Interfaces, Conexões e Ruídos na Transmissão de Dados

Interface de Comunicação

• Considerada uma atividade da Camada Física.
• Processo complexo e técnico que varia intensamente, dependendo do tipo de dispositivo, do computador e da conexão desejada entre eles.

Componentes da Interface e Padrões

• Componentes: Elétrico, Mecânico, Funcional e de Processo.
• Padrões Comuns: EIA-232F, USB (Universal Serial Bus), FireWire, SCSI, iSCSI, InfiniBand e Fibre Channel.

Organização dos Dados para Transferência

• Define o modo como os dados são organizados em pacotes para transferência:
  • Conexões assíncronas.
  • Conexões síncronas.
  • Conexões isócronas.

O computador é programável e pode ser conectado a uma ampla gama de dispositivos de entrada/saída ou periféricos.

• Interface (conexão)
• Interfaceamento (processo)

Os padrões de interface são criados e aprovados por uma instituição responsável por padrões.

Os padrões de interface podem consistir de um a quatro componentes: elétrico, mecânico, funcional e de processo.

Componente Elétrico

• Tensões, capacidade de linha, questões elétricas.
• São de responsabilidade técnica.

Componente Mecânico

• Descrição de conectores e plugues.
• Tamanho e forma de um conector.
• Quantidade e disposição dos pinos.

Componente Funcional

• Descreve a função de cada pino (circuito).

Componente de Processo

• Descreve como os circuitos particulares são utilizados para executar uma operação (exemplo: transferir dados para o periférico e vice-versa).

Padrões de Interface Comuns

RS-232 (EIA-232F ou TIA-232-F)

• Padrão antigo de interface, criado em 1962.
• Padrão de interface para a conexão de um computador ou terminal (DTE) a um modem de voz (DCE) a ser utilizado em sistemas públicos analógicos de telecomunicação.

Conexão Full-Duplex: Tanto o emissor quanto o receptor podem transmitir ao mesmo tempo. Há fios separados para transmissão e recepção.

USB (Universal Serial Bus)

• Padrão moderno para conexão de muitos tipos de dispositivos periféricos.
• É uma interface digital.
• Utiliza um conector padronizado para todos os dispositivos de tipos serial e paralelo.
• Não é necessário converter os sinais digitais em sinais analógicos.
• Vantagens: Poupa espaço, hot-pluggable, daisy-chaining.
• Não precisa dispor de uma tomada elétrica para cada dispositivo.
• É bidirecional, half-duplex.
• Desvantagem: Velocidade relativamente baixa.
• O USB é um barramento com polling em que o controlador host inicia todas as transferências de dados.

Tipos de Transferências de Dados USB

• Controle
• Dados em massa
• Dados de interrupção
• Isócronas (streaming de áudio e vídeo)

FireWire (IEEE 1394)

• É um tipo de conexão entre dispositivos periféricos e microcomputador.
• Interface digital, flexível, de baixo custo.
• Não é necessário converter os sinais digitais em sinais analógicos; é hot-pluggable.
• Dá suporte a dois tipos de conexões de dados:
  • Assíncrona (modems e impressoras)
  • Isócrona (aplicações multimídia)

SCSI (Small Computer System Interface)

• Utilizado para unidades de disco rígido, fitas, CDs e DVDs.
• Foi projetado para dispositivos de natureza permanente.
• Em um adaptador SCSI pode-se conectar sete dispositivos SCSI diferentes.

iSCSI (Internet Small Computer System Interface)

• Realiza interface entre armazenagem em disco e computador por meio da internet.
• Caso se tenha grande quantidade de armazenagem em disco localizada remotamente na internet, é possível conectar um computador a essa armazenagem utilizando a internet e o padrão de interface iSCSI.

InfiniBand

• Conexão ou barramento serial.
• Capaz de transportar vários canais de dados ao mesmo tempo.
• Interconecta (endereça) milhares de dispositivos utilizando fios de cobre ou cabos de fibra óptica.

Fibre Channel

• Semelhante ao InfiniBand.
• É uma rede serial de alta velocidade.
• Conecta um computador a vários dispositivos de entrada/saída.
• Fornece taxas de transferências de dados de até bilhões de bits por segundo.
• Dá suporte à interconexão de, no máximo, 126 dispositivos.

Tipos de Conexões de Dados

Conexões Assíncronas

• Um dos protocolos mais simples de enlace de dados.
• Encontrado principalmente em conexões entre microcomputadores ou terminais e modems.
• Uma unidade de transferência é um caractere (byte) de dados.
• Pode passar um período indefinido de tempo entre a transmissão de um caractere de dados e a transmissão do caractere seguinte.

