Completas

Disciplina de Redes e Comunicação de dados

Comunicação de Dados e
Redes de Computadores

Fernando Cerutti

Florianópolis, outubro de 200 – Versão 1.1

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Palavras do professor
Palavras do professor
Bem-vindo a disciplina de redes e comunicação de dados. Você, como aluno do curso de
Gestão de TI, está convidado a iniciar uma viagem através de um mundo invisível,
imaginário, mas super importante nos dias atuais. Essa viagem é recheada de novidades
intrigantes: O que acontece no percurso da informação desde o seu computador, no
momento que você requisita uma página Web através de um clique do mouse (ou envia um
e-mail), até o computador de destino, responsável pelo recebimento dessa requisição? O
trajeto através desse universo será percorrido por nós e nosso agente de entregas “Proto-
Boy”, um sujeito muito esperto, pragmático, que enfrenta os mais variados problemas no
intuito de fazer chegar ao destino o centro do negócio na gestão da tecnologia: A
Informação.
Você sairá da sua confortável sala climatizada para percorrer as tubulações e as portas de
entrada e saída das tecnologias nas mais variadas constituições: Cabos de par trançado,
fibras ópticas, Servidores e clientes de rede, placas ethernet, comutadores, pontes, modems,
roteadores, filtros de pacotes.
Você verá que cada tecnologia apresenta suas vantagens e seus problemas, e podemos
escolher as tecnologias para transportar nossa informação de forma semelhante a que
escolhemos a nossa empresa aérea, o ônibus, o condutor e a estrada pela qual iremos
trafegar.
Durante nosso estudo, podemos imaginar que a informação, nossa estrela principal, foi
encomendada por um cliente distante, como uma pizza pode ser encomendada pelo
telefone. A pizza vai deixar o 3º. andar do prédio da pizzaria Net-pizza, e em cada andar
receberá ingredientes e preparos até chegar nas mãos do Proto-Boy, nosso eficiente
entregador. Essa divisão em andares e funções é necessária para o entendimento desse
universo amplo, onde as peças separadas podem ser compreendidas mais facilmente.
O que acontece com a encomenda e o nosso herói digital você ficará sabendo ao longo da
disciplina, um conteúdo fundamental na sua jornada rumo a Gestão da tecnologia da
informação.
Aperte o cinto, a viagem vai começar e a nossa rede é rápida.

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Unidade 1
Unidade 1
Introdução a Comunicação de Dados e Redes de
Computadores

Objetivos de aprendizagem
Esta unidade tem como propósito trazer um conhecimento básico na área de comunicação
de dados, fundamental para que você compreenda o restante do conteúdo. Ao final da
unidade você estará apto a:

• Identificar os principais órgãos envolvidos na padronização das redes
• Conceituar rede e comunicação de dados e protocolos
• Identificar os componentes de uma rede de computadores.

Plano de estudo
A seguir estão descritas as seções desta unidade. Para manter a “jornada” bem organizada e
registrada, ao final de cada “estação”, assinale o quadro marcando os “trajetos” já
percorridos.

Seção 1 – A Comunicação de dados
Seção 2 – O que é uma rede de computadores?
Seção 3 – Histórico das redes
Seção 4 – Os componentes de uma rede
Seção 5 - Os protocolos

Para início de estudo
Estudar redes e comunicação de dados pode ser algo muito chato, pois a quantidade de
informação disponível é imensa (e as siglas, um terror, são milhares). Quase todos têm uma
opinião a respeito dos problemas. “A Internet está fora, deve ser uma falha no provedor...”.
Esta situação é comum nas empresas, e um dos nossos objetivos nessa disciplina é tentar
entender um pouco mais a respeito das tecnologias, os mecanismos que funcionam (ou
tentam funcionar) para que tenhamos uma rede operacional.
Nessa unidade, você verá os conceitos mais fundamentais a respeito das redes, e conhecerá
os organismos responsáveis pela manutenção das regras do jogo na área da comunicação
entre os computadores. Não são poucas as regras, nem o jogo é tão simples, mas com
paciência e a ajuda do nosso Proto-boy, chegaremos ao nosso destino.
O cenário inicial do percurso entre a origem do pedido de uma pizza (casa do cliente) e a
entrega dessa requisição vai necessariamente envolver os fundamentos estudados nesta
unidade.

Premissas para o funcionamento da pizzaria:

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Unidade 1

Imagine que a nossa Pizzaria possui 3 andares, cada qual com dois departamentos bem
distintos: um departamento é o responsável por receber (qualquer coisa que chegue ao
andar), e outro responsável por emitir (qualquer coisa que saia do andar). Os andares estão
bem organizados, e possuem contato uns com os outros somente através de aberturas no
assoalho e no teto. Essas aberturas são denominadas Pontos de acesso ao Serviço. È pelo
PAS que o pessoal de um andar se comunica com os caras acima e abaixo deles. Não é
possivel ao pessoal do 3º. Andar se comunicar com o primeiro, somente com o segundo.

Descrição da pizzaria NET-Pizza

Figura -1 - Estrutura da Net-Pizza - as camadas
No 1º. andar (térreo) funciona a expedição das mercadorias. Tanto as que chegam quanto as
que saem, são roteadas (encaminhadas) pelo pessoal do térreo. O térreo é uma
supergaragem, com saídas para várias ruas, o que melhora muito o fluxo no momento da
expedição das encomendas, bem como das mercadorias que estão chegando.
No 2º. andar funciona o departamento de controle de qualidade. Esses caras verificam tudo
que está chegando ou saindo da pizzaria, a velocidade, os estoques, a procedencia, tudo.
No ultimo andar estão os caras da produção. Eles recebem os engredientes, montam e assam
a pizza. O departamento de saída corta e encaminha para o andar de baixo.
Na saída, pelo térreo, o Proto-boy entra em ação. Dentro do furgão, de locomotivas, ou
qualquer outro meio de transporte, ele recebe as mercadorias e as notas fiscais e sai pelas
ruas procurando os destinatáros famintos das fumegantes pizzas (bom, pelo menos no inicio
do percurso elas estão fumegantes).

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Unidade 1

Figura --2 - Furgao do proto-boy - Frame de camada 2

Seção 1 – A Comunicação de dados

A comunicação de dados trata da transmissão de sinais através de um meio físico, de uma
forma confiável e eficiente. Os tópicos mais importantes são a transmissão de sinais, os
meios de transmissão, codificação dos sinais, multiplexação. Os meios físicos são as ruas
por onde trafega nosso proto-boy. Perceba que na nossa analogia com a pizzaria, os meios
físicos podem variar como as estradas e ruas: as fibras ópticas podem ser representadas pelas
grandes rodovias, com muitas pistas. Os meios mais limitados (fios de cobre) podem ser
representados pelas ruas estreitas.

Porque um sistema de comunicação de dados?
As pessoas precisam de um sistema de comunicação por dois motivos básicos:
Aumentar o poder computacional
Na maioria dos casos, aumentar o tamanho do computador disponível
não é possível, ou mesmo não resolveria o problema de capacidade
computacional.

Compartilhar recursos
Todos precisam trocar informações, arquivos, bancos de dados estando
em locais geograficamente dispersos.

Objetivo da comunicação:
O principal objetivo de um sistema de comunicação é trocar informação (dados) entre
dois sistemas remotos. Podemos entender como remotos dois sistemas computacionais que
não possuem compartilhamento de memória RAM. (Randomic Access Memory). Os
sistemas com mais de uma CPU e a mesma memória RAM não precisam enviar informações
um ao outro, uma vez que todas as CPUs tem acesso aos mesmos endereços da memória.

Componentes de um sistema de comunicação

Um sistema de comunicação de dados deve ter os seguintes componentes básicos:

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Unidade 1

Figura 3 - Modelo de comunicação
Fonte:Stallings, Data and computer communications, 7ª ed, Pearson Education. (2004)

• Fonte
— Gera os dados que serão transmitidos (ex, computador)

• Transmissor
— Converte os dados em sinais possiveis de se transmitir (ex.: placa de
rede ou modem)

• Sistema de transmissão
— Transporta os dados (ex.: Sistema telefonico)

• Receptor
— Converte os sinais recebidos em dados (ex.: modem ou placa de rede)

• Destino
— Recebe os dados convertidos

Todos esses componentes possuem complexidades adicionais. Por exemplo, os sistemas de
transmissão podem ser divididos em outros componentes:

• Sinal (analógico/digital),
• meio físico (fio de cobre, fibra óptica, ar),

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Unidade 1
• protocolos (PPP, ADSL)
• e dispositivos de rede (comutadores, roteadores)

Seção 2 – O que é uma rede de computadores?
A todo instante você se depara com algum computador ou terminal de rede. Nos caixas
automáticos dos bancos, nos terminais das lojas, na sua casa, nos órgãos públicos, nas
academias, nos clubes, bares... Parece que as redes de computadores estão em todas as
partes. Isso é verdade, talvez a Internet venha a ser a 3ª.maior rede do mundo, em termos de
capilaridade, perdendo apenas para as redes elétrica e de telefonia. Apesar de menor, a
Internet cresce mais rapidamente.
Bola Fora:
O presidente da Digital, em 1977 (nessa época a Digital era a
2ª. maior fabricante de computadores do planeta, ficando atrás
apenas da IBM), decretou: “Não existe nenhum motivo para
que um indivíduo possua um computador em sua casa.”

