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Conceitos BÁsicos (fonte : Sousa, Lindeberg barros. redes de computadores. Érica, 2002) Comunicação indica a transferência de informação entre um transmissor e um receptor. A informação armazenada é o conhecimento acumulado que pode ser consultado, utilizado e transferido, servindo como um fornecedor de ensino e de cultura para a sociedade. Tão importante quanto a transmissão da informação é a sua compreensão e interpretação correctas. Para que o transmissor e o emissor se entendam, devem falar com o mesmo código, símbolos ou linguagens, dentro de regras preestabelecidas às quais chamamos de protocolos de comunicação. A tranferência de informação entre um ponto e outro indica que temos um transmissor e um receptor.
Imagem1 - Comunicação entre um transmissor e um receptor Na comunicação entre equipamentos, as regras e linguagem de comunicação utilizadas entre ambos são chamadas de protocolos. O protocolo de comunicação é um programa de computador que, por meio de um conjunto de regras pré-programadas: █ permite a transferência de dados entre dois pontos; e controla todos os procedimentos envolvidos numa transmissão além dos referidos. Ambos os equipamentos devem possuir o mesmo protocolo de comunicação. Numa transferência de arquivos o protocolo do transmissor lê os dados por blocos de informações e transmite-os à outra máquina. Os protocolos conferem mais segurança à transmissão de dados entre computadores, fazendo com que os dados transmitidos sejam aceites apenas se estiverem correctos. Caso ocorram erros os blocos de informação são transmitidos novamente.
A eficiência de um sistema de comunicação de dados depende fundamentalmente de três características: O sistema deve entregar os dados ao destino correcto.
O sistema deve garantir a entrega dos dados.
O sistema deve entregar os dados em tempo finito e predeterminado.
Os dados transmitidos podem ser: █ Arquivos de dados
1. Componentes de um Sistema de ComunicaÇÕes A informação é transmitida por um meio de comunicação. Na comunicação eléctrica entre equipamentos, o meio de transmissão mais comum é o fio de metal, por qual o sinal eléctrico se propaga, levando consigo a informação. Além da transmissão por fios e cabos, que são meios sólidos, podemos transmitir informações por ondas electromagnéticas tais como as do rádio, microondas e satélite. A transmissão de dados também pode ser feita por fibras ópticas, que utilizam variações de luz como sinal, o que permite a transmissão da informação a altas velocidades. Um sistema básico de comunicação de dados é composto por cinco elementos:
Imagem2 - Componentes de um Sistema de Comunicações
É a informação a ser transmitida.
É o dispositivo que envia a mensagem de dados.
É o dispositivo que recebe a mensagem.
É o caminho físico por onde viaja uma mensagem originada e dirigida ao receptor.
É um conjunto de regras que governa a comunicação de dados.
Uma comunicação entre dois dispositivos pode acontecer de três maneiras diferentes: Simplex Neste caso, as transmissões podem ser feitas apenas num só sentido, de um dispositivo emissor para um ou mais dispositivos receptores; é o que se passa, por exemplo, numa emissão de rádio ou televisão; em redes de computadores, normalmente, as transmissões não são deste tipo.
Imagem3 - Sistema Simplex
Half-duplex (semi-duplex) Nesta modalidade, uma transmissão pode ser feita nos dois sentidos, mas alternadamente, isto é, ora num sentido ora no outro, e não nos dois sentidos ao mesmo tempo; este tipo de transmissão é bem exemplificado pelas comunicações entre computadores (quando um transmite o outro escuta e reciprocamente); ocorre em muitas situações na comunicação entre computadores.
Imagem4 - Sistema Half-Duplex (exemplo Walkie-Talkie)
Full-duplex (duplex) Neste caso, as transmissões podem ser feitas nos dois sentidos em simultâneo, ou seja, um dispositivo pode transmitir informação ao mesmo tempo que pode também recebe-la; um exemplo típico destas transmissões são as comunicações telefónicas; também são possíveis entre computadores, desde que o meio de transmissão utilizado contenha pelo menos dois canais, um para cada sentido do fluxo dos dados.
