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3. AULA 3 – CAMADA FÍSICA
Objetivos da Aula
Compreender as principais funções e características da camada física. Apresentar uma visão geral do processo de transmissão, das características de um sinal e os principais meios de transmissão com e sem fio. Mostrar as principais topologias de rede.
A camada física é responsável pela transmissão efetiva dos dados por um canal de comunicação. O projeto da rede deve garantir que, quando um lado enviar um bit 1, o outro lado o receberá como um bit 1, não como um bit 0. Nesse caso, é muito importante conhecer a maneira como esses dados são gerados e transmitidos.
Bit (simplificação para dígito binário, "Binary digit" em inglês) é a menor unidade na notação numérica binária. Um bit pode assumir somente dois valores, por exemplo: 0 ou 1, verdadeiro ou falso.
3.1. Processo de Transmissão
Basicamente, o processo de transmissão refere-se ao tratamento de dados e sinais. Um dado para ser transmitido necessita ser codificado em um sinal, o qual percorrerá todo o canal de comunicação até atingir o destino, onde será decodificado (Figura 3.1). Para uma melhor compreensão, vejamos novamente o exemplo de uma ligação telefônica. A voz (dado) é codificada em pulsos elétricos (sinal), em seguida, é transmitida por meio do par telefônico (canal de comunicação). No destino, o sinal é decodificado para o formato original. A interface de comunicação é o elemento responsável por implementar a codificação e a decodificação, que no exemplo é o próprio telefone.
Dado consiste em uma informação que se deseja transmitir. Enquanto que, um sinal é uma seqüência de estados em um sistema de comunicação que codifica uma mensagem.
Figura 3.1: Processo de transmissão Fonte: MAIA, 2009, p. 41.
Os dados e os sinais podem ser classificados como analógicos e digitais. Nas redes de computadores, os dados estão sempre no formato digital, contudo, para serem transmitidos, esses dados precisam ser codificados em sinais analógicos ou digitais. O tipo de sinal utilizado dependerá de alguns fatores como, por exemplo, o meio de transmissão utilizado.
O termo analógico está associado à idéia de valores que variam continuamente no tempo dentro de um conjunto infinito de valores. Já o termo digital refere-se a valores que variam de forma discreta em função do tempo dentro de um conjunto finito de valores.
Sinal analógico é um tipo de sinal contínuo que varia em função do tempo e pode assumir infinitos valores. Um velocímetro analógico de ponteiros, um termômetro analógico de mercúrio, uma balança analógica de molas, são exemplos de instrumentos que utilizam sinais analógicos. Já o sinal digital é um sinal com valores discretos (descontínuos) no tempo e em amplitude. Isso significa que um sinal digital só é definido para determinados instantes de tempo, e que o conjunto de valores que pode assumir é finito. Um termômetro digital é um exemplo de instrumento digital; se a graduação for de 1ºC, por exemplo, o termômetro mostraria que a temperatura subiu de 36ºC para 37ºC, sem passar por valores intermediários.
3.2 Problemas na Transmissão
Em qualquer transmissão pode ocorrer problemas que provocam alterações significativas na forma original do sinal e, a conseqüência disso, é que o significado do dado transmitido pode mudar totalmente. Sendo assim, esses problemas devem ser evitados ou, pelo menos, minimizados, para se obter sistemas cada vez mais confiáveis. Dentre esses problemas, pode-se citar, principalmente, o ruído e a atenuação.
banda. Então, a largura de banda define a capacidade máxima de dados que um determinado canal pode transportar. Informalmente, quanto maior a largura de banda, mais informações o canal de comunicação poderá transmitir.
Uma forma mais precisa de calcular a capacidade máxima de transmissão é obtida a partir do teorema de Nyquist, segundo o qual a frequência de amostragem de um sinal analógico deve ser igual ou maior a duas vezes a maior frequência do espectro desse sinal, para que o mesmo possa posteriormente ser reconstituído com o mínimo de perda de informação.
3.4 Meios de Transmissão
Meios de transmissão são os meios através dos quais a informação trafega numa rede de comunicação de dados. Os meios de transmissão podem ser de dois tipos:
- Meios com fio - são aqueles em que a informação trafega por meio de um condutor físico delimitado, como, por exemplo, par trançado, cabo coaxial e fibra óptica.
