Neste capítulo tanenbaum apresenta a camada física.

1. Redes de Computadores
Camada Física

2. Introdução
Neste capítulo, vamos analisar a camada mais
baixa. Ela define as interfaces mecânica, elétrica e
de sincronização para a rede.

3. A base teórica da comunicação
de dados
As informações podem ser transmitidas por fios,
fazendo-se variar alguma propriedade física,
como voltagem (tensão elétrica) ou corrente.

4. Análise de Fourier
No início do Século XIX, o matemático francês
Jean-Baptiste Fourier provou que qualquer
função periódica razoavelmente estável, g(t),
com o período T pode ser construída como a
soma de um número (possivelmente infinito) de
senos e co-senos.

5. Sinais limitados pela largura de
banda
(a) Um sinal binário e suas amplitudes de média quadrática de
Fourier. (b) Aproximações sucessivas do sinal original

6. Taxa máxima de dados de um
canal
Em 1924 um engenheiro da AT&T, percebeu que
até mesmo um canal perfeito tem uma
capacidade de transmissão finita. Ele derivou
uma equação expressando a taxa máxima de
dados de um canal sem ruído com largura de
banda finita.
Em 1948, outro estudo aprofundou o trabalho de
anterior e o estendeu ao caso de um canal
sujeito a ruído aleatório.

7. Meios magnéticos
Uma das formas mais comuns de transportar
dados de um computador para outro é gravá-
los em fita magnética ou em mídia removível.
Uma fita Ultrium de padrão industrial pode
armazenar 200 gigabytes. Uma caixa de 60 60
60 cm pode conter cerca de 1000 fitas desse
tipo, perfazendo uma capacidade total de 200
terabytes, ou 1600 terabits.

8. Meios magnéticos
A largura de banda efetiva dessa transmissão é
de 1600 terabits/86400s, ou 19 Gbps.

9. Par trançado
Um par trançado consiste em dois fios de cobre
encapados, que em geral têm cerca de 1
mm de espessura.
Os fios são enrolados de forma helicoidal,
assim como uma molécula de DNA. O trançado
dos fios é feito porque dois fios paralelos
formam uma antena simples. Quando os fios
são trançados, as ondas de diferentes partes
dos fios se cancelam, o que significa menor
interferência.

10. Par trançado
Os pares trançados podem ser usados na
transmissão de sinais analógicos ou digitais.
A largura de banda depende da espessura do fio
e da distância percorrida mas, em muitos
casos, é possível alcançar diversos megabits/s
por alguns quilômetros.

11. Cabo coaxial
Ele tem melhor blindagem que os pares
trançados, e assim pode se estender por
distâncias mais longas em velocidades mais
altas. Dois tipos de cabo coaxial são
amplamente utilizados.
• 50 ohms
• 75 ohms

12. Cabo coaxial

13. Fibra óptica
Um sistema de transmissão óptica tem três
componentes fundamentais: a fonte de luz, o
meio de transmissão e o detector.
Por convenção, um pulso de luz indica um bit
1, e a ausência de luz representa um bit zero.
O meio de transmissão é uma fibra de vidro
ultrafina. O detector gera um pulso elétrico
quando entra em contato com a luz.

14. Fibra óptica
(a) Três exemplos de um raio de luz dentro de
uma fibra de sílica incidindo na fronteira
ar/sílica em diferentes ângulos. (b) A luz
interceptada pela reflexão total interna

15. Transmissão de luz na fibra
As fibras ópticas são feitas de vidro que, por sua
vez, é produzido a partir da areia, uma matéria-
prima de baixo custo e abundante.
A atenuação da luz através do vidro depende do
comprimento de onda da luz (bem como de
algumas propriedades físicas do vidro).

16. Transmissão de luz na fibra

17. Cabos de fibra
Os cabos de fibra óptica são semelhantes aos
cabos coaxiais, exceto por não terem a
malha metálica.

18. Cabos de fibra
Dois tipos de fontes de luz são usadas
geralmente para fazer a sinalização: os diodos
emissores de luz (LEDs — Light Emitting
Diodes) e os lasers semicondutores.