Imagem5 - Sistema Duplex (exemplo Videoconferência)
A transmissão por fios telefónicos é talvez a mais comum. Neste caso utilizam-se modems que fazem a adequação do sinal digital do computador à linha telefónica. O modem recebe o sinal digital do computador e coloca-o numa onda de frequência necessária para a transmissão pela linha telefónica. Este processo (conversão do sinal) dá-se o nome de modulação. A função básica de um modem é receber os dados codificados na forma de sinais eléctricos digitais vindo do computador, colocá-los numa onda portadora que possui uma frequência fixa de transmissão adequada ao meio de transmissão. Ao chegar ao modem receptor dá-se o processo inverso. Nesta situação ocorre um processo designado por demodulação.
Imagem6 - Transmissão de dados entre dois computadores, a longa distância, utilizando-se modems
Os sinais usados na transmissão de informação podem ser divididos em duas grandes categorias: analógicos e digitais. 3.1 O sinal AnalÓgico O sinal analógico possui um variação constante e estável, conhecida como onda senoidal (ou sinusoidal).
Imagem7 - Onda sinoidal mostrando o seu ciclo, frequência e período de duração de um ciclo. O tempo T é medido em segundos e a frequência é medida em HERTZ que é o número de ciclos por segundo. A onda senoidal possui um padrão que se repete: ■ A cada padrão que se repete chamamos ciclo ■ Cada ciclo demora um determinado tempo para percorrer, chamado de período T ■ O número de vezes que o ciclo se repete por segundo é chamado de frequência, medida em HERTZ (hz=ciclos por segundo) ■ A amplitude da onda é representada pela altura, medida em volts. O sinal analógico varia continuamente e é transmitido por diversos meios, no entanto está sujeito a distorções, atenuações e ruídos ao longa da transmissão. A qualidade da transmissão analógica varia de acordo com o meio e com os equipamentos utilizados.
█ Um sinal analógico é por definição contínuo podendo tomar qualquer valor intermédio; tipicamente são utilizadas ondas sinusoidais para █ os representar. Um sinal eléctrico analógico normalmente nao possui um frequência fixa e sem variações. O sinal eléctrico varia dentro de uma faixa de frequência, ou seja, as ondas tanto apresentam ciclos menores como apresentam ciclo maiores no tempo. Para transmitir voz humana é necessária uma faixa de frequência entre 96Hz e 1152Hz. Desta forma o meio de transmissão do sinal deve ser capaz de deixar passar toda a faixa de frequência necessária para que não haja perda de informação. A Tv necessita de uma faixa de frequência na ordem dos 4Mhz(4.000.000Hz). O ouvido humano percebe frequências entre os 16Hz e os 20000Hz. As frequências são divididas em faixas especificadas como baixa, média e alta.
3.2 O sinal Digital A representação de caracteres por sinais eléctricos consiste em representar os caracteres (letras, números e caracteres especiais) por dois digitos básicos (0 e 1), que se combinam entre si assumindo várias posições. O sinal eléctrico com uma dada voltagem representa o dígito 1 e outro com voltagem diferente representa o dígito 0. Enquanto que o sinal analógico varia continuamente e pode assumir todos os valores entre a sua amplitude máxima e mínima, o sinal binário só assume dois valores (0 e 1), saltando de um valor para o outro instantaneamente no formato de onda quadrada.
Imagem8 - Sinais digital binário (dois dígitos representados por 0 e 1 - base 2) O sinal digital permite a codificação dos números e letras utilizadas nos computadores em 0 e 1. O Sinal Digital é um sinal com valores discretos (descontínuos) no tempo e em amplitude. Isso significa que um sinal digital só é definido para determinados instantes de tempo, e que o conjunto de valores que pode assumir é finito.
