Universidade do Estado de Mato Grosso

Universidade do Estado de Mato Grosso Licenciatura Plena em Computação Camada Física Professor Ivan Pires

Camada Física • Introdução • Dígitos binários (bits) para representar dados. • Fisicamente utilizam: • Corrente elétrica, ondas de rádio ou luz Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física • Comunicação Assíncrona • Assíncrona • se um remetente e receptor não necessitar de coordenação antes que os dados possam ser transmitidos. • O receptor deve estar pronto para aceitar dados sempre que eles chegam. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física • O hardware de comunicação é classificado como assíncrono se o sinal elétrico que o transmissor enviar não contiver informações que o receptor pode usar para determinar onde os bits individuais começam e terminam. • O hardware receptor deve ser construído para aceitar e para interpretar o sinal que o hardware remetente gera. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Usando Corrente Elétrica para Enviar Bits • Tensão negativa para representar um 1 e tensão positiva para representar um 0 • Para transmitir um bit 0, o dispositivo remetente coloca uma tensão positiva no fio por um curto período e então retorna o fio a zero volts. • O dispositivo receptor detecta a tensão prositiva e grava que um zero chegou. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Padrões de Comunicação • Dúvidas: • Por quanto tempo o remetente deve manter uma tensão no fio para um único bit ? • Esperar mais tempo do que o necessário desperdiça tempo • Qual a taxa máxima em que o hardware pode mudar a tensão? • Como um cliente pode saber se o hardware transmissor comprado de um vendedor trabalhará corretamente com o hardware receptor comprado de outro vendedor? • Há uma forma de enviar mais dados na mesma quantidade de tempo? Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Padrões de Comunicação • As especificações para sistemas de comunicação são padronizadas. • ITU – InternationalTelecommunicationUnion • EIA – Electronic Industries Association • IEEE – Institute for ElectricalandEletronicEngineers Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Padrões de Comunicação • Estas instituições publicam especificações para equipamentos de comunicação em documentos conhecidos como padrões. • As normas respondem a perguntas sobre uma tecnologia particular de comunicação. • Um padrão especifica o sincronismo dos sinais e os detalhes elétricos da tensão e da corrente. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Padrões de Comunicação • Padrão RS-232-C da EIA • Especifica os detalhes da conexão física • A conexão deve ter menos de 50 pés de comprimento • As duas tensões usadas para transmitir dados devem variar de -15 volts a +15 volts. • Projetado para o uso com dispositivos como modems e terminais, ele especifica a transmissão de caracteres • Embora possa ser usado para enviar caracteres de oito bits, cada caractere consiste em sete bits de dados. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Padrões de Comunicação • Padrão RS-232-C da EIA • RS-232 define comunicação assíncrona serial • Serial porque os bits viajam no fio um após outro. • O remetente e o receptor não se coordenam antes da transmissão. • Nunca deixa zero volts no fio (quando o transmissor não tem nada para enviar, ele deixa o fio com uma tensão negativa que corresponda ao bit valor 1 • Não pode usar a falta de tensão para marcar o fim de um bit e o começo do seguinte. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Padrões de Comunicação • Padrão RS-232-C da EIA • O remetente e o receptor devem concordar com o comprimento de tempo exato em que a tensão será mantida para cada bit. • Quando o primeiro bit de um caractere chega, o receptor inicia um temporizador e usa o temporizador para saber quando medir a tensão para cada um dos bits sucessivos • Como um receptor não pode distinguir entre uma linha inativa e um bit inicial 1, o padrão RS-232 requer que um remetente transmita um bit extra de valor 0 antes de transmitir os bits de um caractere. • Conhecido como start bit Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Padrões de Comunicação • Padrão RS-232-C da EIA • O remetente deve deixar a linha ociosa por um tempo mínimo • Tempo necessário para enviar um bit • Bit fantasma 1 adicionado a cada caractere • Este bit é denominado stop bit • A transmissão completa requer nove bits. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Taxa de Baud, Enquadramento e Erros • O hardware remetente e receptor devem concordar no comprimento de tempo em que a tensão será mantida para cada bit. • Em vez de especificar o tempo por bit, que é uma pequena fração de segundo, os sistemas de comunicação especificam o número de bits que podem ser transferidos em um segundo • Ex.: 33600 bits por segundo Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Taxa de Baud, Enquadramento e Erros • Um hardware de transmissão é avaliado em bauds, • que é o número de mudanças de sinal por segundo que o hardware gera. • No exemplo RS-232 a taxa em bauds é exatamente igual ao número de bits por segundo (33600 bauds = 33600 bits por segundo) • O número de bis por segundo pode ser maior que a taxa em bauds Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Taxa de Baud, Enquadramento e Erros • Se o hardware remetente e o hardware receptor não forem configurados para usar a mesma taxa em bauds, ocorrerão erros porque o temporizador do receptor não esperará um comprimento de tempo apropriado para cada bit. • Para detectar erros, um receptor mede a tensão por múltiplos tempos para cada bit e compara as medidas. Se todas as tensões não concordarem ou se o bit de parada não ocorrer exatamente quando esperado, o receptor relata um erro. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Comunicação Assíncrona Full Duplex • Todos os circuitos elétricos requerem um mínimo de dois fios • A correte flui em um fio e volta em outro • O segundo fio é chamado de terra. • Quando RS-232 utiliza par trançado, um dos fios carrega o sinal e o outro é um terra que fornece o caminho de retorno. • Quando um sinal é enviado utilizando um cabo coaxial, o sinal viaja pelo centro do condutor e o protetor fornece o trajeto de retorno. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Comunicação Assíncrona Full Duplex • A transferência simultânea nas duas direções é conhecida como transmissão full duplex • A transferência em uma única direção é conhecida como transmissão half duplex ou simplex • RS-232 requer um fio para dados viajando em uma direção, um fio para dados viajando na direção reversa e um único fio terra usado para completar o caminho elétrico em ambas as direções (comum para o retorno). Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Limitações do Hardware Real • O quanto rápido pode transmitir bit através de um fio? • Na prática, nenhum dispositivo eletrônico pode produzir uma tensão exata ou mudá-la de uma tensão para a outra • Nenhum fio conduz eletricidade perfeitamente • Quando flui corrente elétrica através do fio, o sinal perde energia • Como resultado, leva um pequeno tempo para a tensão subir ou descer, e o sinal recebido não é perfeito. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Limitações do Hardware Real Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • “O hardware real não pode mudar tensões instantaneamente” • Qual velocidade em que os bits podem ser enviados? • Cada sistema de transmissão de um largura de banda (bandwidth) Limitada, que é a taxa máxima em que o hardware pode realizar mudanças de sinal. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • A largura de banda é medida em ciclos por segundos ou hertz (Hz). • Mais fácil pensar na largura de banda como o sinal de oscilação contínuo mais rápido que pode ser enviado através do hardware • Se um sistema de transmissão tiver uma largura de banda de 4000 Hz, então o hardware pode transmitir em uma taxa igual ou menor a 4000 ciclos por segundo. • Cada sistema física de transmissão tem uma largura de banda finita • Qualquer sistema de transmissão que usar ondas de rádio, som, luz ou corrente elétrica terão uma largura de anda limitada. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • Teorema de Amostragem de Nyquist • Na década de 20, um pesquisador descobriu a relação entre a largura de banda de um sistema de transmissão e do número máximo de bits por segundo, que podem ser transferidos neste sistema • A relação fornece um valor teórico na velocidade máxima em que os dados possam ser enviados • Para um esquema de transmissão de dados que usa dois valores de tensão para codificar os dados • A taxa de dados máxima em bps que pode ser atingida sobre um sistema de transmissão da largura de banda B é 2B. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • Teorema de Amostragem de Nyquist • De maneira geral, se o sistema da transmissão usa k valores de tensão possíveis em vez, o Teorema de Nyquist indica que a taxa (D) de dados máxima em bps é: D = 2B * log2K 1 baud Esta é a fórmula de Nyquist para a capacidade máxima de um canal dada a sua largura de banda, na ausência de ruído Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • Em outras palavras, através de um canal de largura de banda igual a B Hzpode-se transmitir um sinal digital de, no máximo 2B bauds. K = m Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física Largura de Banda do Hardware e a Transmissão de Bits • Portanto, para uma dada BW, a taxa de dados poderá ser aumentada através do aumento do nº de níveis utilizados para transportar o sinal. • No entanto, quanto maior k, maior a dificuldade encontrada pelo receptor para distinguir entre os k possíveis sinais transmitidos. • A formulação de Nyquist define a taxa de transmissão máxima para um canal de banda passante limitada e imune a ruídos. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física O Efeito do Ruído na Comunicação • Teorema de Nyquist fornece um máximo absoluto que não pode ser conseguido na prática. • Na prática um sistema real de comunicação é sujeito a quantidades pequenas de interferência chamados de ruídos • Tal ruído torna impossível atingir a taxa máxima teórica de transmissão. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física O Efeito do Ruído na Comunicação • Claude Shannon estendeu o trabalho de Nyquist para especificar a taxa de dados máxima de transmissão de dados incluso ruído. • A pesquisa resultou no Teorema de Shannon, expresso como: C = Blog2(1 + S/N) C = limite efetivo da capaicdade do canal em bps B = largura de banda do hardware S = potência média do Sinal N = potência média do Ruído Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física O Efeito do Ruído na Comunicação • Geralmente S/N é conhecido como a relação taxa sinal-para-ruído(signal-to-noise rate), não é representada diretamente. • Em vez disso, os engenheiros citam a quantidade 10log10S/N que é a medida em decibéis (dB) • Ex.: uma relação de S/N igual a 100 é 20 dB, 1000 é 30 dB. Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

Camada Física O Efeito do Ruído na Comunicação • O sistema telefônico de voz tem uma relação sinal-para-ruido de aproxidamente 30 dB e uma largura de banda, de aproximadamente 3000 Hz. C = 3000 Log2(1+1000); Redes de Computadores- Professor Ivan Pires

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