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3ºAula A CAMADA FÍSICA DO MODELO OSI Objetivos de aprendizagem Ao término desta aula, vocês serão capazes de: • entender a função dentro do modelo OSI da camada física; • conhecer as principais funções da camada física. Conversa Inicial: “Caros(as) alunos(as)! Na aula anterior foi apresentada a definição do que são redes de computadores, seus componentes, topologias, como uma arquitetura de rede é estruturada em camadas e uma breve visão da função de cada uma. A partir desta aula será apresentada em detalhes a função de cada uma das camadas do modelo OSI a começar pela física, onde será apresentada como uma informação é codificada em sinais para que a mesma possa ser transmitida através de um meio físico. Lembrem-se de que esta aula foi preparada para que você não encontre grandes dificuldades. Contudo, podem surgir dúvidas no decorrer dos estudos! Quando isso acontecer, anote, acesse a plataforma e utilize as ferramentas “Quadro de Avisos” ou “Fórum” para interagir com seus colegas de curso ou com seu tutor. Sua participação é muito importante. Bons estudos! 25 Redes de Computadores I 24 1. Seções de estudo Apresentação da camada física 2. Sinalização 3. Exemplo de um padrão da camada física 1 - Apresentação da camada física A função da camada física é transmitir os bits recebidos da camada de enlace. Essa transmissão se dá através da codificação dos bits (1 e 0) em sinais (elétrico, luminoso, radiofrequência) que serão transmitidos através de um meio físico. Os protocolos dessa camada deverão especificar: quantos volts representará o bit 1, e quantos o bit 0; qual a duração de um bit; como será estabelecida e encerrada a conexão; quantos pinos terá o conector de rede e o que cada um fará; qual o comprimento máximo de um cabo; etc. A camada física deve especificar: • Características mecânicas: como por exemplo, definir os conectores (a forma, o tamanho, a quantidade de pinos, etc.), cabos (constituição, seu tamanho); • Características elétricas: como deverá ser codificado o bit (qual o nível de tensão que será utilizado na representação do bit 0 e do bit 1), o intervalo de sinalização, definir as taxas de transmissão e distâncias que podem ser atingidas; • Características funcionais: descreve o significado dos sinais transmitidos. • Características procedurais: descreve a sequência de eventos trocados durante a transmissão de uma série de bits através do meio de transmissão. MODOS DE TRANSMISSÃO Quando a transmissão for unidirecional, nós chamamos o modo de transmissão de simplex, se ele ocorrer em ambas às direções, mas alternadamente o modo é chamado de half-duplex, se a transmissão se der em ambos os sentidos simultaneamente o modo de transmissão é chamado de full- duplex. Em redes locais a comunicação half-duplex é a mais comum. Os bits podem ser transmitidos através do meio físico de forma serial ou paralela. Na transmissão paralela os bits são transmitidos simultaneamente por várias linhas de transmissão paralelas. É usada em curtas distâncias, geralmente ligando periféricos ao computador. Sua utilização não é adequada em redes de computadores, pois além da limitação da distância, o preço do cabo é caro e muito suscetível a interferências eletromagnéticas. Na transmissão serial é utilizado somente um canal de transmissão, os bits são enviados serialmente separados por um intervalo de tempo. Todo meio físico permite a passagem de uma faixa de frequências. À diferença entre a maior e a menor frequência dessa faixa damos o nome de banda passante do meio. A banda passante é uma determinada faixa de frequência que o meio físico consegue transmitir. Como exemplo podemos citar o ouvido humano, nós conseguimos detectar sons com frequência que vão de 20 Hz até 20000Hz. Ou seja, o nosso ouvido tem uma banda passante de 19980Hz, que é a diferença entre a maior e a menos frequência. Já o ouvido canino consegue captar sinais sonoros que vão de 10Hz a 40000Hz, ou seja tem uma banda passante de 39990Hz, quase o dobro da nossa. Sempre que a banda passante do meio for maior que a banda passante necessária para um sinal, podemos transmiti- lo através desse meio. 2 - Sinalização SINAIS ANALÓGICOS