantes, bastando fazer a conexão de duas linhas da rede de acesso até a instalação do assinante. Para fazer a transmissão de dados digitais em uma linha analógica, é necessária a adequação dos sinais, sendo que para isso a tecnologia HDSL utiliza a codificação de linha chamada de 2B1Q, onde temos quatro níveis de tensão distintos, que são utilizados para representar quatro combinações binárias, de dois bits cada, conforme mostrado na figura abaixo. Assim, para cada valor distinto do sinal analógico transmitido, temos o transporte de uma informação digital de dois bits. Com essa técnica, é possível transmitir o dobro da informação digital sobre um sinal analógico. Desta forma, como as redes telefônicas suportavam uma largura de banda analógica de até 1 MHz, era possível transmitir uma taxa de dados de 2 Mbps com a codificação 2B1Q. Figura 6 – Codificação de linha 2B1Q Fonte: Rohling, 2021. Uma das limitações de todas as tecnologias de transmissão é o alcance do sinal, determinando a distância máxima entre o assinante e a central da Operadora de Telecomunicações. E para a tecnologia HDSL, essa distância está na ordem de 3,5 km, para garantir a transmissão dos 2 Mbps. No padrão atual da tecnologia HDSL, para a transmissão do padrão E1 de 2 Mbps utilizado no Brasil, caso a distância do assinante seja maior, é possível a utilização da +2,5V -2,5V +0,833V -0,833V 0 1 0 0 1 0 1 1 14 transmissão no modo chamado de quatro fios, onde são utilizadas duas linhas telefônicas e assim a taxa de transmissão em cada linha é reduzida pela metade, demandando uma largura de banda de 500kHz em cada par, permitindo a transmissão em distâncias maiores. 2.2 A tecnologia VDSL Uma das tecnologias desenvolvidas para permitir o acesso à internet para os assinantes com altas velocidades foi o VDSL (Very high bit-rate Digital Subscriber Line), que atingia uma largura de banda de até 52Mbps de download e de até 16 Mbps de Upload. Entretanto, para atingir essas velocidades, a tecnologia VDSL está baseada na utilização de uma rede hibrida, que utiliza dois tipos de meio físico, que são a fibra óptica e o par metálico. Desta forma, como a limitação da largura de banda nas linhas telefônicas está baseada na distância entre o assinante e a central da Operadorade Telecomunicações, essa distância é reduzida, pois é instalado um equipamento óptico próximo ao assinante, que é chamado de ONU (Optical Network Unit). Na tecnologia VDSL, os assinantes que estejam próximos à Central da Operadora podem ser atendidos diretamente, utilizando-se apenas a infraestrutura de par metálico da rede telefônica. E para os assinantes mais distantes, teremos a utilização da infraestrutura da rede óptica entre a Central e a ONU, e a utilização da infraestrutura da rede telefônica entre a ONU e o assinante. Além da ONU, também é necessária a instalação do equipamento que fará a adequação do sinal digital para ser transmitido através das linhas telefônicas, que são chamados de VTU (VDSL Transmission Unit). A atualização do padrão VDSL é o VDSL2, publicado pelo ITU-T, na série G, na recomendação G.993.2 de fevereiro de 2006, com diversas versões da norma publicadas posteriormente, sendo que a versão mais recente foi publicada em fevereiro de 2019. No entanto, com a disseminação e evolução das tecnologias ADSL, a tecnologia VDSL ficou restrita aos serviços de assinantes que realmente necessitavam de maiores larguras de banda e, principalmente, que se dispunham a arcar com um custo maior do serviço. 