19. Redes de fibra óptica
As fibras ópticas podem ser usadas em LANs e
nas transmissões de longa distância, apesar de
sua conexão ser mais complexa que a conexão
a uma rede Ethernet. Uma forma de contornar
esse problema é perceber que uma rede em
anel é, na verdade, apenas um conjunto de
enlaces ponto a ponto.

20. Redes de fibra óptica

21. Comparação entre fibras ópticas
e fios de cobre
A fibra tem muitas vantagens. Para começar, ela
pode gerenciar larguras de banda muito mais
altas do que o cobre. Apenas essa
característica justificaria seu uso nas redes de
última geração. Devido à baixa atenuação, os
repetidores só são necessários a cada 50
quilômetros de distância em linhas longas,
comparada à distância de 5 km no caso do
cobre, uma economia de custo significativa.

22. Comparação entre fibras ópticas
e fios de cobre

23. Transmissão sem fios
Quando se movem, os elétrons criam ondas
eletromagnéticas que podem se propagar pelo
espaço livre (até mesmo no vácuo).
O número de oscilações por segundo de uma
onda eletromagnética é chamado frequência, f,
e é medida em Hz (em homenagem a
Heinrich Hertz). A distância entre dois pontos
máximos (ou mínimos) consecutivos é
chamada comprimento de onda.

24. Transmissão sem fios

25. Transmissão sem fios
O volume de informações que uma onda
eletromagnética é capaz de transportar está
diretamente relacionado à sua largura de
banda.
Com a tecnologia atual, é possível codificar
alguns bits por Hertz em frequências baixas;
no entanto, comumente esse número pode
chegar a 8 em altas frequências.

26. Transmissão de rádio
As ondas de rádio são fáceis de gerar, podem
percorrer longas distâncias e penetrar
facilmente nos prédios; portanto, são
amplamente utilizadas para comunicação, seja
em ambientes fechados ou abertos.

27. Transmissão de rádio
As ondas de rádio também são omnidirecionais,
o que significa que elas viajam em todas as
direções a partir da fonte; desse modo, o
transmissor e o receptor não precisam estar
cuidadosa e fisicamente alinhados.

28. Transmissão de rádio
Devido à capacidade que as ondas de
rádio apresentam de percorrer longas
distâncias, a interferência entre os usuários é
um problema.
Por essa razão, todos os governos exercem
um rígido controle sobre o licenciamento do
uso de transmissores de rádio, com apenas
uma exceção, descrita a seguir

29. (a) Nas bandas VLF, VF e MF, as ondas de rádio obedecem à
curvatura da T erra. (b) Na banda HF, elas ricocheteiam na
ionosfera

30. Transmissão de microondas
Acima de 100 MHz, as ondas trafegam
praticamente em linha reta e, portanto,
podem ser concentradas em uma faixa
estreita.
A concentração de toda a energia em um
pequeno feixe através de uma antena
parabólica.

31. Transmissão de microondas
Ao contrário das ondas de rádio nas frequências
mais baixas, as microondas não atravessam
muito bem as paredes dos edifícios.
Além disso, muito embora o feixe possa estar
bem concentrado no transmissor, ainda há
alguma divergência no espaço.

32. Transmissão de microondas
As bandas de até 10 GHz agora são de uso
rotineiro, mas a partir de 4 GHz surge um
novo problema: a absorção pela água. Essas
ondas têm apenas alguns centímetros e são
absorvidas pela chuva

33. Ondas de infravermelho e
milimétricas
As ondas de infravermelho e ondas
milimétricas sem guias são extensamente
utilizadas na comunicação de curto alcance.
Todos os dispositivos de controle remoto
utilizados nos aparelhos de televisão,
videocassetes e equipamentos
estereofônicos empregam a comunicação
por infravermelho.

34. Ondas de infravermelho e
milimétricas
Eles são relativamente direcionais, econômicos e
fáceis de montar, mas têm uma desvantagem
importante: não atravessam objetos sólidos.

35. Transmissão por ondas de luz
Uma aplicação mais moderna consiste em
conectar as LANs em dois prédios por meio de
lasers instalados em seus telhados.
Por sua própria natureza, a sinalização óptica
coerente que utiliza raios laser é unidirecional;
assim, cada prédio precisa do seu próprio raio
laser e do seu próprio fotodetector.

