Redes de comunicação mod 1

Primeira parte de uma introdução às redes
informáticas

Redes de Comunicação - Módulo 1 - 2011-12 ESML - Prof. João Faria 1

Noções elementares sobre redes: o que são, que
vantagens têm, que tipos existem

Redes de Comunicação - Módulo 1 - 2011-12 ESML - Prof. João Faria
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O que é uma rede de computadores?
É um sistema de
comunicação de dados
constituído através da
interligação de
computadores e
periféricos, com a
finalidade de trocar
informação e partilhar
recursos.


Vantagens das redes

 Partilha de recursos físicos (discos, impressoras,
etc.);
 Partilha de programas;
 Partilha de ficheiros;
 Intercâmbio de mensagens e informação;
 Melhor organização do trabalho em grupo.


A nível de hardware necessitam de:
1. Computadores;
2. Periféricos (impressoras, cd´s, modem´s, etc.);
3. Meios físicos de transmissão ( cabos, ou sistemas de
comunicações sem fios – ondas propagadas no espaço);
4. Dispositivos de ligação dos computadores à rede (placas
de rede, modems e/ou outros dispositivos);


A nível de Software necessitam

1. Utilitários e programas de aplicação para trabalho em
rede;
2. Sistemas operativos específicos para redes;
3. Drivers de placa de rede, complementam o sistema
operativo no sentido de este poder comunicar com a placa;
4. Protocolos de comunicação que tornam possível
tecnicamente a emissão e recepção de dados entre os
computadores envolvidos numa comunicação;


Transmissões de dados
 São feitas entre um transmissor e um receptor e
através de um meio de transmissão ou canal.
 Os dados são transportados por ondas
electromagnéticas ou luminosas.
 Os meios de transmissão podem ser guiados ou
não guiados. Os guiados orientam as ondas – caso
dos cabos – e os não guiados não orientam – caso
do ar ou da água do mar.


Dados e sinais digitais e analógicos (1/7)
 O termo ‘digital’ está associado a tudo aquilo que pode
ser representado por valores discretos (como 0,1,2,3,...)
e/ou trabalha com esses tipos de valores.
 Como os computadores ditos ‘digitais’ trabalham com a
base binária (0,1) o termo ‘digital’ neste âmbito fica
normalmente restringido a tudo aquilo que se refere aos
valores 0 e 1 ou a dois quaisquer valores ou estados que
lhes podem estar associados.
 A tendência actual é para a generalização da utilização
dos sinais digitais mesmo nas redes telefónicas. Isto esta
a decorrer com a evolução das redes telefónicas
tradicionais para a RDIS (Redes Digitais com integração
de serviços).

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 Em contrapartida, o termo ‘analógico’ refere-se a tudo
aquilo que pode ser representado por valores
contínuos e/ou trabalha com esses tipos de valores.
 Vamos ver em que medida estes termos se relacionam
entre si e com o que nos interessa neste momento.

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 Os termos ‘digital’ e ‘analógico’, no contexto das
comunicações de dados, podem aplicar-se a:

 Dados
 Sinais
 Transmissões

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 Dados
 Dados analógicos tomam valores contínuos dentro de
um determinado intervalo. O exemplo mais comum é o
da voz. Também o são vídeos, temperaturas, pressões,
etc.
 Dados digitais tomam valores discretos. São exemplo
caracteres de texto e números inteiros. Também todos os
dados armazenados e tratados por computadores
digitais estão nesta forma.


 Sinais
 Digitais - sinais com apenas duas amplitudes que deste modo codificam os bits (0 e 1) que transportam.

 Analógicos - sinais cujas amplitudes e/ou frequência são usadas para codificar os bits da informação transmitida.

0 1 0 1 0

1 0
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 Dados e sinais
Sinais analógicos
Dados analógicos
Voz Telefone Sinal analógico
Dados digitais
Ficheiro binário MODEM Sinal analógico

Sinais digitais
Dados analógicos
Sinal analógico CODEC Sinal digital
Dados digitais
Dados digitais Transmissor digital Sinal digital

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 Transmissões
Analógicas – são um meio de transmitir sinais analógicos (como
voz ou dados digitais modulados por um MODEM). O sinal, ao
longo do canal, perde energia e fica distorcido. Por isso, usam-
se amplificadores que recuperam a energia mas não a forma
original; pelo contrário, aumentam a distorção.