E DIGITAIS Para entendermos o que são sinais analógicos e digitais é necessário que a compreensão do que são informações digitais e analógicas, tomemos a explicação dada por Soares et al (1995): Computadores são equipamentos que informações em bits que correspondem a dois níveis discretos de tensão ou corrente, representando os valores lógicos ‘0’ ou‘1’. Chama-se esse tipo de informação de digital. Já, informações geradas por fontes sonoras apresentam variações contínuas de amplitude, constituindo-se no tipo de informação que comumente denominamos de analógica. De forma análoga a que se procedeu a respeito da natureza da informação, podemos para transmissão: sinais analógicos e sinais digitais. Sinais analógicos variam continuamente com o tempo. Já um sinal digital caracteriza-se pela presença de pulsos nos através de uma seqüência de intervalos de de intervalos de sinalização, durante os caracterizando um dos símbolos digitais transmitidos. (SOARES, et al., 1995, s/p) A explicação dada pelo autor acima pode ser exemplificada pela figura 1, onde são ilustrados exemplos de um sinal analógico e um digital. No sinal analógico a amplitude (voltagem) varia suavemente e continuamente no tempo ela assume todos os valores possíveis entre dois pontos. No sinal digital o valor da amplitude muda abruptamente, assumindo apenas dois valores possíveis. Figura 1-Sinais analógico e digital Fonte: acervo pessoal 26 25 Informações analógicas podem ser transmitidas utilizando-se tanto sinais analógicos como digitais. O mesmo acontece com as informações digitais. Técnicas de modulação modificam as características de um sinal senoidal (analógico) para representar um sinal digital. No exemplo anterior utilizamos dois níveis de amplitudes (alto e baixo) para codificar o sinal digital, mas podemos utilizar mais de dois níveis, com isso conseguimos transmitir mais de um bit a cada pulso. Para transmitir 2 bits por pulso, necessitamos de 4 níveis de amplitude (figura 2). Para codificar n bits em um nível de amplitude, serão necessários 2n diferentes níveis de amplitude. Figura 2-Sinal digital “Dibit” Fonte: acervo pessoal MODULAÇÃO A técnica de modulação consiste em variar a amplitude, a frequência ou a fase de uma onda portadora (sinal senoidal) para representar um sinal digital. Essa técnica permite a transmissão de dados digitais por meio de sinais analógicos. A modulação pode ser por chaveamento de amplitude, frequência ou fase. Na modulação por amplitude (ASK), mantemos a amplitude da onda portadora para identificar o bit 1, e alteramos a amplitude para sinalizar o bit 0. Na modulação por frequência (FSK), mantemos a frequência da onda portadora para sinalizar o bit 1 e aumentamos a sua frequência para sinaliza o bit 0. Na modulação por fase (PSK), a representação dos níveis binários por um avanço ou atraso de fase no sinal senoidal. Por exemplo, uma transição negativa (de 1 para 0) é representada por um avanço de 90º na fase do sinal senoidal, enquanto uma transição positiva (de 0 para 1) é representada por um atraso equivalente. Na figura 3 temos os exemplos das modulações. Figura 3 - Exemplo de modulações. Fonte: acervo pessoal CODIFICAÇÃO E TRANSMISSÃO DE SINAIS DIGITAIS Para melhor compreensão da codificação e transmissão de sinais digitais devemos olhar para um conceito chamado ponto de amostragem. Antes, vamos ver o conceito de relógio (clock): clock é uma onda quadrada utilizada para sincronizar dispositivos eletrônicos. O ponto de amostragem é o momento em que o receptor irá amostrar (analisar) o sinal recebido para retirar do mesmo o valor do bit transmitido. A melhor localização para o ponto de amostragem é no meio do tempo de sinalização (T), vistoanteriormente, como ilustrado na figura 4. Para uma correta amostragem do sinal, o receptor deve conhecer a frequência do relógio do transmissor e a duração do tempo de amostragem. Para uma amostragem correta do sinal, o receptor e o transmissor devem ter seus relógios sincronizados em frequência e fase. Para resolver esse problema duas abordagens são utilizadas: transmissão assíncrona e transmissão síncrona. Figura 4 – Pontos de Amostragem Fonte: acervo pessoal TRANSMISSÃO ASSÍNCRONA Na transmissão