15 2.3 A tecnologia RADSL Outra tecnologia de acesso que utiliza o processo assimétrico de largura de banda é o RADSL (Rate Adaptative Digital Subscriber Line), semelhante ao padrão ADSL, que será visto em detalhes mais adiante. No entanto, a diferença está no fato de que o RADSL permite a adequação da velocidade de transmissão de acordo com o desempenho do meio de transmissão, ou seja, de acordo com a qualidade da linha e da distância entre o assinante e a central. Para a adequação dos dados digitais, para a sua transmissão através da linha telefônica analógica, é utilizada a modulação CAP (Carrierless Amplitude and Phase), que divide o espectro de frequência utilizado para a transmissão dos dados sobre a linha em duas partes, que são o espectro de frequências para o tráfego de Upstream e para o tráfego de Dowstream. E para a tecnologia RDSL, assim como para o ADSL, essa divisão é feita de maneira assimétrica, conforme mostrado na figura abaixo, tendo-se um espectro de frequência maior para o tráfego de Downstream do que para o tráfego de Upsetream, permitindo uma maior largura de banda digital para o tráfego de Downstream. Figura 7 – Separação de bandas no RADSL Fonte: Rohling, 2021. Para o compartilhamento da utilização da linha telefônica para a transmissão de voz e de dados, na modulação CAP temos três intervalos de frequência distintos, sendo que a voz irá ocupar uma largura de banda de 4kHz, ocupando o início da banda. Depois, temos a banda reservada para a transmissão de dados de Upload e então a banda reservada para a transmissão de dados de Download. Na tecnologia ADSL, essas duas bandas têm um valor fixo, e na tecnologia RADSL, pela sua característica adaptativa, essas bandas poderão variar, de acordo com a qualidade e distância da linha, apresentando Voz Upload Download Ajustável Ajustável 16 valores de 640 kbps até 2,2 Mbps para a transmissão de dados de Download e de 272 kbps até 1,1 Mbps a transmissão de dados de Upload. TEMA 3 – O PADRÃO ADSL A tecnologia ADSL, por sua característica assimétrica, se adequa ao serviço de acesso à internet, principalmente para os assinantes residenciais, pois o usuário, ao se se conectar à internet, em geral receberá uma quantidade de dados muito maior de dados do que a quantidade de dados enviados, ou seja, demanda uma largura de banda de download muito maior do que a largura de banda de upload. Essa característica está associada ao mecanismo do protocolo HTTP, que é utilizado para a navegação WEB, em que o cliente envia uma requisição, que é constituída de uma mensagem curta, e recebe uma grande quantidade de dados do servidor WEB, que irá formar a página WEB no terminal do usuário. De acordo com isso, foi desenvolvido um tipo de acesso DSL que é baseado na transferência assimétrica, ou seja, as taxas de transferência para download e upload são diferentes, pois é utilizada uma banda muito maior para download. Assim, quando o usuário envia dados, ele terá uma velocidade menor, mas ainda assim na ordem de dez vezes maior do que era possível com uma conexão discada. No entanto, ao receber os dados, a velocidade é aproximadamente dez vezes maior do que a largura de banda de upload, conforme mostrado na figura a seguir. Figura 8 – A largura de banda no ADSL Fonte: Rohling, 2021. DSLAM Filtro Modem Upload Download 17 Assim como no RADSL visto anteriormente, a o acesso à internet pode ser realizado em conjunto com a utilização do serviço de voz, podendo ser realizada uma chamada telefônica mesmo quando se está navegando na internet. Isso é possível porque a voz irá trafegar em uma faixa de frequência de até 4 kHz, ficando o restante da banda para o tráfego de dados, que está na ordem de 1 MHz a 2 MHz, de acordo com a qualidade da rede telefônica e da distância. Inclusive, a distância entre o DSLAM e o assinante é um dos principais fatores que irão limitar a largura de banda que poderá ser disponibilizado para cada assinante. Desta forma, no início da implementação dos serviços de ADSL, as operadoras de telecomunicações realizavam um teste de qualificação da linha do assinante que desejava contratar o serviço, definindo qual seria o nível de serviço que poderia ser contratado. E a taxa de transmissão de cada uma das tecnologias ADSL, que evoluíram para os padrões ADSL2 e ADSL2+, apresenta uma curva conforme mostrado na figura a seguir, em que a taxa nominal de cada tecnologia tem um alcance em trono de 1,5 km do DSLAM, com uma queda significativa