Como é conhecido o padrão para transmissão em redes de computadores que utiliza pares trancados e detecção de colisão para envio e recebimento de dados?

Redes de Computadores I: Redes de Computadores

De acordo com Tanenbaum (2011), o termo Redes de Computadores ou Redes de Comunicação pode ser definido como um conjunto de computadores independentes interconectados por uma única tecnologia.

Possuem a vantagem de facilitar o compartilhamento de informações entre inúmeros computadores, independentes da distância, bem como o acesso a periféricos, como representado na figura 1.

Figura 1: Redes de Computadores e Periféricos

Fonte: GINGINHA, 2008

Tais estruturas possuem em sua constituição protocolos (elementos de software para seu funcionamento) e meios de transmissão para a condução física da informação, que são detalhados nas seções a seguir.

Protocolos de Comunicação

Protocolos de comunicação são definidos como um conjunto de convenções e procedimentos que padronizam a transmissão de dados entre diferentes equipamentos. (ALBUQUERQUE & ALEXANDRIA, 2009). O Modelo OSI, TCP/IP e CAN são exemplos de padronizações de protocolos.

Modelo OSI

Para que dois ou mais computadores se comuniquem, eles devem “falar a mesma língua”, ou seja, devem utilizar o mesmo protocolo de comunicação. Existem diversos protocolos de comunicação, porém, no início, os protocolos criados só eram suportados pelos fabricantes donos de tal tecnologia.

Sendo assim a ISO (International Standards Organization) criou o modelo de referência conhecido como OSI (Open Systems Interconnection), para que os fabricantes pudessem ter um padrão. (TORRES, 2001).

O padrão OSI consiste em setes camadas de funções bem definidas dividas em três grupos: aplicação, transporte e rede.

As camadas de rede, constituídas pela camada 3 (rede), a camada 2 (Link de Dados), e a camada 1 (Física) são responsáveis pela transmissão e recepção das informações pela rede. A camada 4, pertencente ao grupo de transporte, é responsável por coletar e repassar os dados colhidos para as camadas de aplicação. Estas, por sua vez, constituídas pelas camadas 7 (aplicação), 6 (Apresentação), e 5 (Sessão) são responsáveis por “traduzir” os dados recebidos em um padrão que seja reconhecido pelo programa.

Entretanto, segundo Tanenbaum (2011, p. 45), o padrão OSI não é considerado uma arquitetura de rede, já que não define exatamente os serviços e os protocolos a serem utilizados em cada camada, ou seja, é apenas demostrada a função de cada camada. Na figura 2, tem-se a representação visual das camadas do modelo OSI.

Figura 2: Camadas do Modelo OSI (Adaptado)

Fonte: MOURA & GONÇALVES, 2015

De acordo com Tanenbaum (2011), o modelo OSI é uma referência, mesmo que não seja fielmente seguido por alguns fabricantes de equipamentos e estruturas.

Modelo TCP/IP

O protocolo TCP/IP é um dos mais importantes tipos de protocolos utilizados para envio e recebimento de dados, dividindo–se também em camadas, cada uma delas executando uma função distinta.

Conforme Torres (2001), uma das vantagens do TCP/IP é que ele é roteável, ou seja, foi criado para ser utilizado em grandes redes de longa distância, da qual existem vários caminhos para a informação atingir seu destino.

O TCP/IP é um protocolo universal, pois devido sua arquitetura aberta, outros fabricantes puderam criar sua própria versão TCP/IP. Assim, todos os sistemas operacionais podem comunicar–se entre si sem problema algum. Diferente do modelo OSI, o TCP/IP possui apenas quatro camadas. A camada de aplicação correspondente a camada 5, 6 e 7 do modelo OSI é onde ocorre a comunicação entre aplicativos e a camada de transporte, sendo esta última o correspondente direto da camada 4 do modelo OSI. A camada internet corresponde a camada 3 do modelo OSI. A camada de interface com a rede equivale a camada 1 e 2 do Modelo OSI, como pode ser visto na figura 3:

Figura 3: Modelo de referência OSI comparado ao TCP/IP

Fonte: MOURA & GONÇALVES, 2015

Protocolo CAN

Conforme Santos (2009, p. 21) o protocolo CAN (Controller Area Network) é baseado na técnica CSMA/CR (Carrier Sense with Multiple Access/Collision Resolution), também conhecido como CSMA/CD + AMP (Carrier Sense with Multiple Access/Collision Detect And Arbitration on Message Priority), que consiste em transmitir o dado de maior prioridade em caso de colisão entre mensagens.

