Curso Livre de Redes de Computadores I/Caderno 4: A Camada Física

Camada Física

A camada física é a camada base para todas as telecomunicações, pois toda comunicação passa pelo meio físico, como por exemplo no fio de cobre, fibra óptica, sinal de rádio e satélite.

A base matemática que permitiu o desenvolvimento da comunicação foi a série de Fourier, do matemático francês Jean-Baptiste Fourier. Com essa fórmula matemática, Fourier deduziu que todo sinal repetido pode ser desmembrado em duas partes com a soma de senos, cossenos e uma constante, ou seja, o comportamento do sinal é modelado com uma fórmula matemática baseado em características físicas como a tensão e corrente.

Ao transmitir um sinal de um lugar ao outro, a analise de Fourier desse sinal produzirá coeficientes em diferentes faixas de frequência, que posteriormente serão usados para reconstruir o sinal no receptor. Não existe um meio de transmissão físico que não perca energia no processo, por esse motivo a análise de Fourier produz diferentes componentes por diferentes valores, logo o sinal é distorcido.

Taxa máxima de dados em um canal

A primeira iniciativa para calcular a taxa máxima de dados em um canal pertence ao um engenheiro chamado Henry Nyquist, através da derivação de uma equação ele foi capaz de demonstrar a taxa máxima de dados em que um canal sem ruído e de banda finita é capaz de transmitir. Passou-se 24 anos e em 1948, Claude Shannon, matemático e engenheiro eletrônico estadunidense, conseguiu apresentar um refinamento da equação de Nyquist que tornou possível toda a transferência de dados na área de telecomunicação da forma que vemos hoje.

Shannon demonstrou que se transferirmos um sinal por uma banda de tamanho B bastava somente 2B amostras desse sinal para que fosse possível recuperá-lo (2B log2 V bits/s ). Transmitir o sinal com uma quantidade superior de 2B amostras seria baldado pois a amostragem não conseguiria captar as amostras excedentes.

SNR (Signal-to-Noise Ratio)

As explicações até agora apresentadas são versadas em um cenário hipotético no qual não possui nenhuma interferência de ruído, entretanto, pragmaticamente, sabemos que o ruído em diferentes níveis sempre está presente, chamamos de ruído aleatório ou ruído térmico aquele gerado pela movimentação de moléculas no sistema. Quando o considerarmos, a equação não mais representará bem esse novo cenário e é preciso achar uma maneira de contornar esse problema.

A medição do ruído aleatório é feito através da divisão da potência do sinal pela do ruído (relação sinal ruído). Para utilizar essa relação na fórmula, normalmente se usa 10 log 10 S/N , pois dessa forma conseguimos aplicá-la quando há variação em uma faixa muito grande, ficando B log2 (1 + S/N).

Meios de transmissão guiados

A principal responsabilidade da camada física é fazer o transporte de bits entre um computador e outro. Diversos meios físicos podem ser utilizados para a realização desta transmissão de dados, cada meio tendo suas particularidades como a largura de banda, custo e o nível de complexidade para instalação e manutenção. Estes meios estão divididos em meios de transmissão que podem ser guiados e não guiados, os meios guiados são, por exemplo, meios que utilizam o fio de cobre e fibra ótica para realizar a transmissão dos dados e meios não guiados que são meios que utilizam dispositivos como satélites, raios laser e redes sem fio que propagam os sinais através do ar.

Meios magnéticos

Um meio bastante comum para se transportar dados entre um computador e outro é utilizando dispositivos removíveis como DVDs graváveis ou fitas magnéticas para gravar as informações desejadas e então transportar fisicamente estes dispositivos até a máquina que irá receber as informações. Apesar de não ser uma maneira moderna, no ponto de vista econômico é bastante vantajoso em relação a aplicações onde a alta largura de banda ou o custo por bit transmitido importa.  