Estrutura da Transmissão Assíncrona

Cria um quadro (frame) ou pequeno pacote de dados, delimitado por:

• Um bit de partida (start bit), um 0 lógico.
• Dois bits de parada (stop bit), são “1s” lógicos.
• Um bit de paridade, que executa uma verificação de erro nos bits de dados.

Os bits de start e stop delimitam o começo e o fim dos dados. O conjunto de dados e bit de paridade deve manter um número par ou ímpar de “1s”.

A string HELLO com inclusão de bits de início, fim e paridade.

Vantagens e Desvantagens Assíncronas

• Vantagem: A geração dos bits de partida, parada e paridade é simples e exige pouco hardware e software.
• Desvantagens:
  • O caractere resultante transmitido tem 3 bits de verificação e 7 bits de dados (relação 3:7).
  • Não é muito eficiente para grandes quantidades de transferência de dados.
  • Perda de velocidade.

Sincronização em Conexões Assíncronas

Como as conexões assíncronas mantêm a sincronia do receptor com o fluxo de dados de entrada?

• Tamanho do quadro.
• Bit de partida.

Conexões Síncronas

• A unidade de transmissão é uma sequência de caracteres com até milhares de caracteres de comprimento.
• Os bits de dados são delimitados por:
  • Uma sequência (flag) de partida.
  • Um byte de controle.
  • Um endereço.
  • Um checksum.
  • Uma sequência (flag) de encerramento.
• Os flags têm 8 bits de comprimento.
• Um ou mais bytes de informações de controle fornecem informações sobre os dados que se seguem ou referente ao status do transmissor e/ou receptor.
• O endereço indica o destino e/ou proveniência do quadro.
• O checksum é alguma forma de sequência de verificação de erros.

Sincronização em Conexões Síncronas

Como as conexões síncronas mantêm transmissor e receptor sincronizados?

1. Envio de um sinal de clock de sincronização para uma linha separada correndo em paralelo ao fluxo de dados.
2. Utiliza o código Manchester em transmissões de sinal digital.
3. Se estiver transmitindo sinal analógico, usa as propriedades do próprio sinal analógico para autossincronização.

Conexões Isócronas

• Dá suporte a diversos tipos de aplicações em tempo real (streamings de voz, vídeo e música).
• Tanto o USB como o FireWire podem dar suporte a conexões isócronas.
• Requer a determinação do canal utilizado na transferência e da largura de banda necessária.
• Envolve a desativação da verificação de erros tanto no transmissor quanto no receptor.

Conexões entre Terminal e Computador Mainframe

• A conexão se baseia nos modelos síncronos e assíncronos.
• É uma das conexões de rede mais antigas, porém ainda presente.
• Os terminais possuem pouca potência de processamento.
• O mainframe assume o controle e executa todas as operações de transferência de dados.

Tipos de Conexão Mainframe

• Conexão Ponto a Ponto: Conexão direta entre terminal e mainframe.
• Conexão Multiponto: Vários terminais compartilham uma conexão direta com o mainframe.

Detecção e Controle de Erros na Transmissão

Ação do Receptor ao Detectar um Erro

Uma vez que um erro é detectado, que ação um receptor deve tomar?

• Ignorar o erro.
• Retornar uma mensagem de erro para o transmissor.
• Corrigir o erro sem a ajuda do transmissor.

Detecção de Erros no Conjunto TCP/IP

• Quando o pacote de transporte chega ao destino final (e só o destino final), o receptor pode extrair um código de verificação de erro do cabeçalho de transporte e executar a detecção de erros.
• Alguns protocolos de camada de rede, como o Internet Protocol (IP), incluem um código de detecção de erros no cabeçalho da camada de rede.
• No caso do IP, a detecção de erros é executada somente no cabeçalho IP e não no campo de dados.
• Muitos aplicativos também executam algum tipo de verificação de erro, tal como detectar pacotes perdidos de uma sequência de pacotes transmitidos.

Ruídos e Interferências na Transmissão

Uma série de erros pode ocorrer durante a transmissão de dados:

• Interferência e ruído (cabos de cobre).
• Interferência e crosstalk (rádio, micro-ondas e satélite).
• A probabilidade de cabos de fibra óptica introduzirem erros em um sistema de transmissão é menor do que a de outros tipos de mídia.

Ruído Branco (Ruído Térmico ou Gaussiano)

• É um tipo relativamente contínuo de ruído, muito parecido com a estática que se ouve quando um rádio está sendo sintonizado entre duas estações.
• Está sempre presente em algum grau em meios de transmissão e dispositivos eletrônicos e é dependente da temperatura do meio.
• À medida que a temperatura aumenta, o nível de ruído aumenta devido ao aumento da atividade dos elétrons no meio.
• Pode ser significativamente reduzido, mas nunca completamente eliminado.
• O ruído branco transformará um sinal analógico ou digital em um sinal difuso.