4. TÉCNICAS DE CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL (A/D) / DIGITAL - ANALÓGICO (D/A) Diversas grandezas físicas com as quais lidamos, são grandezas analógicas por natureza. Tais grandezas, como temperatura, pressão, velocidade, etc., são representadas por valores contínuos, sendo que para poderem ser processadas por sistemas digitais precisam ser convertidas para uma cadeia de bits. Esta conversão é conhecida como Conversão Analógica-Digital. De forma similar, para que os sistemas digitais possam controlar variáveis analógicas torna-se necessária a descodificação de uma cadeia de bits numa grandeza que possa assumir uma gama contínua de valores e não apenas os níveis lógicos ‘0’ e ‘1’.
A Imagem11 apresenta o ciclo completo de processamento de uma grandeza física, envolvendo:
Imagem11 - Étapas de um processo de A/D e D/A
Até à pouco tempo atrás, o processamento dos sinais analógicos era desempenhado, na sua
maioria, por sistemas exclusivamente analógicos, baseados em circuitos integradores, somadores,
etc. Com o rápido desenvolvimento dos sistemas digitais, no que diz respeito à confiabilidade e
custo, estes passaram a ocupar espaços antes exclusivos dos sistemas analógicos. Existem várias técnicas de conversão Analógica-Digital: ■ O PCM (Pulse-code modulation - Modulação por Códigos Associados a Pulsos) é a técnica mais utilizada nos processos de digitalização de áudio, pois produz uma aproximação razoável da voz humana. Porém, para se reproduzir adequadamente sons mais complexos, como músicas por exemplo, devem-se utilizar técnicas mais sofisticadas. ■ Modulação é o processo em que algumas das características de um sinal é modificado pela acção de outro sinal. O processo de modulação é sempre necessário quando o sinal a ser transmitido não possui as características compatíveis com as do meio de transmissão a ser utilizado. O processo de demodulação, consiste no serviço inverso ao da modulação, ou seja é a extracção do sinal modulado da informação transmitida na sua forma original, subtraindo as imperfeições que foram introduzidas no decorrer do trajecto da origem até o destino. Em comunicação de dados um dos meio físicos mais empregados é a rede de telefónica pública, que possui características apropriadas para a transmissão de sinais voz. Como a informação a ser transmitida está na forma digital, pois sai de um computador, devemos adapta-la ao meio físico que é analógico. Esta adaptação é realizada através do processo de modulação. Assim, o sinal digital a ser transmitido irá modular uma onda portadora senoidal (analógica), gerando um sinal modulado com características melhores adaptadas ao meio físico. Na recepção, o sinal original é recuperado através do processo inverso, ou seja é realizada a demodulação. A escolha da técnica de modulação permite "moldar" as características do sinal que irá ser transmitido e adaptá-lo às características do meio físico.
Para utilização em modems o processo de modulação é padronizado pelo CCITT(ITU) de maneira que qualquer fabricante empregará sempre a mesma técnica de modulação, é lógico que dependendo das características de transmissão, velocidades, etc.
■ A codificação (sem a modulação) pode ser realizada quando o meio físico for compatível com o sinal a ser transmitido. Por exemplo, quando um modem digital transmite para um canal digital é realizado somente o processo de codificação, já que o meio é digital e, portanto, totalmente compatível com o sinal. - Optimizar o uso do canal; Existem vários métodos e padrões de codificação que são largamente empregados nas redes e nos inúmeros dispositivos da área de telecomunicações, os mais comuns são: - Manchester (Ethernet de 10Mpbs);
5. ModulaÇÃo em Amplitude, FrequÊncia e Fase
Imagem12 - Transporte de dados digitais/analógicos
O transporte dos sinais eléctricos digitais que representam os dados codificados em bits 0 e 1 é feito por uma onda analógica chamada portadora que possui uma determinda faixa de frequência. Os sinais digitais são transportados por sinais analógicos, dado que os meios de transmissão como as redes telefónicas operam com frequências analógicas. Assim para cada meio de transmissão é necessário utilizar as frequências com que o meio opera, e por isso se diz que é preciso modular as frequências do meio de transmissão com o sinal que se deseja transmitir.
