Redes de acesso

Vamos agora considerar as redes de acesso — os enlaces físicos que conectam um sistema final ao primeiro roteador (também conhecido como “roteador de borda”) partindo de um sistema final até outro qualquer. A Figura 1.4 apresenta diversos tipos de enlaces de acesso do sistema final ao roteador de periferia; os enlaces de acesso estão destacados nas linhas cinzas mais espessas. Esta seção analisa muitas das tecnologias mais comuns em rede de acesso, em termos gerais, de baixa à alta velocidade. Veremos mais adiante que muitas dessas tecnologias empregam, em níveis que variam, parcelas da tradicional infraestrutura telefônica com fio. Essa infraestrutura é fornecida por um servidor telefônico local, que simplesmente chamaremos de operadora. São exemplos de operadoras a Verizon, nos Estados Unidos, e a France Telecom, na França. Cada residência (casa e apartamento) possui um par direto de fios de cobre trançado para um comutador da operadora na região, localizado em um edíficio chamado “central telefônica” (CT) no jargão da telefonia. (Discutiremos par de fios de cobre trançado mais adiante nesta seção.) Uma operadora local possuirá, normalmente, centenas de CTs e ligará cada cliente à sua CT mais próxima.

Dial-up (discado)

Nos anos 1990, quase todos os usuários residenciais acessavam a Internet por meio de linhas telefônicas analógicas utilizando um modem discado. Atualmente, muitos usuários de países não desenvolvidos e de áreas rurais em países desenvolvidos (onde o acesso à banda larga é indisponível) ainda têm acesso à Internet discada.Na verdade, estima-se que 10% dos usuários residenciais nos Estados Unidos usavam Internet discada em 2008 [Pew, 2008].

Emprega-se o termo “dial-up” porque o software do usuário, na verdade, disca (em inglês, dial) um número de telefone do ISP e realiza uma ligação telefônica tradicional com o ISP (por exemplo, com a AOL). Como mostrado na Figura 1.5, o computador é ligado a um modem discado, que, por sua vez, é conectado à linha telefônica analógica da residência. Essa linha telefônica é composta por cabos de cobre trançados e é a mesma linha telefônica utilizada para fazer ligações comuns. O modem da residência converte a saída digital do computador em um formato analógico apropriado para transmissão pela linha telefônica analógica. Na outra extremidade da conexão, um modem do ISP converte o sinal analógico em forma digital para inserir dados no roteador do ISP. 

O acesso discado à Internet possui duas desvantagens principais. Em primeiro lugar, é extremamente lento, fornecendo uma taxa máxima de 56 kbps. A essa taxa, o download de uma música em formato MP3 de três minutos leva, aproximadamente, oito minutos, e um dia é o tempo que leva o download de um filme de 1 Gigabyte! Em segundo lugar, o acesso discado bloqueia a linha telefônica comum do usuário — enquanto uma pessoa usa o modem para navegar na Web, ninguém mais pode receber ou realizar ligações comuns com a mesma linha.

DSL 

Atualmente, os dois tipos de acesso residencial banda larga mais predominantes são a linha digital de assinante (DSL) ou a cabo. Em muitos países desenvolvidos hoje, mais de 50% das residências possuem acesso banda larga, sendo que a Coreia do Sul, Islândia, Holanda, Dinamarca e Suíça lideram o terreno com mais de 74% de penetração nas residências em 2008 [ITIF, 2008]. Nos Estados Unidos, a tecnologia DSL e a cabo têm a mesma participação no mercado para acesso banda larga [Pew, 2008]. Fora dos Estados Unidos e do Canadá, a DSL domina particularmente na Europa, onde em muitos países mais de 90% das conexões banda larga são DSL. Normalmente uma residência obtém acesso DSL à Internet da mesma empresa que fornece acesso telefônico local com fio (por exemplo, a operadora local). Assim, quando a DSL é utilizada, uma operadora do cliente é também seu provedor de serviços de Internet (ISP). Como mostrado na Figura 1.6, cada modem DSL do cliente utiliza a linha telefônica existente (par de fios de cobre trançado) para trocar dados com um multiplexador digital de acesso à linha do assinante (DSLAM), normalmente localizado na CT da operadora. A linha telefônica conduz, simultaneamente, dados e sinais telefônicos, que são codificados em diferentes frequências:

• um canal downstream* de alta velocidade, com uma banda de 50 kHz a 1 MHZ; 
• um canal upstream* de velocidade média, com uma banda de 4 kHz a 50 kHz;
• um canal de telefone bidirecional comum, com uma banda de 0 a 4 kHz. 