a partir dessa distância. Figura 9 – Largura de banda versus distância no ADSL Fonte: Rohling, 2021. Como a tecnologia ADSL foi desenvolvida para a otimização da rede telefônica já construída, e a rede telefônica atendia os assinantes com distâncias de até 5 km, a tecnologia ADSL não poderia atender todos os assinantes, em Largura de Banda Distância do DSLAM km 1,5 2,5 18 função da limitação da ordem de 1,5 km, podendo chegar a até 2 km, mas ainda assim muito menor do que a distância de muitos assinantes até a central da operadora. A solução para o atendimento desses assinantes foi a instalação de armários externos, instalados fora da central das operadoras, contendo o DSLAM. 3.1 A modulação G.Lite Para a transmissão simultânea do canal de voz, dos dados de Upstream e dos dados de Downstream, temos as diversas técnicas de modulação, que definem como os sinais serão gerados para transportar os dados e a voz. Assim, temos basicamente dois tipos de modulação distintos, que são o CAP, visto anteriormente, e o DMT (Discrete Multitone). A modulação empregada nas primeiras tecnologias ADSL foi a modulação CAP, com a utilização de três faixas distintas. Entretanto, de maneira diferente do RADSL, no ADSL as faixas reservadas para os dados eram fixas, sendo que para o tráfego de Upstream tínhamos a faixa de 25 kHz a 160 kHz e para o tráfego de Downstream a faixa de 240 kHz a 1,5 MHz, conforme mostrado na figura a seguir. Podemos notar também que existe uma boa separação entre os canais, evitando a interferência entre eles. Figura 10 – Separação dos canais CAP Fonte: Rohling, 2021. Outro tipo de modulação empregado nas tecnologias ADSL é a DMT, que também está baseada na divisão do espectro de frequência das linhas telefônicas, de até 1,5 MHz. Mas, de maneira diferente da modulação CAP, em vez de apenas três canais, a modulação DMT divide a banda em 247 canais de 4 kHz cada um, conforme mostrado na figura a seguir. E a utilização desses Voz Upstream Downstream 0 a 4kHz 25 a 160kHz 240kHz a 1,5MHz19 canais é feita de maneira dinâmica, sendo monitorada a qualidade de transmissão de cada canal e sendo utilizados apenas os canais que apresentam a qualidade necessária para a transmissão dos dados. Esse processo representa uma complexidade maior na operação da tecnologia de transmissão, porém, apresenta um melhor desempenho do que a modulação CAP, sendo o tipo de modulação utilizado nas tecnologias ADSL mais atuais. Figura 11 – Separação dos canais DMT Fonte: Rohling, 2021. Nas tecnologias ADSL iniciais, era necessária a instalação de um dispositivo adicional, que era chamado de splitter, que realizava a separação dos sinais, tendo uma conexão para o aparelho telefônico e outra para o MODEM ADSL. E esse dispositivo encarecia a instalação do serviço de ADSL. Nas tecnologias ADSL mais atuais, continua sendo necessária a instalação do filtro entre a linha e o aparelho telefônico, porém esse dispositivo apresenta hoje um custo muito baixo. Inclusive, no modelo inicial de comercialização do serviço ADSL, era necessário que o assinante fizesse também a aquisição do modem, porém esse custo também foi reduzido significativamente e as próprias operadoras fornecem este equipamento, sem custo adicional para o assinante. Além disso, a taxa de transmissão para as primeiras tecnologias ADSL eram de até 8 Mbps para o Download e de até 80 kkbps de Upload, porém, em distâncias na ordem de 2,5km. Para distâncias maiores, a atenuação da linha telefônica e o nível de ruído lavavam a uma diminuição nestas taxas. Na prática, como as redes telefônicas já possuíam um longo tempo de uso, a degradação do meio físico, causada pelo envelhecimento dos cabos de cobre, levava a uma diminuição significativa desse alcance da rede, na ordem de 1.500 m para uma velocidade de download de 8 Mbps, e com velocidade de menos de 512kbps para distâncias de 5.000 m da central, que era o limite do alcance da tecnologia de transmissão de voz em redes telefônicas. 