Introdução


                                                                              Redes de Computadores          ...
Time Division Multiplexing (TDM)                                                                                          ...
Exemplos de aplicação de TDM                                                                                              ...
Problemas da hierarquia digital                                                                                           ...
Sistema de hierarquia digital Sonet/SDH                                                                                   ...
Wavelength Division Multiplexing (WDM)                                                                                    ...
Asymmetrical DSL (ADSL)                                                                                                   ...
Configurações típicas de canais ADSL (G.992.1)                                                                            ...
Arquitetura de funcionamento Internet a cabo                                                                              ...
Princípio de funcionamento                                                                                                ...
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  1. 1. Introdução Redes de Computadores ! Transmissão em um meio físico é possível sempre que a banda Instituto de Informática - UFRGS passante do meio for maior ou igual que a banda passante do sinal ► Banda (espectro de frequência) ou banda digital (tempo) Multiplexação 0 Hz Desperdício Instituto de Informática - UFRGS Banda passante do sinal desperdício A. Carissimi -19-mars-10 Meio 1 t x Meio 2 t x Aula 05 Redes de Computadores 2 Multiplexação Técnicas de multiplexação ! Multiplexação é a técnica que permite várias fontes de transmissão compartilhar um mesmo meio físico Multiplexação ! Princípio básico: ► Permitir que n canais compartilhem um único enlace (caminho físico) ► Canal = “porção” do enlace que transporta informação Digital Analógica Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS TDM FDM WDM TDM (Time Division A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 Multiplexing) FDM (Frequency Division Multiplexing) Redes de Computadores 3 Redes de Computadores 4
  2. 2. Time Division Multiplexing (TDM) Outra forma de enxergar... ! Vários canais compartilham o enlace alternando seu uso no tempo Relação 4:1 MUX (neste exemplo) DEMUX ! Fluxo de bits no enlace é dividido em unidades de n bits (n ≥1) ► São os slots ► Cada fonte de transmissão é associada a um ou mais slots ! Um padrão repetitivo de slots forma um quadro de transmissão Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS slot E0 E0 D E1 M E E1 A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 U M E2 X U E2 X - Cada unidade pode ser um bit individual ou um conjunto de bits E3 E3 - A duração em tempo de uma unidade da entrada é igual a de um slot Redes de Computadores 5 Redes de Computadores 6 Princípio de funcionamento Padding A3 A2 A1 Sincronização A0 ! Fontes podem possuir diferentes taxas de transmissão B2 B2 C1 A1 B0 ! Caso I: taxas são múltiplas inteiras C0 E0 E0 D C3 C1 E1 M E E1 U M E2 E2 X U Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS X ! Problema: manter a sincronização entre a fonte e o destino E3 E3 ! Solução: inserção de marcas para manter a sincronização ! Caso II: taxas não são múltiplos inteiros ► Padrão alternado de bits em 0 e 1 no ínicio de cada quadro E0 E0 A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 D E1 M E E1 1 0 1 U M E2 E2 X Padding U E3 (bits adicionais sem informação, X E3 Apenas “arredondamento”) Redes de Computadores 7 Redes de Computadores 8