Agora que você já conhece a idéia fundamental por trás da comunicação de dados, fica mais
fácil definir rede de computadores:

Uma rede é um conjunto de dispositivos
computacionais conectados através de uma
estrutura de comunicação de dados, com a
finalidade de compartilhar recursos.

Depois disso, podem restar algumas perguntas:

Que dispositivos?
Tais dispositivos incluem interfaces de redes, servidores, estações de trabalho, impressoras
(além dos dispositivos de comunicação como hubs, transceivers, repetidores, comutadores,
pontes e roteadores). Você conhecerá um pouco mais disso tudo na seção 4, e mais tarde,
com mais detalhes, na unidade 5.

O que é dispositivo conectado?
Dois dispositivos computacionais são ditos conectados quando podem trocar algum tipo de
informação entre eles, utilizando para isso um protocolo.
Um protocolo de rede faz parte da estrutura de comunicação de dados, e pode ser visto como
uma norma de comunicação, que deve ser utilizada pelos participantes, como as regras
gramaticais de um idioma (você verá mais sobre os protocolos na seção 5).

Quais recursos?
Uma rede trata basicamente da tecnologia e da arquitetura utilizada para conectar os
dispositivos de comunicação. Os recursos que desejamos compartilhar são vários. Talvez os
mais comuns sejam: Mensagens, arquivos, disco rígidos, impressoras, fax. Podemos desejar
interatividade nessa comunicação, como nas salas de bate-papo, telefonia e
videoconferência.
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Unidade 1
Diversidade
Uma rede pode ser composta por vários sistemas operacionais, e por dispositivos de
diferentes fabricantes. Pode ter vários tamanhos e abrangências, bem como formatos físicos
direntes. (Veja mais adiante, na Unidade 4, uma classificação mais completa).
Internet
Outro conceito importante é a Internet. A Internet não é considerada por muitos autores
como uma rede, mas uma conexão entre redes diversas. Tais autores consideram que uma
rede deve possuir uma tecnologia única, o que evientemente exclui a Internet, uma
verdadeira panacéia de tipos de redes.

Dispositivos

Rede
Protocolos

Enlaces

Figura 4 - Componentes de uma rede

Modelos de comunicação:

Cliente / servidor
Nesse tipo de comunicação, uma máquina solicita um serviço (cliente, como um browser) e
a máquina que presta o serviço (um web server, por exemplo) envia uma resposta, que pode
ser uma página html.

Figura -5 - cliente/servidor (tanembaum, 4ª. ed – 2004)

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Unidade 1
Peer-to-peer
Nesse modelo, não existe cliente ou servidor. Qualquer máquina pode ser cliente e
simultaneamente servir às requisições de outras máquinas. Nesse modelo se encontram os
principais grupos de compartilhamento de arquivos, como o Kazaa, e-mule, edonkey,
imash.

Figura -6 -Modelo de comunicação peer-to-peer (P2P).

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Unidade 1
Seção 3 – Padrões e Histórico das redes

Histórico

Durante o século 20, a tecnologia chave foi Informação. Geração, processamento e
distribuição da Informação foram cruciais para a humanidade. Entre os anos de 1900 e 2000
desemvolveram-se os sistemas telefônicos, foram inventados o rádio e a TV, os
computadores e os satélites de comunicação. Como conseqüência, essas áreas convergiram e
as diferenças entre a coleta, transporte, armazenamento e processamento das informações
foram rapidamente desaparecendo.

Do you Know?

A primeira conexão entre dois
computadores foi realizada em
1940. George Stibitz utilizou as
linhas de telégrafo para enviar
arquivos entre Dartmouth
College (New Hampshire,
USA, para os laboratórios Bell,
em New York.

Mas a história das redes de dados e da Internet se confundem com o Deparamento de Defesa
dos EUA (DoD), através da ARPA - Advanced Research Projects Agency (www.arpa.mil ),
em conjunto com o MIT - Massachusetts Institute of Technology (http://www.mit.edu ).
Esses dois organismos mantiveram os principais pesquisadores na área das ciências
computacionais no início da década de 60. A rede ARPANET não parou de crescer (
. (a) December 1969. (b) July 1970. (c)
March 1971. (d) April 1972. (e) September 1972.

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Unidade 1

Figura 7 -Crescimento da ARPANet – (Tanembaum, 2004 – 4ª ed.)

O site do Internet Software Consortium mantém um levantamento anual do número de
hosts na Internet (Figura 8)

Figura 8 - Crescimento do número de hosts

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Unidade 1
Muitas pessoas participaram dos projetos iniciais da Internet. Quase todos os maiores
pioneiros podem ser vistos em http://www.ibiblio.org/pioneers/index.html. Vint Cerf é
considerado o “Pai da Internet”. Bob Metcalfe inventou a tecnologia Ethernet, que domina
as interfaces de rede até hoje.

Outros pesquisadores foram muito importantes, principalmente no desenvolvimento do
TCP/IP, que impulsionou a rede. John Postel é um desses caras. A página de Postel,
http://www.postel.org, é um tributo a dedicação e criações do pesquisador. Postel participou
da criação, entre outros protocolos, do IP, do TCP, do SMTP (serviço de e-mail) e da
resolução de nomes (DNS). Foi editor das RFCs por 30 anos.

Você pode acessar mais sobre a história da Internet em Português:
http://simonevb.com/hobbestimeline/ . Outro site interessante sobre a história das
comunicações, inclusive a Internet é http://www.mediahistory.umn.edu (em Inglês)

Evolução da Internet?
Esse cara é considerado o menor servidor Web do
planeta.
Veja detalhes em:
http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html

Padrões
Atualmente, vários organismos internacionais estão voltados para a padronização das
normas de funcianamento dos dispositivos usados na troca de informações. Protocolos,
componentes de rede, interfaces, todas as tecnologias utilizadas precisam de padrões para
que consigam operar entre elas. A seguir, você entrará em contato com os principais
organismos da área de redes e comunicação de dados.

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Unidade 1
• ISO - International Organization for Standardization –

http://www.iso.org, através da norma 35.100.01 padroniza o modelo geral para o OSI -
Open systems interconnection. Esse instituto não disponibiliza os padrões
gratuitamente, mas possui uma loja on-line para compra dos padrões. O modelo de
protocolos especificado pelo OSI é a referência para todos os protocolos de redes atuais.
Você verá mais sobre o modelo, que deu origem inclusive ao prédio da nossa NetPizza,
com as camadas do protocolo sendo representadas pelos andares do prédio.

• ITU - International Communications Union. –

http://www.itu.int – Esse organismo, como o nome está indicando, é responsável pela
padronização do setor de telecomunicações. Aqui os padrões também são pagos. Entre
outras coisas, o ITU é responsável pelo protocolo de comunicação de voz sobre IP
H.323 e pelas normas de comunicação do protocolo ATM entre as operadoras de
Telecomunicações
fim da aula 2 Rt1i43

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Unidade 1

• ANSI – American National Standards Institute.

http://www.ansi.org/
Responsável por alguns padrões importantes na área de redes e comunicação de dados
(por exemplo, as redes FDDI, que funcionam a 100 Mbps em anéis de fibra óptica). O
ANSI é uma instituição privada norte-americana, destinada a promover os padrões
daquele país em nível internacional. Fiber channel

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Unidade 1

• IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers,
Inc.

http://www.ieee.org . É uma associação profissional, que trabalha para pesquisa e
padronização nas áreas de engenharia e computação, com muitas publicações e
conferências renomadas nessa área. Existem várias áreas de trabalho e uma delas nos
interessa particularmente: O grupo 802, que regulamenta as redes locais e
metropolitanas, entre elas as tecnologias ethernet (IEEE 802.3) e token ring (IEEE
802.5), as duas líderes em redes locais.

• ISOC – Internet Society

http://www.isoc.org Mantém vários grupos responsáveis por funções centrais no
funcionamento e evolução da Internet. Entre elas, se destacam o IETF, IANA, W3C.

• IETF – The Internet Engineering Task Force

http://www.ietf.org O IETF é uma organização que reúne fabricantes, pesquisadores,
projetistas, operadores de redes. Essa comunidade está envolvida com a operação e a
evolução da arquitetura da Internet. Sem dúvida, a organização mais destacada em
termos de normas e padrões para os protocolos e procedimentos relacionados com a
Internet, notadamente a arquitetura TCP/IP. O IETF mantém grupos de trabalho
divididos por área, como roteamento, segurança, e outros. Possui uma metodologia de
padronização baseada em RFCs (Request for Comments), documentos que normatizam
o funcionamento da Internet.

• TIA/EIA

Normalmente associados aos cabeamentos, os padrões da Electronic Industries Alliance
(EIA) participam da elaboração de tecnologias de comunicação, bem como produtos e

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Unidade 1
serviços. Á aliança é responsável por vários grupos de padronização, inclusive a
Telecommunications Industry Association (TIA).

http://www.tiaonline.org/

Algumas tecnologias possuem fórums de discussão, que tentam agilizar o
estabelecimentodos padrões, antecipando-se aos organismos oficiais. Tais fórums são
compostos por fabricantes e pesquisadores interessados na tecnologia em questão. Por
exemplo, um fórum muito atuante é o da tecnologia ATM. Veja em
http://www.atmforum.com . Outra organização de fabricantes é a Aliança gigabit ethernet.
http://www.10gea.org
“Seja liberal naquilo que
você aceita,e conservador
naquilo que você propaga”. J.
Postel.