240 canais de 4kHz 20 3.2 A tecnologia G.Lite Para eliminar a necessidade da instalação do splitter na terminação da linha telefônica no assinante, foi desenvolvida a tecnologia chamada de G.Lite (Splitterless Digital Subscriber Line), que também utilizava a linha telefônica para o tráfego de voz e de dados simultaneamente, através da infraestrutura de rede telefônica existente. O padrão G.Lite foi definido na recomendação G.992.2 de julho de 1999, definindo a operação da transmissão dos sinais de voz e dados em linhas telefônicas, semelhante ao ADSL, definido pela recomendação G.992.1 do ITU-T, que estabelece a operação do ADSL com a modulação DMT. Assim, a transmissão continua sendo assimétrica, com uma largura de banda de Download maior do que a largura de banda de Upload. Mas, para a tecnologia G.Lite, as velocidades são menores do que as velocidades do padrão ADSL que utilizava o splitter, sendo reduzida para uma taxa de 1,5Mbps para o tráfego de Downstream e para uma taxa de 512kbps para o Upstream. Além da eliminação do splitter, o que reduzia o custo de instalação, a tecnologia G.Lite também possuía um alcance maior do que a tecnologia ADSL, podendo chegar em até 7 km de distância entre o assinante e a Central da Operadora de Telecomunicações, dependendo da qualidade da infraestrutura de rede telefônica instalada. Desta forma, a tecnologia G.Lite representava uma alternativa para a rede de acesso dos assinantes, permitindo um alcance maior da rede, com um custo menor de instalação, apesar de ter uma diminuição das taxas de transmissão. TEMA 4 – O ADSL2 E DSL2+ A evolução da tecnologia ADSL inicial, que foi a tecnologia G.Lite, tinha como desvantagem a necessidade de redução da largura de banda. Assim, mesmo com a diminuição do custo de instalação com a eliminação do splitter e o aumento do alcance da rede, era necessário aumentar a largura de banda, em função do aumento de demanda dos assinantes. Assim, foram desenvolvidas as tecnologias ADSL2 e ADSL2+, normatizadas pelo ITU-T nos padrões G.992.3 e G.992.4. Desta forma, com o padrão ADSL2, foi eliminada a utilização do splitter, sendo necessária apenas a instalação de um filtro passivo, de baixo custo, para a conexão do telefone com a linha. E foi obtido um aumento significativo nas 21 taxas de transmissão, obtendo-se taxas de transmissão de até 12Mbps para o Downstream e de até 1Mbps para o Upstream. Logo após o desenvolvimento da tecnologia ADSL2, já tivemos sua evolução, que foi a tecnologia ADSL2+. Assim, esse padrão expande a capacidade do ADSL básico, onde a transferência de dados pode chegar a 24 Mbps de Downstream e de 1 Mbps de Upstream. Para obter essas taxas maiores, a tecnologia ADSL2+ opera com uma largura de banda analógica de 2 MHz em linhas telefônicas, diferente dos 1MHz utilizados pelo ADSL original. No entanto, para atingir as velocidades previstas, será exigido maior desempenho da rede telefônica, dependendo então de diversos fatores, como: • Distância entre o DSLAM e o ponto de acesso do cliente; • Características e qualidade dos equipamentos; • Qualidade das instalações e das fiações da linha telefônica. Portanto, para a utilização da tecnologia ADSL2+, é necessária uma evolução da infraestrutura da rede, porque o ADSL original foi desenvolvido e instalado com as fiações de cobre antigas, algumas até centenárias, que estão nos subterrâneos ou postes das cidades. Desta forma, a simples troca dos equipamentos anteriores da tecnologia ADSL para os equipamentos ADSL2+ não garantem o funcionamento do acesso, pois é necessário que a rede permita o tráfego dos 2 MHz do sinal. 4.1 Ativação do serviço ADSL Para a ativação dos serviços da rede ADSL, alguns parâmetros são avaliados pela equipe técnica para garantir a correta operação do processo de transmissão de dados, entre eles teremos a atenuação. No entanto, cada operadora tem uma medida de atenuação aceitável para o funcionamento do serviço ADSL, em função da rede e dos equipamentos utilizados. Como exemplo, temos os seguintes valores adotados pelas operadoras: • GVT – Atenuação < 17 dB; • BrT – Atenuação < 55 dB; • BrT – Atenuação < 60 dB (cabo XDSL). 