Digitais – são um meio de transmitir sinais digitais, binários no
nosso caso. O sinal, ao longo do canal, perde energia e fica
distorcido. Mas aqui usam-se repetidores que lêem o padrão de
0’s e 1’s do sinal e reenviam-no num sinal ‘limpo’ e com a energia
inicial.
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Distorção de sinal
Perda de forma do sinal durante a transmissão.

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Atenuação de sinal

Perda de amplitude do sinal ao longo da transmissão.
Pode obrigar ao uso de repetidores para corrigir
essa perda.

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Transmissões simplex, half-duplex e full-duplex (1/2)
 Simplex: apenas um computador pode emitir para
o outro
 Half-duplex: qualquer computador pode enviar
para o outro, mas as transmissões são
alternadamente num sentido e noutro
 Full-duplex: as transmissões em ambos os
sentidos são possíveis em simultâneo.

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Modulação em Amplitude (AM ou ASK)
Neste tipo de modulação modifica-se o valor da amplitude de um sinal de
acordo com o valor a codificar (0 ou 1), mantendo-se inalterada a frequência e a
fase.
Seguidamente este sinal codificado é adicionado à portadora de transmissão
que é enviada.
O receptor efectua o processo inverso recuperando a informação enviada.
Esta modulação é sensível aos vários tipos de ruído obrigando à emissão de
maiores potências.

0 -> valor A
1 -> valor B


Modulação em Frequência (FM ou FSK)
Neste tipo de modulação, altera-se a frequência de acordo com os valores do sinal
digital, mantendo-se inalterável a amplitude e a fase.
Por exemplo, segundo o CCITT, atribui-se a frequência superior ao zero (0),
alterando-se a frequência para um valor inferior quando se tiver de modular o um
(1); seguidamente este sinal codificado é adicionado à portadora de transmissão
que é enviada.
O receptor efectua o processo inverso recuperando a informação enviada, tal
como na modulação AM.
Esta modulação resiste melhor a perturbações, tendo um bom rendimento de
modulação/demodulação, assim como simplicidade na tecnologia necessária.

0 -> freq. baixa
1 -> freq. alta

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Modulação em Fase (PM ou PSK)
Neste tipo de modulação é a fase da portadora que varia de acordo com as
transições dos valores digitais a codificar, mantendo-se inalterável a amplitude e a
frequência
O sinal codificado é adicionado à portadora de transmissão que é enviada. O
receptor efectua o processo inverso recuperando a informação enviada.
Tem também um bom rendimento de modulação sofrendo baixa influência dos
ruídos.

00 <==> Fase de 45º
01 <==> Fase de 135º
11 <==> Fase de 225º
10 <==> Fase de 315º

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Codificação e modulação
 Para transmitir os bits de um computador para
outro há que definir ao nível físico o formato que
eles devem assumir nisso consiste a codificação.
 No caso em que os sinais a transmitir tenham de
ser convertidos do formato digital para o formato
analógico há que proceder a operações de
Modulação. A operação inversa é chamada
Desmodulação.
 Os dispositivos que realizam estas operações são
conhecidos como Modems

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Multiplexação (1/3)
 Consiste na operação de transmitir varias comunicações diferentes ao
mesmo tempo através de um único canal físico; o dispositivo que
efectua este tipo de operação chama-se Multiplexador. .

n entradas n saídas

DEMULTIPLEXER
MULTIPLEXER

1 ligação
n canais

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 Pode ser conseguida por multiplexação em
frequência, em que cada sinal é modulado por uma
portadora com frequência diferente. A largura de banda
do canal tem de ser maior do que as somas das
larguras de banda dos vários canais.