Seção 4 – Os componentes de uma rede
Uma rede de comunicação de dados possui vários componentes, o que pode fazer dela um
sistema computacional bastante complexo.
Os componentes podem ser divididos em 2 grupos básicos:
4.1 - Componentes de hardware: Incluem todos os dispositivos físicos que fazem parte da
comunicação Você verá mais sobre os componentes na unidade 5.

Componente Camada de atuação Foto
a) E Abaixo da física (lembre-se
nlaces que as camadas constituem-se
(seçãoxx de software)
xx)

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Unidade 1
b) H Atua na camada 1,
ub propagando o sinal
elétrico/óptico em todas as
portas

c) R Faz o mesmo papel do hub,
epeater regenerando o sinal e
propagando para outra porta.
Pode ser considerado um hub
de uma porta.

d) P Faz a ligação do host com o
laca de enlace. Converte as
rede / informações em bits, e os bits
interface em informações

e) B Faz a conexão entre duas
ridge redes através da camada de
enlace. Pode conectar redes de
tecnologias diferentes, como
Ethernet e Token Ring. A
bridge deu origem aos
switches

f) S Um switch reune um conjunto
witch grande de funções. Podem ser
considerados Bridges com
várias portas. Armazenam os
pacotes, repassam para os
destinatários na porta de
destino. Evitam colisões.

g) R Comutador de pacotes de
outer camada 3 (datagramas).
Possui outras denominações:

• Sistemas
intermediarios,
Intermediate system
ou IS (usado pela ISO)
• Gateway

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Unidade 1
(Muito usado pela
comunidade
IP/Internet)
• Switch de
camada 3

h) M Modulador/Demodulador.
odem Equipamento de codificação.
Converte sinais analógicos e
digitais

i) H Máquina o usuário. Possui
ost outras denominações:

• Host
(Comunidade
IP/Internet)
• Data terminal
equipment, ou DTE
(usado pelo padrão
X.25)
• End system, ou
ES (usado pela ISO)
• Estação

Máquina que comuta
j) G datagramas (camada 3). Nome
ateway dado aos roteadores pela
comunidade IP/Internet

4.2 – Componentes de Software:

a) Os sistemas operacionais: Responsáveis pelo controle do uso da CPU,
memorias, discos e periféricos, como a interface de rede. Alguns controlam ainda
as tabelas de endereços e de caminhos, como um sujeito que determinasse qual
veículo deixaria a Net-Pizza por uma das portas de entrada-saída. Tais sistemas
residem nos switches e routers.

• Unix (HP-UX, Solaris)
• Linux (Red-Hat, Debian),
• Mac-OS,
• Netware,
• Windows

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Unidade 1
• Sistemas especializados em comutação e roteamento
(ex.: IOS).
b)os protocolos
• HTTP (páginas de hipertexto)
• SMTP (transporte de correio eletrônico)
• FTP (transferência de arquivos)
c) as aplicações (clientes, que solicitam o serviço – browser, por exemplo-
e servidoras, que prestam os serviços – servidor web, por exemplo).

Seção 5 - Os protocolos de rede
Um protocolo de rede é uma norma de comunicação,
implementada através de software. Define a forma e a
ordem das mensagens, e as ações realizadas para a
comunicação entre duas entidades.

Para reduzir a complexidade do projeto dos protocolos, eles são divididos em camadas ou
níveis, uma camada sobre a outra, como os andares da Net-Pizza. O número de camadas, o
nome, o conteúdo de cada uma e a função delas pode variar de modelo para modelo. Em todos
os modelos, porém, as camadas inferiores prestam serviços para as camadas superiores, e as
superiores solicitam os serviços das inferiores. Os protocolos acessam os serviços da camada
inferior através dos SAP – Services Access Points ou Pontos de Acesso aos Serviços

Na Net-pizza, é como se o pessoal do 2º. Andar enviasse todos os engredientes
montados, juntamente com o pedido, para os assadores do ultimo andar.
Quando a pizza fica pronta, os assadores solicitam a camada de baixo o
processamento inicial da encomenda: Cortar em fatias, embalar,etc. Note que
cada andar possui funções especializadas, e não interfere nas funções dos
andares acima e abaixo.

Os modelos de protocolos de redes mais utilizados são 3:
• OSI
o O modelo OSI serviu de base para a elaboração dos demais modelos de
protocolos. È um modelo sofisticado, complexo e que acabou sendo utilizado
somente como referência (Reference Model OSI, ou RM-OSI). São 7 camadas,
conforme demonstrado na Figura -1.
• TCP/IP
o A arquitetura TCP/IP foi aquela que impulsionou a Internet, numa
evolução da ARPA-Net. O TCP/IP foi escrito de forma a simplificar a
comunicação e possibilitar a interoperação de dispositivos e tecnologias
totalmente diferentes.

• Modelo híbrido
o O modelo híbrido surgiu da necessidade didática de comunicação entre
os instutores e os alunos. Analisando a Figura 9, você pode perceber como
ficaria confuso referenciar um protocolo como sendo de “camada 4” quando
tinhamos o OSI (7 camadas) e o TCP/IP (4 camadas). A camada 4 para o OSI é

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Unidade 1
a de transporte, e para o TCP/IP é a de aplicação. O modelo híbrido passou a ser
usado pelos principais autores da área de redes (Comer, Kurose, Tanembaum,
Peterson). No nosso estudo, adotaremos o modelo híbrido como referência para
as camadas, excecto quando for explicitamente indicada outra pilha de
protocolos.

Figura 9 - Modelos de camadas

Pelo modelo híbrido, nossa NET-Pizza fica assim representada:
5 Aplicação Assadores/montadores
(2º. Andar)
4 Transporte Pessoal do 1o. andar,
que corta a pizza e
manda os ingredientes
e o pedido
3 Rede Expedição - Pessoal do
terreo, que escolhe a
via e o veículo.
2 Enlace Os veículos (Moto,
furgão, carro, trem)
1 Física As vias de tráfego
(ruas, rodovias,
ferrovias).

Um conjunto de protocolos e camadas é denominado de Arquitetura de Rede. A especificação
de uma arquitetura deve ter todas as informações para alguém implementar um programa ou
construir um dispositivo de hardware para uma ou mais camadas, obedecendo as normas do
protocolo.

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Figura 10 - Modelo genérico para 5 camadas

Comunicações horizontais e verticais
Dentro de uma mesma camada para hosts diferentes (comunicação horizontal),
e camadas diferentes no mesmo host (comunicação vertical).

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Camada física - Sinais, multiplexação e banda em um canal
Unidade 2

Camada física - Sinais, multiplexação e banda
em um canal
Nesta unidade, serão estudados os componentes da camada física. Os tipos de sinalização,
os meios de transmissão. Como você viu, as arquiteturas dos protocolos apresentam
divisões em camadas. Nesse curso, adotamos o modelo híbrido de arquitetura, que associa
os modelos OSI e TCP/IP. A camada física, apesar de não especificada no modelo TCP/IP,
está presente nos modelos OSI e híbrido (Figura 11). Ela é a camada mais inferior da pilha,
sendo responsável pela interface com os meios de transmissão. Tais interfaces comunicam
o host com a rede, determinando os parâmetros mecanicos, eletricos e temporais.
Physical Layer Transmission Protocol Physical Layer

Physical Medium
Figura 11 Posição da camada física e do cabeamento

A camada física determina como os bits serão representados (sinalização), detecta o início e
o final das transmissões, e as direções dos fluxos. Você vai observar que é dificil transpor
algumas barreiras físicas e que existe uma imposição da natureza sobre as possibilidades e
limites de utilização de um canal para transmitir sinais.

Na net-pizza, a camada física corresponde às vias de escoamento
do tráfego. Nelas, existem alguns controles básicos que
encontramos também nos protocolos: O tipo do veículo que pode
trafegar em cada pista (o veículo corresponde ao frame ou quadro
da camad dois, voce deve estar lembrado). Os sinais de transito,
permitindo ou bloqueando a passagem. As colisões, quando
ocorrem. Os engarrafamentos, os estreitamentos de pista, as
larguras e velocidades máximas. Os diferentes meios de transporte
podem ser comparados aos meios de transmissão: voce pode
imaginar uma estrada não pavimentada como sendo uma linha de
transmissão analógica, de grandes retardos, e taxas de erros como
um modem assincrono de 56 Kbps. Uma estrada pavimentada
poderia ser então nossos pares trançados (esses azuis que conectam
o micro a tomada de rede). Uma fibra óptica poderia ser o ar por
onde trafegam os aviões, de qualquer velocidade. Os satélites
poderiam ser comparados aos navios, uma vez que podem
transportar muita informação, mas são relativamente lentos.

Ao final da unidade,voce estará apto para:
• Identificar os tipos de sinais
• Definir multiplexação de um canal

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• Entender o conceito de Largura de banda
• Diferenciar os meios físicos de transmissão
• Entender os principais problemas dos sinais

Sessão 1 – Tipos de sinal
Sessão 2 - Largura de banda
Sessão 3 – Multiplexação
Sessão 4 – Codificação
Sessão 5 – Os meios de transmissão e os problemas dos sinais nos meios
físicos

Sessão 1 – Tipos de sinal
Sinais e transmissão de dados

O que é um sinal? Um sinal é um fenômeno físico, que representa um fluxo de
informações. Portanto, um sinal pode transportar os dados em um meio físico (fios de
cobre, fibras ópticas, ar)
Tipos de sinais:
Basicamente, temos dois tipos de sinais de dados:
Analógicos
Nesse tipo, existe uma variação contínua da intensidade em relação ao
tempo. Não existe descontinuidade.

