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Aula 3 - Camada Física & Camada de Enlace

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Redes de Computadores 
Prof. Me. Anderson Bessa da Costa 
 
 
 
Camada Física & Camada de 
Enlace 
Camada Física 
Visão geral da Internet 
Teorema de Shannon-Hartley 
n  Dá um limite superior da capacidade do link 
em termos de bits por segundo (bps) como 
uma função de razão sinal-ruído do link 
medido em decibéis (dB). 
n  C = Blog2(1+S/N) 
n  Onde B = 3300 – 300 = 3000Hz, S é a potência do 
sinal, N é o ruído médio; 
n  A razão sinal-ruído (S/N) é medida em decibéis é 
relacionada a dB = 10 x log10(S/N). Se existem 
30dB de ruído então S/N = 1000; 
n  Agora C = 3000 x log2(1001) = 30kbps; 
n  Como conseguimos 56kbps? 
Enlaces 
n  Todos os enlaces (links) contam com algum 
t i p o d e p r o p a g a ç ã o d e r a d i a ç ã o 
eletromagnética em algum meio; 
 
n  Meios Guiados: Os sinais se propagam em 
meios sólidos; 
n  cobre, fibra; 
n  Meios Não Guiados: Os sinais se propagam 
livremente (através do ar); 
n  rádio; 
Meios Físicos 
n  Cabos: 
n  Enlaces locais: 
n  pares trançados, cabos coaxiais e fibras 
óticas .. 
n  Linhas alugadas das operadoras: 
n  E1, T1, T3 .. 
n  Enlaces para residências: 
n  POTS, ISDN, xDSL, CATV, ATM .. 
n  Sem fio (Wireless): 
n  rádio, microondas, infravermelho, luz .. 
Meios Físicos 
n  Par Trançado (TP – Twisted Pair) 
n  Possui pares de fios entrelaçados um ao 
redor do outro para cance lar as 
interferências eletromagnéticas de fontes 
externas e interferências múltiplas; 
n  A taxa de giro (normalmente giro por 
metro) é parte da especificação de certo 
tipo de cabo; 
n  Quanto maior o número de giros/metro, mais o 
ruído é cancelado; 
Visão geral de um par trançado 
Meios Físicos 
n  Par Trançado (TP – Twisted Pair) 
n  Categoria 3: 
n  Usado nas redes ethernet criado nos anos 
noventa; 
n  10Mbps 
n  Categoria 5: 
n  Usado em redes fast ethernet; 
n  100Mbps; 
Meios Físicos 
n  Cabo Coaxial (Coaxial Cable) 
n  Fio de cobre condutor revestido por um 
material isolante e rodeado duma 
blindagem; 
n  Fio (transporta o sinal) dentro de outro fio 
(blindagem) 
Estrutura do cabo coaxial 
Meios Físicos 
n  Cabo de Fibra Ótica 
n  fibra de vidro transporta pulsos de luz 
n  opera em alta velocidade 
n  Ethernet 100Mbps 
n  transmissão ponto a ponto de alta velocidade 
(ex. 10Gbps) 
n  baixa taxa de erros 
Propagação da luz através da fibra ótica 
Enlaces 
n  Outra característica importante link é a frequência 
n  Medida em hertz, com o qual as ondas eletromagnéticas 
oscilam 
n  Distância entre o par adjacente do máxima ou 
mínima de uma onda, medido em metros é chamado 
de comprimento de onda 
n  Velocidade da luz dividida pela frequência dá o comprimento 
de onda. 
n  Frequência em uma faixa de cabo de cobre de 300Hz a 
3300Hz; Comprimento de onda para onda de 300Hz através 
de cobre é a velocidade da luz em um cobre / frequência de 
n  2/3 x 3 x 108 300 = 667 x 103 metros. 
n  Colocação de dados binários em um sinal é chamado 
de codificação. 
n  Modulação envolve modificar os sinais em termos de 
sua frequência, amplitude e fase para transmitir. 
Espectro eletromagnético 
Geralmente, as ondas eletromagnéticas se espalham 
por um intervalo de frequência muito mais amplo, 
variando desde ondas de rádio até luz infravermelha, 
luz visível, raios x e raios gama. 
CODIFICAÇÃO 
Codificação 