Emissor 1 Canal 1 (f1) M Receptor 1
M
Emissor 2 U Canal 2 (f2) U Receptor 2

X Canal 3 (f3) X Receptor 3
Emissor 3

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 Pode ser conseguida por multiplexação por divisão no
tempo, através de diferentes algoritmos, mas todos com
uma base comum: a de, durante uma fatia de tempo, a
largura de banda do meio de transmissão estar ocupada
por uma dada transmissão.

C C C C C C C C C
Emissor 1 a a a a a a a a a M Receptor 1
M n n n n n n n n n
Emissor 2 U a a a a a a a a a U Receptor 2

X
l l l l l l l l l X Receptor 3
Emissor 3
1 2 3 1 2 3 1 2 3

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Transmissões síncronas e assíncronas (1/2)
Síncrona

Que ocorre a intervalos
regulares entre o emissor
e o receptor. Existe uma
linha comum entre ambos
pela qual corre um sinal
de relógio digital, que
assim coloca ambos em
sintonia. É a norma para
redes locais.

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Transmissões síncronas e assíncronas (2/2)

Assíncrona
Que não é sincronizada;
obriga a que cada pacote
de dados se identifique e
assinale o seu início e
fim.
Usa-se nas ligações entre
dois computadores
através de um cabo série
ou na ligação a terminais.

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…:::Definição:::…

O decibel (dB) é uma medida da razão entre duas quantidades, sendo usado para uma grande variedade de
medições em acústica, física e electrónica. O decibel é muito usado na medida da intensidade dos sons.

…:::Ilustração:::…

…:::Unidade de medida:::…

O decibel é uma unidade adimensional, logo não tem unidade de medida.

27


Bitrate significa taxa de bits ou taxa de transferência de bits.
Nas telecomunicações e na computação, o bitrate é o número de bits convertidos ou processados por unidade de tempo.

…:::Ilustração:::...

…:::Unidades de Medida:::…

O bitrate é medido em 'bits por segundo' (bps ou b/s), muitas vezes utilizado em conjunto com um prefixo SI , como
kbps, Mbps, Gbps, etc.
De acordo com o seguinte:
•1.000 bps = 1 kbps (1 kilobit ou mil bits por segundo)
•1.000.000 bps = 1 Mbps (1 megabit ou 1 milhão de bits por segundo)
•1.000.000.000 bps = 1 Gbps (1 gigabit ou mil milhões de bits por segundo)
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A largura de banda é um conceito central em diversos campos de conhecimento, incluindo teoria da informação,
rádio, processamento de sinais, electrónica e espectroscopia. Em rádio a comunicação corresponde à faixa de
frequência ocupada pelo sinal modulado. Em electrónica normalmente corresponde à faixa de frequência na qual
um sistema tem uma resposta em frequência aproximadamente plana.

…:::Ilustração:::…

…:::Unidades de Medida:::…

Largura de banda é a medida da faixa de frequência, em hertz, de um sistema ou sinal.

Classificação dos códigos de transmissão(1/3)
Os códigos de transmissão podem classificar-se de vários pontos de vista:

» Polaridade:
– Códigos Unipolares - os impulsos têm uma única polaridade; em códigos
binários os dois estados são representados por um impulso e pela ausência de
impulso

– Códigos Polares - os impulsos apresentam polaridade positiva e negativa,
podendo ainda um estado ser representado pela ausência de impulso

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Classificação dos Códigos de Transmissão (2/3)
Binário NRZ (Non Return to Zero)
» NRZ-L (Non Return to Zero - Level)
– Usa dois níveis de sinal para representar 0 e 1 (codificação absoluta)
– O nível do sinal permanece constante durante o intervalo de um bit

» NRZ-I (Non Return to Zero - Inverted)
– Mudança de nível representa 1
– Codificação diferencial
Imune a inversões de polaridade


Classificação dos Códigos de Transmissão (3/3)
Bifásicos
♦ Manchester
» Transição no meio de cada bit
– 1: transição ascendente
– 0: transição descendente

♦ Manchester Diferencial
» Transição no meio de cada bit
» Diferencial
– 0: transição no início do bit
– 1: ausência de transição no início do bit


TÉCNICAS DE DETECÇÃO E CORRECÇÃO DE ERROS

DETECÇÃO DE ERROS
Detecção de erros é a capacidade de detectar erros causados por ruído ou outras causas
durante a transmissão de um emissor para um receptor.