Figura 12 - Sinal analógico

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Digitais

Nos sinais digitais a intensidade se mantém em um nível constante e então muda para outro
nível de intensidade (Figura 13)

Figura 14 - Sinal Digital

Um sinal digital é uma sequência de pulsos discretos, descontínuos.

Os sinais digitais têm uma amplitude fixa, mas a largura do pulso e a freqüência podem ser
alteradas. Os sinais digitais de fontes modernas podem ser aproximados a uma onda
quadrada, que, aparentemente, tem transições instantâneas de estados de baixa para alta
voltagem, sem ondulação.

Cada pulso é um elemento do sinal. Nos casos mais simples, existe uma correspondência 1
para um entre os bits transportados e os elementos dos sinais.
Exemplo de codificações onde existe correspondencia 1-1 (NRZI) e 2-1 (Manchester)

Figura 15 - Número de elementos na sinalização de 1 bit

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Bauds

Um baud é o número de símbolos (elementos) do sinal usados para
representar um bit.

No caso da figura 7, um 1 bit é representado por 1 baud na codificação
NRZI e 2 bauds na Manchester. Durante um baud, um símbolo é enviado
no canal. Quando um canal digital é amostrado, o número de amostras por
segundo é medido em bauds

Exemplo: Se voce tem um modem com taxa de 2400 bauds significa que
seu modem pode amostrar 2400 simbolos por segundo. Embora isso possa
parecer pouco, cada símbolo pode representar mais de um bit, dependendo
da modulação. Se o seu modem usa uma técnica chamada QPSK
(Quadrature Phase Shift Keying), dois bits são representados a cada
alteração de fase.

Tarefas de um sistema de comunicação

Podemos listar as seguintes tarefas como sendo responsabilidade do sistema de
comunicação:

• Interfaces humano/maquina/maquina/humano
• Geração do sinal
• Sincronização
• Detecção e correção de erros
• Controle de fluxos
• Endereçamento
• Roteamento
• Recuperação
• Formatação das mensagens
• Segurança
• Gerência da rede

Sessão 2 - Largura de banda e atrasos

Largura de Banda
A largura de banda (bandwidth) e o atraso (tempo necessário para que uma unidade de
informação percorra a rede desde a origem até o destino) são dois conceitos
fundamentais para analisarmos o desempenho de uma rede.

A largura de banda de um enlace pode ser definida de duas formas: fisicamente, pode-
se dizer que:

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“é a faixa de frequências que pode passar pelo enlace com perdas mínimas”.

Por exemplo, para transmitir um sinal de voz na linha telefônica precisamos de uma
banda de 3000 Hz, pois a voz humana usa frequências de 300 a 3300 Hz.

Outro enfoque, mais prático, pode determinar a largura de banda como:

“a quantidade de sinal, em bits, que uma interface pode inserir em um enlace em um
segundo” (taxa de transmissão da interface).

Sob essa óptica, uma interface fast ethernet (padrão IEEE 802.3u) teria uma banda de
100 Mbps. Essa quantidade normalmente não é alcançada na prática, devido aos
problemas de implementação das tecnologias. A palavra “throughput” ou vazão,
normalmente é usada para definir o desempenho que um enlace fornece entre duas
interfaces. Por exemplo, um enlace de 10 Mbps poderia fornecer uma vazão de,
digamos, 4 Mbps, devido às deficiências de implementação.

Atraso
Atraso é o tempo necessário para que uma unidade de informação deixe a origem e
chegue ao destino.

O atraso pode ser decomposto em vários tipos, dependendo da localização do trajeto
que está sendo analisado. Basicamente, existem 4 tipos de atraso nas redes de dados:
Propagação, Transmissão, Enfileiramento e Processamento. Eles serão analisados
separadamente na próxima unidade. Quando somamos todos esses atrasos, obtemos o
Atraso Total fim a fim, que é o tempo dispendido pela informação entre dois nós da
rede.

Quando analisamos o atraso total fim-a-fim podemos imaginar a informação
percorrendo uma tubulação como a da Figura 16.

A tubulação pode ser vista como um túnel por onde nosso
proto-boy trafega com seu furgão. O furgão transporta a
unidade de dados (pizza). O atraso nodal total seria o tempo
necessário para que o furgão deixasse a pizzaria e chegasse a
casa do cliente.

Delay

Bandwidth

Figura 16 - O enlace como uma tubulação

27


Podemos imaginar a largura do tunel como a banda disponível para a passagem da
informação. Quanto mais banda, mais furgões podem passar simultaneamente pelo túnel.
Note que aumentar a largura do túnel (mais banda) não significa tornar os furgões mais
rápidos. Significa apenas que mais furgões podem trafegar simultaneamente.

Existe uma abstração importante para imaginarmos o desempenho de um enlace. Se
multiplacarmos a banda pelo atraso, podemos ter a quantidade de bits que estão no canal de
comunicação em determinado instante.

O produto BANDAxATRASO indica quantos bits estão em um canal, antes de serem
recebidos na interface de destino.

Isso significa que, se a interface de destino detectar algum erro e
solicitar um cancelamento da transmissão, esses bits já estarão no
percurso entre as duas interfaces, o que pode gerar problemas em
redes de desempenho muito elevado.

Isso porque quanto maior o desempenho, mais bits estarão nesse trajeto.

Exemplo: em um canal de 50 Mbps com um atraso de 40 ms teremos:

50 X 106 bits/segundo X 40 X 10-3 segundos= 2.000.000 bits

Sessão 3 – Multiplexação
Multiplexar é transmitir sinais de várias sessões de comunicação em um meio físico
compartilhado. A técnica é muito útil para reduzir o numero de enlaces, que normalmente
possuem custos elevados.

28


Figura 17 - Sessões em enlaces individuais

Quando poucas sessões forem necessárias, o número de enlaces individuais não chega a ser
um problema. Mas muitas sessões significam muitos enlaces. Enlaces=s(s-1)/2

■■■

Figura 18 - Multiplexação - Sessões compartilhando enlace único

Os canais de comunicação podem ser multiplexados segundo 3 técnicas básicas:

• Tempo (TDM ou Time Division Multiplexing)
Nessa técnica, o canal de comunicação é divido em vários “slots” ou períodos de tempo.
Cada estação pode transmitir em um período, usando toda a frequencia (banda) disponível.
Ou seja, limita-se o tempo de transmissão, libera-se a frequencia plena do canal.

29


Figura 19 - Time division multiplexing

• Frequência (FDM ou Frequency Division
Multiplexing)
Nessa técnica ocorre o inverso da anterior: Limita-se uma faixa de frequencia para cada
estação, que pode então transmitir por periodos de tempo indefinidos . Um exemplo é a
transmissão de rádios em AM. Vários canais são alocados nas frequencias entre 500 e 1500
kHz. Cada estação de rádio usa uma faixa de frequencias, sem limites de tempo.

Figura 20 - Frequency Division Multiplexing

30


• Comprimento de onda (WDM ou Wavelength
Divison Multiplexing)
Nessa técnica, cada estação irá transmitir em comprimentos de onda específicos, que são
filtrados ao passar pelo comutador.

Figura 21 – Wavelenght Division Multiplexing

31


32


• Sessão 4 – Codificação
Os sinais se propagam através de um meio físico (enlaces, ou links). Os dados binários que
o nó de origem quer transmitir precisam então ser codificados em sinais, de modo que os
bits possam percorrer a distância até o destino. No destino, os sinais precisam ser
decodificados novamente em dados binários.

Os sinais, na prática, correspondem a duas voltagens diferentes nos fios de cobre ou
potências com níveis diferentes quando o meio é a fibra óptica.

A responsabilidade de codificar o sinal que irá trafegar o meio físico é das interfaces de
rede. Cada interface tem uma tecnologia, e pode envolver uma série de protocolos. Existem
vários tipos de codificação. Por exemplo, para a tecnologia ethernet, uma subcamada
responsável pela codificação irá gerar um código do tipo Manchester nas taxas de 10Mbps
em fios de cobre. A codificação irá mudar para NRZI em taxas de 100Mbps nas Fibras
ópticas. Você vai ver agora alguns detalhes a respeito de 4 das principais técnicas de
codificação:

NRZ, NRZI, Manchester, 4B5B e MLT3

Stallings pag 135 – Peterson pag 57

Codificação NRZ

O nome é obscuro “Sem retorno ao zero”, ou “Non return to zero”. É a forma mais simples
de codificar sinais e por isso a mais utilizada. O mapeamento é feito representando um bit
um para os sinais de nível mais alto e um bit zero para os sinais de nível mais baixo (Figura
22) .

Bits 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

NRZ
Figura 22 - Codificação NRZ

O problema com a NRZ é quando ocorre uma sequência
longa de bits zero ou um. O sinal permanece alto ou baixo no
enlace por um período muito longo

Codificação NRZI

Essa codificação é denominada “sem retorno ao zero inversão no um” (non-return-to-zero,
invert-on-one) Funciona assim:

33

• Os sinais 1 são alternadamente representados por um sinal alto ou baixo
(Voce deve lembrar que nas fibras ópticas o que muda é a intensidade do sinal para
representar zeros e uns).
• Nenhuma alteração é feita no sinal para representar um zero.

Figura -23 - Codificação NRZI
Com essa técnica, o problema de vários 1s seguidos fica eliminado, mas ainda existe com
uma sequencia de zeros.

