Meios físicos

Na subseção anterior, apresentamos uma visão geral de algumas das mais importantes tecnologias de acesso à Internet. Ao descrever essas tecnologias, indicamos também os meios físicos utilizados por elas. Por exemplo, dissemos que o HFC usa uma combinação de cabo de fibra ótica e cabo coaxial e que modems discados de 56 kbps e ADSL usam par de fios de cobre trançado. Dissemos também que redes de acesso móveis usam o espectro de rádio. Nesta subseção damos uma visão geral desses e de outros meios de transmissão comumente empregados na Internet.

Para definir o que significa meio físico, vamos pensar na curta vida de um bit. Considere um bit saindo de um sistema final, transitando por uma série de enlaces e roteadores e chegando a outro sistema final. Esse pobre bit é transmitido muitas e muitas vezes. Primeiramente, o sistema final originador transmite o bit e, logo em seguida, o primeiro roteador da série recebe-o; então, o primeiro roteador envia-o para o segundo roteador e assim por diante. Assim, nosso bit, ao viajar da origem ao destino, passa por uma série de pares transmissores–receptores, que o recebem por meio de ondas eletromagnéticas ou pulsos óticos que se propagam por um meio físico. Com muitos aspectos e formas possíveis, o meio físico não precisa ser obrigatoriamente do mesmo tipo para cada par transmissor–receptor ao longo do caminho. Alguns exemplos de meios físicos são: par de fios de cobre trançado, cabo coaxial, cabo de fibra ótica multimodo, espectro de rádio terrestre e espectro de rádio por satélite. Os meios físicos se enquadram em duas categorias: meios guiados e meios não guiados. Nos meios guiados, as ondas são dirigidas ao longo de um meio sólido, tal como um cabo de fibra ótica, um par de fios de cobre trançado ou um cabo coaxial. Nos meios não guiados, as ondas se propagam na atmosfera e no espaço, como é o caso de uma LAN sem fio ou de um canal digital de satélite.

Porém, antes de examinar as características dos vários tipos de meios, vamos discutir um pouco os seus custos. O custo real de um enlace físico (fio de cobre, cabo de fibra ótica e assim por diante) é em geral relativamente insignificante em comparação a outros custos da rede. Em especial, o custo da mão de obra de instalação do enlace físico pode ser várias vezes maior do que o do material. Por essa razão, muitos construtores instalam pares de fios trançados, fibra ótica e cabo coaxial em todas as salas de um edifício. Mesmo que apenas um dos meios seja usado inicialmente, há uma boa probabilidade de outro meio ser usado no futuro próximo — portanto, poupa-se dinheiro por não ser preciso instalar fiação adicional no futuro.

Par de fios de cobre trançado

O meio de transmissão guiado mais barato e mais comumente usado é o par de fios de cobre trançado, que vem sendo usado há mais de cem anos nas redes de telefonia. Realmente, mais de 99 por cento da fiação que conecta aparelhos telefônicos a centrais locais utilizam pares de fios de cobre trançados. Quase todos nós já vimos um par de fios trançado em casa ou no local de trabalho; esse par constituído de dois fios de cobre isolados, cada um com aproximadamente um milímetro de espessura, enrolados em espiral. Os fios são trançados para reduzir a interferência elétrica de pares semelhantes que estejam próximos. Normalmente, uma série de pares é conjugada dentro de um cabo, isolando-se os pares com blindagem de proteção. Um par de fios constitui um único enlace de comunicação. O par de fios trançado sem blindagem (unshielded twisted pair — UTP) é comumente usado em redes de computadores de edifícios, isto é, em LANs. Hoje, as taxas de transmissão de dados para as LANs de pares trançados estão na faixa de 10 Mbps a 1 Gbps. As taxas de transmissão de dados que podem ser alcançadas dependem da bitola do fio e da distância entre transmissor e receptor.

Quando a tecnologia da fibra ótica surgiu na década de 1980, muitos depreciaram o par trançado devido às suas taxas de transmissão de bits relativamente baixas. Alguns até acharam que a tecnologia da fibra ótica o substituiria completamente. Mas o par trançado não desistiu assim tão facilmente. A moderna tecnologia, tal como UTP categoria 5, pode alcançar taxas de transmissão de dados de 100 Mbps para distâncias de até algumas centenas de metros. E, em distâncias mais curtas, podem ser atingidas taxas ainda maiores. No final, o par trançado firmou-se como a solução dominante para LANs de alta velocidade. 

Como vimos na seção sobre redes de acesso, o par trançado também é comumente usado para acesso residencial à Internet. Vimos que a tecnologia do modem discado possibilita taxas de acesso de até 56 kbps com pares trançados. Vimos também que a tecnologia DSL (linha digital de assinante) habilitou usuários residenciais a acessar a Internet em velocidades maiores do que 6 Mbps com pares de fios trançados (quando as residências estão próximas a um modem de ISP). 