assíncrona é utilizada a codificação NRZ que emprega níveis de tensões negativas e positivas para representar os bits 1 e 0. O clock do receptor é ajustado em uma frequência n vezes maior que a do transmissor. Depois de detectado o início da recepção, ele espera por n/2 pulsos de seu relógio para começar a fazer a amostragem. Para que o receptor possa disparar a contagem de seu oscilador é necessário um mecanismo que marque o início da transmissão. Para tal os caracteres transmitidos são delimitados por um bit start e um bit stop. O bit start é uma transição de 1 para 0 que marca o início da transmissão de um caracter (8 bits), ao detectar esse bit, o receptor dispara o seu oscilador. Após a transmissão do caracter é inserido um bit de paridade (veremos sua definição mais a frente), e depois um bit stop, indicando o final do caracter, como ilustrado na figura 5. Detalhes sobre a transmissão assíncrona: quando não há dados sendo transmitidos, o transmissor envia continuamente um sinal que representa o bit de valor 1, por isso a necessidade do bit start. Ao perceber que houve uma mudança no sinal, o receptor dispara o seu clock. Note também que a ausência de sinal (bit 0) pode indicar uma falha no meio de transmissão. A utilização do bit-stop evita que o receptor pense que há uma 27 Redes de Computadores I 26 falha no meio de transmissão quando o dado a ser transmitido contenha vários caracteres com o valor 0, pois o bit-start tem valor 0 e não havendo o bit-stop, a transmissão se resumiria a uma sequência de bits 0, que levaria o receptor a detectar uma falha no meio de transmissão. Além disso, a utilização do bit- stop permite que o receptor processe o caracter que recebeu. Figura 5 – Bit Start /Stop Fonte: acervo pessoal TRANSMISSÃO SÍNCRONA A transmissão síncrona procura estabelecer uma referência única de tempo para o transmissor e receptor. Uma solução é manter em canais separados os dados e relógio do transmissor. Apesar de ser uma solução simples, apresenta alguns problemas. O primeiro é a necessidade de um outro canal de transmissão, aumentando o custo da implementação. O outro problema é a exigência dos dois canais apresentarem o mesmo retardo de transmissão. Os meios de transmissão devem ser idênticos, pois uma diferença no retardo implicaria numa amostragem errada. Esse problema se torna crítico com o aumento de velocidade e distância. Uma segunda solução é utilizar alguma técnica de codificação que permita transmitir no mesmo canal os dados e informação de sincronismo. A primeira técnica de codificação é conhecida como codificação Manchester. Cada bit é codificado utilizando 2 pulsos. Uma transição positiva representa o bit 1 e uma negativa o bit 0. Com sempre existe uma transição para cada bit transmitido, o relógio pode ser recuperado junto com os dados, A figura 6 ilustra um exemplo da codificação Manchester. Fonte: acervo pessoal A segunda técnica de codificação é chamada de Manchester Diferencial, ela é derivada da primeira. O bit 0 é representado por uma alteração na polaridade no início da transmissão do bit e o bit 1 por nenhuma alteração na polaridade. A figura 7 ilustra um exemplo da codificação Manchester Diferenciada. Figura 7 – Codificação Manchester Diferencial Fonte: acervo pessoal MULTIPLEXAÇÃO Multiplexação é a técnica utilizada para transmitir mais de um sinal em um meio físico. Existem duas formas de multiplexação: a multiplexação na frequência (FDM) e a multiplexação no tempo (TDM). • MULTIPLEXAÇÃO NA FREQUÊNCIA São criados subcanais de transmissão, cada um utilizando uma faixa de frequência. Tomemos como exemplo a figura 8. Sobre um meio de comunicação com uma largura de banda de 15 KHz, iremos transmitir 2 sinais de 4 Khz de largura de banda cada um. Note que o sinal 2 sofreu uma modulação (sofreu um deslocamento na sua faixa de frequência original). Depois temos a transmissão dos 2 sinais ao mesmo tempo, cada um em uma faixa de frequência distinta. Ao chegar ao receptor, o sinal 2 será demodulado (deslocamento para a sua faixa de frequência original). Figura 8 - Multiplexação na Frequência de dois sinais Fonte: acervo pessoal 28 27 A TV a cabo utiliza a multiplexação na frequência, cada canal ocupa