Revisão 09- Sensores Magnéticos Industriais

Sensores de proximidade Magnéticos (Reed-Switch)

Os Sensores Magnéticos (reed-switch) são dispositivos que funcionam como interruptores ( liga [1] / desliga [0] ), acionados por campos magnéticos produzidos por ímãs ou eletro-ímãs dele aproximados.

O "reed-switch" é composto de uma cápsula de vidro e de duas lâminas de um material ferromagnético (ligas de níquel e ferro). As duas lâminas são colocadas muito próximas, sem que haja contato entre elas, para acionar o "reed-switch" é necessário induzir a magnetização delas, fazendo com que elas se atraiam magneticamente. Basta aproximar um pequeno ímã do "reed-switch", como mostra a figura ao lado. os Sensores "Reed Switch" são usados para acionar, magneticamente, dispositivos eletro-eletrônicos como alarmes, trancas elétricas, portas e circuítos eletrônicos.

Para detectar a aproximação de um objeto ou mesmo um movimento, basta usar um "reed-switch" e um ímã. A distância em que ocorre o disparo depende da força do ímã e da sensibilidade do "reed-switch". Este circuito pode ser usado para fazer a detecção através de objetos não metálicos. Um pequeno ímã é preso ao objeto para fazer o acionamento dos "reed-switches" nas posições indicadas. Uma das aplicações é na medida de fluxo em tubulações.
O arquivo sobre Sensores Magnéticos SENSE pode ser baixado em: 16_03_004 Sensores Magnético.pdf .

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/03/2017

Revisão 08- Sensores Ultrassônicos Industriais

Sensores Ultrassônicos

Os sensores ultrassônicos trabalham emitindo e recebendo sinais sonoros de alta frequência inaudíveis ao homem. Os transdutores ultrassônicos dispõem de cristais piezoelétricos que têm uma ressonância a uma frequência desejada, e convertem a energia elétrica em energia acústica e vice-versa.

O princípio de funcionamento dos sensores ultrassônicos está baseado na emissão de uma onda sonora de alta frequência, e na medição do tempo levado para a recepção do eco produzido quando esta onda se choca com um objeto capaz de refletir o som.

Eles emitem pulsos ultrassônicos ciclicamente. Quando um objeto reflete estes pulsos, o eco resultante é recebido e convertido num sinal elétrico. A detecção do eco incidente depende de sua intensidade e esta da distância entre o objeto e o sensor ultrassônico. Os sensores ultrassônicos funcionam medindo o tempo de propagação do eco, isto é, o intervalo de tempo medido entre o impulso sonoro emitido e o eco do mesmo.

Os sensores ultrassônicos apresentam grandes distâncias de detecção até 10 metros, alta precisão na faixa milimétrica, boa reprodutibilidade e requerem pouca manutenção.
A detecção não é afetada pela poeira e contaminação comum em ambientes industriais severos. Os líquidos podem ser detectados com a mesma precisão que os sólidos, granulados ou pós.

Os sensores ultrassônicos são adequados para uma ampla gama de aplicações, tais como medição de nível, detecção de posição, detecção de limite, medição de espessura, medição de altura de pilha, medidas de diâmetro de rolos, detecção de quebra de fios, presença de pessoas, medição de densidades, etc
As desvantagens dos sensores ultrassônicos são a existência de uma zona morta próxima da face sensora; alguns materiais como espumas, tecidos e borrachas são difíceis de detectar, pois absorvem o som e possui um custo mais elevado que os sensores referidos anteriormente.

O arquivo sobre Sensores Ultrassônicos pode ser baixado em: 17_03_004 Sensores Ultrassônicos.pdf .

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/03/2017

Revisão 07- Sensores Fotoelétricos Industriais

Sensores de proximidade Fotoelétricos
Os sensores fotoelétricos, também conhecidos por sensores ópticos, manipulam a luz de forma a detectar a presença do acionador, que na maioria das aplicações é o próprio produto. Baseiam-se na transmissão e recepção de luz infravermelha (invisível ao ser humano), que pode ser refletida ou interrompida por um objeto a ser detectado.

Os fotoelétricos são compostos por dois circuitos básicos: um responsável pela emissão do feixe de luz, denominado transmissor, e outro responsável pela recepção do feixe de luz, denominado receptor. O transmissor envia o feixe de luz através de um fotodiodo, que emite flashes, com alta potência e curta duração, para evitar que o receptor confunda a luz emitida pelo transmissor com a iluminação ambiente.

Sensor Fotoelétrico por Barreira

O receptor é composto por um fototransistor sensível a luz, que em conjunto com um filtro sintonizado na mesma frequência de pulsação dos flashes do transmissor, faz com que o receptor compreenda somente a luz vinda do transmissor.

No Sistema por Barreira o transmissor e o receptor estão em unidades distintas e devem ser dispostos um frente ao outro, de modo que o receptor possa constantemente receber a luz do transmissor. O acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper o feixe de luz.

Sensor Fotoelétrico por Difusão

No Sistema por Difusão (Fotosensor) o transmissor e o receptor são montados na mesma unidade. Sendo que o acionamento da saída ocorre quando o objeto a ser detectado entra na região de sensibilidade e reflete para o receptor o feixe de luz emitido pelo transmissor.

Para os modelos tipo fotosensor existem vários fatores que influenciam o valor da distância sensora operacional (Sa), explicados pelas leis de reflexão de luz da física.

Sa = 0,81 . Sn . F (cor, material, rugosidade, outros)

Apresentamos tabelas que exemplificam os fatores de redução em função da cor e do material do objeto a ser detectado. Em casos onde há a necessidade da determinação exata do fator de redução, deve-se fazer um teste prático, pois outros fatores podem influenciar a distância sensora, tais como: rugosidade, tonalidade, cor, dimensões, etc. Lembramos também que os fatores são acumulativos, como por exemplo: papelão (0,5) preto (0,5) gera um fator de 0,25.

O Sistema Refletivo apresenta o transmissor e o receptor em uma única unidade. O feixe de luz chega ao receptor somente após ser refletido por um espelho prismático, e o acionamento da saída ocorrerá quando o objeto a ser detectado interromper este feixe.

Sensor Fotoelétrico por Refletivo

A distância sensora nominal (Sn) para o sistema refletivo é especificada como sendo a máxima distância entre o sensor e o espelho prismático, sendo possível montá-los com distância menor. O espelho permite que o feixe de luz refletido para o receptor seja paralelo ao feixe transmitido pelo transmissor, devido as superfícies inclinadas a 45o, o que não acontece quando a luz é refletida diretamente por um objeto, onde a luz se espalha em vários ângulos. A distância sensora para os modelos refletivos é em função do tamanho (área de reflexão) e, o tipo de espelho prismático utilizado.
O arquivo sobre Sensores Ópticos SENSE pode ser baixado em: 16_03_003 SENSE Sensores Ópticos.pdf . 