- Meios sem fio - utilizam meios como o ar, água ou vácuo para propagar o sinal. Os principais meios sem fio são: o rádio, microondas, satélite e infravermelho.
3.4.1 Características dos Meios de Transmissão
Como são muitos os meios de transmissão, as características que permitem diferenciá- los são relacionadas ao tipo de sinalização, confiabilidade, segurança, facilidade de instalação e custo. Esses fatores sempre devem ser observados ao se projetar uma rede, pois a escolha do meio de transmissão adequado é fundamental para garantir o bom desempenho da rede.
A primeira característica, o tipo de sinalização, determina se o meio pode suportar sinalização digital, sinalização analógica ou ambas. Meios como o par trançado e o cabo coaxial permitem tanto a transmissão de sinais analógicos quanto a transmissão de sinais digitais. Agora, meios de transmissão sem fio e também a fibra óptica, suportam apenas transmissões de sinais analógicos. Entretanto, em alguns casos, estes meios permitem que os dados sejam transmitidos digitalmente; em outras palavras, o sinal é analógico, porém os dados são digitais.
A confiabilidade refere-se à capacidade do meio de transmissão de não apresentar erros frente a problemas como ruído e atenuação. As transmissões sem fio, geralmente, apresentam ser mais suscetíveis a problemas do que as transmissões que utilizam fios.
Quanto à segurança, um determinado meio de transmissão deve garantir que pessoas não-autorizadas não tenham acesso às informações que estão trafegando na rede. No caso das redes sem fio, os sinais podem ser interceptados mais facilmente que nas redes cabeadas. Então, para manter as informações em segurança, deve-se utilizar algum método de criptografia.
O tipo do meio e interfaces de comunicação, número de dispositivos e a distância entre eles, determinam a complexidade da instalação e manutenção do meio de transmissão. Nesse contexto, a grande vantagem dos meios sem fio é a facilidade de instalação.
O custo total envolvido no projeto de uma rede é proveniente do custo do próprio meio de transmissão, dos custos de instalação e manutenção, e do custo das interfaces de comunicação e dispositivos de rede como Hubs e Switches. Sendo assim, quanto maior a distância e o número dos dispositivos na rede, maior será o custo total.
3.4.2 Par Trançado
Sem dúvida, o par trançado atualmente é o cabo mais utilizado em redes e projetos de cabeamento estruturado para redes locais. O par trançado é constituído por quatro pares de fios entrelaçados, separados por material isolante e recobertos por uma capa protetora. Os fios são entrançados um ao redor do outro para cancelar as interferências eletromagnéticas de fontes externas e interferências mútuas (linha cruzada ou, em inglês, crosstalk ) entre cabos vizinhos.
O cabeamento estruturado refere-se à disposição organizada e padronizada de conectores e meios de transmissão para redes de informática e telefonia, de modo a tornar a infra-estrutura de cabos independente do tipo de aplicação e do layout.
Existem dois tipos de cabo par trançado: o UTP ( Unshielded Twisted Pair ) ou par trançado não-blindado, que oferece baixo custo e fácil instalação, porém são mais susceptíveis a interferências, e o STP (S hielded Twisted Pair ) ou par trançado blindado,
Esta ordem é feita de forma a minimizar os efeitos de perda de sinal, diafonia e interferência magnética. As Tabelas 3.2 e 3.3, mostram a sequência de cores dos padrões T568A e T568B, respectivamente.