n  O primeiro passo para transformar nós 
e enlaces em blocos de montagem 
utilizáveis é entender como conectá-los 
de modo que os bits possam ser 
transmitidos de um nó para o outro; 
n  Objetivo: 
n  Codificar os dados binários que o nó de 
origem deseja enviar em sinais que os 
enlaces sejam capazes de transportar; 
Os sinais viajam entre componentes de sinalização; fluxo de bits entre adaptadores 
A maioria das funções discutidas nesta aula é realizado por 
um adaptador de rede – uma peça de hardware que conecta 
um nó a um enlace. O adaptador de rede contém um 
componente de sinalização que realmente codifica os bits em 
sinais no nó emissor e decodifica os sinais em bits no nó 
receptor. 
NRZ (Não Retorno a Zero) 
n  0 como sinal baixo e 1 como sinal alto 
Codificação NRZ de um fluxo de bits 
Problema?????? 
NRZ (Não Retorno a Zero) 
Problemas: 
n  Perda da linha de base 
n  O receptor mantém uma média dos sinais vistos; 
n  Utiliza a média para distinguir entre o sinal baixo 
e alto; 
n  Quando o sinal é significativamente abaixo da 
média, considera-se como bit 0, caso contrário 
como bit 1; 
n  Muitos 0’s e 1’s consecutivos causam uma 
mudança na média, tornando-se difícil a 
detecção; 
NRZ (Não Retorno a Zero) 
Problemas: 
n  Recuperação do clock 
n  Transição frequente de alto para baixo ou vice-
versa são necessárias para permitir a 
recuperação do clock; 
n  Tanto o processo de envio e decodificação é 
impulsionado por um clock; 
n  Cada ciclo de clock, o remetente transmite um 
bit e o receptor recupera um bit; 
n  O remetente e o receptor precisam estar 
sincronizados; 
NRZ (Não Retorno a Zero) 
Problemas: 
n  Recuperação do clock 
n  Se o c lock do receptor fo i 
ligeiramente mais rápido ou mais 
lento que o clock do emissor, então 
ele não decodificará o sinal 
corretamente; 
NRZI (Não Retorno a Zero 
Invertido) 
n  Remetente faz a transição do sinal 
corrente para codificar 1, e mantém no 
sinal corrente para codificar 0; 
n  Resolve o problema de 1’s consecutivos; 
n  Não resolve o problema dos 0 ’s 
consecutivos; 
Codificação Manchester 
n  Une o clock com o sinal sendo transmitido 
Ex-OR do NRZ codificando dados e o clock 
n  Clock é um sinal interno que alterna de baixo 
para alto, um par baixo/alto é considerado 
como um ciclo de clock 
n  Na codificação Manchester 
n  0: transição baixo à alto 
n  1: transição alto à baixo 
Codificação Manchester 
n  Problemas: 
n  Duplica a taxa na qual as transições são 
feitas no enlace 
n  Significa que o receptor tem a metade do 
tempo para detectar cada pulso de sinal 
n  A taxa na qual o sinal muda é chamado 
taxa de baud; 
n  Em Manchester a taxa do bit é metade da 
taxa de baud (o que é ruim); 
Diferentes estratégias de codificação 
Codificação 4B/5B 
n  Insere bits extras no fluxo de bits para quebrar 
longas sequências de 0’s e 1’s; 
n  Cada 4-bits de dados são codificados como um 
código de 5-bits que é transmitido para receptor; 
n  Códigos de 5-bits são selecionados de tal modo 
que um não tenha um 0 no início e dois 0 no 
final; 
n  Nenhum par de código de 5-bits resulta em mais 
do que 3 0’s consecutivos; 
n  Alcança 80% de eficiência; 
C a m a d a d e 
Enlace 
Introdução à Camada de 
Enlace 
Terminologia 
n  Enlace (ou link) 
c a n a l d e 
c o m u n i c a ç ã o 
en t re do i s ou 
mais hosts 
n  Dedicado 
n  Compartilhado 
Obje%vo:	
  transportar	
  um	
  datagrama	
  de	
  uma	
  ponta	
  do	
  enlace	
  a	
  outra.	
  
