Redes de Computadores e Transmissão de Dados

Tipos de Redes de Computadores

• Redes pessoais (PANs): *notebooks*, assistentes pessoais (*PDAs*) e conexões sem fio.
• Redes locais (LANs): sala, andar em um prédio, um prédio ou *campus*.
• Redes metropolitanas (MANs): interconectam empresas com outras empresas e com a internet.
• Redes de longa distância (WANs): abrangem estados, países e o mundo.

Conceitos Importantes em Redes

• Multiplexação: transmissão de sinais múltiplos em um meio.
• Compressão: técnica que comprime dados em um pacote menor, reduzindo a quantidade de tempo e espaço necessário para a transmissão de dados.
• Comutadores (*switches*): pontos de junção dos fios que interconectam as estações de trabalho.
• Roteadores: dispositivos de conexão entra as redes locais e as redes de longa distância.
• Nós: dispositivos computacionais que permitem a estações de trabalho se conectarem à rede e tomarem as decisões sobre onde rotear um dado.
• Sistema cliente/servidor: Um usuário emite uma solicitação para algum tipo de dado ou serviço.
  • Registro de banco de dados de um servidor de banco de dados.
  • Recuperar uma mensagem de e-mail de um servidor de e-mails.
  O servidor atende a solicitação e devolve os resultados ao cliente.
• Comutador: pode filtrar o tráfego não desejado para a rede vizinha, reduzindo, desse modo, a quantidade total de fluxo de tráfego.
• Conexão Rede Local – Rede Metropolitana: Forma de rede que interconecta empresas em uma área metropolitana. Utiliza ligações de fibra óptica a velocidades extremamente altas.
• Roteador: converte os dados da rede local em dados da rede de longa distância. Também executa funções de segurança e deve ser programado para aceitar ou rejeitar certos tipos de pacotes de dados de entrada e saída.
• Internet: não é uma rede única, mas um grupo de milhares de redes.
• Pacote de dados: para viajar qualquer distância pela internet vai passar por várias redes de longa distância.
• Endereço IP: um endereço de rede é extraído, uma decisão é feita e o pacote de dados é encaminhado para o segmento da próxima área de longa distância.

Conexões Especiais

• Conexões sensor: A ação de uma pessoa ou de um objeto aciona um sensor conectado a uma rede.
  • Semáforo para conversão à esquerda.
  • Linhas de montagem.
  • Dispositivos robóticos de controle.
• Conexão telefonia celular: Um *PDA* (assistente pessoal de mão) tem um *modem* instalado, que transmite os dados do *PDA* por uma rede telefônica sem fio a um centro de comutação de telefonia sem fio. O centro de comutação então transfere os dados do *PDA* pela rede pública telefônica ou por meio de uma conexão pela internet.
• Terminal de computador: dispositivo composto de teclado, tela, sem capacidade de armazenamento não volátil e com capacidade de processamento pequena, se tanto.
• Convergência: Processo de chegar junto em direção a um ponto único.

Protocolos TCP/IP

• Projeto: baseado em camadas. O usuário se conectaria à camada mais superior e estaria isolado dos detalhes dos sinais elétricos encontrados na camada inferior.
• Camada de rede: Às vezes chamada camada de internet. O protocolo *IP* transfere dados em uma rede e entre redes. Prepara um pacote (agrupamento de tamanho fixo) de dados de modo que ele possa se mover de uma rede a outra na internet ou em um conjunto de redes corporativas.
• Camada de acesso à rede: Lida com a passagem de pacotes pela internet. É a camada que encaminha os dados da estação de trabalho do usuário para a internet. Prepara um pacote de dados (quadro) para transmissão da estação de trabalho a um roteador localizado entre a rede local e a internet. É geralmente chamada de camada de enlace de dados.

Exemplo de Requisição Web

1. Cliente digita o endereço no seu navegador.
2. Sua máquina solicita ao servidor *DNS* o endereço *IP* do servidor.
3. Ele localiza e devolve o *IP* do servidor solicitado.
4. O navegador solicita um recurso ao servidor encontrado.
5. O servidor localiza/processa o recurso.

Dados e Sinais

• Dados: entidades que portam significado dentro de um computador ou sistema de computadores.
• Sinais: impulsos elétricos ou eletromagnéticos utilizados para codificar e transmitir dados.

Dados, entidade estática ou item tangível, são transmitidos por um cabo ou onda na forma de sinal, entidade dinâmica ou intangível. É necessário algum *hardware* para converter os dados estáticos em sinal dinâmico (transmissão) e converter novamente o sinal em dados (destino).