Tabela 3.2: Padrão T568A Fonte: FILHO, 2009c, p. 75 Pino Par Tipo fio Cor 1 3 tip Branco/Verde 2 3 ring Verde 3 2 tip Branco/Laranja 4 1 ring Azul 5^1 tip^ Branco/Azul 6 2 ring Laranja 7 4 tip Branco/Marrom 8^4 ring^ Marrom
Tabela 3.3: Padrão T568B Fonte: FILHO, 2009c, p. 76 Pino Par Tipo fio Cor 1 2 tip Branco/Laranja 2 2 ring Laranja 3 3 tip Branco/Verde 4 1 ring Azul 5 1 tip Branco/Azul 6^3 ring^ Verde 7 4 tip Branco/Marrom 8 4 ring Marrom
Na montagem de um cabo paralelo ou direto, que é utilizado para fazer a conexão entre um host e equipamentos concentradores, como o Hub ou Switch, utiliza-se apenas um padrão nas duas extremidades do cabo, ou seja, ambas as pontas em T568A ou ambas as pontas em T568B. Quando o cabo for utilizado para conexão entre dois computadores (ligação direta entre dispositivos para formar uma rede ponto-a-ponto), uma extremidade deverá ser montada seguindo o T568A e a outra o T568B, formando um cabo crossover.
Uma ferramenta extremamente necessária para realizar o procedimento de montagem de conectores é o alicate de crimpar. A Figura 3.3 apresenta um alicate para crimpar típico.
Figura 3.3: Alicate de crimpar.
O procedimento para montagem de conectores, pode ser descrito em oito passos:
- Corte o cabo no comprimento desejado.
- Em cada ponta, com a lâmina do alicate crimpador retire a capa de isolamento com um comprimento aproximado de 2 cm.
- Prepare os oitos pequenos fios para serem inseridos dentro do conector RJ45, obedecendo à sequência desejada (T568A ou T568B).
- Após ajustar os fios na posição corte as pontas dos mesmos com um alicate ou com a lâmina do próprio crimpador para que todos fiquem no mesmo alinhamento e sem rebarbas, para que não ofereçam dificuldades na inserção no conector RJ45.
- Segure firmemente as pontas dos fios e os insira cuidadosamente dentro do conector observando que os fios fiquem bem posicionados.
- Examine o cabo notando se as extremidades dos fios entraram totalmente no conector RJ45. Caso algum fio ainda não esteja alinhado refaça o item 4 para realinhar.
- Insira o conector, já com os fios colocados, dentro do alicate crimpador e pressione até o final.
- Após a crimpagem das duas extremidades, use um testador de cabos para certificar que o cabo está funcionando corretamente.
se propaga. O material óptico externo que circunda o núcleo e reflete a luz de volta para ele é o revestimento. O núcleo e o revestimento são envoltos por uma capa protetora. Esta proteção plástica protege a fibra de danos e umidade.
Figura 3.5: Fibra óptica. Fonte: MAIA, 2009, p. 53.
Comumente, as fibras podem ser classificadas quanto ao número de feixes de luz que a percorrem ao mesmo tempo. Na fibra monomodo, apenas um feixe de luz é transportado pelo meio, por isso, são utilizadas para transmitir em longas distâncias. Já a fibra multímodo, transporta diversos feixes de luz simultaneamente, e são mais utilizadas para curtas distâncias.
A fibra óptica apresenta inúmeras vantagens se comparadas aos meios como par trançado e cabo coaxial. A fibra possui largura de banda maior, maior imunidade a ruídos e interferências eletromagnéticas, além de ser bem mais segura. O inconveniente da fibra é que ela é bem mais cara do que os outros cabos, e caso ocorra algum rompimento do cabo óptico o reparo é bem mais complexo.
3.4.5 Rádio
Este meio de comunicação é muito utilizado, principalmente, por provedores de acesso a internet em locais onde não existe uma infra-estrutura de rede instalada, como em regiões rurais. Além disso, a tecnologia hoje atingiu um grau de disseminação muito grande entre os usuários residenciais. Nesse caso, utilizam-se redes baseadas no padrão 802.11, que será abordado posteriormente.
3.4.6 Microondas
As transmissões de microondas são amplamente utilizadas em sistemas de comunicações. Podem ser realizadas de duas formas: como sistemas terrestres e
sistemas baseados em satélite. A primeira é indicada para a troca de informações onde a instalação de cabos seria dispendiosa ou complexa, como, por exemplo, entre dois edifícios. Já o sistema de transmissão por satélite é indicado para promover o tráfego entre regiões muito distantes, como o tráfego intercontinental de dados.
