Fundamentos de Comunicação de Dados: Sinais, Redes e Transmissão

Fundamentos de Comunicação de Dados

Comunicação de Dados: O transmissor recebe uma mensagem e a codifica em um sinal, que é transportado pelo sistema de comunicações até o receptor, que descodifica o sinal e solta uma mensagem.

Canal de Comunicação ou Meio de Transmissão: Designa o meio usado para transportar uma mensagem do emissor ao receptor. É um caminho sobre o qual a informação pode trafegar. Pode ser definido por uma linha física (fio) que conecta dispositivos de comunicação, ou por rádio, laser, ou outra fonte de energia radiante.

Sinal: É uma sequência de estados em um sistema que codifica uma mensagem.

Sinais e Análise de Fourier

Para serem transmitidos, os dados devem ser convertidos em sinais eletromagnéticos.

Tipos de Sinais

• Sinais Analógicos: Têm um número infinito de valores distribuídos numa faixa (ex: som).
• Sinais Digitais: Possuem apenas um número limitado de valores discretos, enumeráveis ou inteiros (ex: CD, redes).

Na comunicação de dados, utilizamos frequentemente sinais analógicos periódicos e sinais digitais não periódicos.

Período, Frequência e Fase

Período e Frequência são grandezas inversamente proporcionais entre si.

Frequência: É a taxa de variação com relação ao tempo. Variações curtas no tempo indicam que o sinal possui frequência alta. Variações lentas no tempo indicam que o sinal possui frequência baixa.

Se um sinal é constante no tempo, a frequência correspondente é zero. Se um sinal variar instantaneamente no tempo, a frequência correspondente tende ao infinito.

Fase: Descreve a posição de uma forma de onda relativa ao tempo zero.

Análise de Fourier

De acordo com a Análise de Fourier, qualquer sinal composto pode ser representado por uma combinação de senoides simples de diferentes frequências, amplitudes e fases.

Qualquer sinal composto é uma combinação de ondas senoidais simples com diferentes frequências, amplitudes e fases. Se o sinal composto for periódico, a decomposição fornece uma série de sinais com frequências discretas; se não, fornecerá ondas senoidais com frequências contínuas.

A melhor forma de representar um sinal analógico é usando o domínio da frequência.

Um sinal de uma única frequência não é útil para os propósitos da comunicação de dados. Necessitamos mudar uma ou mais características do sinal para torná-lo útil. Quando modificamos qualquer uma das características de um sinal de uma única frequência, maior é a quantidade de novas frequências associadas para torná-lo um sinal composto.

Um sinal digital é um sinal composto de largura de banda infinita.

Largura de Banda e Teoremas de Limite

Largura de Banda

Largura de Banda (Sinal Composto): Intervalo da frequência contido em um sinal composto. Exemplo: Frequência 1000 Hz e 5000 Hz = 4000 Hz.

Largura de Banda (Meio): É uma propriedade de um meio. É a diferença entre a maior e a menor frequências que um meio pode transmitir satisfatoriamente.

Na transmissão banda-base, a largura de banda necessária é proporcional à taxa de transferência; quanto mais rápido, mais banda é necessária.

O número de bits e a largura de banda são proporcionais entre si.

A largura de banda analógica de um meio é expressa em Hertz (Hz) e a largura de banda digital em bits por segundo (bps).

A transmissão digital necessita de um canal passa-baixas. A transmissão analógica pode usar um canal passa-banda.

Teorema de Nyquist (Teorema de Amostragem)

Nyquist provou que se um sinal fosse filtrado através de um filtro passa-baixo de largura de banda H (em Hz), então o sinal filtrado poderia ser completamente reconstituído através de 2H amostras por segundo.

Segundo o Teorema de Nyquist, a frequência de amostragem de um sinal analógico, para que possa posteriormente ser reconstituído com o mínimo de perda de informação, deve ser igual ou maior a duas vezes a maior frequência do espectro desse sinal.

Teorema de Shannon

Shannon levou em consideração o ruído do canal de comunicação. Estabelece o limite de velocidade da transferência de dados num sistema REAL de comunicações.

