Camada Física
Introduction to Networks (ITN) · Cisco CCNAv7
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Por que devo cursar este módulo?
Bem-vindo à Camada Física! ☠️
A camada física do modelo OSI fica na parte inferior da pilha. Faz parte da camada de Acesso à Rede do modelo TCP/IP. Sem a camada física, você não teria uma rede.
Conexões com fio · Sem fio · Componentes físicos
O que vou aprender neste módulo?
Objetivo do módulo: Explicar como os protocolos de camada física, os serviços e a mídia de rede possibilitam as comunicações em redes de dados.
| Título do Tópico | Objetivo do Tópico |
|---|---|
| Propósito da camada física | Descrever a finalidade e as funções da camada física na rede. |
| Características da camada física | Descrever as características da camada física. |
| Cabeamento de cobre | Identificar as características básicas do cabeamento de cobre. |
| Cabeamento UTP | Explicar como o cabo UTP é usado em redes Ethernet. |
| Cabeamento de fibra óptica | Descrever o cabeamento de fibra óptica e suas principais vantagens em relação a outros meios físicos. |
| Mídia sem fio | Conectar dispositivos usando meio físico com e sem fio. |
Propósito da camada física
A camada física do modelo OSI fornece os meios para transportar os bits que formam um quadro da camada de enlace de dados no meio físico de rede.
Aceita um quadro completo da camada de enlace de dados e o codifica como uma série de sinais transmitidos à mídia local.
Recupera sinais individuais do meio físico, restaura-os aos bits e passa para a camada de enlace de dados.
A conexão física
Antes que ocorra qualquer comunicação em rede, é necessário estabelecer uma conexão física com uma rede local.
Conexão com fio
Usando cabo a um comutador compartilhado. Dados transmitidos por cabo físico.
Conexão sem fio
Usando ondas de rádio. Dispositivos conectam a um ponto de acesso (AP) ou roteador sem fio.
A Camada Física
A camada física aceita um quadro completo da camada de enlace de dados e o codifica como uma série de sinais que são transmitidos à mídia local.
Usuário
TCP
IP
Ethernet
(Camada Física)
Placa de interface de rede para conexão com fio. Converte dados em sinais elétricos.
Placa para conexão sem fio. Usada em tablets e smartphones.
Características da camada física
As conexões físicas variam em termos de nível de desempenho. Nem todas as conexões físicas são iguais.
| Característica | Descrição |
|---|---|
| Largura de banda | Capacidade máxima de transmissão do meio (medida em bps) |
| Latência | Atraso na transmissão entre origem e destino |
| Distância | Alcance máximo do sinal sem perda significativa |
| Imunidade a ruídos | Resistência a interferências eletromagnéticas |
Cabeamento de cobre
O cabo de cobre é o tipo mais comum de meio físico em redes. Utiliza pulsos elétricos para transmitir dados.
Sinais elétricos
Bits codificados como pulsos de voltagem
Suscetível a ruídos
Interferência eletromagnética (EMI)
Limite de distância
100m para Ethernet (atenuação)
Cabeamento UTP
UTP (Unshielded Twisted Pair) é o cabo mais comum em redes Ethernet. Par trançado reduz interferência eletromagnética.
Conector padrão para cabos UTP. Possui 8 pinos correspondentes aos 4 pares trançados.
Cabeamento de fibra óptica
Utiliza pulsos de luz (LED ou laser) para transmitir dados. Oferece vantagens significativas sobre o cobre.
| Vantagem | Descrição |
|---|---|
| Largura de banda | Muito superior ao cobre |
| Distância | Kilômetros sem repetidores |
| Imunidade | Sem interferência eletromagnética |
| Segurança | Difícil de interceptar sinal |
LED/Laser → Pulso de luz → Fotodetector
Compatível com multimodo (LED) e monomodo (Laser)
Meios sem fio
Dispositivos se conectam à rede usando ondas de rádio, sem cabos físicos.
Ponto de Acesso (AP)
Dispositivo que permite conexões sem fio à rede com fio
Roteador sem fio doméstico
Combina: antenas sem fio + portas Ethernet + porta Internet
Verifique seu aprendizado
1. Qual das seguintes afirmações descreve CORRETAMENTE a função da camada física?
2. Qual tipo de NIC é obrigatório para um tablet ou smartphone se conectar à rede?
3. Qual é a principal vantagem da fibra óptica sobre o cabo de cobre?
Características da camada física
Os protocolos e operações das camadas OSI superiores são executados usando software. Já a camada física consiste em circuitos eletrônicos, meios físicos e conectores desenvolvidos por engenheiros.
Componentes Físicos
Os padrões da camada física abordam três áreas funcionais: Componentes Físicos, Codificação e Sinalização.
Componentes Físicos
Dispositivos de hardware eletrônico, mídia e conectores que transmitem sinais
Codificação
Método para converter fluxo de bits em código predefinido
Sinalização
Como os bits são representados fisicamente no meio
NICs (placas de rede), interfaces, conectores RJ-45, materiais de cabo, portas em roteadores Cisco 1941.
Codificação (Line Coding)
A codificação é um método para converter um fluxo de bits de dados em um "código" predefinido, criando um padrão previsível reconhecido por emissor e receptor.
Codificação Manchester (Ethernet 10BASE-T)
| Padrão Ethernet | Codificação |
|---|---|
| 10BASE-T | Manchester |
| 100BASE-TX (Fast Ethernet) | 4B/5B |
| 1000BASE-T (Gigabit Ethernet) | 8B/10B |
Sinalização
A camada física deve gerar os sinais elétricos, ópticos ou de rádio que representam os valores "1" e "0" no meio físico.