  3. 3. Exemplos de aplicação de TDM Sistema de transmissão digital (telefonia): princípio ! Sistema de hierarquia digital americano ! Laço local é analógico, transmissão é digital ! Sistema de hierarquia digital europeu (Brasil) ! 8000 amostragens/sec (período entre amostragens é 125us) ! SONET/SDH ► Quadros de 125us, os quais são divididos em n slots ! TDMA (mix com multiplexação em freqüência) 125µs 125µs So ! Cable modem (mix com multiplexação em freqüência) S1 Do D1 Dn-1 Do D1 Dn-1 Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS S2 … … … t Sn-1 A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 Analógico Codec (voz) Redes de Computadores 9 Redes de Computadores 10 O que se faz em 125µs ? Hierarquia digital ! Sistema americano : ! Os canais (DS1 ou E1) são agrupados e reagrupados a medida que ► 24 canais, cada um com amostras de 8 bits, e um bit de controle se “entra” no núcleo da rede → tributários ► 193 bits em 125us (24x8+1) ► Sistema americano: ► Taxa total: 1.544 Mbps (8000amostras x 193) → Canal DS1 ! Sistema ITU-T (Europa, Brasil) 32 canais, cada um com amostras de 8 bits Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► ► 256 bits em 125us (32x8) ► Taxa total: 2.048 Mbps (256x8000) → Canal E1 ► Sistema ITU-T A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 Nível 1 Nível 4 Nível 2 Nível 3 4:1 4:1 4:1 2,048 Mbps 8,448 Mbps 34,368 Mbps 139,264 Mbps E1 E2 E3 E4 Redes de Computadores 11 Redes de Computadores 12
  4. 4. Problemas da hierarquia digital Sonet/SDH ! Compatibilidade entre sistema americano e ITU-T ! Surgiu da necessidade de padronizar os diferentes sistemas TDM ► 193 bits contra 256 bits óticos empregados por companhias telefônicas ► Sistema de agrupamentos e níveis diferentes ! Padrões: ! Maior agrupamento não atende necessidades da demanda ► Synchronous Optical Network (ANSI) - Sonet ► Synchronous Digital Hierarchy (ITU-T) - SDH Objetivos: Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! ► Definir um padrão de sinalização comum (sincronização, quadros, etc...) ► Unificar o sistemas americano com o sistema ITU-T ► Aumentar a hierarquia de canais (maior taxa de transmissão corresponde a A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 um canal T4, corresponde a 274.176 Mbps) ► Fornecer mecanismos para administração e operação da rede Redes de Computadores 13 Redes de Computadores 14 Formato de quadro Sonet Formato de frame Sonet (cont.) ! Bloco básico é STS-1: 810 bytes transmitidos a cada 125 µs ► Compatibilidade com taxa de amostragem de voz digitalizada (PCM) ! Logicamente visto como uma matriz de bytes 9x90 (51.84 Mbps) ► 3 primeiras colunas mantém informações de controle da rede ► 87 colunas restantes são destinadas a dados e controle da transmissão ► 87col. x 9 linhas x 8 bits x 8000 quadros/sec = 50.112 Mbps Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► SPE (Synchronous Payload Envelope) ► Controle da transmissão ocupa uma coluna ► Dados ocupam as 86 colunas restantes (49.536 Mbps) A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 ! Dados podem ser inseridos a partir de qualquer ponto da matriz Redes de Computadores 15 Redes de Computadores 16
  5. 5. Sistema de hierarquia digital Sonet/SDH Frequency Division Multiplexing (FDM) SONET(ANSI) SDH (ITU-T) Taxa de Transm. (Mbps) Payload (Mbps) STS-1/OC-1 51.84 50.112 ! Vários canais compartilham o enlace simultaneamente no tempo STS-3/OC-3 STM-1 155.52 150.336 STS-9/OC-9 466.56 451.008 ► Lembre-se: no TDM o compartilhamento é alternadamente no tempo A banda passante do enlace é dividida em n sub-bandas STS-12/OC-12 STM-4 622.08 601.344 STS-18/OC-18 933.12 902.016 ! STS-24/OC-24 1244.16 1202.688 ► São os canais STS-36/OC-36 1866.24 1804.032 STS-48/OC-48 STM-16 2488.32 2405.376 ► Cada fonte de transmissão é associada a um ou mais canais STS-96/OC-96 4876.64 4810.752 Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS STS-192/OC-192 STM-64 9953.28 9621.505 E0 E0 D ► O primeiro nível da hierarquia é denominado de Synchronous Transport Signal E1 M E E1 level 1 (STS-1) ou ainda Optical Carrier level 1 (OC-1) U M A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 E2 X U E2 ► Fornece uma taxa de transmissão de 51.84 Mbps X ► Múltiplos canais STS-1 são combinados para formar uma sinal STS-N E3 E3 ► Taxa de transmissão mais baixa do padrão ITU-T é 155.52 Mbps (STM-1) Redes de Computadores 17 Redes de Computadores 18 Características