• Dados e sinais analógicos são representados por ondas contínuas, que podem assumir um número infinito de valores dentro de um determinado mínimo e máximo.
• Dados e sinais digitais são forma de onda discretas, não contínuas.
• Ruído: É uma energia elétrica ou eletromagnética indesejada que degrada a qualidade de sinais e dados.

Os dados e sinais analógicos têm dificuldade de separar o ruído da forma de onda original. Quando se combinam ruído analógico e forma de onda digital, é muito fácil separar a onda digital original do ruído.

• Amplitude: de um sinal é a altura da onde acima (ou abaixo) de um determinado ponto de referência.
• Frequência: de um sinal é o número de vezes que ele faz o ciclo completo em um determinado período (duração/intervalo) de tempo.
• Fase: de um sinal é a posição da forma da onda em relação a um determinado momento de tempo ou ao tempo zero.
• Atenuação: a perda de potência ou de intensidade em razão da fricção, sinal sofrerá atenuação demais, cairá abaixo de um limiar aceitável e o ruído predominará.

Transmissão de Dados

Transmissão de dados analógicos com sinais analógicos

Os dados estão em uma forma de onda analógica que é transformada em outra forma de onda analógica (sinal para transmissão).

• Modulação: é o processo de enfiar dados por um sinal, variando sua amplitude, frequência ou fase.
• Telefones fixos.
• Rádios *AM* e *FM*.
• *TV* analógica.

Transmissão de dados digitais com sinais digitais

Os dados digitais devem ser convertidos para a forma física adequada.

• 1, transmitir uma tensão elétrica positiva pelo meio.
• 0, transmitir uma tensão elétrica nula.

Codificação digital *NRZ*

Transmite “1s” como tensões nulas e “0s” como tensões positivas. Simples de gerar, não é caro de implementar. O receptor tem de verificar o nível de tensão de cada *bit* para determinar se ele é 0 ou 1. Apresenta alteração de tensão no início de um 1. Não apresenta alteração de tensão no início de um 0. Ambos os esquemas precisam de um relógio interno no receptor que saiba quando procurar cada *bit* sucessivo.

Codificação digital de *Manchester*

Garante que cada *bit* apresente algum tipo de alteração de sinal (resolve o problema de sincronização). Para transmitir um 1, o sinal altera-se de baixo para cima no meio do intervalo. Para transmitir um 0, o sinal altera-se de cima para baixo no meio do intervalo. É utilizada na maioria das redes locais para transmissão de dados digitais por um cabo de rede.

Vantagem dos esquemas *Manchester* em relação aos *NRZ*: Há sempre transição no meio do *bit*. O receptor pode esperar uma alteração de sinal em intervalos regulares e sincronizar-se com o fluxo de *bits* de entrada. São autossincronizados. A ocorrência de transições regulares é similar aos segundos de um relógio.

Desvantagem: Em cerca de metade dos casos haverá duas transições para cada *bit*. Taxa de transmissão de símbolos (*baud rate*) – o número de vezes que um sinal se altera por segundo. Taxa de dados – medida em *bits* por segundo (*bps*).

Esquema de codificação *AMI*-bipolar

Utiliza três níveis de tensão. Quando um dispositivo transmite um 0 binário, ocorre uma transmissão de tensão nula. Quando transmite um 1 binário, pode ser feita a transmissão de uma tensão positiva ou negativa. A tensão transmitida depende de como o valor binário 1 foi transmitido pela última vez.

Transmissão de dados digitais com sinais analógicos discretos

Converter dados digitais em sinal analógico é um exemplo de modulação. Nesse tipo de modulação o sinal analógico assume um número discreto de níveis. Pode assumir a forma simples de dois níveis de sinal ou algo mais complexo, utilizado em sinais de *TV* digital (256 níveis).

Modulação por chaveamento de amplitude

Técnica de modulação mais simples. Um valor de dado de 1 e um valor de dados de 0 são representados por duas amplitudes de sinal diferentes. Não se restringe a dois níveis. Pode incorporar quatro níveis diferentes de amplitude. Cada um dos quatro níveis pode representar 2 *bits*: 00, 01, 10 e 11.

Ponto fraco: está sujeita a impulsos de ruído repentinos (cargas de estática criadas por um raio).

Modulação por chaveamento de frequência

Utiliza duas faixas de frequência diferentes para representar valores de dados de 0 e 1. Durante cada período de *bit*, a frequência do sinal é constante. Não apresenta o problema de picos de ruído repentinos que possam causar perdas de dados. Está sujeita à distorção de intermodulação, fenômeno que ocorre quando as frequências de dois ou mais sinais se misturam, gerando novas frequências. Não é utilizada em sistemas que exijam alta taxa de dados.