uma faixa de frequência. E no televisor quando passamos os canais, estamos na verdade selecionando a faixa de frequência que o televisor deve decodificar. • MULTIPLEXAÇÃO NO TEMPO A multiplexação no tempo poder ser síncrona ou assíncrona. Na TDM síncrona o tempo é dividido em intervalos de tamanho fixo T chamados de frames. Cada frame é dividido em N subintervalos denominados slots ou segmentos. Chamamos de canal, ao conjunto de um mesmo slot. Tomemos como exemplo a ilustração da figura 9, o canal 2 é formado pelo segundo slot de cada frame. Cada estação aloca um canal e transmite somente dentro desse intervalo de tempo. Figura 9 – TDM Síncrona Fonte: acervo pessoal Na TDM síncrona existe um desperdício de banda do meio, pois podem existir canais que não são utilizados. Uma alternativa que procura eliminar esse desperdício é a utilização do TDM assíncrono. Não existe alocação de canal. De acordo com a necessidade de transmissão das estações, são alocados dinamicamente espaço de tempo. BANDA LARGA E BANDA BÁSICA Duas técnicas de transmissão são as mais utilizadas: a sinalização em banda básica (também chamada de sinalização digital) e sinalização em banda larga. Na sinalização em banda básica o sinal é colocado no meio sem usar qualquer tipo de modulação. É utilizada toda a banda passante do meio para produzir somente um sinal. Essa técnica não é adequada a meios sujeitos a ruídos e interferências. A sinalização em banda larga (também chamada de sinalização analógica) utiliza a multiplexação FDM. É geralmente utilizada em redes locais em barra. Na banda larga pode ser sinalizado mais de um sinal no meio físico. Por esse motivo a ADSL chamou-se banda larga, pois no mesmo par metálico é transportado sinal telefônico (voz) e de dados ASDL. 3 - Exemplo de um padrão da camada física Não existe um único padrão para a camada física. Alguns exemplos de padrões para redes locais com topologia em barra são: ISO 8802.3, 8802.4 e 8802.6. Para transmissão em anel; ISO 8802.5, 8802.7 e 9314. A seguir daremos o exemplo do padrão RS-232. O PADRÃO RS-232 Esse padrão define uma interface que é utilizada para transmitir dados binários seriais entre um computador e um modem, ou outro computador e a periféricos como impressoras, mouse, etc. A primeira versão desse padrão foi publicada no início dos anos 60 e, atualmente está em sua quinta revisão, denominada EIA/TIA-232-F. As características mecânicas especificam o conector que deverá ser utilizado, nesse caso, um conector de 25 pinos (DB25). As características elétricas definem que uma voltagem entre +5 e +15V correspondem a 1 lógico, e o 0 lógico é representado por uma voltagem entre -5 e -15V. Compartilham um terra comum (transmissão não-balanceada). A taxa máxima de transmissão é de 20 Kbps em distâncias de até 10 metros. As características funcionais definem as funções executadas pela interface, define o que cada pino transmite ou recebe, confira a tabela: Pino Função Pino Função 1 GND -Protective Ground 13 SCS- Second Clear to Send TX – Transmit Data 14 STS- Second Transmit Data RX - Receive Data 15 DCTS- DCE Tx clock 4 RTS – Request to Send 16 SRD - Second Receive Data5 CTS - Clear to Send 17 RST- Receiver Rx clock 6 DSR - Data set Ready 19 SRTS - Second Request to Send 7 GND - Signal Ground 20 DTR - Data Terminal Ready 8 DSL- Receive Line Signal 21 SQD - Signal Quality Detect 9 + - Voltage + 22 10 - Voltage - 23 DSRS- Data Signal Rate Detect 12 SLS - Second Receive Line 24 DTSE- DTE Tx Signal clock As características procedurais descrevem a sequência de eventos que devem ocorrer para que os dados sejam transmitidos. Por exemplo, o computador quando quer enviar algum dado, faz uma requisição para o dispositivo que está conectado através do pino RTS (pino 4). Caso o dispositivo esteja pronto para receber, envia um sinal pelo pino CTS (pino 5). Após receber a confirmação o computador transmite os dados pelo pino TX (pino 2). 29 Redes de Computadores I 28 Retomando a aula Vamos rever o que aprendemos até agora? 