do FDM Sistema FDM ! Banda passante do meio é superior a banda passante necessária aos sinais a serem transmitidos ! Cada fonte envia seu sinal modulado em uma portadora de freqüência diferente (Canal) ! As portadoras são separadas entre si por uma faixa não utilizada do espectro para evitar interferência→ bandas de guarda Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! Sinal transmitido é analógico embora os dados possam ser tanto digitais como analógicos A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 ! Canal é sempre alocado mesmo que não haja dados a serem transmitidos Redes de Computadores 19 Redes de Computadores 20
  6. 6. Wavelength Division Multiplexing (WDM) Exemplos de aplicação de FDM ! Variação da técnica de FDM empregado em grandes backbones ! Rádio AM (faixa de 500 a 1700 kHz, 10 kHz cada estação) ! Sistema óptico (amplificadores, comutadores, etc) ! Rádio FM (faixa de 88 a 108 MHz, 200 kHz cada estação) ! DWDM (Dense WDM) ! Televisão (cada canal 6 MHz) ! ADSL ! Cable modem (combinação de FDM e TDM) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! Telefonia celular (combinação de FDM e TDM) ! Transmissões via satélite, microondas, etc... A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 Redes de Computadores 21 Redes de Computadores 22 Estudo de caso: Digital Subscriber Line (DSL) Capacidade do laço local ! DSL é uma técnica com o objetivo de oferecer ao assinante de ! Depende do comprimento, espessura e qualidade rede telefônica pública uma alta taxa de transmissão dados Teoricamente: capacidade varia de 64 Kbps a 52 Mbps (downstream VHDSL) ! O conjunto de diferentes técnicas é conhecido como xDSL ► Assimetrical DSL (ADSL) ► High data rate DSL (HDSL) Single line DSL (SDSL) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► ► Very high data rate DSL (VDSL) ► etc ! Explora a capacidade do laço local A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 ► Porque modems de linha discada não exploram(vam) essa capacidade? ► Banda passante de cerca de 1.1 MHz sendo que a voz ocupa apenas 4 kHz ► Sistema concebido para voz → filtro passa-baixa na entrada ► Permitir o uso de hierarquia analógica (grupo) Redes de Computadores 23 Redes de Computadores 24
  7. 7. Asymmetrical DSL (ADSL) Configuração ADSL típica ! xDSL é uma tecnologia adaptativa ► Taxa de transmissão depende das condições do laço local (distância, qualidade, sinalização empregada, etc) ! Assimétrico: capacidade diferente nos fluxos downstream e upstream ► Downstream: fluxo no sentido fornecedor de serviço → cliente Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Upstream: fluxo no sentido cliente → fornecedor de serviço Digital Subscriber Line A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 Acess /usb Multiplexer Redes de Computadores 25 Redes de Computadores 26 ADSL: Aspectos de projeto Configurações de canais ADSL (G.992.1) ! Estratégias ADSL ! 256 canais de 4312,5 Hz ► Funcionar em laços locais de pares trançados (cabo UTP cat. 3) ! Canais de dados são alocados em qualquer número para os fluxos ► Não afetar aparelhos de fax e telefones upstream e downstream ► Oferecer uma taxa de transmissão superior a 56 Kbps ! Similar a se ter 250 modems (um em cada canal) ► Estar sempre ativo mediante uma taxa mensal fixa ► 4000 bauds, QAM-16 (15 dados + 1 erro) ! Banda do meio (≈1.1 MHz) é dividido em três faixas de freqüencias Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► Reserva banda de 25 KHz para voz (Plain old telephone service POTS) ► Duas bandas de freqüência para dados (upstream e downstream) ! Modulação empregada é uma combinação de FDM e QAM A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 ► Discrete Multitone Technique (DMT) Redes de Computadores 27 Redes de Computadores 28