Impedimentos de Transmissão

Alguns aspectos que condicionam o desempenho dos sistemas de transmissão:

Atenuação

Consiste numa redução da potência do sinal ao longo do meio de transmissão, resultando na perda de energia do sinal por absorção ou por fuga de energia. (Exemplo: cabo muito longo, o sinal chega pequeno).

Distorção

Consiste numa alteração da forma do sinal durante a sua propagação desde o emissor até ao receptor, resultando no comportamento não linear de alguns dos componentes que compõem o percurso do sinal. (O sinal muda sua forma ou formato).

Ruído

O ruído consiste numa alteração de alguma das características do sinal transmitido por efeito de um outro sinal exterior ao sistema de transmissão, ou gerado pelo próprio sistema de transmissão. (Exemplo: efeito de um fio sobre o outro).

Modos de Transmissão de Dados

Tipos de Ligações (Simplex, Half-Duplex e Full-Duplex)

• Simplex: Ligação na qual os dados circulam num só sentido, ou seja, do emissor para o receptor.
• Half-Duplex: Ligação na qual os dados circulam num sentido ou no outro, mas não os dois simultaneamente. Cada extremidade da ligação emite por sua vez.
• Full-Duplex: Ligação na qual os dados circulam de maneira bidirecional e simultaneamente. Cada extremidade da linha pode emitir e receber ao mesmo tempo.

Transmissão Síncrona vs. Assíncrona

O mecanismo de sincronização é um relógio (Clock).

• Transmissão Síncrona: Quando, no dispositivo receptor, é ativado um mecanismo de sincronização (relógio) relativamente ao fluxo de dados proveniente do emissor.
• Transmissão Assíncrona: Quando não é estabelecido, no receptor, nenhum mecanismo de sincronização relativamente ao emissor.

Transmissão Série vs. Paralela

• Paralela: Transmissão simultânea de N bits. Estes bits são enviados simultaneamente para N vias diferentes.
• Série (Serial): Os dados são enviados bit a bit na via de transmissão, ou seja, transmite um bit por vez na unidade de tempo. Há necessidade de apenas uma via.

Modulação

Modulação: Processo de variação de altura (amplitude), de intensidade, frequência, do comprimento e/ou da fase de onda numa onda de transporte, que deforma uma das características de um sinal portador (amplitude, fase ou frequência) que varia proporcionalmente ao sinal modulador.

Modelos de Rede e Camadas

A Organização Internacional para a Normalização (ISO) definiu formalmente uma arquitetura padrão com o objetivo de facilitar o processo de interconectividade entre máquinas de diferentes fabricantes.

Modelo de Camadas (Conceito Básico)

Exemplo de fluxo de comunicação:

• Emissor escreve: Camada Superior
• Carta recolhida: Camada Intermediária
• É acionado o transporte: Camada Inferior (Carta entregue ao posto)

Modelo de Referência OSI/ISO

O Modelo OSI (Open Systems Interconnection) é a organização de referência:

1. Física
2. Enlace de Dados
3. Rede
4. Transporte
5. Sessão
6. Apresentação
7. Aplicação

Responsabilidades das Camadas

• Camada Física: Responsável pela transmissão individual dos bits de um nó a outro numa rede.
• Camada de Enlace de Dados: Responsável pela transmissão de quadros entre os nós de uma rede.
• Camada de Rede: Responsável pelo roteamento dos pacotes na internetworking.
• Camada de Transporte: Responsável pela entrega de uma mensagem entre processos finais.
• Camada de Aplicação: Responsável em prover serviços entre usuários finais.

Modelo TCP/IP

O TCP/IP é um conjunto de protocolos de comunicação entre computadores em rede. Ele utiliza um modelo de camadas similar ao conceito básico:

1. Física
2. Enlace de Dados
3. Rede
4. Transporte
5. Aplicação (Engloba Sessão, Apresentação e Aplicação do OSI)

Topologias de Rede

Peer-to-Peer (Ponto a Ponto): A comunicação na camada física é direta.

Tipos de Topologias

• Topologia de Malha (Mesh): Cada dispositivo possui um link ponto a ponto dedicado com todos os outros dispositivos.
• Topologia em Anel (Ring): Cada dispositivo possui uma conexão ponto a ponto com exatamente dois vizinhos.
• Topologia em Estrela (Star)
• Topologia em Barramento (Bus)