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/03/2017

Revisão 06- Sensores Capacitivos Industriais

Sensores de proximidade Capacitivos
Os sensores de proximidade capacitivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a presença ou aproximação de materiais orgânicos, plásticos, pós, líquidos, madeiras, papéis, metais, etc.
O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo elétrico, desenvolvido por um oscilador controlado por capacitor. O capacitor é formado por duas placas metálicas, carregadas com cargas elétricas opostas, montadas na face sensora, de forma a projetar o campo elétrico para fora do sensor, formando assim um capacitor que possui como dielétrico o ar.
Quando um material aproxima-se da face sensora, ou seja, do campo elétrico, o dielétrico do meio se altera, alterando também o dielétrico do capacitor frontal do sensor. Como o oscilador do sensor é controlado pelo capacitor frontal, quando aproximamos um material, a capacitância também se altera, provocando uma mudança no circuito oscilador.
Esta variação é convertida em um sinal contínuo, que comparado com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída.
A tabela indica o dielétrico dos principais materiais, para efeito de comparação; sendo indicado sempre um teste prático para determinação da distância sensora efetiva para o acionador utilizado.
Os sensores capacitivos podem detectar objetos metálicos e não metálicos, assim como produtos dentro de recipientes não metálicos. Estes sensores são usados geralmente na indústria de alimentos e para verificar os níveis de fluidos e sólidos dentro de tanques.
Os sensores capacitivos são mais sensíveis à flutuação da temperatura e da umidade do que são os sensores indutivos.

Com os sensores capacitivos podemos detectar alguns materiais dentro de outros, como por  exemplo líquidos dentro de garrafas, reservatórios com visores transparentes, pós dentro de embalagens, etc.
O arquivo sobre Sensores Capacitivos SENSE pode ser baixado em: 16_03_002 SENSE Sensores Capacitivos.pdf . 

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/03/2017

Revisão 05- Sensores Indutivos Industriais

Sensores de proximidade Indutivos
Os sensores indutivos são equipamentos eletrônicos capazes de detectar a aproximação de peças metálicas, componentes, elementos de máquinas, etc, em substituição às tradicionais chaves fim de curso.

A detecção ocorre sem que haja o contato físico entre o sensor e o acionador, aumentando a vida útil do sensor por não possuir peças móveis sujeitas a desgastes mecânicos.

O princípio de funcionamento baseia-se na geração de um campo eletromagnético de alta freqüência, que é desenvolvido por uma bobina ressonante instalada na face sensora. A bobina faz parte de um circuito oscilador que em condição normal (desacionada) gera um sinal senoidal.
Quando um metal aproxima-se do campo, este por correntes de superfície (Foulcault), absorve a energia do campo, diminuindo a amplitude do sinal gerado no oscilador.
A variação de amplitude deste sinal é convertida em uma variação contínua que comparada com um valor padrão, passa a atuar no estágio de saída.
O sensor consiste de uma bobina em um núcleo de ferrite, um oscilador, um detector de nível de sinais de disparo e um circuito de saída.
O sensor indutivo trabalha pelo princípio da indução eletromagnética. Funciona de maneira similar aos enrolamentos primários e secundários de um transformador. O sensor tem um oscilador e uma bobina; juntos produzem um campo magnético fraco.
Quando um objeto entre no campo, pequenas correntes são induzidas na superfície do objeto. Por causa da interferência com o campo magnético, energia é extraída do circuito oscilador do sensor, diminuindo a amplitude da oscilação e causando uma queda de tensão (voltagem).
O circuito de detecção do sensor percebe a queda de tensão do circuito do oscilador e responde mudando o estado do sensor.
A superfície ativa de um seletor de proximidade indutivo é a superfície onde emerge o campo eletromagnético de alta freqüência. Um alvo padrão é um quadrado de aço doce com 1 mm de espessura, com comprimentos laterais equivalentes ao diâmetro da superfície ativa ou 3X a distância do valor nominal da comutação, a que for maior.

A distância sensora operacional varia ainda com o tipo de metal, ou seja, é especificada para o ferro ou aço e necessita ser multiplicada por um fator de redução.

O Fator de Correção é usado para determinar o alcance quando se quer detectar outros materiais que não o aço carbono padrão. A composição o alvo causa um grande efeito no alcance de sensores de proximidade indutivo.
As principais vantagens da detecção indutiva são a boa resistência aos ambientes industriais; não possui contato físico com o objeto; é um aparelhos estático sem peças em movimento no seu interior; maior vida útil, independentemente do número de manobras e velocidade elevada.
A principal aplicação é a detecção de objetos metálicos, pois o campo emitido é eletromagnético. A figura ao lado ilustra uma aplicação de Sensores de proximidade indutivos utilizados em torno mecânico.
Os sensores com saídas discretas possuem saídas com transistores, e estes podem ser NPN ou PNP.
Nos sensores com saída a relé as saídas não são eletrônicas, mas sim mecânicas. O relé possui contratos, normalmente abertos (NA) e normalmente fechados (NF), o que nos disponibiliza uma independência quanto à tensão da carga. A principal vantagem sobre os eletrônicos está em poder trabalhar com correntes mais altas.
Para efetuar a ligação elétrica dos sensores temos que observar os esquemas de ligação elétrica, identificando as cores dos fios antes de instalar o sensor, evitando principalmente que a saída do sensor seja ligada à rede elétrica, o que causaria a sua destruição.
Não se devem utilizar lâmpadas de incandescência com os sensores, pois a resistência do filamento frio provoca uma corrente de pico que pode danificar o sensor. As cargas indutivas, tais como contatores e relés devem ser bem especificadas porque a corrente de ligação ou de corte podem danificar o sensor.
O arquivo sobre Sensores Indutivos SENSE pode ser baixado em: 16_03_001 SENSE Sensores Indutivos.pdf . 
O manual de Sensores Indutivos em corrente contínua SENSE pode ser baixado em: 16_01_001 SENSE Sensores Indutivos cc.pdf . 
O manual de Sensores Indutivos em corrente alternada SENSE pode ser baixado em: 16_01_002 SENSE Sensores Indutivos ca.pdf .

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/03/2017

Revisão 04 - Relés Temporizadores

Relés Temporizadores
É possível construir um relé com um dispositivo temporizador que atrasa o acionamento da bobina. Este tipo de relé é conhecido como TDR (time delay relay – relé com atraso de tempo).

A representação do relé temporizado no diagrama elétrico é idêntica ao relé, porém leva internamente, ou próximo à bobina, a denotação TDR ou TR. Há dois tipos de relés temporizados: um deles é conhecido como TON, e o outro, como TOF. Vamos ver a diferença entre os dois.

Relé TON (on delay) - É utilizado em um circuito em que se deseja que a bobina seja acionada após certo tempo (ajustado pelo operador). Nesse exato momento, todos os contatos da bobina, que são do tipo NF, passam a abrir, e os contatos do tipo NA passam a fechar, até que as condições de energização sejam desativadas.

Quando este evento ocorrer, o relé temporizado desligará e seu ajuste de tempo normalizará, zerando o valor da contagem. Este temporizador é muito útil quando precisamos atrasar a ativação de algum equipamento, como, por exemplo, quando partimos um motor de uma máquina. Nesse caso, muitas vezes necessitamos que alguns equipamentos fiquem desligados por um pequeno intervalo de tempo até que o motor chegue à sua velocidade de trabalho.

Relé TOF (off delay) - É utilizado quando necessitamos deixar um equipamento ligado durante certo tempo, mesmo após a condição de ativação ser desligada.

Como exemplo de aplicação podemos citar um sistema de refrigeração em que a ventilação precisa ficar acionada mesmo após a máquina ter sido desligada.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/02/2016.

Revisão 03 - Relés de Interface

Inicialmente, os sistemas de controle eram compostos principalmente por relés e interruptores.
O relé é um dispositivo eletromecânico composto por um núcleo, com uma bobina e contatos.
Quando o relé é energizado, uma corrente elétrica passa pela bobina, na qual o campo magnético movimenta uma haste dentro do núcleo, modificando o estado dos contatos.
Há relés que são montados com dois pares de contatos, e quando o relé não está energizado o par superior é fechado; quando a bobina é energizada, o par inferior é fechado.
A ação dos contatos é resultado da energização e da desenergização do relé. Os contatos superiores são os contatos NF, pois sem energia na bobina eles estão fechados. Os contatos inferiores são os contatos NA, pois sem energia eles os contatos estão abertos. Ou seja, os contatos sempre são referidos conforme o estado da bobina desenergizada.