 
Comunicação entre Interfaces 
n  Camada de en l a ce 
i m p l e m e n t a d a n a 
Interface 
n  I n t e r f a c e é s e m i -
autônoma (responde 
sozinha) 
n  Camada de enlace e 
física 
n  Transmissor 
n  Encapsula pacote em 
quadro 
n  Adiciona endereço das 
interfaces, bits, para 
detecção de erros, etc. 
n  Receptor 
n  Verifica endereço destino, 
procura por erros 
n  Extrai pacote e passa 
para a camada de redes. 
Enquadramento 
n  Camada física aceita um fluxo de bits bruto e tenta 
entregá-lo no destino. 
n  O número de bits recebidos pode ser menor, igual ou 
maior do que onúmero de bits transmitido, e eles 
podem ter valores diferentes dos bits originalmente 
transmitidos. 
n  Estratégia 
n  Dividir o fluxo de bits em quadros 
n  Problema: 
n  Projeto deve tornar fácil para o receptor encontrar o início 
de novos quadros. 
Camada de Enlace 
n  Gerencia a transmissão, transporta 
quadro de bits, detecta e opcionalmente 
corrige os erros de transmissão; 
n  a cadeia de bits enviada ao nível de enlace 
é organizada em conjuntos de bits 
denominados quadros; 
Camada de Enlace 
n  D e l i m i t a ç ã o d e Q u a d r o s 
(Enquadramento) 
n  como identificar os limites entre quadros? 
n  Detecção e Correção de Erros 
n  como detectar quando saiu algo errado? o 
que fazer neste caso? 
n  Controle de Fluxo 
n  Computador Super Poderoso x 486 
ENQUADRAMENTO 
Enquadramento 
n  Nos concentramos em redes de comutação 
de pacotes, o que significa que os blocos de 
fluxos de dados (chamados de quadros a 
este nível), não fluxo de bits, são trocados 
entre nós; 
Fluxo de bits entre os adaptadores, quadros entre os hosts 
Enquadramento 
n  Quando o nó A deseja transmitir um quadro ao nó B, 
diz a seu adaptador para transmitir um quadro da 
memória do nó. Isto resulta em uma sequência de 
bits sendo enviada pelo link; 
n  O adaptador no nó B então coleta juntamente a 
sequência de bits chegando no link e deposita o 
respectivo quadro na memória de B; 
n  Reconhecer exatamente o conjunto de bits que 
constituem um quadro – isto é, determinar onde o 
quadro começa e termina – é desafio central do 
adaptador; 
Enquadramento 
 