37. Satélites de comunicações
Os satélites de comunicações possuem
algumas propriedades interessantes, que
os tornam atraentes para muitas aplicações.
Em sua forma mais simples, um satélite de
comunicações pode ser considerado um
grande repetidor de microondas no céu

38. Satélites de comunicações
Ele contém diversos transponders ; cada um
deles ouve uma parte do espectro, amplifica
os sinais de entrada e os transmite novamente
em outra freqüência, para evitar interferência
com o sinal de entrada.
Os feixes descendentes podem ser largos,
cobrindo uma fração substancial da
superfície terrestre, ou estreitos, cobrindo
uma área com apenas centenas de
quilômetros de diâmetro.

39. Satélites de comunicações

40. Satélites de comunicações

42. Satélites terrestres de baixa
órbita
A uma altitude menor, encontramos os satélites
LEO(Low-Earth Orbit). Devido a seu rápido
movimento, são necessárias grandes
quantidades desses satélites para formar um
sistema completo.
Por outro lado, pelos fato de os satélites estarem
muito próximos da Terra, as estações terrestres
não precisam de muita potência, e o
retardo de ida e volta é de apenas alguns
milissegundos.

43. Projeto Iridium

44. Projeto Globalstar

45. Projeto Teledesic
Teledesic, se destina a usuários da Internet
ávidos por largura de banda, existentes em
todo o mundo. Ele foi concebido em 1990 pelo
pioneiro da telefonia móvel (celular) Craig
McCaw e pelo fundador da Microsoft Bill
Gates.

46. Projeto Teledesic
O projeto original era um sistema que consistia
em 288 satélites de área de cobertura
pequena, organizados em 12 planos
imediatamente abaixo do cinturão de Van Allen
inferior, a uma altitude igual a 1350 km. Mais
tarde, essa organização mudou para 30
satélites com área de cobertura maior. A
transmissão ocorre na banda Ka,
relativamente pouco ocupada e com alta
largura de banda.

47. Estrutura do sistema telefônico

48. Estrutura do sistema telefônico
Em suma, o sistema telefônico é formado por
três componentes principais:
• Loops locais (pares trançados analógicos indo para as
residências e para as empresas).
• Troncos (fibra óptica digital conectando as estações
de comutação).
• Estações de comutação (onde as chamadas são
transferidas de um tronco para outro).

49. Estrutura do sistema telefônico

50. O loop local
Vamos começar pela parte com que a maioria
das pessoas está familiarizada: o loop local de
dois fios que vem da estação final de uma
companhia telefônica até residências e
pequenas empresas.

51. O loop local

52. O loop local
Quando um computador deseja transmitir
dados digitais por uma linha de discagem
analógica, primeiro os dados devem ser
convertidos para a forma analógica, a fim de se
realizar a transmissão pelo loop local. Essa
conversão é feita por um dispositivo chamado
modem.

53. O loop local
O que é um Modem????

54. Modems
Um sinal binário e Modulação de amplitude.

55. Modems
Modulação de freqüência e Modulação de fase

56. Modems
Um dispositivo que aceita um fluxo serial de bits
como entrada e produz uma portadora
modulada por um desses métodos é chamado
modem (modulador-demodulador).

57. Linhas digitais do assinante
Quando a indústria telefónica atingiu a marca
dos 56 kbps seu serviço de transferência de
dados se estabilizou.
Equanto isso a indústria de TV a cabo oferecia
serviços a 10 Mbps e a satélite já oferecia 50
Mbps.
Surgem serviços como xDSL (linha digital do
assinante), para diversos x.

58. Linhas digitais do assinante
Porque um Modem é lento?

59. Linhas digitais do assinante
No ponto em que cada loop local termina na
estação final, o fio passa por um filtro que
atenua todas as frequências abaixo de 300 Hz
e acima de 3400 Hz.

60. Linhas digitais do assinante
O artifício que faz o xDSL funcionar é o fato de
que, quando um cliente se inscreve nele, a
linha de entrada é conectada a um tipo
diferente de switch, que não tem esse filtro,
tornando assim disponível toda a capacidade
do loop local.

61. Linhas digitais do assinante

62. Objetivos da xDSL
Os serviços devem funcionar nos loops locais de
pares trançados da categoria 3 existente.
Não devem afetar os telefones e os aparelhos de
fax atuais dos clientes.
Devem ser muito mais rápidos que 56 kbps.
Devem estar sempre ativos, apenas com uma
tarifa mensal, mas nenhuma tarifa por minuto.