Cabo coaxial

Como o par trançado, o cabo coaxial é constituído de dois condutores de cobre, porém concêntricos e não paralelos. Com essa configuração, isolamento e blindagem especiais, pode alcançar taxas altas de bits. Cabos coaxiais são muito comuns em sistemas de televisão a cabo. Como já comentamos, recentemente sistemas de televisão a cabo foram acoplados com modems a cabo para prover usuários residenciais de acesso à Internet a velocidades de 1 Mbps ou mais altas. Em televisão a cabo e acesso a cabo à Internet, o transmissor passa o sinal digital para uma banda de frequência específica e o sinal analógico resultante é enviado do transmissor para um ou mais receptores. O cabo coaxial pode ser utilizado como um meio compartilhado guiado. Especificamente, vários sistemas finais podem ser conectados diretamente ao cabo, e todos eles recebem qualquer sinal que seja enviado pelos outros sistemas finais.

Fibras óticas

A fibra ótica é um meio delgado e flexível que conduz pulsos de luz, sendo que cada um desses pulsos representa um bit. Uma única fibra ótica pode suportar taxas de transmissão elevadíssimas, de até dezenas ou mesmo centenas de gigabits por segundo. Fibras óticas são imunes à interferência eletromagnética, têm baixíssima atenuação de sinal até cem quilômetros e são muito difíceis de derivar. Essas características fizeram da fibra ótica o meio preferido para a transmissão guiada de grande alcance, em especial para cabos submarinos. Hoje, muitas redes telefônicas de longa distância dos Estados Unidos e de outros países usam exclusivamente fibras óticas, que também predominam no backbone da Internet. Contudo, o alto custo de equipamentos óticos — como transmissores, receptores e comutadores — vem impedindo sua utilização para transporte a curta distância, como em LANs ou em redes de acesso residenciais. As velocidades de conexão do padrão Optical Carrier (OC) variam de 51,8 Mbps a 39,8 Gbps; essas especificações são frequentemente denominadas OC-n, em que a velocidade de conexão se iguala a n × 51,8 Mbps. Os padrões usados atualmente incluem OC-1, OC-3, OC-12, OC-24, OC-48, OC-96, OC-192 e OC-768. [IEC Optical, 2009; Goralski, 2001; Ramaswami, 1998; Mukherjee, 1997] apresentam uma abordagem de vários aspectos da rede ótica. 

Canais de rádio terrestres

Canais de rádio carregam sinais dentro do espectro eletromagnético. São um meio atraente porque sua instalação não requer cabos físicos, podem atravessar paredes, dão conectividade ao usuário móvel e, potencialmente, podem transmitir um sinal a longas distâncias. As características de um canal de rádio dependem significativamente do ambiente de propagação e da distância pela qual o sinal deve ser transmitido. Condições ambientais determinam perda de sinal no caminho e atenuação por efeito de sombra (que reduz a intensidade do sinal quando ele transita por distâncias longas e ao redor/através de objetos interferentes), atenuação por multivias (devido à reflexão do sinal quando atinge objetos interferentes) e interferência (devido a outros canais de rádio ou a sinais eletromagnéticos).

Canais de rádio terrestres podem ser classificados, de modo geral, em dois grupos: os de pequeno alcance, que funcionam em locais próximos, normalmente abrangendo de dez a algumas centenas de metros, e os de longo alcance, que abrangem dezenas de quilômetros. 

As tecnologias LAN sem fio descritas na seção 1.2.2 utilizam canais de rádio local; as tecnologias de acesso em telefone celular utilizam canal de rádio de longo alcance.

Canais de rádio por satélite

Um satélite de comunicação liga dois ou mais transmissores–receptores de micro-ondas baseados na Terra, denominados estações terrestres. Ele recebe transmissões em uma faixa de frequência, gera novamente o sinal usando um repetidor (sobre o qual falaremos a seguir) e o transmite em outra frequência. Satélites podem prover taxas de transmissão na faixa de gigabits por segundo. Dois tipos de satélites são usados para comunicações: satélites geoestacionários e satélites de órbita baixa (LEO).

Os satélites geoestacionários ficam permanentemente sobre o mesmo lugar da Terra. Essa presença estacionária é conseguida colocando-se o satélite em órbita a 36 mil quilômetros acima da superfície terrestre. Essa enorme distância da estação terrestre ao satélite e de seu caminho de volta à estação terrestre traz um substancial atraso de propagação de sinal de 280 milissegundos. Mesmo assim, enlaces por satélite, que podem funcionar a velocidades de centenas de Mbps, são frequentemente usados em redes de telefonia e no backbone da Internet.

Os satélites de baixa órbita são posicionados muito mais próximos da Terra e não ficam permanentemente sobre um único lugar. Eles giram ao redor da Terra (exatamente como a Lua) e podem se comunicar uns com os outros e com estações terrestres. Para prover cobertura contínua em determinada área, é preciso colocar muitos satélites em órbita. Hoje, existem muitos sistemas de comunicação de baixa altitude em desenvolvimento. A página da Web referente à constelação de satélites da Lloyd [Wood, 2009] fornece e coleta informações sobre esses sistemas para comunicações. A tecnologia de satélites de órbita baixa poderá ser utilizada para acesso à Internet no futuro.   

ATIVIDADE DE FIXAÇÃO