Cada símbolo representado no diagrama elétrico possui um identificador a ser utilizado no programa do tipo Ladder. O identificador de bobinas é chamado de CR (coil of relay), seguido de um número, por exemplo, CR1, CR453 etc. Quando um contato for identificado como CR, ele automaticamente estará associado a seu respectivo relé.
Cada relé possui uma única identificação, e a quantidade de relés que podem ser utilizados em uma programação está diretamente ligada ao tamanho da memória do CLP.

Relés de Inteface

As interfaces de relés auxiliares são utilizados para a proteção tanto das entradas quanto da saídas do CLP, pois assim qualquer imprevisto pode vir a danificar o relé primeiro ao invés da saída do CLP que possui um custo muito maior. 

Utilizando como exemplo um sensor, a saída NA do sensor acionaria a entrada do CLP, porém entre o CLP e o sensor adiciona-se um relé auxiliar que terá a função de proteger a entrada do CLP neste caso o relé poderá ter apenas um contato NA ou 1 Reversível. 

O mesmo aplica-se a saída do CLP, onde pode-se utilizar um relé para como interface para acionamentos de cargas indutivas e/ou cargas eletromagnéticas, contatores de potência, válvulas solenoides, eletroímãs, etc. O relés de interface são projetados para receber 24 V dc fornecidos pelo CLP para operar as bobinas de contatores que trabalham com 220 volts.

A bobina do relê interface é controlado pelo CLP ao passo que o contato normal aberto do relé garante o acionamento do contator. A comutação da bobina dá origem a sobretensões que têm efeitos adversos sobre os dispositivos eletrônicos, geralmente os relé de interface são equipados com supressores de surtos composto de um diodo, em antiparalelo com a bobina do relé.
Os relês de interface possuem um baixo consumo de energia no contexto dos sistemas eletrônicos. A ligação de limitadores de sobretensão eleva a vida útil de relês acopladores.

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/02/2016.

Revisão 02 - Lâmpadas Indicadoras

Todos os painéis possuem lâmpadas indicadoras que têm a função de alertar o operador quando existe energia no painel, ou quando a máquina está ligada, ou alguma outra indicação que se faça necessária, conforme o projeto. 

A figura mostra a representação das lâmpadas indicadoras por meio de um objeto circular. Atualmente, encontramos no mercado indicadores luminosos com base no led, que têm uma vida útil bem ampla, reduzindo quase a zero a necessidade de troca. 

As cores existentes variam diretamente no led. Podemos utilizar também um led da cor branca e depois as lentes coloridas, com a cor e a indicação necessárias. Na maioria dos casos, as lâmpadas de cor vermelha são reservadas para indicações de estado crítico, bem como alimentação geral, falha ou equipamento ligado. A cor verde é utilizada para indicar cores em estado seguro, ou desligado. A cor amarela indica situação importante, porém sem perigo, bem como alarme de nível baixo, ou máquina aguardando. Outras cores são definidas pelo projetista, ou conforme a padronização que cada empresa adota para indicações. 

Outro recurso a ser utilizado com as lâmpadas é a intermitência, podendo ter sua largura de pulso definida em projeto.

O manual de sinalizadores pode ser baixado em: 16_03_007 METALTEX Sinalizadores.pdf . 

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/02/2016

Revisão 01 - Botoeiras, chaves e interruptores

As Entradas digitais são acionadas por interruptores, existem duas funções para os interruptores. A primeira delas é sua utilização pelos operadores para enviar informações na entrada do circuito de controle, e a segunda função é sua utilização nas partes móveis que produzem retorno de sinais para o circuito de controle.
Botoeiras - Há muitos tipos de interruptores para serem descritos. Os interruptores mais comuns são as botoeiras, que possuem uma grande gama de aplicações. 

A figura abaixo apresenta um exemplo de botoeira. Existem dois tipos de botoeira, a pulsada e a retentiva. A botoeira pulsada é ativada quando o botão é pressionado e é desativada quando o botão é liberado. 

O retorno da botoeira é realizado por meio da utilização de uma mola interna. A botoeira retentiva é ativada quando o botão é pressionado, e continua ativada mesmo que o botão seja liberado. Para desativar esse tipo de botoeira, o botão deve ser pressionado uma segunda vez. Uma variação para a botoeira retentiva são os botões de emergência do tipo girar para destravar.

Os contatos dos interruptores podem ser de dois tipos. Um deles é o  normalmente aberto (NA), e o outro, o normalmente fechado (NF). Quando uma botoeira está na posição desativada, os contatos do tipo NA estão abertos (não conduzindo) e os contatos NF estão fechados (conduzindo).

A figura mostra o diagrama elétrico para um contato normalmente fechado e para um contato normalmente aberto.

Dependendo do fabricante, as botoeiras podem ter até nove contatos auxiliares. Os tipos dos contatos são definidos conforme o projetista. As botoeiras podem ser utilizadas para várias funções (também definidas pelo projetista), entre as quais podemos citar a partida, parada, reset, emergência e outras.
O manual de botoeiras pode ser baixado em: 16_03_005 METALTEX Botoeiras.pdf .

Chaves Seletoras utilizados com CLP

As chaves seletoras também são conhecidas como chaves rotacionais. Elas utilizam os contatos NA ou NF para sua representação, idênticos às botoeiras, essas têm a mesma funcionalidade.

Existem as chaves seletoras que funcionam com duas, três ou mais posições. Não há interligações elétricas entre os contatos das diferentes posições. Caso as interligações sejam necessárias, o projetista deverá prever essas ligações.

Os interruptores de limite são instalados nas máquinas em posições que não são normalmente acessíveis pelo operador durante o funcionamento da máquina. Desse modo, os interruptores de limite são acionados pelas partes móveis da máquina.

Usualmente, os interruptores de limite são dispositivos mecânicos. Todavia, atualmente podemos encontrar dispositivos que são acionados por luz ou calor, como, por exemplo, os sensores de abertura de portas de supermercados e shoppings e barreiras óticas. Os interruptores de limite podem ser encontrados também com contatos NA ou NF.
Há vários tipos de interruptores de limite, que abrangem quase todos os tipos de aplicações imagináveis.
O manual de interruptores de limite pode ser baixado em: 16_03_006 METALTEX Interruptores de Limite.pdf . 

© Direitos de autor. 2016: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 20/01/2016

Aula 14 - Equipamentos para Redes

Figura 1 – Exemplo de equipamentos em uma rede de computadores

Para que uma rede de computadores possa funcionar é necessário que existam, além do cabeamento propriamente dito, dispositivos de hardware e software cuja função é controlar a comunicação entre os diversos componentes da rede.

Vários dispositivos são usados em uma rede, cada um deles possuindo funções específicas. Como exemplos de equipamentos dedicados podemos citar as placas de rede, os hubs, switches, bridges, routers, etc, que tem a finalidade de interpretar os sinais digitais processados na rede e encaminhá-los ao seu destino, obedecendo a um determinado padrão e protocolo. Essa interação entre dispositivos permite o compartilhamento das informações entre todos os usuários da rede.