3.4.7 Infravermelho
A transmissão por infravermelho é constituída por um sistema simples e de baixo custo, que apresenta muitas restrições quanto à comunicação entre os dispositivos. O sinal de infravermelho é obstruído facilmente se houver algum tipo de obstáculo, como, por exemplo, paredes. Além disso, o alcance do infravermelho é muito pequeno, sendo indicado, portanto, para conexão entre dispositivos próximos. Atualmente, o infravermelho é muito utilizado em controles remotos de aparelhos eletrônicos.
Esta tecnologia está sendo substituída por uma nova tecnologia muito promissora, o Bluetooth.
3.4.8 Bluetooth
O Bluetooth é uma especificação para redes pessoais sem fio. Ele provê uma maneira de conectar e trocar informações entre dispositivos como telefones celulares, notebooks, computadores, impressoras, câmeras digitais e consoles de videogames digitais através de uma frequência de rádio de curto alcance e de baixo consumo de energia. Dessa forma, o Bluetooth possibilita a comunicação desses dispositivos quando estão dentro do raio de alcance um do outro, sem a necessidade dos dispositivos estarem na linha de visão um do outro, e podem estar até em outros ambientes, contanto que o sinal recebido seja suficientemente potente.
3.5 Topologias de Rede
A topologia de rede descreve como é o layout de uma rede de computadores, ou seja, a maneira como os dispositivos estão fisicamente conectados. Porém, em uma rede, o termo topologia pode ter um significado duplo, referindo-se às topologias física e lógica. A topologia física é a verdadeira aparência ou layout da rede, enquanto que a lógica descreve o fluxo dos dados através da rede.
3.5.2 Topologia em Estrela
A topologia em estrela é a forma de organização mais utilizada pelas redes atuais. Ela é caracterizada principalmente pelo uso de um equipamento concentrador, Hub ou Switch, que interliga todos os dispositivos da rede (Figura 3.8). Dessa forma, todo o fluxo de informação da rede passa obrigatoriamente pelo concentrador. Estes equipamentos, Hubs e Switches, serão abordados posteriormente.
Figura 3.8: Topologia em estrela.
Dentre as vantagens de se utilizar a topologia em estrela, destacam-se a simplicidade e o baixo custo da mesma. Também, nesta topologia as falhas são mais fáceis de serem encontradas e solucionadas. Os equipamentos ou estações de trabalho podem ser inseridos ou removidos sem interromper o funcionamento da rede. Se algum cabo apresentar defeito, somente o computador ligado a ele não poderá se comunicar, os outros equipamentos da rede não serão prejudicados.
O problema desta topologia deve-se ao fato de toda a rede depender de um único equipamento concentrador. Se este falhar, a comunicação será comprometida, ou seja, a rede pára.
3.5.3 Topologia em Anel
Na topologia em anel, os dispositivos são conectados em série, formando um circuito fechado (anel), como mostrado na Figura 3.9.
Figura 3.9: Topologia em anel.
Nesta topologia, os dados são transmitidos unidirecionalmente de nó em nó até atingir o seu destino. Uma mensagem enviada por uma estação passa por algumas estações intermediárias até atingir o destino. Na topologia em anel, os sinais sofrem menos distorção e atenuação no enlace entre as estações, pois há um repetidor em cada estação. Porém, há um atraso em cada estação devido ao processamento dos dados. E a cada estação inserida, há um aumento de retardo na rede. Contudo, é possível usar anéis múltiplos para aumentar a confiabilidade e o desempenho.
3.5.4 Topologia em Malha
Nesta topologia, todos os dispositivos estão atados aos demais, em uma espécie de entrelaçamento (Figura 3.10).
Figura 3.10: Topologia em malha.
A topologia em malha é menos suscetível a erros de transmissão, o tempo de espera é reduzido, e eventuais problemas não interrompem o funcionamento da rede, uma vez que existem vários caminhos possíveis da origem até o destino. O problema dessas redes é a escalabilidade e o elevado custo de instalação e manutenção.
3.5.5 Topologia Hierárquica
A topologia hierárquica, ou em árvore, é essencialmente uma série de estrelas interconectadas. Mas neste caso, existe uma hierarquia organizando os dispositivos (Figura 3.11).
Figura 3.11: Topologia hierárquica ou em árvore.