Manchester
Essa codificação é usada normalmente para transmitir em fios de cobre a taxas de 10
Mbps. Para cada 0 e 1 transmitido através do meio físico acontecem os seguintes passos:

• A representação do bit tem uma transição de voltagem no meio da
codificação.
• Para um bit 0, a primeira metade é alta, e a segunda é baixa.
• Para um bit 1, a primeira metade é baixa e a segunda é alta.

Exemplo: Transmissão de um byte 101111001

Figura 24 - Codificação Manchester
A codificação manchester sempre provoca uma alteração na voltagem, evitando a perda de
sincronismo mesmo em longas sequencias de zeros ou 1s.

34


4B5B
Usada nas tecnologias Fast Ethernet, FDDI, Token Ring. Para cada conjunto de 4 bits, é
inserido um 5º. Bit que evita longas sequencias sem alteração do sinal

(i)4B/5B Code-Groups for FDDI, CDDI, and 100BASE-X

As opções de codificação foram feitas de forma que nenhum codigo de 5-bits possui mais
de 2 zeros consecutivos.

1) Table A.2. 4B/5B Data Mappings

Hex Binary "Nibble" (4B) Five Bit Code-Group (5B)
Dupla binaria
0 0000 11110
1 0001 01001
2 0010 10100
3 0011 10101

MLT-3 Signals for 100BASE-TX and CDDI

Multi-Level 3 encoding (MLT-3) é uma tecnica de sinalização eficiente que foi introduzido
pelo CDDI e adotado pelo 100BASE-TX (IEEE 802.3u em par trançado UTP). Requer
menos banda que a sinalização NRZI usada pelo FDDI e 100BASE-FX. Isso ajuda
bastante, porqueo UTP cat % realmente tem menos banda que a fibra óptica

Como a NRZI, a tecnica MLT-3 faz uma transição para cada bit 1 e permanence a mesma
para os bits 0. Entretanto, as transições são feitas em 3 níveis de sinais. O sinal muda um
nível por vez, como segue:

1. Low to middle
2. Middle to high
3. High to middle
4. Middle to low

O resultado é que o numero de transições entre os níveis alto e baixo de voltagem fica
reduzido. Isso se traduz em frequencias menores, tornando possível colocar 100Mbps em
cabos de categoria 5 .

A Figura 25 mostra a codificação de um string binario 11010001 pela MLT-3. Os níveis
medio, alto e baixo podm ser representados por [-, 0, +] ou [-1, 0, and 1]

35


Figura 25 - Codificação MLT3

A MLT-3 apresenta o mesmo problema da NRZI para longas repetições de 0, o que pode
gerar uma perda do tempo de bit no lado do receptor. A solução encontrada foi a mesma: A
cada 4-bit nibble é convertido em 5-bit code-group usando a tradução 4B/5B. A
combinação da 4B/5B e dos sinais MLT-3 possibilita transmitir a 100 Mbps em enlaces
com 31.25MHz de banda.

Modulação
Os sinais digitais devem ser modulados para transporte nos meios analógicos. A situação
mais comum aqui é usar a linha de telefonia para enviar dados através de um Modem
(Modulador/Demodulador). A modulação é a alteração do sinal para marcar a troca do bit.
O número de amostras do canal digital é medido em bauds. Cada baud contém um símbolo

36

As técnicas mais freqentes são

Figura 26):

• Modulação de amplitude
• Modulação de frequencia
• Modulação de fase

37


Figura 26 - Técnicas de modulação

a-Amplitude: Em ondas, é a maior das distâncias que uma onda
atinge de sua posição média. Quanto maior a energia da onda, maior
a sua amplitude

Conceitos importantes:
Vários conceitos importantes na trasmissão dos dados ficam confusos, devido a grande
quantidade de informações necessárias ao entendimento da coisa. Voce deve lembrar de
alguns:

• Largura de banda: (Bandwidth):
o Faixa de frequencia possível de transmitir em um enlace. É uma
propriedade física do meio, medida em Hz.
• Baud
o Quantidade de amostras por segundo. Cada amostra envia um
símbolo.
• Símbolo
o Como um bit pode ser representado (depende da modulação). A
modulação determina o numero de bits por símbolo.
• Taxa de bits
o Quantidade de bits possíveis de inserir em um enlace, por unidade de
tempo. Numero de simbolos por segundo vezes numero de bits/simbolo.

38


Sessão 5 – Os meios físicos e problemas dos sinais

Nesta seção você verá quais os principais meios usados para transmitir os sinais, e ambém
os problemas que os pobres bits enfrentam para percorrer as distâncias entre a fonte e o
destino.

Na nossa analogia da NetPizza, os meios físicos são
correspondentes as vias de transporte, por onde trafegam
nossos veículos transportadores de pizzas.

Os meios físicos servem de substrato para a propagação dos bits, convertidos em sinais
eletromagnéticos ou pulsos ópticos. Os bits se propagam entre uma interface de origem e
uma de destino. Numa interconexão de redes, como é a Internet, podemos ter vários pares
transmissor/receptor entre o ponto inicial (fonte) e o final (destino). Entre cada par
transmissor/receptor, os meios físicos podem assumir diferentes formas.

Os meios físicos podem ser dividos em 2 grupos: Guiados e não guiados

• Guiados
a) Fios de cobre
1. UTP – Unshilded Twited Pair ou Par trançado
não blindado.
Os fios são trançados em pares. Cada par consiste de um fio usado par os sinais positivos e
outro para os negativos. Qualquer ruído que ocorra em um dos fios do par irá aparecer no
outro também. Como eles estão com polaridades contrárias, possuem 180 graus de
deslocamento de fase, o que cancela o ruído na extremidade receptora.

Figura 27 – UTP

2. STP – Shilded Twisted Pair - Par trançado
blindado.

O grau de redução da interferência é determinado pelo
número de trançagens por unidade de comprimento. Para
melhorar a rejeição aos ruídos, uma malha recobre os
pares de fios que estão trançados.

39


Figura 28 - STP - Par Trançado Blindado

O revestimento pode ser em pares individuais e em torno
de todos os pares, ou somente em torno de todos os pares
em conjunto (Screened Twisted Pair)

Figura 29 – ScTP – Screened Twisted Pair
Mais informações sobre cabeamento de par trançado:
http://www.siemon.com/us/standards/default.asp#OUTLET

3. Cabos Coaxiais
Consistem em um condutor cilíndrico externo oco que circunda um conjunto interno feito
de dois elementos condutores. Um condutor de cobre, no centro. Circundando-o, há uma
camada de isolamento flexível (insulator) - Figura 30. Sobre esse material de isolamento,
há uma malha de cobre ou uma folha metálica (shield) que funciona como o segundo fio no
circuito e como uma blindagem para o condutor interno.
Essa segunda camada, ou blindagem, pode ajudar a reduzir a quantidade de interferência
externa. Cobrindo essa blindagem, está o revestimento do cabo (jacket).

Figura 30 – Cabo Coaxial

b) Cabos de Fibras ópticas
As fibras ópticas consistem de fibras de vidro ou polímeros de carbono (mais atuais) que
transportam sinais a altas frequencias em volta do espectro de luz visível. O tubo de vidro
central é denominado de Núcleo, tipicamente com 62,5 microns (1 micron = 10-6 metros).
Em volta do núcleo, um envoltório (cladding) também de vidro, em camadas concêntricas,
para evitar a perda dos feixes luminosos. Esse envoltório possui 125 microns de diametro.
Uma fibra com essas medidas nucleo/casca é dita 62,5/125. Em volta da casca existe um

40

protetor de plastico. Nas fibras, a frequencia das ondas como medida de banda dá lugar ao
comprimento de onda, medido em naômetros ou bilionésimos de metros.

Figura 31 -Cabo de Fibra óptica
Tipos de fibra--------------------------------iniciar aula do dia 12

Dois tipos básicos de fibra: Multimode (MMF) e Singlemode (SMF)

Características das fibras Multimdo: (Muitos feixes luminosos)

• Fonte luminosa: LED (Light Emitting Diode)
• Atenuação 3.5 dB/Km (perde 3.5 dB de potencia no sinal por quilometro)
• Comprimento de onda da fonte luminosa: 850 nM
• Dimensões diâmetros nucleo/casca: 62.5/125

Características das fibras Singlemode: (Um feixe luminoso)

• Fonte luminosa: Laser
• Atenuação 1 dB/Km
• Comprimento de onda da fonte luminosa 1170 nM
• Dimensões diâmetros nucleo/casca: 9/50

Comparação entre as fones de luz para os cabos de fibra:

Vantagens dos cabos de fibra:

41

• Imunidade a interferências
a) RFI - Radio Frequency Interference
b) EMI -Electromagnetic Interference
• Grande capacidades de banda
• Imune a corrosão
• Atenuação bem menor que o cobre
• Ocupa menos espaço
• Suporta taxas de transmissão maiores

Desvantagens dos cabos de fibra:

• Curvas limitadas (pode quebrar facilmente)
• Preço (compesador em altas taxas)
• Dificuldade de emendar

1. MMF

2. SMF

Figura 32 - Tipos de fibra

Figura 33 - Conectores tipo ST

42


Figura 34 - Conectores tipo SC e Duplex

43


• Meios físicos Não guiados
Essas formas de transportar sinais não necessitam conexão direta entre
uma estação e outra. Os canais de comunicação são criados usando-se as
frequencias do espectro eletromagnético (Tabela 1).