Imagem13 - Conversão AD e DA
O sinal digital de dados pode ser colocado numa onda portadora por vários processos de modulação. Os mais comuns são: ■ Modulação em Amplitude A onda portadora varia a sua amplitude (altura) para + ou -. ■ Modulação em Frequência A onda portadora varia a sua frequência. Uma frequência maior representa o bit 1 e outra frequência menor representa o bit 0. ■ Modulação em Fase O onda portadora senoidal muda de fase para representar a mudança de um bit 0 para bit 1 e vice-versa.
Exemplo: Na transmissão por fibras ópticas, o modulação dá-se pela variação da intensidade do feixe de luz, logo os dados são transmitidos por modulação em amplitude.
Estudo de caso : http://telecom.inescn.pt/research/audio/cienciaviva/processamento_som.htm
Considere a questão: O que é necessário fazer para obter TV DIGITAL? Introdução: O tema TV DIGITAL preenche hoje inúmeras páginas da INTERNET. Objectivos: Desenvolver uma apresentação em PowerPoint que funcione como um manual de instruções para quem quer obter TV DIGITAL. Aspectos a considerar O trabalho deve conter: 1. Slide de título 2. Índice (menu de navegação não sequencial) 3. Introdução 4. Desenvolvimento 5. Conclusão 6. Bibliografia (Endereço dos sites que usou como fonte de informação) Obs. Todas as imagens devem conter uma legenda e a indicação da fonte (url da imagem) O trabalho deve abordar: a) Vantagens da TV DIGITAL b) Fornecedores de TV DIGITAL em Portugal c) Equipamentos necessários para obter TV DIGITAL d) Como proceder para obter TV DIGITAL Formato e entrega do Trabalho: O trabalho tem que ser entregue em formato digital.
■O Decibel O Decibel - dB (em redes de comunicação)
mede a perda ou ganho da potência de uma
onda. Exemplo:
A Largura de banda é a quantidade de
informação que pode ser transferida de um
ponto na rede para outro ponto num Exemplos:
O throughput refere-se à largura de banda
realmente medida, numa determinada hora do dia
, usando rotas específicas de Alguns dos factores determinam o
throughput são:
É o número de bits
transferido por unidade de tempo (segundo); está
directamentte relacionado com a largura de banda do
Os dados podem ser transmitidos como sinais analógicos ou como sinais digitais. As principais técnicas de codificação são: ■ Non Return Zero (NRZ) Nesta técnica considera-se que existem dois níveis de tensão ou corrente, para representar os dois símbolos digitais (0 e 1).
Imagem14 - NRZ
Na codificação RZ o nível de tensão ou corrente, retorna sempre ao nível zero após uma transição provocada pelos dados a transmitir (a meio da transmissão do bit). Geralmente um bit 1 é representado por um nível elevado, mas a meio da transmissão do bit o nível retorna a zero.
Imagem15 - RZ
Neste tipo de codificação, os 0 e 1 são representados através de uma alteração do estado da tensão ou corrente. Assim, o valor 1 é representado pela passagem de uma tensão ou corrente baixa/nula para uma tensão ou corrente elevada. O valor 0 é o contrário, ou seja, passa-se de uma tensão ou corrente elevada para outra baixa/nula.
Imagem16 - Exemplo de um sinal codificado O texto, os gráficos (desenhos vectoriais) e as imagens geradas no computador não necessitam de conversão A/D, pois são gerados directamente em formato digital (ou em binário). O texto impresso, as fotografias, o som proveniente de instrumentos musicais e o vídeo proveniente de filmagens analógicas são exemplos de tipos de media que necessitam de uma conversão A/D antes de poderem ser integrados em aplicações ou utilizados em sistemas.