  8. 8. Configurações típicas de canais ADSL (G.992.1) ADSL 2 e ADSL 2+ ! Upstream (canais 6 a 30) ! ADSL 2 (ITU-T G.992.3) ► 1 canal para controle ► Distância de até 5.5 Km ► 24 canais de 4000 bauds (dados)→ taxa total: 24 x 4000 x 15 = 1.44 Mbps ► Canal de upstream 3.5 Mbps (máx) e downstream 12 Mbps (máx) ! Downstream (canais 31 a 255) ! ADSL 2+ (ITU-T G.992.5) ► 1 canal para controle ► Distância de até 1.5 km 224 canais de 4000 bauds (dados)→ taxa total: 224 x 4000 x 15 = 13.4 Mbps Canal de upstream 1.0 Mbps (máx) e downstream 24 Mbps (máx) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► ► ! Faixas de operação (comercial) ► ITU G.992.5 annex M: ADSL2+ 3.5 Mbps (up) e 24 Mbps (down) ► Upstream: 64 Kbps até 1 Mbps ► Frequência de até 2.2 MHz ► Downstream: 256 Kbps até 8 Mbps A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 Redes de Computadores 29 Redes de Computadores 30 Estudo de caso: cable modem Banda passante do sistema a cabo ! Aproveitamento da capacidade ociosa de um cabo coaxial ! Dividido em canais de 6 MHz (sistema americano) dividindo-a em canais upstream e downstream ! Banda vídeo ! Canais são modulados: ► Freqüências de 54 a 550 MHz (6 MHz x 80 canais + banda de guarda) ► Downstream: QAM-64 ou QAM-256 ! Downstream (550 a 750 MHz) ► Upstream: QPSK ou QAM-16 ► Modulação QAM-64 (também é possível QAM-256) Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ► 6 bits/baud (5 dados + 1 bit erro) ► Padrão é 1 baud/Hz (5 x 6 MHz = 30 Mbps por canal) ! Upstream (5 a 42 MHz) Modulação QPSK (ou QAM-16 devido a faixa de freqüência) A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 ► ► 2 bits/baud ► Padrão é 1 baud/Hz (2 x 6 MHz = 12 Mbps por canal) Redes de Computadores 31 Redes de Computadores 32
  9. 9. Arquitetura de funcionamento Internet a cabo Hybrid Fiber-Coaxial (HFC) ! Baseado em dois sistemas: ► CM (cable modem) ► CMTS (cable modem Transmission System) Head Vídeo Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS end fibra Provedor Dados CMTS vídeo (Internet) A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 Cable modem Redes de Computadores 33 Redes de Computadores 34 Cable Modem Termination System (CMTS) Arquitetura de funcionamento Internet a cabo ! Sistema inteligente que substitui o amplificador head-end ! Problema I: existem disponíveis apenas 6 canais upstream e 33 ► Integra usuários a uma rede de transmissão de dados canais downstream. Como empregar com vários usuários? ► Atua como um multiplexador/demultiplexador ► Compartilhar esses canais disputando o direito de usá-los ! Um CMTS suporta cerca de 2000 usuários ► Sistema de contenção e controle de disputa ► Mais usuários requer subdivisão da rede em mais de um CMTS ► Provedor do serviço a cabo faz: ► Alocação dinâmica dos canais entre os usuários que estão Sistema hierárquico Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! interconectados em um mesmo segmento ► CMTS são interconectados a um ponto central (hub) ► Controlado através de dois sistemas: CM e CMTS ► Hubs são interconectados a super-hubs ! Problema II: é um sistema de broadcast (multicast) Super-hubs oferecem uma série de serviços típicos a redes Internet A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 ! ► Todos os usuários “enxergam” o mesmo meio ► e.g.; DHCP, DNS, e-mail, chat, proxy, páginas WEB ► Uso de codificação de dados (padrão DES) Redes de Computadores 35 Redes de Computadores 36
  10. 10. Princípio de funcionamento Leituras complementares ! A inteligência e a “complicação” do sistema está no CMTS ! Stallings, W. Data and Computer Communications (6th edition), ► Envia periodicamente mensagens de “registros” Prentice Hall 1999. ► Modems ligados são registrados no CMTS (alocação de canais não dedicados) ► Capítulo 8 seções 8.1, 8.4, apêndice A ► Canais upstream são divididos em slots e atribuídos aos modems ! Tanenbaum, A. Redes de Computadores (4a edição), Campus 2003. ► É via um slot específico que um modem solicita mais slots para transmitir dados ► Capítulo 2, seções 2.5.3, 2.5.4, 2.6.2 e 2.7 ADSL Instituto de Informática - UFRGS Instituto de Informática - UFRGS ! ► http://www.adsl.com (tutorial e white papers) ! Cable modems http://www.cable-modems.org/tutorial/08.htm A. Carissimi -19-mars-10 A. Carissimi -19-mars-10 CMTS ► Redes de Computadores 37 Redes de Computadores 38

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