1 – APRESENTAÇÃO DA CAMADA FÍSICA A função da camada física é realizar a transmissão dos dados recebidos da camada de enlace. Do mesmo modo como em uma transmissão de rádio ou televisão, a voz ou a imagem não é transmitida da maneira como é captada pelas câmeras ou microfones, os dados passados pela camada de enlace não pode ser transmitidos da maneira como foi recebido. É necessário representar esses dados em sinais para poder transmitir por um meio físico, e no lado do receptor esses sinais são transformados novamente em dados. Essa é a função da camada física. A esse processo damos o nome de sinalização. Os protocolos que forem desenvolvidos para a camada física deverão descrever: • Os conectores (suas formas, tamanho e descrição da pinagem) e os cabos (que material é constituído, tamanhos mínimos e máximos). A isso damos o nome de características mecânicas. • Como deverão ser sinalizados os bits, quais os níveis de tensão que representam o bit zero e o bit um. Qual o intervalo e duração da sinalização. A isso chamamos de características elétricas. • Também deverá descrever o significado de cada sinal gerado. A isso chamamos de características funcionais. • E também deve ser descrito qual a sequência de eventos que deverá ocorrer durante uma transmissão, como por exemplo, como indicar o início e o final da transmissão. A isso chamamos de características procedurais. Também aprendemos que existem dois tipos de transmissões: • Simplex: quando a transmissão é unidirecional, ou seja, em uma única direção. • Half-duplex: quando a transmissão é em ambas as direções, mas em momentos alternados. Em um momento uma estação A transmite para uma estação B e em outro momento a estação B transmite para a estação A. • Full-Duplex: quando a transmissão é em ambas as direções e ao mesmo tempo. Ou seja, a estação A está transmitindo para a estação B e ao mesmo tempo a estação B está realizando uma transmissão para a estação A. Aprendemos que a transmissão pode ser de forma paralela ou serial. Na paralela existem diversas linhas de transmissões e cada bit é sinalizado em uma linha. Já na serial existe somente uma linha de transmissão e os bits são sinalizados um a um por essa linha, como em uma fila indiana. Vimos também o conceito de banda passante ou banda base. A banda passante é uma determinada faixa de frequência que o meio físico consegue transmitir. Iremos estudar na próxima seção sobre o conceito de frequência. Como exemplo podemos citar o ouvido humano, nós conseguimos detectar sons com frequência que vão de 20 Hz até 20000Hz. Ou seja, o nosso ouvido tem uma banda passante de 19980Hz, que é a diferença entre a maior e a menos frequência. Já o ouvido canino consegue captar sinais sonoros que vão de 10Hz a 40000Hz, ou seja tem uma banda passante de 39990Hz, quase o dobro da nossa. 2 – SINALIZAÇÃO As informações da maneira como estão armazenadas nos computadores não podem ser transmitidas através de um meio físico. Elas deverão ser transformadas em sinais e após isso ser transmitidas. Ao chegar no receptor o processo contrário é realizado transformando os sinais em informações novamente. A esse processo de transformar as informações em sinais nós chamamos de codificação e o processo inverso de decodificação. Assim como existem informações digitais e analógicas também existem sinais analógicos e digitais. Os sinais digitais são caracterizados por possuírem uma amplitude fixa e uma mudança abruta nessa amplitude. Já nos sinais analógicos a amplitude varia continua e suavemente no tempo. As informações digitais podem ser sinalizadas tanto por sinais analógicos como digitais. O mesmo vale para informações analógicas. A técnica que é utilizada para representar informações digitais utilizando a sinalização analógica é chamada de modulação. É utilizado um sinal analógico chamado de onda portadora. Essa onda sofrerá modificações para poder representar a informação digital. A modulação na frequência irá alterar a frequência (aumentará a frequência) para representar o bit de valor 0 e manterá o frequência do sinal original para representar o bit de valor 1. A modulação na amplitude irá alterar o valor da amplitude do sinal original para representar o bit de valor 0 e manterá a amplitude original para representar o bit de valor 1. A modulação na fase inverte a fase da onda portadora para representar o bit de valor 0 e mantém a fase do sinal