8. LigaÇÕes síncronas e assíncronas Uma transmissão é síncrona quando, no dispositivo receptor, é activado um mecanismo de sincronização relativamente ao fluxo de dados proveniente do emissor. Este mecanismo de sincronização é um relógio (clock) interno no dispositivo de recepção (por exemplo, modem) e determina de quantas em quantas unidades de tempo é que o fluxo de bits recebidos deve ser segmentado, de modo a que cada segmento assuma o mesmo tamanho e formato com que foi emitido. Assim a comunicação síncrona: Ocorre em intervalos regulares entre o emissor e o receptor;
Imagem17 - Transmissão síncrona
Uma transmissão é assíncrona quando não é estabelecido, no receptor, nenhum mecanismo de sincronização relativamente ao emissor e, portanto, as sequências de bits emitidos têm de conter em si uma indicação de inicio e do fim de cada agrupamento; neste caso, o intervalo de tempo entre cada agrupamento de bits transmitidos pode variar constantemente (pois não há mecanismo que imponha sincronismo) e a leitura dos dados terá de ser feita pelo receptor com base unicamente nas próprias sequências dos bits recebidos.
Imagem18 - Transmissão assíncrona
Não é sincronizada;
9. TÉcnicas de detecÇÃo e correcÇÃo de erros em transmissÕes digitais Os sinais analógicos e digitais transmitidos no meio de comunicação estão sujeitos a diversos fenómenos físicos que os degeneram, gerando erros na transmissão. Os principais fenómenos que afectam os meios e a qualidade da transmissão são: Atenuação: corresponde à perda de intensidade ou de amplitude do sinal transmitido com a distância. Distorção: ocorre pela alteração do sinal devido a uma resposta imperfeita do sistema de transmissão. Interferência: provocada pela contaminação do sinal transmitido por outros sinais estranhos do mesmo tipo de frequência. Ruído: sinal de comportamento incerto que pode ser gerado interna ou externamente ao sistema de transmissão.
Todas estas degenerações dos sinais acabam por provocar erros nos sinais transmitidos. ■ Verifição de paridade (parity check) A verificação de paridade é um dos mecanismos mais simples para detecção de erros (“parity check”): É habitual a utilização de paridade par para comunicações assíncronas e a paridade impar para comunicações síncronas. Exemplo: usando a verificação de paridade par, ao transmitir o byte 01100111, será acrescentado um bit com o valor 1 (para tornar par, o número de bits 1). Quando a informação chega ao receptor este verifica se o número de bits 1 é par e assim saberá se existe algum erro. ■ Soma de verificação (checksum) Neste método, o emissor envia com os dados um valor de cheksum. Este checksum corresponde à soma aritmética dos dados. O receptor recebe os dados e também calcula o checksum destes. Se os dois cheksums forem iguais então a transmissão ocorreu correctamente, caso contrário ocorreu um erro de transmissão.
Imagem19 - Checksum
■ Teste de redundância cíclica – CRC (cyclic redundancy check) Um dos métodos de detecção de erros mais utilizado é o código polinomial também conhecido por código CRC – Cyclic Redundancy Code. Os códigos são baseados no processamento de bits como representações de polinómios geradores com coeficientes 0 e 1. Considere como exemplo, a transmissão da mensagem 10111011 (por exemplo) utilizando como polinómio gerador G(X) = x^3 + x^2+ x (por exemplo):
Imagem20 - CRC Para o receptor devem ser enviados os dados originais, os coeficientes do polinómio gerador e o resultado. Com todos estes dados o receptor deve efectuar a operação inversa da efectuado no emissor e obter os dados originais. Se tal acontecer então a transmissão ocorreu correctamente, caso contrário significa que ocorreu um erro. Após da detecção de erros é necessário efectuar a correcção dos mesmos. Existem várias técnicas para a correcção de erros. São exemplo destas técnicas a solicitação automática de repetição e a correcção de erro adiante.