Uma fita magnética comumente utilizada pela indústria é capaz de armazenar cerca de 800Gb de informações, uma caixa com dimensões de 60x60x60cm é capaz de armazenar aproximadamente 1000 fitas destas, ou seja, é possível armazenar em uma caixa 800Tb. Sabe-se que atualmente utilizando serviços de transporte é possível fazer entregas em até 24 horas dentro do país. Enquanto uma largura efetiva de banda precisaria ser ampliada para cerca de 1700Gbps para fazer a transmissão desta quantidade de dados para um receptor a apenas 1 hora de distância, em contrapartida sabe-se que nenhuma rede de computadores é capaz de atingir um desempenho tão alto. Fazendo um cálculo rápido tendo em vista que as fitas podem ser reutilizadas cerca de 10 vezes e possuem um custo de U$40 cada, estima-se que o custo total por caixa seria de aproximadamente U$5.000, ou seja, sairia cerca de U$0.5 por cada 1Gb e sabe-se que nenhuma rede de computadores possui um custo tão baixo.

Pares trançados

Um dos meios mais antigos e ainda utilizados para realizar a comunicação de redes é o par trançado, são cabos capazes de transmitir tanto sinais analógicos quanto sinais digitais. Um par trançado é composto por dois fios de cobres trançados e encapados com espessura por volta de 1 mm normalmente, estes fios são trançados de forma helicoidal (semelhante a uma molécula de DNA). O principal motivo para estes fios serem trançados é porque desta maneira ondas de diferentes locais dos fios acabam se cancelando gerando assim uma menor interferência eletromagnética. O sinal normalmente é transportado por meio da diferença potencial entre os fios do par, o que fornece uma boa proteção contra ruídos, visto que o ruído irá atingir os dois fios da mesma maneira mantendo assim diferença de potencial sem nenhuma alteração.  

Os pares trançados são utilizados principalmente em sistemas de telefonia, praticamente todos os telefones estão conectados as centrais telefônicas por meio deste tipo de cabo. Os pares trançados são capazes de atingir alguns quilômetros sem a necessidade de repetidores para fazer a amplificação do sinal. Quando pares trançados passam de forma paralela por longas distâncias como na conexão de um prédio comercial ou uma residência com uma central de telefonia, é comum que sejam cobertos por uma capa de proteção. Se estes pares estivessem de forma paralela e não trançada, os mesmos poderiam acabar causando diversas interferências.  

Os pares trançados são utilizados em grande escala e provavelmente continuarão sendo, devido seu custo em relação ao desempenho, visto que comumente conexões utilizando este tipo de cabo pode sem muitas dificuldades alcançar muitos megabits por segundo em distâncias de até alguns quilômetros, esse número pode variar de acordo com fatores como a espessura do fio, a largura de banda e qual a distância será percorrida.

Fibra óptica

A fibra óptica é uma tecnologia utilizada em transmissões de longas distâncias em backbones de redes, LANs com alta velocidade de internet, como a Fiber to home (Fibra para casa). Este sistema se constitui basicamente de 3 componentes: a fonte de luz, o meio utilizado para transmissão e um detector. Também se trata de uma forma binária de representação, onde existe o pulso de luz significa 1bit e quando não há luz indica um bit 0. O meio de transmissão se dá por meio de uma fibra de vidro extremamente fina, a luz incide no dispositivo de detecção que gera um pulso elétrico conectando a fonte geradora da luz na ponta de uma fibra óptica com a outra ponta onde se encontra o dispositivo de detecção. Trata-se de um sistema de transmissão de dados unidirecional que recebe um sinal elétrico o converte e então transmite através de pulsos de luz que chegam até um receptor e novamente é convertido para um sinal elétrico.

Capacidade do Canal

A velocidade de transmissão da informação depende de vários fatores, como:

Largura de banda: a limitação física.

Taxa de erro: Recepção incorreta de informações devido a ruídos.

Codificação: o número de níveis usados ​​para sinalização.

Multiplexação

Multiplexação é uma técnica para misturar e enviar vários fluxos de dados em um único meio. Essa técnica requer um hardware de sistema chamado multiplexador (MUX) para multiplexar os fluxos e enviá-los em um meio, e um desmultiplexador (DMUX) que pega informações do meio e distribui para diferentes destinos.