 
Existem várias maneiras de resolver o 
problema do enquadramento .. 
Enquadramento 
n  Protocolos orientados a byte 
n  Visualiza cada quadro como uma coleção 
de bytes (caracteres) ao invés de bits; 
n  Dois protocolos principais: 
n  B I S Y N C ( B i n a r y S y n c h r o n o u s 
Communication) : 
n  Desenvolvido pela IBM (final de 1960) 
n  DDCMP (Digital Data Communication 
Protocol) 
n  Utilizado na DECNet 
B I S Y N C – A b o r d a g e m 
Sentinela 
n  Quadros transmitidos a partir do campo mais 
à esquerda; 
n  Início de um quadro é denotado enviando 
um caractere especial SYN (synchronize) 
n  Porção de dados do quadro é contido entre 
o caractere sentinela especial STX (start of 
text) e ETX (end of text) 
n  SOH : Start of Header 
n  DLE : Data Link Escape 
n  CRC: Cyclic Redundancy Check 
Formato de quadro BISYNC 
n  Comumente é executado através de links de 
Internet usa a abordagem de sentinela 
n  Caractere especial start of text como Flag 
n  0 1 1 1 1 1 1 0 
n  Endereço, controle: valores default 
n  Protocolo para demux: IP / IPX 
n  Payload : negociável (1500 bytes) 
n  Checksum : para detecção de erros 
PPP (Point to Point Protocol) 
Formato de quadro PPP 
n  Abordagem contagem de bytes 
n  Count: quantos bytes estão contidos no 
corpo do quadro 
n  Se Count está corrompido 
n  Erro de enquadramento 
DDCMP 
Formato do Quadro DDCMP 
n  HDLC : High Level Data Link Control 
n  Começando e terminando em sequências 
0 1 1 1 1 1 1 0 
Formato do Quadro HDLC 
Protocolos Orientados a Bit 
n  No lado de envio, qualquer hora 
que está sendo transmitido cinco 
1’s consecutivos no corpo da 
mensagem 
n  O remetente insere 0 antes de 
transmitir o próximo bit 
HDLC 
HDLC 
n  Protocolo HDLC 
n  No lado do receptor 
n  5 1’s consecutivos 
n  Próximo bit 
n  0: Stuffed, então descarte 
n  1: ou marcador de FIM DE QUADRO, ou ERRO foi 
introduzido no fluxo de bits 
n  Olhe para o próximo bit 
n  Se 0 (01111110) à Marcador FIM DE QUADRO 
n  Se 1 (01111111) à ERRO, descarte todo o quadro 
n  O receptor precisa aguardar pelo próximo 
01111110 antes de começar a receber 
novamente; 
CONTROLE DE FLUXO 
Controle de Fluxo 
n  Como fazer com que um transmissor 
rápido não mande quadros a uma taxa 
mais alta do que o receptor pode tratar? 
n  Controle de fluxo baseado em feedback → o 
receptor envia informações de volta ao 
transmissor permitindo o envio de novos 
dados 
n  Controle de fluxo baseado na velocidade → o 
protocolo tem um mecanismo interno que 
limita a velocidade dos transmissores. 
DETECÇÃO DE ERROS 
Detecção de Erros 
n  Enlace não é confiável 
n  Bits podem mudar de valor 
n  Atenuação do sinal, ruído externo (fio 
muito longo, velho, interferência) 
n  Duas estratégias básicas 
n  códigos de detecção de erros 
n  códigos de correção de erros 
Detecção de Erros 
n  Enlace não é confiável 
n  Bits podem mudar de valor 
n  Atenuação do sinal, ruído 
externo (fio muito longo, 
velho, interferência) 
Como	
  detectar	
  
que	
  houve	
  um	
  
erro?	
  
Detecção de Erros de BITS 
Ideia 
n  Gerar um “resumo” dos bits e enviar 
juntamente com o pacote 
n  Verificar se o “resumo” dos bits que 
chegaram confere com o “resumo” que 
chegou. 
Detecção de Erros de BITS 
Detecção de Erros de BITS 
n  Resumo: bits para detecção de erros 
(redundância) 
n  Redundânc i a p ro tege somen te 
cabeçalho ou cabeçalho + dados 
n  Não é 100% confiável 
n  Resumo pode ser o mesmo, mas bits foram 
alterados 
n  Muito difícil de ocorrer na prática 
n  Maior redundância, detecção mais confiável 
Bit de Paridade 
n  Bit para indicar se o número de 1s em uma 
sequência de bits é par ou ímpar 
n  Paridade par: bit de paridade é 1 se a sequência 
possui um número ímpar de 1s (fazendo o total de 
bits ser par) 
n  Paridade ímpar: bit de paridade é 1 se a sequência 
possui um número par de 1s (fazendo o total de bits 
ser ímpar) 
n  Bit de paridade é um “resumo” de uma sequência de 
bits! 
n  Resumo com tamanho de 1 Bit. 
Calculando Bit de Paridade 
Paridade par 
Usando bit de paridade 
Transmissão	
  OK?	
  
Transmissão	
  OK?	
  
Usando bit de paridade 
Transmissão	
  OK?	
  
Paridade	
  calculada:	
  1	
  
Paridade	
  Pacote:	
  1	
  
Transmissão	
  OK.	
  
Transmissão	
  OK?	
  
Usando bit de paridade 
Transmissão	
  OK?	
  
Paridade	
  calculada:	
  1	
  
Paridade	
  Pacote:	
  1	
  
Transmissão	
  OK.	
  
Transmissão	
  OK?	
  
Paridade	
  calculada:	
  0	
  
Paridade	
  Pacote:	
  1	
  
Transmissão	
  com	
  ERRO.	
  