22 Outro parâmetro também utilizado por algumas operadoras é a Resistência de Loop, que no caso da BrT deve ser de no mínimo 950 ohms. Outro parâmetro crítico a ser avaliado em relação à linha telefônica onde será ativado o serviço de ADSL é a relação Sinal/Ruído, que está associada à diafonia. Assim, teremos como fonte de geração de ruído os sinais que estão sendo transmitidos nos demais pares metálicos, que fazem parte dos mesmos cabos telefônicos, nas redes externas, bem como outras fontes de sinais externos aos cabos telefônicos. Assim, todas essas fontes de sinais eletromagnéticos irão gerar um nível de ruído que irá afetar o processo de transmissão dos cabos telefônicos. Para garantir o funcionamento da tecnologia ADSL nas redes já instaladas, é necessária a verificação do nível de ruído, que é comparado com o nível do sinal a ser transmitido, sendo definido então o parâmetro de teste realizado nas linhas telefônicas, que é chamado de relação sinal/ruído. Os valores da Relação Sinal/Ruído aceitáveis dependem do modem utilizado, da distância e da velocidade, sendo que alguns valores utilizados pelas operadoras são: • GVT: SNR > 22 dB; • GVT: SNR > 6 dB (Para 10 Mbps); • BrT: SNR > 12 dB (ADSL); • BrT: SNR > 7 dB (ADSL2+). 4.2 Os padrões ITU-T Conforme vimos anteriormente, as tecnologias DSL são padronizadas pelo ITU-T por meio das publicações do grupo G, que tratam dos sistemas e meios de transmissão para as redes digitais, incluindo os padrões G.991 a G.999, em que temos as seguintes publicações: • G.991.1: define o padrão da tecnologia SHDSL (Single-pair high-speed digital subscriber line); • G.992.1: define o padrão da tecnologiaADSL (Asymmetric digital subscriber line); • G.992.2: define o padrão da tecnologia ADSL (Asymmetric digital subscriber line) sem a utilização de splitters; 23 • G.992.3: define o padrão da tecnologia ADSL2 (Asymmetric digital subscriber line 2); • G.992.4: define o padrão da tecnologia ADSL2 (Asymmetric digital subscriber line 2) sem a utilização de splitters; • G.992.5: define o padrão da tecnologia ADSL2+ (Asymmetric digital subscriber line 2 plus); • G.993.1: define o padrão da tecnologia VDSL (Very high speed digital subscriber line transceivers); • G.993.2: define o padrão da tecnologia VDSL2 (Very high speed digital subscriber line transceivers 2); • G.994.1: define a troca de mensagens de inicialização para os padrões DSL; • G.995.1: visão geral das recomendações para as tecnologias DSL, porém, este documento foi definido como obsoleto em 2011; • G.995.2: define os limites e os métodos de medição dos parâmetros relativos os pares de cobre, para garantir o funcionamento dos equipamentos nas instalações do cliente; • G.996.1: define os procedimentos de teste das linhas DSL; • G.996.2: define os procedimentos de teste de terminação de linha simples; • G.997.1: gerenciamento da camada física das linhas DSL; • G.997.2: gerenciamento de camada física dos transceptores do padrão G de alta velocidade; • G.998.1: transmissão do padrão ATM com múltiplos pares; • G.998.2: transmissão do padrão Ethernet com múltiplos pares; • G.998.4: proteção de ruído de impulso para linhas DSL; • G.999.1: Interface entre a camada de link e a camada física para os transceptores de linha DSL. TEMA 5 – OS PROTOCOLOS PPP As diversas tecnologias ADSL definem os padrões de comunicação no meio físico, definindo como os dados digitais são modulados para a transmissão através das linhas telefônicas. Mas é necessário fazer também o encapsulamento dos dados para serem transmitidos entre o computador do 24 assinante e os equipamentos de rede da Operadora de Telecomunicações, sendo necessária a utilização de um protocolo para este encapsulamento dos dados, para então serem transmitidos através da rede telefônica. E as duas opções de protocolos