Sistema Operacional de Rede

Figura 2 – Exemplo de sistemas operacionais em uma rede de computadores

O Sistema Operacional de Rede (NOS - Network Operating System) consiste em uma família de programas que são executados em computadores interligados através de meios diversos e dispostos em rede.

A função principal do Sistema Operacional de rede é a administração lógica da mesma, ou seja, o controle de suas funcionalidades; alguns Sistemas oferecem o recurso de compartilhamento de arquivos, impressoras e outros dispositivos através da rede.

Atualmente os modernos sistemas operacionais disponibilizam outros recursos como: segmentação da rede com possibilidade de configuração de redes virtuais, controle de habilitação de portas, proteção contra intrusos, interfaces gráficas mais amigáveis, etc.

Estação de Trabalho

Figura 3 - Estação de Trabalho

Formalmente, uma Estação de Trabalho nada mais é do que um equipamento pelo qual qualquer usuário poderá acessar os recursos disponíveis na rede.

Todos os usuários têm acesso a uma rede através de Estações de Trabalho que são computadores equipados com pelo menos uma placa adaptadora para interface com a rede (NIC – Network Interface Card). 

Repetidores (Repeaters)

Os repetidores são dispositivos de hardware utilizados para a conexão de dois ou mais segmentos de uma rede local. Eles recebem e amplificam o sinal proveniente de um segmento de rede e repetem esse mesmo sinal no outro segmento.

Figura 4 - Repetidor

Alguns modelos disponíveis no mercado possuem recursos de "auto-particionamento", ou seja, ocorrendo uma falha dos segmentos da rede, o dispositivo irá isolar o acesso à conexão defeituosa, permitindo que a transmissão de dados aos segmentos remanescentes não seja afetada.

Figura 4 - Modelo de repetidor

A limitação do número de repetidores é obtida de acordo com o protocolo utilizado (por exemplo, no protocolo Ethernet o número máximo é de quatro). Um sistema pode conter vários slots de cabos e repetidores, mas dois repetidores não podem estar a mais de 2,5 km de distância, e nenhum caminho pode atravessar mais de quatro repetidores.

Um repetidor atua na camada física do modelo OSI, exercendo função de regenerador de sinal entre dois segmentos de redes locais. Eles são necessários para fornecer corrente e para controlar cabos longos. Um repetidor permite interconectar dois segmentos de redes locais de mesma tecnologia e eventualmente, opera entre meios físicos de tipos diferentes (10base2 e 10base5, por exemplo). Como resultado é possível aumentar a extensão de uma rede local, de forma que o conjunto de segmentos interconectados se comporte como um único segmento.

Modem

O Modem é um dispositivo conversor de sinais que faz a comunicação entre computadores através de uma linha dedicada para esse fim. Seu nome é a contração das palavras MOdulador e DEModulador, pois essas são suas principais funções.

Figura 5 - Exemplo de modem

O Modem executa uma transformação, por modulação (modem analógico) ou por codificação (modem digital), dos sinais emitidos pelo computador, gerando sinais analógicos adequados à transmissão sobre uma linha telefônica, por exemplo. No destino, um equipamento igual demodula (modem analógico) ou decodifica (modem digital) a informação, entregando o sinal digital restaurado ao equipamento terminal a ele associado. 

Figura 5 - Exemplo de placa fax-modem

Para conseguir estabelecer uma conexão com uma linha telefônica, o programa de comunicação envia um comando para o modem solicitando essa conexão, utilizando uma linguagem padrão. O modem do PC que solicitou essa linha (chamaremos de modem local) disca os pulsos do número do telefone. O modem faz o reconhecimento do comando e envia um sinal RDL (Receive Data Line) ao PC na linha de Recepção de dados. Quando o modem que esta do outro lado da conexão (o modem remoto) responde a chamada, o modem local envia um tom de comunicação avisando o modem remoto que ele está sendo chamado por outro modem e o modem remoto responde com um tom mais alto.

Os dois modems realizam um handshake (processo pelo qual trocam informações sobre como irão gerenciar o envio de dados). Aqui se define a velocidade de transferência, o número de bits que sinalizarão o início e o fim, no caso de modem analógico, se irão utilizar bits de paridade, se irão operar em Half-Duplex ou Full-Duplex. Se o sistema local e remoto não usarem a mesma configuração, ficarão enviando caracteres que não fazem sentido ou não se comunicarão de forma alguma.

Do outro lado da linha, o modem remoto escuta os dados que estão chegando com uma série de tons em diferentes freqüências. Ele demodula estes tons em sinais digitais enviando-os ao computador receptor. Ambos os computadores podem enviar e receber sinais ao mesmo tempo, porque o uso de um sistema padrão de tons permite que os modems de ambos os lados diferenciem os sinais de entrada e saída.

No momento em que é informado ao programa de comunicação para que ele finalize uma sessão, o programa envia outro comando HAYES ao modem para que ele desfaça a conexão telefônica. Se a conexão for desfeita pelo sistema remoto o modem irá enviar um sinal de Detecção de Linha (CD) ao computador, informando ao programa que a comunicação terminal terminou.

Roteadores (routers)

O Roteador é um equipamento responsável pela interligação das redes locais entre si e redes remotas em tempo integral. Em outras palavras, permite que uma máquina de uma dada rede LAN comunique-se com máquinas de outra rede LAN remota, como se as redes LAN fossem uma só. Para isso, ele usa protocolos de comunicação padrão como TCP/IP, SPX/IPX, Appletalk, etc. Têm a função de decidir o melhor caminho para os "pacotes" percorrerem até o seu destino entre as várias LAN’s e dividem-nas logicamente, mantendo a identidade de cada sub-rede.

Figura 5 - Exemplo de roteador

Na prática os roteadores são utilizados para o direcionamento de "pacotes" entre redes remotas, atuando como verdadeiros "filtros" e "direcionadores" de informações. Recursos como "compressão de dados" e "spanning tree" (técnica que determina o percurso mais adequado entre segmentos, podendo inclusive reconfigurar a rede, em casos de problemas no cabo, ativando um caminho alternativo), compensam inconvenientes como velocidades de transmissão ao utilizarmos modems ou linhas privadas como meio de transmissão de redes remotas.

Os roteadores possuem várias opções de interfaceamento com LAN’s e WAN's. Por exemplo, podemos ter opções de interfaces LAN, portas UTP, FDDI ou AUI, através dos quais poderá ser realizada a conexão com a rede local. As interfaces WAN's servem para realizarmos a conexão com dispositivos de transmissão remota (modems), seguindo os padrões de protocolos V-35, RS-449, RS-232 entre outros.

Figura 6 - Interligação de duas redes LAN

Devido às suas habilidades sofisticadas de gerenciamento de redes, os roteadores podem ser utilizados para conectar redes que utilizam protocolos diferentes (de Ethernet para Token Ring, por exemplo). Como o roteador examina o pacote de dados inteiro, os erros não são passados para a LAN seguinte.

Conforme mencionado, este equipamento atua nas camadas 1,2 e 3 do modelo ISO/OSI. Através de uma série de regras como: rotas estáticas inseridas no roteador, rotas dinâmicas aprendidas através de protocolos de roteamento usado entre roteadores (RIP, OSPF, etc), o roteador consegue rotear pacotes de dados recebidos por um determinado caminho.

Os roteadores são capazes de interpretar informações complexas de endereçamento e tomam decisões sobre como encaminhar os dados através dos diversos links que interligam as redes podendo incluir mais informações para que o pacote seja enviado através da rede. Por exemplo, um roteador poderia preparar um pacote Ethernet em um encapsulamento com dados que contém informações de roteamento e de transmissão para ser transmitido através de uma rede X.25. Quando esse "envelope" de dados fosse recebido na outra ponta, o roteador receptor retiraria os dados X.25, e enviaria o pacote Ethernet no segmento de rede local associado.