Modulação por chaveamento de fase

Representa “0s” e “1s” por diferentes alterações na fase de uma forma de onda. Um 0 pode corresponder à ausência de alteração de fase. Um 1 a uma alteração de fase de 180 graus. As alterações de fase não são afetadas por alterações de amplitude ou distorções de intermodulação. Essa modulação é menos suscetível a ruído e pode ser utilizada em frequências mais altas.

Transmissão de dados analógicos com sinais digitais

Resultados analógicos que são convertidos em sinais digitais para serem transmitidos por sistemas de computadores e armazenados em memória ou disco magnético. Gravadora de música. Laboratório científico.

Meios de Transmissão

• Meios físicos ou conduzidos: Linhas telefônicas, par trançado, cabo coaxial e cabo de fibra óptica.
• Meios radiados ou sem fio: Micro-ondas terrestre, transmissões de satélite, sistema de telefonia celular, transmissões de infravermelho.

Par Trançado

O cabo de par trançado vem em dois ou mais pares de fios de cobre que foram trançados em torno um do outro. Cada fio é revestido por isolamento plástico e cabeado com um revestimento externo. Uma corrente que passa por um fio cria um campo magnético ao redor daquele fio. Um campo magnético que passa por um fio induz uma corrente naquele fio.

• Diafonia (*crosstalk*): corrente ou sinais indesejados.

Cabo Coaxial

É um fio único, geralmente de cobre, envolto em isolamento de espuma, rodeado por uma blindagem de malha metálica, coberto por um revestimento plástico. A blindagem de malha metálica bloqueia a entrada de sinais eletromagnéticos no cabo e a produção de ruído. É bom para transmitir sinais analógicos em um alcance amplo de frequências.

• Coaxial de banda-base: Utiliza sinalização digital. Aplicado na interconexão de comutadores em uma rede local. Transmite um sinal de 10 a 100 *Mbps* e necessita de repetidores a cada poucas centenas de quilômetros.

Cabo de Fibra Óptica

A interferência eletromagnética pode ser completamente evitada se você utilizar um cabo de fibra óptica. É um cabo fino de vidro, um pouco mais espesso que um fio de cabelo humano, envolto por um revestimento plástico. Uma fonte de luz, chamada fotodiodo, é posicionada na extremidade transmissora e rapidamente ligada e desligada para produzir pulsos de luz. Os pulsos de luz viajam pelo cabo de vidro e são detectados por um sensor óptico chamado fotorreceptor na extremidade receptora. A fonte de luz pode ser: *LED* (diodo emissor de luz) ou *laser*.

Desvantagens: Em virtude de como a fonte de luz e o fotorreceptor são dispostos, os pulsos de luz podem viajar somente em uma direção. Para permitir uma transmissão de dados em dois sentidos, são necessários dois cabos de fibra óptica. A outra desvantagem está desaparecendo aos poucos, o alto custo.

• Fibra fotônica: praticamente eliminou essa atenuação. É fino como um fio de cabelo e transparente. É cheio de orifícios (tem um padrão de colmeia). A fonte de luz que é transmitida pelo cabo realmente viaja pelos orifícios, que são apenas ar, sem resistência, o sinal não degrada. A fibra fotônica faz com que o revestimento que envolve o cabo não absorva a luz.

Transmissão de Micro-ondas Terrestre

Esses sistemas propagam sinais de rádio em feixes com foco estreito de uma antena de transmissão de micro-ondas baseada no solo para outra.

Ponto forte: Transmite sinais até centras de milhões de *bits* por segundo sem a utilização de fios de interconexão.

Ponto fraco: Não seguem a curvatura da Terra. Não passam por objetos sólidos. A distância de transmissão é limitada. Perda de intensidade do sinal (atenuação).

• Retardo de propagação: tempo de transmissão da estação em solo para o satélite e de volta para a estação em solo.

Satélites

• *LEO* – satélites de órbita de baixa altitude: Transferência eletrônica de correio eletrônico, redes telefônicas móveis globais, espionagem, sensoriamento remoto e videoconferência.
• *MEO* – satélites de órbita de média altitude: Serviços de navegação por sistemas de posicionamento global.
• *GPS* – sistema de posicionamento global: 24 satélites lançados pelo Departamento de Defesa dos *EUA*. Utiliza pelo menos quatro satélites. Várias empresas produzem dispositivos portáteis e automotivos com *GPS*, com precisão.