1. Radio frequencia
• Ondas terrestres – Propagam-se
limitadas pela altura da atmosfera, e seguem a
curvatura do globo (Figura 35). Ondas de
rádio, frequencias menores (VLF, LF, MF na
Tabela 1). São omnidirecionais, ou seja,
propagam-se em todas as direções a partir da
estação de transmissão.

Figura 35 - Ondas terestres - Baixas frequencias

• Reflexão na Ionosfera
o Possuem alcance maior, as
frequencias são elevadas (HF, VHF,
UHF...)

Figura 36 - Reflexão na Ionosfera - Frequencias elevadas

Name Frequency (Hertz) Examples

44

Gamma Rays 1019+
X-Rays 1017
Ultra-Violet Light 7.5 x 1015
Visible Light 4.3 x 1014
Infrared Light 3 x 1011
EHF - Extremely High 30 GHz (Giga = 109) Radar
Frequencies
SHF - Super High 3 GHz Satellite & Microwaves
Frequencies
UHF - Ultra High 300 MHz (Mega = 106) UHF TV (Ch. 14-83)
Frequencies
VHF - Very High 30 MHz FM & TV (Ch2 - 13)
Frequencies
HF - High Frequencies 3 MHz2 Short Wave Radio
3
MF - Medium Frequencies 300 kHz (kilo = 10 ) AM Radio
LF - Low Frequencies 30 kHz Navigation
VLF - Very Low Frequencies 3 kHz Submarine Communications
VF - Voice Frequencies 300 Hz Audio
ELF - Extremely Low 30 Hz Power Transmission
Frequencies
Tabela 1 - Frequencias do espectro eletromagnetico

Radio Frequencias – As
frequencias maiores (Very,
Ultra, Super, Extremely)
receberam esses nomes
porque ninguém esperava
que fossem descobertas
frequencias maiores que
10Mhz (HF).

45

2. Micro-ondas
A transmissão por micro-ondas (Microwave transmission)
comporta-se de forma diferente da radiofrequencia
normal. A transmissão é direcional, e precisa de uma
linha de visada (as estações devem ser visíveis de uma
para outra)- Figura 37.

Figura 37 - Propagação na linha de visada (maximo 50 kilômetros, devido a curvatura do globo)

Em casos onde não existe linha de visada, devem-se
inserir repetidores (Figura 38).

Figura 38 - Estações sem linha de visada usando repetidores

As micro-ondas operam em frequencies muito altas, entre 3 a 10 GHz. Isso permite que
transportem grandes quantidades de dados, pois a largura de banda é alta.

Vantagens:

a. Muita largura de banda.
b. Torres pequenas, ocupam pouca area na terra
c. Frequencia alta e baixo comprimento de onda, requerem antenas pequenas

Desvantagens:

46

a. Atenuação por objetos sólidos: Chuva, pássaros, neve, fumaça
b. Refletida em superficies planas (agua, metais)Reflected from flat surfaces
like water and metal.
c. Difração em volta de objetos sólidos.
d. Refração na atmosfera, causando projeção do sinal além do recptor.
e. Regulamentadas, é necessário adquirir licença de uso.

Existem acordos internacionais e nacionais
para prevenir o uso caótico do espectro.
Como todos querem mais banda, as
frequencias são cobiçadas. Esses acordos
determinam as faixas de frequencia das
rádios (AM, FM), TVs e celulares. São
regulados também os usos das companias
telefônicas, polícias, navegações, militares. O
ITU-R é o responsável pelas
regulamentações internacionais, embora
alguns países possuam regras conflitantes.
Equipamentos que operam em um país
podem ser barrados em outros.

3. Laser
O uso de laser para transportar dados está bem difundido pois possui grande banda , é
uniderecional e não está na faixa regulamentada. O laser não se propaga corretamente com
chuva, neve, névoa ou fumaça. Uma grande aplicação do laser é na conexão de redes locais
entre dois prédios. Relativamente barato e fácil de instalar, apesar de ser difícil de focar o
fotoreceptor se as distâncias forem grandes.

4. Infra vermelho
A faixa do infra-vermelho é largamente usada para transmissão de dados em curta
distância. Os conrole-remotos dos equipamentos domésticos (TV, DVD, Players de toda
espécie) utilizam ondas na frequencia do infravermelho. É um método barato e
relativamente unidirecional. Não ultrapassa paredes sólidas, o que é uma vantagem. A
vizinha não pode trocar seu canal de futebol, ou baixar o volume do seu MP3 player.

47


Em geral, quando os comprimentos de
onda ficam menores, o comportamento
das ondas se aproxima mais da luz e se
afasta do comportamento das ondas de
rádio.

5. Satélite
Na sua concepção mais rudimentar, poderíamos ver um satelite artificial como um repetidor de
micro-ondas no céu. Vários transponders ficam ouvindo uma faixa própria do espectro,
amplificam o sinal que está chegando (uplink) e retransmite em outra frequencia, para evitar
interferência no sinal que está chegando.

O sinal de descida (downlink) pode ser amplo, cobrindo uma superficie ampla do planeta, ou
estreito, cobrindo uma area de apenas centenas de quilometros de diametro.

A altiude do satélite determina uma série de fatores que
influenciam no desempenho da tecnologia. Existem três
grande grupos em função dessa altitude: Os GEO, os
MEO e os LEO .

48


Figura 39 - Altitudes, atrasos e número de satélites necessários conforme o tipo (2º. Tanembaum)

Geo- São os satélites colocados em órbita sobre a linha do equador, em uma altitude de
35.800 km, a qual corresponde a uma volta em torno da superfície do planeta a cada 24
horas, permitindo que o satélite pareça estacionário quando observado da Terra. Como cada
equipamento precisa de 2 graus de distância do outro para evitar interferências, temos
apenas 3600/2=180 vagas no espaço.

Figura 40- Satelite geoestacionário/geossincrono
Os sistemas GPS usam os MEO – a 17000 Km, com 24 satelites.

2.5.2 MEO: Mediam Earth Orbit, são os satélites de órbita média, situam-se entre 6.000 e
15.000 kilometros de altitude. È nessa classe que estão os satélites dos sistemas GPS, que
identificam o posicionamento de uma estação móvel na superfície do planeta com uma

49

precisão muito grande. Têm uma latência (atraso) de 35 a 85 ms e são necessários 10
satélites para fazer a cobertura plena do globo.
2.5.3 LEO: Low Earth Orbit (Baixa órbita terrestre) Como movem-se muito rapidamente,
são necessários muitos deles (50 ou mais) para uma cobertura ampla. Por outro lado, como
estão próximos da superfície (até 5000 Km) o retardo é baixo ( 1 a 7 ms).

Problemas dos bits nos meios físicos
São vários os problemas qe os miseráveis sinais irão encontrar nos meios físicos, que impõe
barreiras ao funcionamento da rede. Os principais são os atrasos, os ruidos, a atenuação e a
dispersão.

50


• Atrasos

Nas redes de dados (comutação por pacotes, veja seção xxxx), podem existir muitos fatores
de atraso na chegada dos sinais. Kurose e Ross destacam 4 tipos princiapis de atrasos:
Propagação, Transmissão, Fila e Processamento (Figura 53). Embora os atrasos sejam
prejudiciais na maioria das situações, as variações dos atrasos entre um pacote e outro
podem ser bem mais problemáticos. Tais variações dos atrasos são denominadas “Jitter”.

• Atenuacao

(By Tanembaum4a. ed)

• Erro
Erros são introduzidos pelos demais problemas na transmissão do sinal, como ruídos e
dispersões. Normalmente são usadas técnicas de detecção, mas não de correção. Como os
dados para detectar um erro são enviados em conjunto com as informações, não se pode ter
certeza que tais dados estejam totalmente corretos no momento do recebimento. Por
exemplo, o transmissor envia uma sequencia Dados-verificação, representados por DV. O
receptor vai receber uma sequência D’V’. Perceba que o parâmetro de verificação V’ pode
ser diferente do V original.

• Ruído
É uma adição não desejada aos sinais eletromagnéticos, ópticos e de voltagem. Nenhum
sinal elétrico é sem ruído. O importante é manter a razão sinal-ruído (S/R) o mais alta
possível.

51


sinal

ruído

Pode ser
interpretado
como 1

Figura 41 - Ruido e a conjunção com o sinal

• Dispersão
A dispersão acontece quando o sinal se espalha com o tempo. É causada pelos tipos de
meios envolvidos. Se acontecer com alguma intensidade, um bit pode interferir no próximo
bit e confundí-lo com os bits anteriores e posteriores.

Figura 42 - Dispersão do sinal

• Distorção
A distorção ocorre pelas influencias diferenciadas do meio em cada frequência do sinal
sendo transmitido (
52


http://www.siemon.com/br/whitepapers/10G-
Assurance.asp

53


http://members.tripod.com/%7eVBKumar/networking.html
Para saber mais
Cabos:

http://www.siemon.com/br/

Alocação de frequencias do spectro:
http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.html

Multiplexação
http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Multiplexing

Satélites:
http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/constellations/
http://www.sia.org/
54


55

Chegou o momento de testar os conhecimentos. Vamos lá, procure não chutar.