Os roteadores podem selecionar caminhos redundantes entre segmentos de rede local e podem conectar redes locais usando esquemas de composição de pacotes e de acesso aos meios físicos completamente diferentes. No entanto, por causa de sua complexidade e funcionalidade, um roteador é mais lento do que uma Bridge. Ele lê as informações contidas em cada pacote, utiliza procedimentos de endereçamento de rede para determinar o destino adequado e então recompõe os dados em pacotes e os retransmite.

Os roteadores são bem utilizados no meio Internet / Intranet e para comunicação LAN-to-LAN (como, por exemplo, ligação matriz-filial). No meio Internet / Intranet, o roteador aparece na ligação do site do provedor (rede local do provedor) ao link Internet, bem como na conexão do provedor a sub-provedores via LP de dados (especializada), LP de voz (não especializada) ou mesmo linha discada. Matriz e filial pode usar a Internet para este fim, usando algum artifício de proteção nas pontas para evitar acesso público, o chamado software de firewall.

Na comunicação LAN-to-LAN, a matriz pode ser conectada às filiais através do roteador usando LP (dados ou voz) ou mesmo rede de pacotes.

Figura 7 – Interligação de duas redes LAN e o provedor

Hub

Um hub, concentrador ou Multiport Repeater, nada mais é do que um repetidor que, promove um ponto de conexão física entre os equipamentos de uma rede. São equipamentos usados para conferir uma maior flexibilidade a LAN’s Ethernet e são utilizados para conectar os equipamentos que compõem esta LAN.

Figura 9 - Hub

O Hub é basicamente um pólo concentrador de fiação e cada equipamento conectado a ele fica em um seguimento próprio. Por isso, isoladamente um hub não pode ser considerado como um equipamento de interconexão de redes, ao menos que tenha sua função associada a outros equipamentos, como repetidores. Os hubs mais comuns são os hubs Ethernet 10BaseT (conectores RJ-45) e eventualmente são parte integrante de bridges e roteadores.

Os Hub’s permitem dois tipos de ligação entre si. Os termos mais conhecidos para definir estes tipos de ligações são: cascateamento e empilhamento:

Cascateamento: Define-se como sendo a forma de interligação de dois ou mais hub's através das portas de interface de rede (RJ-45, BNC, etc);

Empilhamento: Forma de interligação de dois ou mais hub’s através de portas especificamente projetadas para tal (Daisy-chain Port). Desta forma, os hub’s empilhados tornam-se um único repetidor. Observar que cada fabricante possui um tipo proprietário de interface para esse fim o que limita o emprego do empilhamento para equipamentos de um mesmo fabricante em muitos casos.

Com o uso do hub o gerenciamento da rede é favorecido e a solução de problemas facilitada, uma vez que o defeito fica isolado no segmento da rede, bem como facilita a inserção de novas estações em uma LAN.

Quando acontece de ocorrer muitas colisões, o hub permite isolar automaticamente qualquer porta (autopartição do segmento). Quando a transmissão do primeiro pacote é satisfatória, o hub faz uma reconfiguração automática do segmento.

Bridges

As Bridges (ou pontes) são equipamentos que possuem a capacidade de segmentar uma rede local em várias sub-redes, e com isto conseguem diminuir o fluxo de dados (o tráfego). Quando uma estação envia um sinal, apenas as estações que estão em seu segmento a recebem, e somente quando o destino esta fora do segmento é permitido a passagem do sinal. Assim, a principal função das bridges é filtrar pacotes entre segmentos de LAN’s.

Figura 11 - Bridge com saída para cabo coaxial.

As Bridges também podem converter padrões, como por exemplo, de Ethernet para Token-Ring. Porém, estes dispositivos operam na camada "interconexão" do modelo OSI, verificando somente endereços físicos (MAC address), atribuídos pelas placas de rede. Deste modo, os "pacotes" podem conter informações das camadas superiores, como protocolos e conexões, que serão totalmente invisíveis, permitindo que estes sejam transmitidos sem serem transformados ou alterados.

As bridges se diferem dos repetidores porque manipulam pacotes ao invés de sinais elétricos. A vantagem sobre os repetidores é que não retransmitem ruídos, erros, e por isso não retransmitem frames mal formados. Um frame deve estar completamente válido para ser retransmitido por uma bridge. São funções da Bridge:

• Filtrar as mensagens de tal forma que somente as mensagens endereçadas para ela sejam tratadas;
• Ler o endereço do pacote e retransmiti-lo;
• Filtrar as mensagens, de modo que pacotes com erros não sejam retransmitidos;
• Armazenar os pacotes quando o tráfego for muito grande;
• Funcionar como uma estação repetidora comum.

A bridge atua nas camadas 1 e 2 do modelo de referência ISO/OSI, lendo o campo de endereços de destino dos pacotes de mensagens e transmitindo-os quando se tratar de segmentos de rede diferentes, utilizando o mesmo protocolo de comunicação.

Gateway

É um dispositivo que permite a comunicação entre duas redes de arquiteturas diferentes. Ele atua em todas as camadas do modelo ISO/OSI.

Este equipamento resolve problemas de diferença entre tamanho máximo de pacotes, forma de endereçamento, técnicas de roteamento, controle de acesso, time-outs, entre outros. Como exemplo de gateway podemos citar um produto que integra redes TCP/IP com redes SNA.

Figura 9 - Aplicação de bridge e gateway na conexão de LAN’s

Switch

Figura 12 - Switch

Trata-se de uma evolução do hub, com funções de pontes e roteadores e hardware especial que lhe confere baixo custo e alta eficiência. Ele possui barramentos internos comutáveis que permitem chavear conexões, tornando-o temporariamente dedicado a dois nós que podem assim usufruir toda capacidade do meio físico existente.

Em outras palavras, o switch permite a troca de mensagens entre várias estações ao mesmo tempo e não apenas permite compartilhar um meio para isso, como acontece com o hub. Desta forma estações podem obter para si taxas efetivas de transmissão bem maiores do que as observadas anteriormente.

O switch tornou-se necessário devido às demandas por maiores taxas de transmissão e melhor utilização dos meios físicos, aliados a evolução contínua da micro-eletrônica.

Transceiver

É um dispositivo de hardware que faz a conexão eletroóptica (transforma um sinal elétrico em sinal óptico e vice-versa) entre computadores de rede que usam fibra óptica e cabeamento metálico convencional.

Figura 13 - Exemplos de transceivers

Concentradores

São dispositivos com buffer de armazenamento que altera a velocidade de transmissão de uma mensagem. Eles são comutadores de linha, que armazenam a mensagem para posterior envio ao computador central. Geralmente possuem capacidade de processamento local e sua velocidade é elevada para poder aceitar mensagens de vários terminais ao mesmo tempo.

O concentrador coleta mensagens do usuário numa área fisicamente próxima. Juntamente com a mensagem é enviada a identificação do terminal. As mensagens são montadas no buffer do concentrador até que este receba do usuário um delimitador.

Os concentradores remotos oferecem alta flexibilidade, permitindo acomodar interfaces para terminais especiais, proporcionando maior taxa de concentração, possibilitando atender a mudanças nas velocidades de transmissão nos formatos, nos códigos, nos protocolos de transmissão e no número de equipamentos terminais conectados.