Comparado ao modelo OSI, o protocolo CAN possui camadas correspondentes apenas à camada Física e a camada de Link de dados. Esta última é responsável pelos dados recebidos, sinalização de sobrecarga do nó, controle de acesso ao meio físico, detecção de erros e recebimento de mensagens. A camada Física é responsável pelo sinal de transmissão e pela representação e ajuste de tempo de bit. É também nessa camada que é definido qual nó terá acesso ao meio físico para transmitir sua mensagem. (SANTOS & LUGLI, 2009).

O barramento CAN ainda apresenta um certo número de bits identificadores por mensagem que são utilizados para definir a prioridade no meio de acesso. As regras para prioridade são definidas pelo programador a fim de evitar colisões. (PAREDE & GOMES, 2011).

Existem duas versões deste protocolo, o CAN1.0 que possui 11 bits identificadores e a versão CAN2.0 possui 29 bits identificadores.

Figura 4: Protocolo CAN

Fonte: KRISHNA, 2014

A figura 4 ilustra o processo de transmissão e recepção de mensagens CAN que consiste em um CPU (Central Processing Unit) que envia uma mensagem de um dos nós para um ou mais nós da rede. Os dados a serem transmitidos e o respectivo identificador são passados para o controlador CAN desse nó. Para respeitar os sinais que serão transmitidos, os dados são enviados em código binário e apesar de que todas as unidades de controle recebam o mesmo sinal, somente irão atuar as unidades para que estão destinadas as mensagens correspondentes.

Visto que o sistema funciona de forma bidirecional, os dados podem fluir em ambas as direções entre todas as unidades de controle, sinalizando seu estado atual. As mensagens são codificadas e, quando recebidas corretamente, são transmitidas por ordem de prioridade.

Meios de Transmissão

Os meios de transmissão como explica Albuquerque & Alexandria (2009) são o caminho físico pela qual a informação é conduzida entre as estações de trabalho em uma rede industrial, em que o acesso se faz através da camada física do modelo OSI. Os principais meios de transmissão utilizados neste estudo de caso são detalhados abaixo.

Fibra Óptica

É um meio de transmissão, através de sinais luminosos, caracterizado por um filamento extremamente fino e flexível, feito de vidro ultrapuro, plástico ou isolante elétrico especifico. Sua estrutura é simples, composta por capa protetora, interface e núcleo. Assim é exibida na figura 5 como é constituído internamente o cabo de fibra óptica:

Figura 5: Exemplo de fibra óptica

Fonte: TECMUNDO, 2015

Segundo Albuquerque & Alexandria (2009), a Fibra Óptica apresenta muitas vantagens em relação ao cobre, entre elas: alta taxa de transferência, imunidade a ruído e também não sofre deterioração com o tempo. Entre as desvantagens a principal é, sem dúvida, seu custo elevado em relação aos outros meios de transmissão. Além disso, são mais frágeis e necessitam de equipamentos muito precisos para instalação e manutenção.

A fibra óptica pode ser classificada em monomodo ou multimodo. Esta última ainda pode ser dividida em multimodo com índice degrau e multimodo com índice gradual.

Pioneira em aplicações práticas, a fibra óptica multimodo com índice degrau foi o primeiro tipo a surgir e é o mais simples entre os demais. Suas principais características são: núcleo com índice de refração constante e diâmetro entre 50 e 400µm, com dimensões e diferença relativa de índices de refração, implicando a existência de múltiplos feixes se propagando na fibra óptica, e atenuação elevada, fazendo com que essas fibras sejam utilizadas em transmissão de dados em curtas distâncias e iluminação (ALBUQUERQUE & ALEXANDRIA, 2009).