63. Primeiro serviço ADSL AT&T
• POTS (Plain Old Telephone Service);
• upstream (do usuário para a estação final);
• downstream (da estação final para o usuário).
A técnica de ter várias bandas de
frequência é chamada multiplexação por
divisão de frequência;

64. Abordagem da DMT
Dividir o espectro de 1,1 MHz disponível no loop
local em 256 canais independentes de 4312,5
Hz cada.

65. Configuração típica de
equipamento ADSL

66. Loops locais sem fios
Empresas aumentam a atuação no ramo de
transferência de dados sem fio, um serviço
semelhante a ADSL.

67. Desafios para a comunicação
sem fio
Quais são os desafios para a comunicação sem
fio?

68. Início
Em 1969, a FCC alocou dois canais de televisão
(a 6 MHz cada) como televisão educativa a
2,1 GHz. Em anos subsequentes, foram
acrescentados mais 31 canais a 2,5 GHz,
perfazendo um total de 198 MHz.

69. Início
A televisão educativa nunca decolou e, em 1998,
a FCC aceitou a devolução das frequências e
as alocou ao rádio bidirecional. De imediato,
elas foram ocupadas por loops locais sem fios.

70. Propagação do serviço
A essas frequências, as microondas têm 10 a 12
cm de comprimento. Elas têm um alcance de
cerca de 50 km e podem penetrar
moderadamente na vegetação e na chuva. Os
198 MHz do novo espectro foram
imediatamente postos em uso nos loops locais
sem fios, sob a forma de um serviço chamado
MMDS (serviço de distribuição multiponto
multicanal).

71. Serviço de ondas milimétricas
Com o avanço da tecnologia no uso de arsenieto
de gálio para construção de circuitos podemos
alcançar frequências acima da MMDS, esse
novo serviço vem a ser chamado de LMDS
(serviço de distribuição multiponto local).

72. Arquitetura de um sistema
LMDS

73. Troncos e multiplexação
Companhias telefônicas desenvolveram
esquemas elaborados para multiplexar
muitas conversações em um único tronco
físico.

74. Troncos e multiplexação
Esses esquemas de multiplexação podem ser
divididos em duas categorias básicas:
• FDM (Frequency Division Multiplexing —
multiplexação por divisão de freqüência);
• TDM (Time Division Multiplexing —
multiplexação por divisão de tempo).

75. Multiplexação por divisão de
freqüência
O espectro de freqüência é dividido em bandas
de freqüência, tendo cada usuário a posse
exclusiva de alguma banda.

76. Multiplexação por divisão de freqüência. (a) As larguras de banda
originais. (b) As larguras de banda aumentaram em freqüência. (c) O
canal multiplexado

77. Multiplexação por divisão de
tempo
Os usuários se revezam (em um esquema de
rodízio), e cada um obtém periodicamente a
largura de banda inteira por um determinado
período de tempo.

78. Multiplexação por divisão de
tempo

79. Multiplexação por divisão de
tempo

80. Multiplexação por divisão de
comprimento de onda
No caso de canais de fibra óptica, é
usada uma variação de multiplexação por
divisão de freqüência. Trata-se da WDM
(Wavelength Division Multiplexing —
multiplexação por divisão de comprimento de
onda)

81. Multiplexação por divisão de
comprimento de onda

82. Comutação
Do ponto de vista do engenheiro de telefonia
médio, o sistema telefônico é dividido em duas
partes principais:
• planta externa: os loops locais e troncos, pois
eles estão localizados fisicamente fora das
estações de comutação;
• planta interna: switches que estão situados
no interior das estações de comutação.

83. Comutação
Dentro do sistema telefônico são usadas hoje
duas técnicas de comutação diferentes:
• comutação de circuitos;
• comutação de pacotes.

84. Comutação de circuitos
Quando você ou seu computador efetua uma
chamada telefônica, o equipamento de
comutação do sistema telefônico procura um
caminho físico desde o seu telefone até o
telefone do receptor.