Placas de Rede

A placa de rede ou adaptador de LAN ou ainda NIC (Network Interface Card) funciona como uma interface entre o computador e o cabeamento da rede. Normalmente é uma placa de expansão que deve ser conectada em um dos slots localizados na parte traseira do computador. Juntamente com o Sistema Operacional, a placa de rede trabalha para poder transmitir e receber mensagens a partir da rede. Suas principais funções são: mover os dados para dentro da memória RAM do computador, gerar o sinal elétrico que trafega através do cabo da rede e controlar o fluxo de dados no sistema de cabeamento da rede.

A placa de rede possui uma área de armazenamento (buffer) que retém os dados por um certo período de tempo para compatibilizar a velocidade de tráfego, pois, no computador, os dados são processados em "bytes" (forma paralela) e no cabeamento da rede o tráfego é processado 1 bit por vez (forma serial).

A técnica que os adaptadores da LAN utilizam para controlar o acesso ao cabo e o tipo de conector deste cabo são atributos da arquitetura da rede utilizada.

As seguintes especificações devem ser levadas em consideração ao especificar qual placa de rede deve ser utilizada:

Tipo de Barramento: Especifica a interface da placa de rede com o computador (ISA, EISA, PCI e MCA).

Conector da Placa: Especifica o tipo de interface a ser utilizada pela placa de rede quando do acesso ao meio físico. Os principais tipos são: RJ, BNC, ST, RJ/BNC, RJ/BNC/AUI, RJ/ST, MIC.

Padrão: Define o padrão de rede a ser utilizado. Os principais tipos são: Ethernet, Fast-Ethernet, Token-Ring, FDDI, ATM.

Velocidade de Transmissão: É a velocidade com que as informações trafegam pelo meio físico: 4Mbps, 10Mbps, 16Mbps, 100Mbps e outras.

Figura 12 - Modelo de placa de rede (NIC)

Multiplexador

Dispositivo usado para permitir que uma única linha de comunicação seja comutada com um computador. Isso pode ocorrer porque algumas linhas podem ficar inativas por longos períodos de tempos, com nenhum ou pouquíssimo fluxo de dados entre o terminal e o computador. Se os períodos ativos das várias linhas nunca coincidirem, uma única linha pode ser comutada para atender a vários terminais.

Se não for possível assegurar que somente um terminal esteja ativo em um dado instante de tempo, é preciso proporcionar uma linha saindo do comutador com uma capacidade maior do que qualquer outra linha de entrada. Se a capacidade da linha de saída excede a soma das capacidades de todas as linhas de entrada, o comutador executa a função de multiplexador.

A multiplexação pode ser efetivada dividindo-se a banda de freqüência do canal de maior velocidade em várias bandas mais estreitas e alocando cada uma delas a um dos terminais. Essa forma de multiplexação é conhecida como FDM - Frequency Division Multiplexing.

Uma forma mais sofisticada consiste em amostrar cada linha oriunda de um terminal, seqüencialmente, enviando o sinal recebido por um canal de alta velocidade. Essa forma é conhecida como TDM - Time Division Multiplexing. No caso anterior, a velocidade de transmissão oriunda de cada terminal não pode exceder a capacidade do canal que lhe foi alocado.

Apostila Redes Industriais pode ser baixado em: 22_03_01 Rede Industriais.

© Direitos de autor. 2022: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/03/2022

Aula 13 - Classificação, Topologias, Estrutura e Protocolos de comunicação de Redes de Computadores

1 - Classificação de Redes de computadores

Figura 01 - Classificação de redes

As redes são classificadas de acordo com sua abrangência geográfica. O Escopo de uma Rede refere-se ao seu tamanho ou alcance geográfico. O tamanho de uma rede pode variar de apenas alguns poucos metros, ligando periféricos a um computador, a milhares de computadores conectados através de longas distâncias. Existem diversos escopos de redes distintos, e os principais tipos de redes quanto ao escopo podem ser: LAN, MAN, WAN e PAN.

1.1 - Local Area Network  ( LAN ) - Rede de Área Local 

Figura 02 - Rede LAN

A rede de área local LAN abrange uma pequena área geográfica que conecta um conjunto de computadores que pertence à mesma organização, por exemplo. Frequentemente estes computadores utilizam a mesma tecnologia para conexão, sendo a mais empregada a chamada Ethernet.

As principais tecnologias para redes LAN são a Ethernet e IEEE 801.11 (WLAN – rede wireless local), e este é um dos escopos de redes mais populares e comuns, justamente por conta de sua aplicação, fazendo uso de switches de rede, access points ou mesmo hubs para conexão entre os pontos da rede.

1.2 - Metropolitan Area Network ( MAN ) - Rede de Área Metropolitana

Figura 03 - Rede MAN

A rede MAN interliga diversas LANs esua abrangência é ordem de algumas dezenas de quilômetros dentro de um circuito urbano. Desse modo a rede MAN permite que dois pontos distantes se comuniquem como se fizessem parte da mesma rede local.

Rede de Área Metropolitana, é um escopo de rede intermediário entre uma LAN e uma WAN, tratando-se de uma rede localizada em uma área geográfica confinada e bem definida, de tamanho médio, como por exemplo em um município ou região metropolitana. Uma das tecnologias mais utilizadas em redes MAN é conhecida como Metro Ethernet.

1.3 - Wide Area Network ( WAN ) - Rede de Área Ampla

Figura 04 - Rede WAN

Em uma WAN a comunicação se dá em uma distância relativamente longa. Geralmente podemos usar uma WAN para conectar uma LAN em um local a outra LAN em um local remoto, que pode estar localizada em um prédio vizinho ou do outro lado do planeta.

Usamos serviços de terceiros para realizar a comunicação via WAN, como por exemplo os provedores de Internet, a qual nada mais é que um grande conjunto de WANs interconectadas formando uma grande WAN mundial.

Uma WAN pode utilizar diversas tecnologias de acesso e transmissão de dados, como por exemplo MPLS, conexões via cabos submarinos, via satélite, entre outras, e faz uso extensivo de roteadores.

As redes WAN são muitas vezes representadas por uma nuvem em diagramas de rede, simbolizando a complexidade das conexões entre seus elementos internos.

1.4 - Personal Area Network ( PAN ) - Rede de Área Pessoal

Figura 05 - Rede PAN

Rede de Área Pessoal, é um escopo de rede que remete a equipamentos conectados a um computador, sendo considerada uma espécie de rede privada, e consistindo em elementos que se conectam a uma máquina usando tecnologias variadas, como cabos USB, Bluetooth, IR (Infra-Vermelho), NFC (Near Field Communication) conectando mouses, teclados, HDs externos, fones de ouvido wireless, celulares, etc., e sua principal característica é o espaço geográfico extremamente limitado da rede – geralmente alguns poucos metros, de acordo com o alcance dos cabos ou potência dos sinais de RF utilizados.

Rede de Área Pessoal, é um escopo de rede que remete a equipamentos conectados a um computador, sendo considerada uma espécie de rede privada, e consistindo em elementos que se conectam a uma máquina usando tecnologias variadas, como cabos USB, Bluetooth, IR (Infra-Vermelho), NFC (Near Field Communication) conectando mouses, teclados, HDs externos, fones de ouvido wireless, celulares, etc., e sua principal característica é o espaço geográfico extremamente limitado da rede – geralmente alguns poucos metros, de acordo com o alcance dos cabos ou potência dos sinais de RF utilizados.

2 - Topologias de Redes de computadores

As topologias de Redes de computadores trata da configuração física de como as estações terminais de dados (ETDs) se conectam entre si.