Usando bit de paridade 
Transmissão	
  OK?	
  
Usando bit de paridade 
Transmissão	
  OK?	
  
Paridade	
  calculada:	
  1	
  
Paridade	
  Pacote:	
  1	
  
Transmissão	
  OK?	
  
	
  
Erro	
  não	
  detectado...	
  
Bit	
  de	
  paridade:	
  erros	
  
detectados	
  com	
  
somente	
  um	
  erro.	
  
Paridade Bidimensional 
Paridade de Linha 
Paridade de Coluna 
n  Pode detectar e corrigir erros isolados 
n  Pode detectar erros duplos 
Paridade bidimensional - Exemplo 
S o m a d e V e r i f i c a ç ã o 
(Checksum) 
n  Método simples 
n  Normalmente implementado em software 
n  Bits de dados tratados como uma sequência de 
números inteiros de k bits 
n  Consiste na transmissão de todas as palavras 
juntamente com o resultado da sua soma binária. 
n  Receptor pode recalcular o checksum e compará-lo 
com o transmitido 
n  Se diferente → erro 
n  Usado no TCP, no UDP e no IP 
S o m a d e V e r i f i c a ç ã o 
(Checksum) 
n  Dados: 00111101 e 00001101 
n  Checksum: 01001010 
Outra solução é utilizar o código 
polinomial (ou código de redundância 
cíclica ou CRC) ... 
CRC 
n  A esta altura deverá estar claro que um 
objetivo importante no projeto de 
algoritmos de detecção de erro é 
maximizara probabilidade de detectar 
erros usando apenas um número 
pequeno de bits redundantes; 
CRC 
n  CRC utilizam uma matemática bastante 
poderosa para conseguir esse objetivo; 
n  Por exemplo, um CRC de 32 bits 
oferece forte proteção contra erros de 
bits comuns nas mensagens com 
milhares de bytes de extensão; 
CRC 
n  Emissor/receptor concordam num polinômio 
gerador G(x), em que quanto maior for o seu 
grau maior será a capacidade de detecção de 
erros. 
n  Neste polinômio tanto o bit de maior ordem 
quanto o de menor ordem devem ser iguais a 1 
n  Palavra inicial de k bits é representado por um 
polinômio de X de ordem k-1 
n  Palavra inicial = 10110001 
n  Polinômio = X7+X5+x4+1 
CRC 
n  Execução: o pol inômio p(x) é 
representado pela palavra inicial 
somada aos bits de paridade e deve ser 
divisível por G(x); 
n  O receptor tenta dividir p(x) por G(x). 
Se houver resto ≠ 0, houve um erro de 
transmissão; 
CRC 
n  Exemplo: Mensagem a transmitir 10111011 
n  Polinômio gerador G(X) = x4+x+1 -> 10011 
n  Acrescenta-se à mensagem inicial, a 
quantidade de zeros equivalentes ao grau de 
G(x), ficando: 
n  Seguidamente divide-se a mensagem (ponto 
anterior) pelo polinômio gerador 
n  A divisão de dois polinômios (na sua forma 
binária) é feita recorrendo à operação XOR (⊕) 
CRC 
O	
  resto	
  que	
  da	
  divisão	
  
é	
  finalmente	
  
adicionado	
  à	
  
mensagem	
  original:	
  
CRC 
O	
  resto	
  que	
  da	
  divisão	
  
é	
  finalmente	
  
adicionado	
  à	
  
mensagem	
  original:	
  
Mensagem	
  a	
  ser	
  
transmi%da...	
  
CRC 
Para	
  descodificar	
  a	
  
mensagem,	
  o	
  
procedimento	
  deve	
  ser	
  	
  
repe;do.	
  
≠	
  0,	
  logo	
  a	
  mensagem	
  foi	
  recebida	
  
com	
  erro	
  
Referências 
n  Slides Prof. Hana Karina S. Rubinsztejn; 
n  Slides Prof. Willian Amorin; 
n  T a n e n b a u m , A . S . R e d e s d e 
Computadores; 
n  Peterson, L. L.; Davie, B. S. Redes de 
Computadores: Uma Abordagem de 
Sistemas;

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