Atividades de Auto-Avaliação – Unidade 2
Marque V para as afirmações verdadeiras e F para as falsas

1)Quanto aos sinais, podemos afirmar que:
[ v ] Um sinal é um fenômeno físico, e na transmissão de dados representa os bits
[ f ] Os sinais analógicos são descontínuos, discretos
[ f ] Nos sinais digitais a intensidade é constante e não se altera
[ v ] Na codificação NRZI um sinal corresponde a um bit
[ v ] Geração do sinal, detecção de erros e sincronização são tarefas do sistema de
comunicação

2) Quanto a largura de banda, podemos afirmar que:
[ v ] Largura de banda pode ser definida com quantidade de sinal possível em um
meio físico
[ f ] O atraso é uma medida da quantidade de bits no canal de comunicação
[ v ] Quando multiplicamos a banda pelo atraso, obtemos a quantidade de bits no
canal de comunicação
[ v ] As vazões em um canal nem sempre correspondem a banda disponível
[ f ] A taxa de transmissão de um interface (por exemplo, fast ethernet com 100
Mbps) não pode ser considerada largura de banda

3) Quanto a multiplexação dos canais, podemos afirmar que:
[ f ] Multiplexar é aumentar a banda
[ f ] Uma divisão do canal em ferequencias diferentes limita o tempo de transmissão
das estações
[ f ] A técnica TDM consome mais tempo que a FDM
[ v ] As fibras ópticas podem ter vários canais virtuais se usamos técnicas WDM
[ v ] A técnica TDM limita o tempo de cada estação

4) Quanto as técnicas de codificação dos sinais podemos afirmar que:
[ v ] A técnica NRZ apresenta problemas com longas sequencias de sinais repetidos
[ f ] A técnica NRZI evita os problemas com muitos zeros repetidos
[ v ] A técnica Manchester sempre inverte o sinal, mesmo dentro do mesmo bit
[ f ] Nas fibras ópticas a variação do tempo determina a codificação
[ v ] Nas interfaces ethernet, os códigos são NRZI a taxas de 100 Mbps e Manchester
nas taxas de 10 Mbps

5) Quantos aos meios físicos e problemas dos sinais, podemos afirmar que:
[ f ] As fibras são mais rápidas que os fios de cobre
[ v ] As fibras possuem mais banda que os fios de cobre
[ v ] os fios de cobre atenuam mais que as fibras ópticas
[ v ] Os satélites possuem retardos elevados, mas grandes coberturas
[ f ] O infravermelho passa paredes de alvenaria, e as microondas não passam
[ v ] A dispersão é um problema que pode sobrepor os sinais representando bits
diferentes
56

Unidade 3

Unidade 3
Redes de comutação de circuitos e de
comutação de pacotes

Objetivos de aprendizagem
Esta unidade tem como propósito trazer um entendimento das diferenças básicas entre as
técnicas de comutação: por circuitos (usado classicamente em telefonia) e por pacotes
(redes de dados).

Ao final da unidade, você será capaz de:
• Descrever as características fundamentais de um serviço de rede orientado a
conexão e de um sem conexão.
• Diferenciar as redes comutadas por circuitos das redes comutadas por
pacotes
• Entender as diferenças entre os atrasos nas redes, e os fatores que
influenciam cada tipo
• Entender os conceitos de unidades de dados e dos cabeçalhos

Plano de estudo
A seguir estão descritas as seções desta unidade. Para manter a “jornada” bem organizada e
registrada, ao final de cada “estação”, assinale o quadro marcando os “trajetos” já
percorridos.

Seção 1 – Serviços orientados a conexão e sem conexão
Seção 2 – Chaveamento ou comutação
Seção 3 – Atrasos nas redes comutadas

• Propagação
• Transmissao
• Enfleiramento
• Processamento

Seção 4 - Os cabeçalhos das PDUs

Seção 1 – Serviços orientados a conexão e sem conexão

Voce sempre poderá associar um serviço sem conexão ao serviço postal tradicional (pode
não ser do seu tempo, mas antigamente o sistema postal entregava cartas, através de
agentes, denominados carteiros).

57


Nessa analogia, voce deve lembrar do sistema telefônico como sendo um serviço com
conexão.

Tá legal, mas quais as principais diferenças?
Basicamente, conexão implica em estabelecer um caminho
prévio, um aceite do destinatário e somente depois iniciar a transmissão dos dados.

O sistema postal – serviços sem conexão ou connectionless
Nesse sistema, a origem da mensagem nunca terá plena certeza de que o processo
vai funcionar. Quando você enviava uma carta (veja bem, isso foi antigamente), precisava
ter muita esperança que:
a) O endereço de destino estivesse correto
b) A carta iria realmente chegar até lá
c) O destinatário existisse, e estivesse apto a receber a mensagem (no destino,
disponível e com vontade de ler).
d) Se o cara estivesse a fim de responder ou só confirmar o recebimento, ele teria que
passar pela mesma espectativa, cruzar os dedos e esperar.

Vantagens:
Esse tipo de sistema apresenta algumas vantagens. Você pode enviar quantas mensagens
quiser sem esperar pelo aceite do destino. Mesmo que o destinatário não se encontre no
endereço, basta que você consiga entregar ao primeiro ponto de contato (o posto dos
correios), e ele se encarrega de remeter até o próximo ponto. Pela simplicidade, o serviço
apresenta uma eficiência razoável a um custo muito baixo.

Desvantagens:
O serviço não é confiável. Você não tem garantias de entrega. Mesmo que a mensagem seja
entregue, você não pode ter certeza que o destino foi correto (tanto o endereço como o
destinatário podem não ser os desejados).

O sistema telefônico – Serviços orientados a conexão
Nesse sistema, a origem da mensagem (você) digita o endereço no terminal
telefônico (celular, fixo, IP-Phone), que poderia ser o da Net-Pizza, por exemplo, e um
sistema de comutadores encontra o caminho até o destino. Uma vez que o destino é
encontrado, um alarme qualquer avisa o destinatário que alguém quer estabelecer uma
conexão (se o terminal telefônico de destino não estiver ocupado). O destinatário pode
aceitar ou não a conexão.
Existe, portanto, uma troca de sinais iniciais (conexão) antes de se remeter a mensagem
(dados dos usuários).

Vantagens:
O sitema apresenta um nível de confiabilidade alto. Você só começa a transmitir se a
conexão foi efetuada.
Desvantagens: Existe um custo de rede mais elevado, uma vez que é necessário trocar
algumas informações antes de transmitir. Existe ainda um retardo inicial no
estabelecimento da conexão.
Mais tarde, voce vai estudar os dois protocolos da pilha TCP/IP que stão relacionados com
os serviços orientados a conexão (TCP) e sem conexão (UDP).
58


Seção 2 – Chaveamento ou comutação

Os comutadores (switches) são dispositivos especializados usados para conectar
duas ou mais linhas de transmissão. Quando os dados chegam a uma linha de
entrada, o elemento de comutação deve escolher uma linha de saída para
encaminhá-las. Pode-se dizer que um switch é um dispositivo usado para
conectar enlaces para formar uma rede maior.

Um circuito pode ser definido como um caminho entre os pontos finais de uma
comunicação. Existem duas formas básicas (Figura 43) para troca de informações em uma
rede constituida por enlaces diferentes.

a) Comutação de circuitos
b) Comutação de pacotes
A comutação de pacotes, por sua vez, pode se dar de duas formas:
Datagamas
Circuitos virtuais

Comutação

Circuitos Pacotes

Datagramas Circuitos
Virtuais

Figura 43 - tipos de comutação

2.1 – Redes comutadas por circuitos – Circuit Switching

Em uma rede comutada por circuito, um circuito físico dedicado é estabelecido entre os
nós de origem e de destino antes de ocorrer a transmissão de dados. Portanto, o serviço é
orentado a conexão, como visto na seção anterior. O circuito permanece pela duração da
transmissão. O sistema de telefonia pública é um exemplo de rede comutada (chaveada) por
circuito. Os comutadores das operadoras estabelecem um caminho físico entre as
59


extremidades (sistemas finais) que querem se comunicar. Isso é necessário porque voce não
tem uma conexão direta com cada telefone que você quiera chamar.

Uma vez estabelecido, o circuito é dedicado exclusivamente à transmissão atual.
Completando a transmissão, esse circuito dedicado é liberado e disponibilizado para outra
transmissão. Assim, a comutação por circuito promove o compartilharnento de recursos,
pois os mesmos circuitos podem ser usados para diferentes transmissões, embora não
simultaneamente (pelo menos é isso que a operadora de telefonia espera: Os usuários de
uma mesma central não devem usar ao mesmo tempo seus equipamentos...)

Y

1
2

3

W
Figura 44 - Comutação de Circuitos

Na Figura 44, você pode ver um circuito sendo estabelecido entre as estações finais Y e W
(que poderiam ser terminais telefônicos), passando pelos comutadores (switches) 1, 2 e 3.
Outro exemplo de rede comutada por circuitos são as Redes Digitais de Serviços Integrados
(RDSI, ou ISDN – Integrated Services Digital Networks).

2.2 Redes comutadas por pacotes – Packet switched networks

As redes comutadas por pacotes também são tecnologias de longa distância (WAN, ou
Wide Area Network, como voce viu na unidade anterior, que tratou da classificação das
redes), como a comutação de circuitos. Um switch de pacotes é um dispositivo com várias
entradas e saídas, levando e trazendo os pacotes aos hosts que o switch interconecta.

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Figura 45 - Dados inseridos em pacotes

Figura 46 - As redes de comutação de pacotes podem ser comparadas ao serviço postal

Os dados do usuário são divididos em pequenas porções denominadas pacotes, aos quais
são anexados cabeçalhos com informações de controle (origem, destino, protocolo) - Figura
45.