CORRECÇÃO DE ERROS
Correcção de erros, para além da detecção do erro, permite a sua correcção.

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CORRECÇÃO DE ERROS
IMPLEMENTAÇÃO
Há duas formas de implementar um sistema de correcção de erros:

* Pedido Automático de Repetição ou ARQ (Automatic repeat request[1]):

O transmissor envia os dados e um código de detecção de erros, que permite que o receptor
detecte a existência de erros.

Se não encontrar erros, envia uma mensagem (um ACK, ou seja, aviso de recepção) ao emissor.

Se o emissor não receber o ACK, então é porque a mensagem continha erros e é automaticamente
re-transmitida.

* Correcção Adiantada de erros ou FEC (Forward error correction[2]):

O emissor codifica os dados com um código de correcção de erros e envia a mensagem.

O receptor descodifica a mensagem que recebe para a forma "mais provável" ou seja, os códigos
são implementados de forma a que a quantidade fosse necessária uma quantidade de ruído
"improvável" para que a mensagem chegasse errada ao receptor.
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Paridade de Caractere

Esta técnica consiste em acrescentar um bit extra ao caractere, isto é, emprega
a técnica de paridade que pode ser paridade par ou paridade ímpar
Além dos oito bits de caráctere que são gerados, a estação transmissora
adiciona um bit de paridade para cada carácter e a soma desses nove bits deverá
manter-se sempre ímpar ou par, dependendo da técnica de paridade
empregada.
Exemplos:

Paridade Par:
Carácter Bit de Paridade Sequência a Transmitir
1000100 0 10001000
1110000 1 11100001

Paridade Ímpar:
Carácter Bit de Paridade Sequência a Transmitir

1000100 1 10001001

1110000 0 11100000

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O equipamento transmissor calcula o bit de paridade para cada caractere
transmitido.

O receptor calcula um novo bit de paridade em cima dos bits recebidos e
compara este bit com aquele enviado pelo transmissor.

Se forem iguais, a transmissão é considerada correcta; se não; haverá
necessidade de retransmissão do carácter.

Caso haja um número par de bits com erro, esta técnica não consegue
detectar, pois a verificação de bits "1"s do caractere recebido permanecerá
par ou ímpar, de acordo com o método, satisfazendo ao método do bit de
paridade.

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CRC - CYCLIC REDUNDANCY CHECKING

O método CRC (Cyclic Redundancy Checking), embora use uma técnica mais
complexa, é bem mais eficiente que os anteriores.

A técnica de verificação cíclica é executada por ambas as estações transmissora
e receptora e consiste na divisão de todos os bits de um bloco por um valor
binário constante (polinómio gerador).

O quociente é desprezado e o resto desta operação será o carácter de
verificação que será transmitido.

O CRC, também conhecido como método de detecção polinomial, é um
processo de verificação de erros sofisticado que os anteriores, permitindo que
se detecte praticamente a ocorrência de qualquer grupo de erros.

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Na transmissão

1º - Os dados de informação a serem transmitidos são transformados num
polinómio D(x), em função dos “0"s e "1"s.
2º - Ao polinómio D(x) será adicionado no fim; o mesmo número de zeros quanto
o grau do polinómio gerador G(x).
3º - Fazemos a divisão do polinómio D(x) por G(x).
4º - O resto desta divisão R(x) será adicionado no fim da transmissão de D(x).

Na recepção

1º - Os dados recebidos serão divididos pelo mesmo polinómio gerador G(x).
2º - Se o resto desta divisão for igual a zero, significa que não houve erros na
transmissão; caso contrário, foi detectado erro na transmissão, sendo necessário
a retransmissão da informação enviada anteriormente.