10. TÉcnicas de compressÃo de dados
Imagem21 - Compressão de uma fotografia A transmissão de dados digitalizados por meio de redes está condicionada à velocidade do canal de comunicação, medida em bits por segundo (bps). Para grandes volumes de dados são necessários canais de alta velocidade. Para diminuir o tamanho dos arquivos de dados, podemos comprimi-los, retirando dados redundantes tal como os espaços ou codificando os bytes de forma a que estes ocupem menos bits. A compressão é obtida pela representação de caracteres em códigos de tamanho menor. Essa codificação é feita com a utilização de tabelas e algoritmos dinâmicos. A diminuição do tempo de transmissão de dados, pela compressão, permite um throughput (taxa de transmissão) maior, fazendo com que tenhamos uma performance melhor na transmissão de dados, sem a necessidade de aumentar a velocidade do canal. A compressão não transforma os dados; limita-se a codificá-los. Exemplo: considere a sequência de caracteres AATTTT; uma codificação possível seria *4T em que * corresponde a duas letras A e 4T aos quatro T. Podemos definir 2 tipos de compressão de dados:
CompressÃo com perda de informaÇÃo Definida como uma operação que admite alguma perda de qualidade dos dados Exemplos: a maioria das imagens .jpg na internet em que se percebe uma diminuição da qualidade próximo às bordas ou trocas de cor na imagem Dependendo do algoritmo aplicado, essa compressão sofre perdas constante. Perdem-se dados sucessivamente, à medida que se aplica o algoritmo várias vezes, ao comprimir e descomprimir. Isso resulta numa maior perda de dados do que a aplicação do algoritmo de uma só vez. Existem dois esquemas básicos de compressão: ■ Métodos de Transformação ■ Métodos Preditivos Em alguns sistemas, as duas técnicas são combinadas.
CompressÃo SEM perda de informaÇÃo Definido como uma operação sem perdas de nenhum dado. Exemplos: ficheiros bzip, gzip, .gz. Os mais conhecidos são o .zip ou .rar. É usada quando é importante que a informação original e a descompactada sejam idênticas. Exemplos: Executáveis e documentos texto.
Técnicas de Compressão sem Perda de Dados Antes de se utilizar as técnicas de compressão, é necessário saber qual o tipo de informação que será compactada: Texto porque os algoritmos de compactação de textos não são eficientes na compactação de sons. Existem basicamente dois tipos de algoritmos de compressão sem perda de dados : ■ Algoritmos de Modelos Estatísticos: Transformação de Burrows-Wheeler ■ Algoritmos codificados que produzem sequência de bits Codificação Aritmética ou Freqüência de Caracteres
A partilha e o envio de ficheiros envolve a maioria dos utilizadores no uso de aplicações tais como o 7ZIP, WINZIP, PKZIP e outros. Introdução: Tendo em conta os conhecimentos que tem sobre compressão de ficheiros pretende-se que realize alguns testes com uma aplicação de compressão e que apresente os resultados ao público lançando-os num blog. Monte uma pasta no seu computador; faça um PrtSrn que mostre a informação detalhada da pasta bem como o espaço que ocupa. Comprima a pasta efectue um PrtSrn do ficheiro gerado. Confronte os resultados. Objectivos: Criar um blog que apresenta um estudo de caso relativo a um processo de compressão de ficheiros. Aspectos a considerar 1. Efectue um registo num blog gratuito:
2. Monte um blog ilustrado que apresenta as vantagens de um caso prático de compressão de ficheiros. 3. Explique de forma detalhada o funcionamento do programa de compressão que utilizou. Formato e entrega do Trabalho: Ficheiro de texto com o endereço do blog.
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