Essa abordagem faz com que a conexão DSL pareça três conexões distintas, de modo que um telefonema e a conexão com a Internet podem compartilhar a conexão DSL ao mesmo tempo. (Descreveremos essa técnica de multiplexação por divisão de frequência na Seção 1.3.1.) Do lado do consumidor, para os sinais que chegam até sua casa, um distribuidor separa os dados e os sinais telefônicos e conduz o sinal com os dados para o modem DSL. Na operadora, na CT, o DSLAM separa os dados e os sinais telefônicos e envia aqueles para a Internet. Centenas ou mesmo milhares de residências se conectam a um único DSLAM [Cha, 2009; Dischinger, 2007].

A tecnologia DSL possui duas principais vantagens sobre o acesso discado. Primeiro, ela pode transmitir e receber dados a taxas muito mais elevadas. Normalmente, um cliente DSL terá uma taxa de transmissão na faixa de 1 a 2 Mbps (da CT para a residência) e a taxa de recebimento de 128 kbps a 1 Mbps. Em razão de as taxas de transmissão e recebimento serem diferentes, o acesso é conhecido como assimétrico. A segunda vantagem principal é que os usuários podem, simultaneamente, falar ao telefone e acessar à Internet. Diferentemente do acesso dial-up, os usuários não discam um número de telefone do ISP para acessar à rede; pelo contrário, eles têm uma conexão permanente ao DSLAM do provedor (e, portanto, à Internet).

A taxa de transmissão de downstream e upstream real disponível para as residências é uma função da distância entre a casa e a CT, permitindo taxas de transmissão mais elevadas do que no acesso discado. Para aumentar a taxa de dados, a DSL conta com um processamento de sinal avançado e algoritmos de correção de erro, que podem levar a grandes atrasos de pacotes. No entanto, se a residência não estiver localizada dentro de 8 a 15 quilômetros da CT, a tecnologia de processamento de sinal DSL não será mais eficaz e a residência deve recorrer a uma forma alternativa de acesso à Internet. 

Há também uma variedade de tecnologias DSL de alta velocidade em alguns países atualmente. Por exemplo, a tecnologia DSL de alta velocidade (VDSL), com a maior penetração, hoje, na Coreia e no Japão, apresenta taxas impressionantes de 12 a 55 Mbps para downstream e 1.6 a 20 Mbps para upstream [DSL, 2009].

Cabo

Muitas residências na América do Norte e em outros lugares recebem centenas de canais de televisão por redes de cabo coaxial. (Discutiremos cabo coaxial mais adiante nesta seção.) Em um sistema tradicional de televisão a cabo, um terminal de distribuição transmite canais de televisão através de uma rede de distribuição de cabo coaxial e amplificadores para as residências. 

Enquanto as tecnologias DSL e dial-up utilizam-se da infraestrutura telefônica local existente da operadora, o acesso à Internet a cabo utiliza-se da infraestrutura de televisão a cabo existente da empresa de TV a cabo. Uma residência obtém acesso à Internet a cabo da mesma empresa que fornece a televisão a cabo. Como ilustrado na Figura 1.7, as fibras óticas conectam o terminal de distribuição às junções da região, sendo o cabo coaxial tradicional utilizado para chegar às casas e apartamentos individualmente. Cada junção normalmente suporta de 500 a 5.000 casas. Em razão de a fibra e o cabo coaxial fazerem parte desse sistema, a rede é denominada híbrida fibra-coaxial (HFC). 

O acesso à Internet a cabo necessita de modems especials, denominados modems a cabo. Como o modem DSL, o modem a cabo é, normalmente, um aparelho externo que se conecta ao computador residencial através da porta Ethernet. (Discutiremos Ethernet em detalhes no Capítulo 5.) Os modems a cabo dividem a rede HFC em dois canais, um de transmissão (downstream) e um de recebimento (upstream). Como a tecnologia DSL, o acesso normalmente é assimétrico, com o canal downstream recebendo uma taxa de transmissão maior do que a do canal upstream.

