Introdução à multiplexação em redes de computadores

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

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


TDM
FDM WDM
TDM (Time Division


Multiplexing)
FDM (Frequency Division
Multiplexing)

Redes de Computadores 3 Redes de Computadores 4

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

slot
E0 E0
D
E1 M E E1

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


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


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


D
E1 M E E1
1 0 1
U M
E2 E2
X Padding U
E3 (bits adicionais sem informação, X E3
Apenas “arredondamento”)

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

S2 … …

…
t
Sn-1

Analógico Codec
(voz)


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


►

► 256 bits em 125us (32x8)
► Taxa total: 2.048 Mbps (256x8000) → Canal E1
► Sistema ITU-T


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

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:

!
► 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

um canal T4, corresponde a 274.176 Mbps)
► Fornecer mecanismos para administração e operação da rede


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


► SPE (Synchronous Payload Envelope)

► Controle da transmissão ocupa uma coluna

► Dados ocupam as 86 colunas restantes (49.536 Mbps)


! Dados podem ser inseridos a partir de qualquer ponto da matriz


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

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

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)


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


! Sinal transmitido é analógico embora os dados possam ser tanto
digitais como analógicos


! Canal é sempre alocado mesmo que não haja dados a serem
transmitidos


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)

! Telefonia celular (combinação de FDM e TDM)
! Transmissões via satélite, microondas, etc...


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)


►

► Very high data rate DSL (VDSL)
► etc
! Explora a capacidade do laço local


► 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)


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

► Upstream: fluxo no sentido cliente → fornecedor de serviço
Digital
Subscriber
Line

Acess
/usb
Multiplexer


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


► 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


► Discrete Multitone Technique (DMT)


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)

► ►

! 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


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)


► 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)


►

► 2 bits/baud
► Padrão é 1 baud/Hz (2 x 6 MHz = 12 Mbps por canal)


Arquitetura de funcionamento Internet a cabo Hybrid Fiber-Coaxial (HFC)

! Baseado em dois sistemas:
► CM (cable modem)
► CMTS (cable modem Transmission System)

Head Vídeo

end
fibra
Provedor Dados
CMTS vídeo
(Internet)

Cable modem


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


!
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


!
► Todos os usuários “enxergam” o mesmo meio
► e.g.; DHCP, DNS, e-mail, chat, proxy, páginas WEB
► Uso de codificação de dados (padrão DES)


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

!
► http://www.adsl.com (tutorial e white papers)
! Cable modems
http://www.cable-modems.org/tutorial/08.htm

CMTS ►


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