As topologias de rede mais empregadas nas conexões das estações terminais de dados são: Ponto a Ponto, Barramento, Anel, Estrela e Ponto Multiponto.

2.1 - Topologia Ponto a Ponto

Figura 06 - Topologia ponto a ponto.

Nesta topologia, que é a mais simples topologia empregada, a saída de uma estação terminais de dados é conectada à entrada da outra formando assim um circuito fechado. Esta topologia é simples pois os sinais propagam-se por um único segmento de cabo, e este interliga apenas duas interfaces.

Alguns links WAN antigos são do tipo ponto-a-ponto, como as redes T1. Podemos também conectar, por exemplo, um PC diretamente a outro por meio de um cabo ligado diretamente entre suas placas de rede, ou até mesmo conectando as portas seriais das máquinas.

2.2 - Topologia Barramento

Figura 07 - Topologia em barramento.

Nesta topologia de rede há um único caminho para o tráfego de dados, na forma de um cabo coaxial, e todas as estações (pontos da rede) são conectadas a esse mesmo cabo para trocar dados pela rede.

Ligam-se as estações à um mesmo segmento de cabo que é chamado de barramento. Quando uma estação coloca um quadro no barramento todas as demais percebem, em seus pontos de conexão física, a passagem do quadro. Os quadros, ou frames, contém um endereço do destinatário e do remetente (cabeçalho IP – em redes TCP/IP; e MAC Address – em outros protocolos).

Quando uma estação detecta um quadro endereçado à ela, este é copiado para um armazenador em memória. Quadros não endereçados à ela são ignorados.

O custo da implantação é relativamente baixo e sua montagem é fácil, no entanto há uma limitação em relação ao comprimento dos segmentos de cabo e ao número de estações que podem ser conectados ao barramento.

Com a distância surge também um efeito de atenuação do sinal, e este efeito é também percebido quando o sinal atravessa cada nó ou ponto de conexão no qual cada estação está conectada.

2.3 - Topologia Anel

Figura 08 - Topologia em anel.

Neste tipo de ligação a saída de uma estação é ligada à uma entrada da outra. A topologia em anel pode ser unidirecional ou bidirecional. Para o caso unidirecional os sinais transitam em um único sentido (horário ou anti-horário).

Supondo que a primeira estação (E1) envia um quadro para a terceira estação (E3), o caminho deste quadro será feito da seguinte maneira.

A segunda estação (E2) que está entre E1 e E3 apenas repassa o quadro que vem de E1 para E3, uma vez que esse quadro não é destinado à E2.

Quando o quadro chega ao seu destino, E3, ele é copiado por este terminal , e devolvido ao anel sendo passado assim para frente.

Quando o quadro passa novamente pelo E1, que é quem originou o quadro, este é removido do anel.

No caso de um anel bidirecional as ligações são duplex, então cada estação pode transmitir para seus dois vizinhos adjacentes.

Para que as estações saibam qual está transmitindo num determinado momento e assim evitar conflito e colisões de pacotes, utiliza-se um elemento chamado de Token (bastão).

2.4 - Topologia Estrela

Figura 09 - Topologia em estrela.

Nesta topologia de rede todos os dispositivos (nós) são conectados a um dispositivo distribuidor de comunicações central, como um Hub ou (preferencialmente) um Switch.

Usada na maioria das redes de pequeno ou de grande porte, é a principal topologia de redes utilizada atualmente, principalmente em redes locais (LAN).

Uma rede em estrela pode ser compreendida como um anel dobrado, em que cada ligação envolvendo 2 estações adjacentes passa por um concentrador situado no centro da estrela.

No entanto em caso de defeito no concentrador toda a rede deixa de funcionar.

Mas no caso de apenas um terminal falhar, as demais estações continuam operando normalmente já que o tráfego de dados é concentrado em um único aparelho (o concentrador).

2.5 - Topologia Ponto a multiponto

Figura 10 - Topologia ponto a multiponto.

Esta topologia lembra, fisicamente, uma topologia estrela, porém sem que necessariamente todos os nós da rede possam se comunicar completamente uns com os outros.

Um exemplo típico dessa topologia são as redes 802.11 (sem fio), na qual podemos ter diversos pontos de rede se conectando a um Access Point (AP / Ponto de Acesso), o qual gerencia a conectividade entre os pontos de rede e pode impedir que as estações e comuniquem entre si, somente trocando dados com o próprio AP.

3 - Meios físicos de transmissão de dados

Meio físico é onde se tem a comunicação entre os computadores propriamente dita, a transmissão de uma cadeia de bits. É um dos níveis na estrutura básica de comunicação de dados estabelecidos pelo Padrão ISO/OSI.

Figura 11 - Padrão de comunicação ISO/OSI

No nível 1 que é o Físico compreende os componentes físico de uma rede (cabos, conectores e acessório). Ao especificar o limite de comprimento de diversos tipos de cabos utilizados em rede de dados, determinando as taxas de transmissão e distribuição que podem ser atingidas. Havendo uma transmissão de uma cadeia de bits que podem ser serial ou paralela (com N bits), half duplex ou full duplex, não se preocupando com o seu significado ou com a forma como esses bits são agrupados.
Nesse mesmo nível pode-se usar um único circuito de transmissão para transmitir dados de duas ou mais conexões físicas multiplicando o acesso a esse circuito. O mesmo não trata de erros de transmissão.

Figura 12 - Equipamentos da estrutura física.

O meio é conectado por equipamentos transmissores e receptores. As conexões vão depender das topologias (ponto a ponto e multiponto) e do meio físico que diz como as ligações podem ser implementadas.
Existe algumas características observadas: Mecânicas e elétricas.
Mecânica: Define o tamanho e a forma de conectores, pinos, cabos que compõe o circuito de transmissão.
Elétricas: Especificam valores dos sinais elétricos usado para representar bits. Determina as taxas de transmissão e distancia que podem ser atingido. Funcionais (ou de procedimento): Para ativar, manter e desativar conexões físicas para a transmissão de bits entre entidade de nível de enlace através de sistema intermediário. Sendo que os procedimentos especificam a seqüência de sinais que devem ocorrer para que uma interface do nível físico cumpra o seu papel de transmitir bits.
Função: É transmitir uma cadeia de bits pela rede sem se preocupar com o seu significado ou com a forma como esses bits são agrupados. Não trata de erros de transmissão.
As entidade de nível físico são interligadas pôr circuito de transmissão de dados que define um caminho para comunicação em um meio físico. Utiliza sistema intermediário que atuam retransmitindo bits.

3.1 - Meios de Transmissão

Como foi dito anteriormente que a função primordial da camada física é a transmissão de bits de uma máquina para outra. Os meios de transmissão mais comumente utilizados são: Par Trançado, Cabo Coaxial, Fibra Ótica, Radiodifusão e Ligação ao Meio.
Pode-se dividir basicamente os meios físicos via cabo em 2 tipos: Condutores Elétricos e  Condutores Óticos. Condutores Elétricos: Dentre os diversos tipos de condutores conhecidos, os mais utilizados na transmissão e recepção de sinais são os cabos de par trançados e os cabos coaxiais.