Uma característica importante do acesso a cabo é o fato de ser um meio de transmissão compartilhado. Em especial, cada pacote enviado pelo terminal viaja pelos enlaces downstream até cada residência e cada pacote enviado por uma residência percorre o canal upstream até o terminal de transmissão. Por essa razão, se diversos usuários estiverem fazendo o download de um arquivo em vídeo simultaneamente no canal downstream, cada usuário receberá o arquivo a uma taxa significativamente menor do que a taxa de transmissão a cabo. Por outro lado, se há somente alguns usuários ativos que estão navegando na Web, então cada um poderá receber páginas da Web a uma taxa de downstream máxima, pois esses usuários raramente solicitarão uma página da Web ao mesmo tempo. Como o canal upstream também é compartilhado, é necessário um protocolo de acesso múltiplo distribuído para coordenar as transmissões e evitar colisões.

Os defensores da tecnologia DSL se apressam em frisar que ela é uma conexão ponto a ponto entre a residência e o ISP e que, portanto, a capacidade de transmissão total da conexão DSL entre a residência e o ISP é dedicada, e não compartilhada. Os defensores do cabo, no entanto, argumentam que uma rede HFC razoavelmente dimensionada provê taxas de transmissão mais altas do que a DSL. Não há dúvidas de que a guerra entre DSL e HFC pelo acesso residencial de alta velocidade já começou, principalmente na América do Norte. Nas áreas rurais, onde nem a DSL e a HFC estão disponíveis, pode ser utilizada uma conexão por satélite para conectar uma residência à Internet em velocidades superiores a 1Mbps; o StarBand e o HughesNet são dois provedores de acesso via satélite.

FTTH (Fiber-To-The-Home)

A fibra ótica (que será discutida na Seção 1.2.3) pode oferecer taxas de transmissão significativamente mais altas do que o par de fios de cobre trançado ou o cabo coaxial. Algumas operadoras locais (em muitos países diferentes), que recentemente passaram a utilizar fibra ótica nas residências, agora oferecem acesso à Internet de alta velocidade, bem como seviços telefônicos e televisivos através de fibras óticas. Nos Estados Unidos, a Verizon saiu na frente com a tecnologia FTTH, lançando o serviço FIOS [Verizon FIOS, 2009].

Existem várias tecnologias concorrentes para a distribuição ótica das CTs às residências. A rede mais simples de distribuição ótica é chamada fibra direta, para a qual existe uma fibra saindo da CT para cada residência. Essa distribuição pode fornecer uma alta largura de banda, uma vez que cada cliente recebe sua própria fibra dedicada diretamente da central telefônica. Geralmente, cada fibra que sai da central telefônica é compartilhada por várias residências; a fibra é dividida em fibras individuais do cliente somente após ela se aproximar relativamente das residências. Existem duas arquiteturas concorrentes de rede de distribuição ótica que apresentam essa divisão: redes óticas ativas (AONs) e redes óticas passivas (PONs). A AON é basicamente a Ethernet comutada, assunto discutido no Capítulo 5. Aqui, falaremos brevemente sobre a PON, que é utilizada no serviço FIOS da Verizon. A Figura 1.8 mostra a FTTH utilizando a arquitetura de distribuição de PON. Cada residência possui um terminal de rede ótica (ONT), que é conectado por uma fibra ótica dedicada a um distribuidor da região. O distribuidor combina um número de residências (normalmente menos de 100) a uma única fibra ótica compartilhada, que se liga a um terminal de linha ótica (OLT) na CT da operadora. O OLT, que fornece conversão entre os sinais óticos e elétricos, se conecta a Internet por meio de um roteador da operadora. Na residência, o usuário conecta um roteador residecial (geralmente um roteador sem fio) ao ONT e acessa à Internet atrás desse roteador. Na arquitetura de PON, todos os pacotes enviados do OLT ao distribuidor são nele replicados (semelhante ao terminal de distribuição a cabo).

A FTTH pode potencialmente prover taxas de acesso à Internet na faixa de gigabits por segundo. Porém, a maioria dos provedores de FTTH oferecem diferentes taxas, sendo que as mais altas custam muito mais. Atualmente, a maioria dos clientes FTTH preferem taxas de download na faixa de 10 a 20 Mbps e de upload na faixa de 2 a 10 Mbps. Além do acesso à Internet, as fibras óticas possuem serviços telefônicos tradicionais e de transmissão televisiva.