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Exemplo:

D(x)=x7+x5+ x4+x2+x1 , ou seja: 10110110

G(x)= x4+ x3+x0 , ou seja: 11001

Polinómio de 4º grau temos que adicionar 4 bits 0 a D(x)

Caso o receptor tivesse recebido a seguinte mensagem 101101110111, a divisão
pelo polinómio gerador não daria zero, como tal iria pedir a retransmissão
da mensagem

Checksum
O checksum de uma mensagem é uma soma aritmética de certos
componentes da mensagem - por exemplo a soma de todos os bytes que a
compõem.
Esta soma é enviada pelo emissor e recalculada no receptor, para ser
comparada com a soma enviada. Se não forem coincidentes, indica que
houve um erro na transmissão.

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Compressão de Dados
Versus
Compactação de Dados
 São dois processos distintos
 Compressão: reduz a quantidade de bits para
representar algum dado
 Compactação: união de dados que não estejam
unidos.
 Ex.: Desfragmentação de discos

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Compressão de Dados
 A compressão de dados, como o próprio nome
sugere, é o acto de comprimir dados
 Comprimir algo é torná-lo menor, através de algum
algoritmo de compressão, reduzindo a quantidade
de bits para se representar um dado
 Comprimir dados destina-se também a retirar a
redundância, baseando-se que muitos dados
contém informações redundantes que podem ou
precisam ser eliminadas de alguma forma
 Ex. A sequência ‘AAAAAA’, que ocupa 6 bytes, poderia
ser comprimida para ‘6A’, que ocupa 2 bytes

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Razão de Compressão
 Uma das formas de se verificar a eficiência
de um algoritmo é através da razão de
compressão
 Ela é definida pela porcentagem que o
arquivo comprimido representa em relação ao
tamanho do arquivo não comprimido.

 Exemplo: se o arquivo não comprimido
possui 100 bytes e o arquivo comprimido
resultante possui 30 bytes, então a razão de
compressão é de 30%, ou 10:3
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Tipos de Compressão

 Existem dois tipos de compressão:
 Compressão sem perda de dados
 Compressão com perda de dados

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Compressão sem Perda de Dados
 Definida como uma operação sem perdas de nenhum
dado
 A informação é comprimida através de um algoritmo e,
ao descomprimir, todas as informações são
recuperadas
 Exemplo típico: ficheiros bzip, gzip, .gz
 Os mais conhecidos são o .zip ou .rar.

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Compressão sem Perda de Dados
 Ela é usada quando é importante que a informação
original e a descompactada sejam idênticas
 Ex.: executáveis e documentos texto

 E com relação às imagens?
 Alguns formatos usam apenas esse tipo. Ex. PNG e GIF*
 Outros formatos usam ambos. Ex.: TIFF e MNG
 Outros formatos usam algoritmos com perdas. Ex.: .jpeg

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Técnicas de Compressão sem Perda
de Dados
 Antes de se utilizar a técnicas de compressão, é
necessário saber qual o tipo de informação que será
compactada
 Texto
 Imagens
 Sons

 Algoritmos de compressão de textos não são eficientes
na compressão de sons
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Compressão com Perda de Dados
 Definido como operação que admite alguma perda
de qualidade dos dados
 A informação é comprimida por algum algoritmo
e, ao descomprimir, a informação é diferente da
original, mas suficientemente parecida para que
seja útil
 Exemplo típico: a maioria das imagens .jpg na
internet em que se percebe uma diminuição da
qualidade próximo das margens ou trocas de cor
na imagem
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Compressão com Perda de Dados
 A compressão com perda consegue uma dimensão
menor em disco
 Possui, porém, uma qualidade mínima com relação
ao original
 Usada habitualmente em sons, vídeos e imagens,
principalmente na troca de informações pela
internet
 Vídeos podem ser comprimidos numa razão de 300:1,
perdas imperceptíveis ao ouvido humano;
 Sons e imagens são comprimidos numa razão 10:1, mas
imagem tem a qualidade afectada
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Exemplo de Compressão
com Perda

Imagem Imagem Mesma Imagem
Original (12KB) Comprimida (85% Altamente Comprimida
menos informação, (96% menos informação,
1.8KB) 0.56KB)

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