A fibra óptica multimodo com índice gradual representa um desenvolvimento da anterior, provendo uma melhor propagação dos feixes de luz incidentes na fibra óptica multimodo. Pode ser caracterizada por: larguras de banda com até 500MHz.km, dimensão do núcleo entre 50 e 125µm e baixa atenuação (ALBUQUERQUE & ALEXANDRIA, 2009).

São características da fibra óptica monomodo: grande aplicação em sistemas telefônicos, emissão de sinais apenas com raios Laser e taxas de transmissão na ordem de 100GHz/km com atenuação entre 0,2dB/km e 0,7dB/km.

Existem vários tipos de conectores de fibras ópticas no mercado conforme mostrado na figura 6, cada qual voltado para uma determinada aplicação.

Os conectores ST (Straight Tip) são os mais comuns para uso em fibras multimodo.

O conector tipo SC possui corpo injetado e um sistema de trava push–pull. Este modelo é ideal para escritórios, TV a cabo e telefonia, oferecendo pouca perda de sinal.

Já o tipo FDDI possui ferrule flutuante de cerâmica de 2,5 mm, que minimiza a perda de luz. Um invólucro fixo contorna o ferrule, protegendo-o. (ALBUQUERQUE & ALEXANDRIA, 2009).

O conector tipo MTRJ (Mechanical Transfer Registered Jack) consiste em um padrão mais atual, utilizando um ferrule quadrado com dois orifícios.

O modelo LC (Lucent Connector) é um dos principais competidores do conector MTRJ, ocupando muito menos espaço quando comparado aos outros conectores de fibra. (ALBUQUERQUE & ALEXANDRIA, 2009).

Figura 6: Tipos de conectores

Fonte: TECH NETWORKS, 2015

A escolha do tipo de fibra e conectores a serem utilizados no projeto engloba uma análise de capacidade de transmissão (que o conjunto de elementos e equipamentos vai proporcionar) e o limite de recursos financeiros disponíveis, pois quanto melhor a qualidade, mais cara é a solução (ALEXANDRIA & ALBUQUERQUE, 2009).

Cabo Ethernet

O cabo ethernet ou par trançado é o cabo de rede mais utilizado nos dias atuais. Segundo Tanenbaum (2011), os pares trançados podem ser usados na transmissão de sinais analógicos ou digitais. A largura de banda depende da espessura do fio e da distância percorrida, mas em muitos casos, é possível alcançar diversos megabits/s por alguns quilômetros. A figura 7 demonstra um exemplo desse tipo de cabo.

Figura 7: Cabo de par trançado

Fonte: REDE LAN, 2016

Existem dois tipos: STP (Shielded Twisted Pair), que consiste em uma malha envolta ao cabo para que não sofra interferência eletromagnética e o cabo UTP (Unshielded Twisted Pair), no qual utiliza um conector conhecido com RJ–45. A grande vantagem deste último é sua flexibilidade e o seu preço, tornando seu uso mais popular nos dias de hoje.

Cabo Coaxial

Os cabos coaxiais são mais resistentes à interferência eletromagnética que os cabos ethernet. Com esta característica trabalham com mais velocidade e distâncias mais longas.

Figura 8: Cabo Coaxial

Fonte:

O cabo coaxial consiste em um fio de cobre envolvido em um material isolante. O material isolante, por sua vez, é envolvido por uma malha condutora, geralmente chamada de blindagem (Shield). Para proteger a malha, uma camada externa isolante é colocada. (ALBUQUERQUE & ALEXANDRIA, 2009, p. 70).

Como pode ser visto na figura 8 o cabo coaxial é constituído de um fio de cobre envolto por um material isolante, o polietileno celular, o qual é envolvido por uma blindagem primaria de alumínio e poliéster e uma blindagem secundária, que consiste numa trança em fios de cobre estanhado também envolvido por uma capa de PVC flexível.

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