Ethernet

Nos campi universitários e corporatativos, uma rede local (LAN) geralmente é usada para conectar sistemas finais ao roteador da periferia. Embora existam muitos tipos de tecnologia LAN, a Ethernet é, de longe, a tecnologia de acesso mais predominante nas redes universitárias e corporativas. Como mostrado na Figura 1.9, os usuários da Ethernet utilizam par de fios de cobre trançado para se conectarem a um comutador Ethernet, uma tecnologia tratada com mais detalhes no Capítulo 5. O acesso à Ethernet normalmente possui 100 Mbps, enquanto os servidores possuem um acesso de 1 Gbps ou até mesmo 10 Gbps

WiFi

Está cada vez mais comum as pessoas acessarem a Internet sem fio, seja por um laptop ou por um aparelho portátil, como um iPhone, Blackberry ou o Google phone (veja o quadro "Um conjunto impressionante de sistemas finais da Internet"). Hoje, há dois tipos comuns de acesso à Internet sem fio. Em uma LAN sem fio, os usuários transmitem/recebem pacotes para/de um ponto de acesso que, por sua vez, é conectado à Internet com fio. Um usuário LAN sem fio geralmente deve estar no espaço de alguns metros do ponto de acesso. Nas redes de acesso sem fio em amplas áreas, os pacotes são transmitidos para uma estação-base por meio da mesma infraestrutura sem fio utilizada para telefonia celular. Nesse caso, a estação-base é controlada pelo provedor da rede de celular, e o usuário normalmente deve estar dentro de alguns quilômetros da estação-base.

O acesso à LAN sem fio baseado na tecnologia IEEE 802.11, ou seja, WiFi, está presente em todo lugar — universidades, empresas, cafés, aeroportos, residências e, até mesmo, em aviões. A maioria das universidades instalou estações-base por todo o campus, permitindo que os alunos enviem e recebam e-mails ou naveguem na Web de qualquer lugar do campus. Em muitas cidades, é possível ficar na esquina de uma rua e estar dentro da faixa de dez ou vinte estações-base (para um mapa global de estações-base 802.11 que foram descobertas e acessadas por pessoas que apreciam coisas do tipo, veja [wigle.net, 2009]). Como discutido com detalhes no Capítulo 6, atualmente o 802.11 fornece uma taxa de transmissão compartilhada de até 54 Mbps.

Muitas residências unem o acesso residencial banda larga (ou seja, modems a cabo ou DSL) com a tecnologia LAN sem fio a um custo acessível para criar redes residenciais potentes. A Figura 1.10 mostra um esquema de uma típica rede doméstica. Essa rede consiste em um laptop móvel e um computador com fio; uma estação-base (o ponto de acesso sem fio), que se comunica com o computador sem fio; um modem a cabo, fornecendo acesso banda larga à Internet; e um roteador, que interconecta a estação-base e o computador fixo com o modem a cabo. Essa rede permite que os moradores da residência tenham acesso banda larga à Internet com um morador se movimentando da cozinha ao quintal e até os quartos.

Acesso sem fio em longa distância

Ao acessar à Internet através da tecnologia LAN sem fio, é preciso estar dentro de alguns metros do ponto de acesso. Isso é possível para acesso doméstico, em cafés, e, geralmente, dentro e ao redor de um edifício. Mas e se você estiver na praia, no ônibus ou no carro e precisar da Internet? Para o acesso em áreas amplas, os usuários de Internet móvel utilizam uma infraestrutura de telefone celular, acessando estações-base que estão a até 10 quilômetros de distância.

As empresas de telecomunicação têm investido enormemente na assim chamada terceira geração (3G) sem fio, que oferece acesso sem fio em amplas áreas por pacotes comutados a velocidades que ultrapassam 1 Mbps. Hoje, milhões de usuários estão utilizando essas redes para ler e enviar e-mails, navegar na Web e fazer download de música.

WiMAX

Como sempre, existe uma tecnologia potente esperando para destronar esses padrões. O WiMAX [Intel WiMAX, 2009; WiMAX Forum, 2009], também conhecido como IEEE 802.16, é um primo distante do protocolo.

WiFi 802.11 discutido acima. O WiMAX funciona independentemente de uma rede de telefonia celular e promete velocidades de 5 a 10 Mbps ou maiores a distâncias superiores a dez quilômetros. A Sprint-Nextel investiu bilhões de dólares na implementação do WiMAX em 2007 e foi além.  

Atividade de Fixação