original para representar o bit de valor 1. Ponto de amostragem é o momento que o receptor analisa o sinal recebido para retirar do mesmo o valor do bit transmitido. O melhor momento para realizar essa amostragem é no meio do tempo de sinalização. Para isso utiliza-se um dispositivo chamado de clock cuja função é gerar pulsos elétricos. Em cada pulso é realizada a amostragem. Isso gera um problema. O clock do transmissor e receptor deve estar sincronizado. Para resolver o problema de sincronismo foram criadas duas técnicas: a transmissão assíncrona e a síncrona. Na transmissão assíncrona o clock do receptor oscila mais do que o do transmissor, ou seja, a sua frequência é vezes maior que a do transmissor. E a cada n/2 pulsos ele realiza a amostragem. Com isso é garantido que a amostragem será 30 29 sempre feita no meio do tempo de sinalização do transmissor. Na transmissão assíncrona o clock do receptor e do transmissor não possuem a mesma referência de tempo. Já a transmissão síncrona procura estabelecer a mesma referência de tempo entre os dois. Isso pode ser conseguido de duas formas: ter um canal separado para enviar o clock, aumentando o custo e exigindo que os dois canais tenham atraso de propagação idênticos, se o comprimento do cabo que transmite o clock for menor ou maior que o comprimento do cabo que transmite os dados irá acontecer atrasos na propagação que resultará em não sincronização. A outra forma é enviar pelo mesmo canal tanto o sinal de clock quanto o de dados. É utilizada uma codificação chamada de Manchester que consiste em utilizar duas transições para representar cada bit. A multiplexação é uma técnica que permite que sejam transmitidos mais de um sinal em um meio físico. Existe a multiplexação na frequência e no tempo. A multiplexação na frequência procura utilizar toda a banda passante do meio para transmitir vários sinais. Banda passante é a faixa de frequência que o meio físico deixa passar. Cada sinal ocupa uma faixa de frequência. Através da modulação modifica-se a faixa de frequência de cada sinal para que não ocorra conflito entre os sinais e todos os sinais são colocados no meio físico. A TV a cabo e a ADSL utilizam essa multiplexação. Em uma faixa de frequência trafega os dados da Internet e por outra a voz. Na multiplexação no tempo o tempo é dividido em tamanhos chamados de frames e cada frame é novamente dividido e cada intervalo agora recebe o nome de slot. O mesmo slot em cada frame forma um canal de transmissão onde é utilizado por um sinal. Por exemplo, todo terceiro slot de cada frame será um canal alocado para transmitir umsinal. Esse tipo de multiplexação é chamado de síncrona (não tendo nenhuma relação com a sinalização síncrona) e possui um problema se em um frame temos 10 slots e estão sendo transmitidos apenas dois canais temos um desperdício de oito slots, pois o canal tem que esperar pelo seu slot, se ele transmitir em um frame só poderá transmitir no próximo. Para melhorar foi criada a TDM assíncrona onde o canal não precisa esperar pelo seu slot, havendo slots livres ele transmite. É chamada de transmissão banda básica quando se utiliza toda banda passante do meio para sinalizar o sinal. E de banda larga utiliza a multiplexação na frequência. 3 - EXEMPLO DE UM PADRÃO DA CAMADA FÍSICA. Foi apresentada a interface de comunicação RS-232. Vimos que foi definido a pinagem, a função de cada pino, o tamanho máximo do cabo, as voltagens utilizadas para realizar a sinalização e a sequência de eventos que ocorrem durante a transmissão. Vale a pena WIKIPÉDIA, Frequência. Disponível em: <http:// pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia>. Acesso em 16 abril 2019. WIKIPÉDIA, Modulação. Disponível em: <http:// pt.wikipedia.org/wiki/Modula%C3%A7%C3%A3o>. Acesso em 16 abril. 2019. Projeto de Redes de Computadores, Redes Digitais Síncronas. Disponível em: <http://www.projetoderedes. com.br/artigos/artigo_redes_digitais_plesiocronas.php>. Acesso em 16 abril 2019. WIKIPÉDIA, Modulação. Disponível em: <http:// pt .wikipedia .org/wiki/Comunica%C3%A7%C3 %A3o_s% C3%ADncrona>. Acesso em 16 abril. 2019. Vale a pena acessar Minhas anotações 31
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