61


Figura 47 - Comutação por pacotes

Nesse caso, a banda disponível é usada ao máximo, em um compartilhamento dos recursos
da rede. Em cada fluxo de dados de uma ponta a outra, a comunicação é dividida em
pacotes. Cada pacote usa a banda máxima do enlace. Dessa forma, os recursos são usados
conforme são necessários, sob demanda. Essa técnica é denominada “multiplexação
estatística” dos recursos.

Store-and-forward

A chegar em um comutador (switch), o pacote vai esperar sua vez de ser transmitido.
Existem filas na entrada e na saida das interfaces. Esse cara só vai deixar a interface do
switch quando toda a informação que o compõe já chegou na interface de entrada. Essa
técnica também tem um nome: “Store-and-Forward” ou “armazena e retransmite”.

Figura 48 - Uso compartilhado de recursos
Ao contrário da comutação de circuitos, a comutação de pacotes não aloca os recursos de
forma dedicada para um fluxo de comunicação. Isso possibilita que mais usuários usem o
mesmo recurso (Figura 48).

Comutação e perfil de tráfego

62


A comutação de pacotes permite que mais usuários utilizem a rede, devido as
características dos tráfegos de dados. As transmissões de dados tendem a ser mais variáveis
que as de voz, com momentos de pico e momentos de inatividade. Esse perfil é
denominado de “Taxa de bits variável”, ou VBR. Por essa razão, não seria vantajoso deixar
uma parte da banda alocada para uma única comunicação, como na comutaçao de circuitos.
Por outro lado, a comunicação de voz exige uma alocação constante do canal, em um perfil
de tráego denominado CBR, ou “taxa constante de bits”. Esse perfil é mais adequado a
alocação de recursos propiciada pela comutação de circuitos.

Tá legal, mas o que são esses pacotes?
Um pacote é uma unidade de transferência de dados (PDU – Protocol Data Unit). Voce
pode imaginar uma unidade dessas como sendo um “envelope digital”, onde os dados
são transportados.

Na net-pizza, os pacotes são as próprias pizzas,
transportadas pelo proto-boy, que representa os frames
de camada 2.

Figura 49 - Envelope Digital – PDU

Cada camada do modelo de referência possui uma PDU com um nome genérico. Os
pacotes são denominações genéricas para as PDUs de camada 3. Alguns autores chamam
de pacotes as PDUs de nível 2 e 3, indistintamente. No nosso curso, vamos adotar a
seguinte nomenclatura:

Camada Nome da PDU
5- Aplicação Mensagem
4 –Transporte Segmento
3 – Rede Datagrama
2 – Enlace Frame

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1 – Física bit
Tabela -2 - PDUs e camadas

As diferentes tecnologias de cada camada possuem diferentes formatos de “envelopes”
digitais para armazenar os dados. Exemplo: IpX e IP na camada 3, TCP e UDP na camada
4, ethernet, token ring e FDDI na camada 2 (Figura 50).

Figura 50 -Tipos de frames mais comuns em LANs

Figura 51 - As alterações nos frames através dos enlaces

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Conforme os dados trafegam nos diferentes tipos de enlaces, a tecnologia de camada 2
daquele enlace “encapsula” os dados das camadas superiores, que permanecem dentro dos
“envelopes digitais” sem alteração, como pode ser observado na Figura 51.

2.2.1 – Circuitos virtuais
Outra forma de comutação de pacotes é através da criação de circuitos virtuais. Nesse caso
também não existem recursos dedicados a uma transmissão, e os pacotes individuais de
uma comunicação são misturados com outros, de outras fontes.
A diferença dessa técnica para a comutação de pacotes pura é que alguns pacotes iniciam
um estabelecimento de chamada, chegando ao destinatario e retornando antes de se iniciar a
transmissão dos dados. Existe portanto uma conexão. Mas para os usuários finais, é como
se existisse um canal permanente, pois uma vez que o caminho esteja estabelecido, todos os
pacotes seguem pelo mesmo trajeto.

Figura 52 - Circuitos virtuais nas redes comutadas por pacotes

• Seção 3 – Atrasos nas redes comutadas

Figura 53 - Atrasos em redes de comunicção de dados (Kurose & Ross)

-Atraso de Propagação
É o tempo necessário para que um bit deixe a interface do transmissor e chegue a interface
do receptor.
Segundo Einstein, “nada pode viajar mais rápido que a velocidade da luz no vácuo (3,0 x
108 metros/segundo)". Os sinais de rede sem fio trafegam a uma velocidade um pouco
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menor do que a velocidade da luz no vácuo. Os sinais de rede em meios de cobre trafegam
a uma velocidade no intervalo de 1,9 x 108 m/s a 2,4 x 108 m/s. Os sinais de rede em fibra
óptica trafegam a aproximadamente 2,0 x 108 m/s. Genericamente, podemos dizer que os
sinais percorrem os meios com uma velocidade entre 2 e 3 x 108 m/s, independente do tipo
de sinal e do meio.

Atraso de Transmissão
É o tempo que uma interface demora para inserir um quadro no meio físico (todos os bits
da unidade de informação). Lembre-se que um quadro é também denominado frame, a
PDU de camada 2 – ( Figura 9).
Tipicamente, o atraso de transmissão pode ser representado por:

A=C/T

onde:
A=atraso de transmissão (seg)
C=Comprimento do frame (bits)
T=Taxa de transmissão da interface (bps)

Exemplo: o atraso de transmissão em uma interface IEEE 802.3u (100 Mbps), para um
frame típico de 1518 bytes pode ser calculado como:

1518 bytes*8= 12144 bits

A=12144/100.000.000 bits/seg= 0,0012144 segundos

ou 1,21 ms

Exercicio: a)Calcule o atraso de transmissão para uma interface ATM de
622 Mbps, sabendo que a célula ATM (frame) possui um tamanho de 53
bytes.
b) Se o cabeçalho deo ATM é de 5 bytes e do Ethernet é de 18 bytes,
calcule o atraso que existiria sem os cabeçalhos. Qual das duas
tecnologias tem maior overhead? (Overhead é a sobrecarga do
cabeçalho, uma vez que a informação que ele contém não interessa a
aplicação ou ao usuário. Ela é usada somente para municiar os
protocolos de rede).
Considere para o ATM uma taxa de 622 Mbps e para o ethernet 10
Mbps.

-Atraso de Enfileiramento
O atraso de fila é um dos mais complexos e por isso o mais estudado. Ao contrário dos
outros três, o atraso de fila pode variar de um frame para outro. Por exemplo, se uma
quantidade de frames chega em uma interface inicialmente livre, o primeiro frame não sofre
atraso de fila, pois o primeiro a chegar normalmente é o primeiro a ser processado e
repassado. Na verdade existem varios tipos de tratamento para as filas ( Figura 54). O tipo

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referido denomina-se FIFO (First In, First Out). Os demais frames somente serão
processados após o processamento dos antecessores. O tamanho da fila irá depender da taxa
de chegada dos frames λ, do tamanho de cada frame (no caso do ethernet, 1518 bytes) e da
capacidade do processamento.

Figura 54 - Atraso de enfileiramento

Quando a taxa de chegada dos frames for maior que a capacidade de processamento, o
tempo de espera tende a crescer indefinidadamente. Como os recusos para armazenar as
filas dos pacotes são finitos, os pacotes que excedem os recursos são descartados. Do ponto
de vista dos sistemas finais, é como se o pacote tivesse entrado na rede de um lado e não
emergisse no outro.

Na net-pizza, os veículos devem enfrentar as filas também.
Imagine que o veículo de entrega chega ao prédio de destino
e precisa estacionar para receber uma senha e ser atendido. O
estacionamento tem um limite, que corresponde ao limite da
fila. Quando excedem a capacidade do estacionamento, são
descartados, sem comunicação. O cliente que não recebeu a
pizza é quem se responsabiliza pelo aviso.

-Processamento
É o tempo necessário para a análise do cabeçalho do pacote e encaminhamento para a fila
de saída. São veificados também possíveis erros nos bits. O procedimento mais comum na
presença de erros é descartar o pacote.

Na net-pizza, podemos imaginar que é o tempo necessário
para o pessoal da expedição analisar o pedido, verificar os
erros possiveis e decidir qual a porta que o veículo vai sair
para chegar mais rapidamente ao destino.

Seção 4 - Os cabeçalhos das PDUs

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Os cabeçalhos constituem uma porção das unidades de dados, responsáveis pelas
informações necessárias ao funcionamento da camada de protocolo. Pode-se dizer que
constituem a parte de sinalização da rede, servindo como orientação aos dispositivos que
recebe
Os cabeçalhos constituem uma porção das unidades de dados, responsáveis pelas
informações necessárias ao funcionamento da camada de protocolo. Pode-se dizer que
constituem a parte de sinalização da rede, servindo como orientação aos dispositivos que
recebem os pacotes. Você pode imaginar o cabeçalho como o endereçamento de um
envelope.

Na net-pizza, você pode imaginar o cabeçalho das
unidades de dados como as instruções passadas em
cada andar da pizzaria. O andar da
expedição/recebimento deve endereçar as pizzas que
estã saindo. E conferir as encomendas feitas aos
fornecedores, encaminhando ao destinatário correto
dentro do prédio. Se for material para as coberturas
das pizzas, encaminha aos pizzaiolos. Se for madeira
para os fornos, manda para o assador. Todas essas
instruções estão contidas nos documentos que
acompanham as encomendas. Tal documentação
corresponde ao cabeçalho das PDUs.

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