Cabo de Cobre
Pulso curto = 0
Fibra Óptica
Ausência de luz = 0
Mídia sem Fio
Modulação de amplitude
Largura de Banda (Bandwidth)
Largura de banda é a capacidade na qual um meio pode transportar dados. Mede a quantidade de dados que podem fluir de um lugar para outro durante um determinado tempo.
| Unidade | Sigla | Equivalência |
|---|---|---|
| Bits por segundo | bps | Unidade fundamental |
| Quilobits por segundo | Kbps | 1.000 bps = 10³ bps |
| Megabits por segundo | Mbps | 1.000.000 bps = 10⁶ bps |
| Gigabits por segundo | Gbps | 1.000.000.000 bps = 10⁹ bps |
| Terabits por segundo | Tbps | 1.000.000.000.000 bps = 10¹² bps |
- Propriedades do meio físico
- Tecnologias de sinalização e detecção
Terminologia de largura de banda
Os termos usados para medir a qualidade da largura de banda incluem: Latência, Taxa de transferência (Throughput) e Dados úteis (Goodput).
O termo latência se refere ao tempo necessário para os dados viajarem de um ponto a outro, incluindo atrasos.
Taxa de transferência é a medida da transferência de bits através da mídia durante um determinado período.
- A quantidade de tráfego
- O tipo de tráfego
- A latência criada pelo número de dispositivos de rede encontrados entre a origem e o destino
Exemplo de teste de velocidade online
Há uma terceira medida para avaliar a transferência de dados utilizáveis: o goodput.
- Estabelecer sessões
- Reconhecimentos (ACKs)
- Encapsulamento (headers)
- Bits retransmitidos
Relação entre as métricas
| Métrica | Definição | Comparação |
|---|---|---|
| Latência | Tempo total (ida + atrasos) que um dado leva para ir da origem ao destino | Quanto menor, melhor; alto impacto em aplicações real-time (VoIP, videoconferência) |
| Throughput | Bits reais transferidos por segundo através da mídia | Sempre ≤ Largura de Banda; afetado por tráfego, latência e dispositivos intermediários |
| Goodput | Dados úteis do usuário transferidos por segundo (exclui overhead) | Sempre ≤ Throughput; perde bits em headers, ACKs e retransmissões |
A largura de banda é o que você contrata do provedor (ex: 100 Mbps). O throughput é o que você mede no speed test (ex: 80.78 Mbps). O goodput é o que você realmente aproveita após descontar cabeçalhos, confirmações e retransmissões (ex: 75 Mbps). A latência é o atraso que você sente em jogos ou chamadas de vídeo.
Características do Cabeamento de Cobre
O cabeamento de cobre é o tipo mais comum de cabeamento usado nas redes hoje em dia. Existem três tipos diferentes de cabeamento de cobre usados em situações específicas.
Suscetibilidade a interferências
A temporização e a voltagem dos pulsos elétricos são suscetíveis à interferência de duas fontes:
EMI / RFI
Interferência eletromagnética ou de radiofrequência. Fontes: luzes fluorescentes, motores elétricos, dispositivos de rádio.
Diafonia (Crosstalk)
Perturbação causada pelo campo magnético de um sinal em um fio para o sinal em um fio adjacente. Ex: ouvir outra conversa no telefone (linha cruzada).
Como a interferência afeta o sinal digital
Recomendações para limitar ruído
- Selecionar o tipo ou categoria de cabo mais adequado para o ambiente
- Projetar infraestrutura para evitar fontes conhecidas de interferência
- Usar técnicas de manuseio e terminação adequadas dos cabos
Para contrabalançar crosstalk: pares de cabos de circuitos opostos trançados juntos (cancelamento).
Tipos de cabeamento de cobre
Há três tipos principais de mídias de cobre usadas em redes:
UTP
Par trançado não blindado
Mais comum em LANs
STP
Par trançado blindado
Maior proteção contra ruído
Coaxial
Dois condutores mesmo eixo
Antenas e internet a cabo
Par trançado não blindado (UTP)
O cabeamento UTP é o meio físico de rede mais comum. Terminado com conectores RJ-45, é usado para interconectar hosts de rede com dispositivos intermediários (computadores e roteadores).
1. Capa externa
Protege os fios de cobre contra danos físicos
2. Pares trançados
Protegem o sinal contra interferências (crosstalk)
3. Isolamento plástico
Código de cores: isola eletricamente os fios e identifica cada par
Par trançado blindado (STP)
O STP oferece maior proteção contra ruído do que o cabeamento UTP.
Estrutura do cabo STP (4 números na figura)
- Revestimento exterior - proteção física
- Escudo trançado ou laminado - blindagem metálica geral
- Escudos de alumínio - blindagem individual dos pares
- Pares trançados - quatro pares de cabos
Cabo coaxial
O cabo coaxial (coax) recebeu esse nome porque tem dois condutores que compartilham o mesmo eixo.
Estrutura do cabo coaxial (4 camadas)
- Revestimento exterior - proteção contra danos físicos
- Blindagem de cobre trançado - segunda camada (circuito + proteção EMI)
- Isolante plástico - separa condutor da blindagem
- Condutor de cobre - transmite os sinais eletrônicos
Conectores Coaxiais
Usos atuais do cabo coaxial
Cabos coaxiais conectam antenas a dispositivos sem fio. Transportam energia de radiofrequência (RF) entre antenas e equipamento de rádio.
Provedores de serviço a cabo fornecem internet substituindo partes do coaxial por fibra óptica, mas o cabeamento dentro das instalações do cliente ainda é coaxial.