3.1.1 - Cabo de Par Trançado

Figura 13 - Par Trançado sem blindagem

No cabo de par trançado, existem pares de fios entrelaçados que apresentam 2 condutores (um positivo e outro negativo). O primeiro é normalmente um fio de cor laranja, verde, azul ou marrom e o segundo , um fio de cor branca ou branca mesclada com a cor do condutor positivo correspondente.
Devido à essa característica (trançados), esses condutores geram um campo eletromagnético que funciona como barreira contra interferências externas (cross talk), como a provocada pela proximidade de fios de energia elétrica, ou pelo sinal emitido entre os fios internos do próprio cabo.
No entanto para garantir uma alta eficiência contra ruídos externos (interferência eletromagnética-IEM) recorre-se muitas vezes à blindagem do cabo.
Desta maneira os cabos de par trançado acabam sendo divididos em 2 categorias básicas:

• UTP (Unshielded Twisted Pair) = Par trançado sem blindagem. Utilizado em redes de baixo custo, sendo de fácil manuseio e instalação, com o qual pode-se atingir velocidades de até 100Mbps.
• STP (Shielded Twisted Pair) = Par trançado com blindagem. Tem custo bastante elevado, sendo sua utilização restrita à ambientes com alto nível de interferência eletromagnética (IEM).

Figura 14 - Par Trançado com blindagem unica

Os cabos STP podem ter blindagem simples, que compreende todos os fios com uma única malha metálica ou blindagem par a par, que envolve cada par trançado com um malha de blindagem.

Assim sendo, os cabos de par trançado podem ser classificados conforme listados abaixo:

• Categoria 1: Refere-se ao cabo telefônico UTP tradicional que pode transportar voz, mas não dados. A maioria dos cabos telefônicos anteriores a 1983 era de cabos pertencentes à Categoria 1.
• Categoria 2: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 4 Mbps (megabits por segundo). Contém quatro pares trançados.
• Categoria 3: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 10 Mbps. Contém quatro pares trançados com cerca de nove torções por metro.
• Categoria 4: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 16 Mbps. Contém quatro pares trançados.
• Categoria 5: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados de até 100 Mbps. Contém quatro pares trançados de fio de cobre.
• Categoria 6: Esta categoria certifica o cabo UTP para transmissões de dados em Gigabit Ethernet. Contém quatro pares trançados de fio de cobre.

3.1.2 - Cabo Coaxial

O cabo coaxial é constituído por dois condutores: o central, que é um fio de cobre rígido, e o externo, que pode ser uma malha de fios de cobre ou uma fina tira de metal enrolada ao longo do isolamento, que separa o condutor central e a malha.
Os cabos coaxiais são blindados, pois devido à sua constituição, a malha externa ao condutor central garante uma imunidade contra interferências eletromagnéticas.
Existem basicamente 2 tipos de cabo coaxial: o 10Base5 e o 10Base2.

Figura 15 - Cabos coaxiais

O cabo 10Base5 é um tipo mais antigo encontrado em redes baseadas em mainframes (Um mainframe é um computador de grande porte, dedicado normalmente ao processamento de um volume grande de informações. Os mainframes são capazes de oferecer serviços de processamento a milhares de usuários através de milhares de terminais conectados diretamente ou através de uma rede) e instalações de antenas de TV.
Este cabo utiliza conectores BNC mostrados anteriormente e pode transmitir à uma velocidade de 10 Mbps por distâncias de até 500m.
O cabo 10Base2 é um cabo mais fino se comparado ao 10Base5 e pode transmitir à uma velocidade de 10Mbps por até 200m. No entanto , na prática, cada segmento consegue atingir no máximo 180m, devido aos conectores e atenuação presentes em cada nó da rede.
Abaixo uma imagem ilustrando os cabos coaxiais 10Base5 e 10Base2.

3.1.3 - Condutores Óticos

O meio utilizado para condução ótica, ou seja, condução de pulsos luminosos é a fibra ótica.

Figura 16 - Fibra ótica

É conveniente lembrar que no vácuo a luz atinge a velocidade de 300.000 m/s, mas quando propagada em outros meios (como por exemplo a fibra) essa velocidade diminui consideravelmente. Quando a luz passa de um meio para o outro ocorre um efeito chamado de reflexão. De acordo com a velocidade de propagação da luz em um determinado meio ou material, tem um índice de refração n que é calculado dividindo-se a velocidade na luz do vácuo pela velocidade da luz no meio.
As fibras ópticas são fabricadas com base nesse princípio visando minimizar a refração ou dispersão dos pulsos luminosos que as percorrem.
As fibras ópticas podem ser classificadas de acordo com a forma com que a luz se propaga em seu interior. Então são dividas em duas categorias: monomodais e multimodais
Monomodais: As fibras desta categoria possuem apenas um núcleo (com dimensões entre 5 a 10µm) pelo qual a luz pode se propagar. Elas são indicadas para transmissão à longa distância, requerendo assim conectores de maior precisão e dispositivos de alto custo.  Também possuem uma variação do índice de refração do núcleo em relação à casca.
Linhas telefônicas dedicadas ou backbones de aplicação de voz que percorrem grandes distâncias normalmente utilizam fibras monomodais.
Multimodais: As fibras desta categoria possuem diâmetro do núcleo maior do que as fibras monomodais, o que permite a propagação da luz por vários caminhos.  Isso ocorre devido aos vários filamentos de vidro que compõe o núcleo e servem assim vários trajetos diferentes para as emissões luminosas. Devido à essa característica é possível transmitir simultaneamente ligações telefônicas e links de dados com largura de banda de vários Mbps.

Protocolo TCP/IP

Figura 17 - Protocolo TCP/IP

Quando a Internet foi desenvolvida, surgiu junto com ela o modelo OSI que se dividia em 7 camadas.
No entanto foi desenvolvido um modelo estratificado da Internet composto apenas 4 camadas. Segue na figura 16 o comparativo entre o modelo OSI e este modelo estratificado.
As funções dos níveis Físico e de Enlace (modelo OSI) são basicamente as mesmas do seu corresponte no modelo TCP/IP, consistindo em prover o transporte confiável de informação entre os terminais.
O nível de rede no entanto tem sua particularidade, ao qual atribui-se o nome de Nível de Rede ou apenas IP. O nível de rede implementa a abstração de uma rede de redes.
O protocolo chamado IP (Internet Protocol) define então dois elementos fundamentais dessa rede de redes (Internet):

• Endereçamento Universal.
• Roteamento de Mensagens pela rede.

O endereçamento universal permite identificar cada máquina ligada à rede. As máquinas que executam o protocolo IP atuam em um sistema cooperativo,de modo que para entregar uma mensagem despende-se um esforço razoável e caso não consiga entregar a mensagem é descartada.
O Nível de Transporte tem suas funções implementadas por 2 protocolos:

• UDP (User Datagram Protocol)
• TCP (Transmission Control Protocol)

Figura 18 - Camadas do Protocolo TCP/IP

O UDP fornece um transporte não confiável entre máquinas, e assim como IP funciona com base na cooperação.  Esse protocolo é capaz de transportar diversas mensagens oriundas de vários aplicativos diferentes utilizando um único canal lógico de comunicação. Cada mensagem UDP fornece portas para distinguir os processos executados em uma mesma máquina, indicando o início de cada pacote, as portas de origem e destino.  Para aplicativos que suportam perda eventual de mensagens o UDP propicia um meio de transporte simples e eficiente.
Já o TCP garante que todas as mensagens enviadas pelo remetente sejam recebidas pelo destinatário na ordem correta, além de conter mecanismos que controlam o fluxo de mensagens de modo que o transmissor não sobrecarregue o transmissor. Esse protocolo também permite o controle de tráfego de mensagens na rede como um todo, evitando que a capacidade agregada da rede de transportar mensagens seja excedida.

Apostila Redes de computadores pode ser baixado em: 20_03_01 Rede de computadores .

© Direitos de autor. 2013: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/03/2020