85. Comutação de circuitos

86. Comutação de circuitos
Para casa:
Como funciona a engrenagem de Strowger.

87. Comutação de pacotes
Com essa tecnologia, pacotes individuais são
enviados conforme necessário, sem a
configuração com antecedência de
qualquer caminho dedicado. Cabe a cada
pacote descobrir sozinho seu caminho até o
destino.

88. Comutação de pacotes

89. Comutação de Mensagens
Quando essa forma de comutação é usada,
nenhum caminho físico é estabelecido com
antecedência entre o transmissor e o receptor.
Em vez disso, quando o transmissor tem um
bloco de dados a ser enviado, esse bloco é
armazenado na primeira estação de
comutação (isto é, no roteador) e depois é
encaminhado, um hop de cada vez.

90. Comutação de Mensagens
Cada bloco é recebido integralmente,
inspecionado em busca de erros, e depois
retransmitido.

92. Comparação entre CC e CP

93. O sistema de telefonia móvel
Há duas variedades básicas de telefones sem
fios:
• telefones sem fios propriamente ditos;
• telefones móveis.

94. O sistema de telefonia móvel
Os telefones móveis passaram por três gerações
distintas, com diferentes tecnologias:
1. Voz analógica.
2. Voz digital.
3. Voz digital e dados (Internet, correio eletrônico
etc.).

95. AMPS (Advanced Mobile Phone
System)
Inventado pelo Bell Labs e que foi instalado
primeiramente nos Estados Unidos em 1982
Utilizado também por:
• Inglaterra;
• Japão

96. AMPS
Em todos os sistemas de telefonia móvel, uma
região geográfica é dividida em células, e é
esse o motivo pelo qual esses dispositivos são
chamados às vezes telefones celulares. No
AMPS, as células têm em geral 10 a 20 km;
nos sistemas digitais, as células são menores.
Cada célula utiliza algum conjunto de
freqüências não utilizado por qualquer das
células vizinhas.

97. AMPS
(a) As freqüências não são reutilizadas nas células adjacentes. (b)
Para acrescentar usuários, podem ser utilizadas células
menores

98. Canais AMPS
O sistema AMPS utiliza 832 canais full-duplex,
cada um consistindo em um par de canais
simplex.
Existem 832 canais de transmissão simplex de
824 a 849 MHz, e 832 canais de recepção
simplex de 869 a 894 MHz. Cada um desses
canais simplex tem 30 kHz de largura.

99. Canais AMPS
Os 832 canais estão divididos em quatro
categorias:
1. Controle para gerenciar o sistema.
2. Localização para alertar os usuários móveis
de chamadas destinadas a eles.
3. Acesso para configuração de chamadas e
atribuição de canais.
4. Dados para voz, fax ou dados.

100. D-AMPS
Quando o D-AMPS foi lançado como um
serviço, uma nova banda de freqüência
se tornou disponível para lidar com o aumento
esperado da carga.
Os canais upstream estavam na faixa de 1850 a
1910 MHz, e os canais downstream
correspondentes estavam na faixa de 1930 a
1990 MHz, novamente aos pares, como no
AMPS.

101. D-AMPS
Nessa banda, as ondas têm 16 cm de
comprimento, e assim uma antena padrão de
¼ de onda tem apenas 4 cm de comprimento,
lidando com telefones menores.

102. D-AMPS

103. GSM (Global System for Mobile
Communications)
O GSM utiliza 124 canais de frequência, cada um dos quais
emprega um sistema TDM de oito slots

104. GSM

105. CDMA (Code Division Multiple
Access)
O D-AMPS e o GSM são sistemas bastante
convencionais. Ambos utilizam a FDM e a
TDM para dividir o espectro em canais, e os
canais em slots de tempo. Porém, existe um
terceiro tipo de sistema, o CDMA (acesso
múltiplo por divisão de código), que funciona
de modo completamente diferente.

106. CDMA
Em vez de dividir a faixa de frequências
permitida em algumas centenas de canais
estreitos, o CDMA permite que cada estação
transmita sobre todo o espectro de frequências
durante todo o tempo.
Várias transmissões simultâneas são separadas
com o uso da teoria de codificação.

107. CDMA
O CDMA também relaxa a suposição de que
quadros que colidem são totalmente
adulterados.
Em vez disso, ele pressupõe que vários sinais se
somam de modo linear.

108. Title
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