Mitigação do Ruído Branco

• Sinal Digital: Uso de regenerador de sinal antes que o ruído domine completamente o sinal original.
• Sinal Analógico: Envolve a passagem do sinal ruidoso através de um conjunto apropriado de filtros, que (espera-se) não deixe nada além do sinal original.

Ruído de Impulso (Pico de Ruído)

• É um ruído não contínuo e um dos erros mais difíceis de detectar porque pode ocorrer aleatoriamente.
• A dificuldade reside na separação do ruído do sinal.
• Normalmente, o ruído é uma explosão analógica de energia.
• Se o pico de impulso interfere com um sinal analógico, pode ser difícil removê-lo sem afetar o sinal original (Exemplo: Estática grave no rádio AM causada por um raio).
• Se o ruído de impulso interfere com o sinal digital, muitas vezes, o sinal digital original pode ser reconhecido e recuperado.
• Quando o ruído oblitera completamente o sinal digital, o sinal original não pode ser recuperado.

A velocidade da transmissão dos dados pode afetar o significado do ruído. Quando a velocidade de transmissão é mais lenta, ainda se pode determinar o valor de um sinal, mas quando a velocidade aumenta, já não se pode determinar se o sinal é um 0 ou um 1.

Crosstalk (Diafonia)

• Acoplamento indesejado entre dois caminhos de sinal diferentes.
• Este acoplamento pode ser:
  • Elétrico (dois conjuntos de fio de par trançado, como em linha de telefone).
  • Eletromagnético (captado por antenas de micro-ondas).
• Pode ser causado por alta umidade e chuva.
• É relativamente contínuo.

Eco (Feedback Reflexivo)

• Feedback reflexivo de um sinal transmitido enquanto o sinal se move através de um meio.
• Um sinal pode atingir a extremidade de um cabo, saltar para trás através do fio e interferir com o sinal original.
• Este erro ocorre com mais frequência nos cruzamentos onde os fios estão ligados ou na extremidade aberta de um cabo coaxial.

Tremulação (Jitter)

• Resultado de irregularidades de pequena altura que se tornaram ampliadas durante a transmissão de sinais digitais, à medida que os sinais são passados de um dispositivo para outro.
• Quando um sinal digital está sendo transmitido, as ascensões e quedas de sinal podem começar a mudar, ou tornar-se borradas, produzindo tremulação.
• Se o tremor se torna demasiado grande, corrigi-lo pode exigir que os dispositivos de transmissão diminuam as suas taxas de transmissão (limitando o desempenho geral do sistema).

Atenuação

• Perda contínua de força de um sinal enquanto viaja através de um meio.
• Não é necessariamente uma forma de erro, mas pode indiretamente levar ao aumento de erros que afetam o sinal transmitido.
• Pode ser eliminada com o uso de amplificadores para sistemas analógicos ou repetidores para sistemas digitais.

Prevenção de Erros

• Instalar cabos com a blindagem adequada para reduzir o crosstalk e a interferência eletromagnética.
• Estar ciente de que muitos tipos diferentes de aplicações sem fio compartilham as mesmas frequências. Fornos de micro-ondas podem interferir com alguns sinais de LAN sem fio.
• Substituir equipamentos antigos por equipamentos mais modernos e digitais.
• Usar o número adequado de repetidores digitais e amplificadores analógicos para aumentar a força do sinal, diminuindo assim a probabilidade de erros.
• Observar as capacidades declaradas de um meio (Exemplo: O cabo de par trançado Categoria 5e/6 não deve exceder 100 metros de distância ao transmitir a 100 Mbps).
• Reduzir o número de dispositivos.
• Diminuir o comprimento do cabo.
• Reduzir a velocidade de transmissão de dados indesejáveis.

Minimização do Eco

• Para minimizar o efeito de eco, um supressor de eco pode ser conectado a uma linha.
• Um supressor de eco é essencialmente um filtro que permite que o sinal passe em uma única direção.
• Em redes que utilizam cabos coaxiais, um pequeno filtro geralmente é colocado na extremidade aberta de cada fio para absorver quaisquer sinais de entrada.

Banda de Guarda

• Um conjunto de frequências não utilizadas, normalmente inserido entre os dois sinais para fornecer uma forma de isolamento.
• Mantém um sinal de interferir com outro sinal.
• Ocupa frequências que poderiam ser usadas para outros canais de dados, introduzindo assim um certo nível de desperdício.