para esse encapsulamento são o PPoA e o PPoE, que serão escolhidos de acordo com a tecnologia empregada pelas operadoras nas redes de conexão dos DSLAMs. Inicialmente, o protocolo mais utilizado foi o PPPoA (Point-to-Point over AAL5 ou over ATM RFC), pois as operadoras de telecomunicações já estavam utilizando essa tecnologia para os serviços de redes fornecidos aos usuários ou até mesmo para a implementação de seu backbone. Atualmente, o protocolo mais utilizado para essa finalidade é o PPPoE (Point-to-Point over Ethernet RFC 2516), pois as redes metropolitanas das operadoras normalmente são implementadas com a tecnologia MetroEthernet. Outro protocolo envolvido na comunicação da rede ADSL é o PPP (point- to-point protocol), que é um protocolo desenvolvido para permitir acesso autenticado e transmissão de pacotes de diversos protocolos, originalmente em conexões de ponto a ponto, sendo inicialmente utilizado nas conexões discadas à internet, onde o PPP encapsula o protocolo TCP/IP. Assim, o PPPoA é uma adaptação do protocolo PPP para operar sobre uma rede ATM, que transportava os dados das redes ADSL. Figura 13 – O PPoA na rede ADSL Fonte: Rohling, 2021. DSLAM Rede ATM Internet 25 5.1 A tecnologia ATM A tecnologia ATM (Asynchronous Transfer Mode – Modo de Transferência Assíncrono) surgiu nos anos de 1990 e foi desenvolvido como um protocolo de comunicação de alta velocidade, que não dependia de nenhuma topologia de rede específica. Utilizava uma tecnologia de comutação de células de alta velocidade e que poderia transportar dados, vídeo e áudio, em tempo real. O ATM é uma tecnologia que permite a transmissão dos dados de forma assíncrona até seu destino, sendo que o acesso assíncrono significa que o tráfego de entrada na rede pode acontecer de modo aleatório, pois o nó de entrada armazena os dados em um buffer, e assim pode ser utilizado para transportar praticamente qualquer outro tipo de sistema de comunicação. O ATM emprega a multiplexação estatística, onde os intervalos de tempo de transmissão não são fixos e o tamanho desses intervalos de tempo podem variar de acordo com a demanda, pois o objetivo do ATM é ser capaz de suportar todo tipo e serviço, seja de voz, de dados, de vídeo e outros. Assim, o ATM poderia ser aplicado tanto nas redes LAN quanto nas redes WAN. Figura 14 – O ATM Fonte: Rohling, 2021. 5.2 O protocolo PPPoE O protocolo PPPoE é uma adaptação do PPP para funcionar em redes Ethernet. Pelo fato da rede Ethernet não ser ponto a ponto, o cabeçalho PPPoE inclui informações sobre o remetente e destinatário e por esse motivo acaba utilizando mais banda, na ordem de 2% a mais do que o PPPoA. A diferença principal está no fato do PPPoA só poder ser terminado num dispositivo de rede Células ATM Voz Dados Vídeo 26 ATM e o PPPoE poderá ser terminado em um switch Ethernet, que é uma tecnologia amplamente utilizada nas redes de dados. Além disso, como as placas de rede dos computadores são padrão Ethernet, sendo que as placas ATM eram caras e pouco utilizadas, a maioria dos modems no lado do usuário só suportavam o protocolo Ethernet. Assim, não havia como terminar a conexão PPPoA no micro, sendo necessário que a conexão fosse terminada no modem. Desta forma, o endereço IP necessitava ficar alocado no modem, e este deveria operar no modo roteador. 5.3 Os identificadores no ADSL Para a identificação do tráfego nas redes ADSL, são utilizados o VPI e o VCI. O VPI (Virtual Path Identifier) é um identificador de 8 bits, utilizado para identificação dos pacotes do usuário na rede, ou de 12 bits, utilizado para os pacotes rede-rede, que são inseridos no cabeçalho dos pacotes ATM. O VPI, em conjunto com o VCI (Virtual Channel Identifier), é usado para identificar o próximo destino da célula em um switch ATM. Figura 15 – O VPI e o VCI na rede ATM Fonte: Rohling, 2021. Estes números são um tipo de código que muda de acordo com a operadora usada, sendo que os valores VPI/VCI usados no Brasil, por exemplo, foram: • Telefonica (Speedy): VCI 35, VPI 8; • Telemar (Velox): VPI 0, VCI 33; • Brasil Telecom: VPI 0, VCI 35; • GVT: VPI 0, VCI 35; VPI 1 VPI 2 VPI 3 VPI 4 VCI 10 VCI 20 VCI 30 VCI 40 VCI 20 VCI 40 VCI 10 VCI 20 27 • Brasil Telecom (no RS): VPI 1, VCI 32. FINALIZANDO Apesar da tecnologia ADSL estar sendo gradativamente substituída pelas tecnologias de acesso que utilizam as redes de fibra óptica, que veremos em detalhe em nossas próximas aulas, elas ainda são amplamente utilizadas, pois as redes telefônicas possuem uma cobertura muito maior. No processo de implantação da tecnologia ADLS no Brasil, tivemos também uma ampliação em relação aos provedores de serviços de telecomunicações, tendo acontecido logo após a privatização do segmento de telecomunicações, e com a entrada de novas operadoras no mercado. Assim, como as novas operadoras necessitavam construir uma rede de acesso, e a demanda de serviços de telecomunicações do mercado estava direcionada para os serviços de redes de dados, principalmente para a navegação da internet, a tecnologia ADSL deveria ser contemplada na estratégia de construção das novas redes. E como o principal limitador da tecnologia ADSL era a distância entre os assinantes e as centrais das operadoras, a estratégia adotada foi a utilização dos armários de rua, contendo os DSLAM, de maneira que a distância até os assinantes ficasse dentro do limite que garantiria a máxima velocidade possível no acesso. Por esse emotivo, atualmente temos uma grande diferença de desempenho entre os serviços de ADSL fornecidos pelas operadorasde telecomunicações. As operadoras que entraram no mercado construindo novas redes, que além da descentralização promovida pelos armários de rua também contavam com uma rede de cabos telefônicos novos, apresentam um desempenho muito superior do que as operadoras que instalaram a tecnologia ADSL na rede que já estava instalada há muitos anos, chegando a algumas décadas de uso e consequentemente de degradação das características elétricas dos cabos. Para reverter esse cenário, algumas das operadoras que já operavam no mercado com a rede legada passaram também a instalar os armários, com os DSLAM descentralizando a rede e diminuindo a distância até os assinantes. Com isso, puderam oferecer maiores velocidades de conexão, tornando-se tecnicamente competitivas novamente. 28 Em relação à aplicação da tecnologia HDSL, ela também foi muito difundida para o atendimento aos assinantes de telefonia no sistema digital, sendo utilizada para o transporte das conexões do tipo E1, de 2Mbps, que interconectavam a central telefônica do cliente, que é o PABX, com a central da operadora. E essa conexão era feita com a utilização de dois ou quatro fios, de acordo com a distância do assinante. Desta forma, a linha telefônica que era utilizada para a telefonia analógica, desde o início das redes, pode ser utilizada para os sistemas de telefonia digital, com a utilização da tecnologia HDSL na rede de acesso. Com a evolução das tecnologias em fibra óptica, as tecnologias baseadas nas redes de cobre, como os diversos padrões DSL, vão sendo gradativamente substituídas pelas novas tecnologias, principalmente a tecnologia GPON, que reduziu drasticamente o custo das redes ópticas, com a otimização do transmissor óptico no lado da central da operadora. Mas essa migração ainda demandará um longo tempo para a substituição total da rede metálica pela rede óptica, de modo que ainda teremos a tecnologia ADSL sendo utilizada para o acesso dos assinantes por um longo tempo. 29 REFERÊNCIAS RIBEIRO, M. P. Redes de Telecomunicações e Teleinformática – Um exercício conceitual com ênfase em modelagem. Rio de Janeiro: Interciência, 2012. SOARES NETO, V. Sistemas de Comunicação: Serviços, modulação e meios de transmissão. 1. ed. São Paulo: Érica, 2015. TANNENBAUM, A. S. Redes de Computadores. 10. ed. Rio de Janeiro, 2003. Conversa inicial FINALIZANDO REFERÊNCIAS
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