O que faz a Camada Física?

Segundo Tanenbaum (Cap. 2.1), ela cuida da transmissão bruta de bits. Isso inclui:

• Especificação Mecânica – conectores, pinos (RJ-45, LC).
• Especificação Elétrica – níveis de tensão, temporização de sinais.
• Especificação Funcional – interpretação lógica dos níveis (0, 1).
• Especificação Procedimental – handshaking e sequência de eventos.

Serial vs. Paralela

Serial envia bit a bit por um único fio; Paralela usa vários fios simultâneos. Hoje, serial domina (USB, Ethernet, RS-232) porque é mais simples e sofre menos interferência.

Meios de Transmissão

São guiados (UTP, fibra) e não-guiados (Wi-Fi, rádio). Cada um tem seu alcance, atenuação e largura de banda:

Referências: Kurose Cap. 1, Tanenbaum 1

Hands-On

Use em Linux: ethtool eth0 para ver velocidade, duplex e status.

Atividade (10 min): Rode ethtool eth0, anote os parâmetros e discuta como a auto-negociação afeta a camada física.

Especificações Técnicas

Atente em atenuação e banda de cada meio:

Padrões Ethernet

• 10BASE-T (10 Mbps, Cat3)
• 100BASE-TX (100 Mbps, Cat5)
• 1000BASE-T (1 Gbps, Cat5e)
• 10GBASE-T (10 Gbps, Cat6A)

Crimpagem de Cabos de Rede Ethernet

A crimpagem é o processo de fixar o conector RJ-45 na ponta de um cabo de rede (UTP/FTP), conectando os fios internos na ordem correta para garantir a comunicação.

Padrões T568A e T568B: Qual Usar?

Existem dois padrões de organização dos fios dentro do conector RJ-45, definidos pela EIA/TIA-568-B:

Padrão T568A

Este é o padrão preferencial para instalações novas, especialmente nos EUA, e é mais comum em ambientes governamentais e residenciais.

Padrão T568B

Este é o padrão mais utilizado comercialmente e o mais comum na maioria das instalações de rede Ethernet ao redor do mundo, incluindo o Brasil. É o padrão de fato para a maioria das redes corporativas.

Crimpagem Prática: O Passo a Passo

Crimpagem exige precisão para garantir uma conexão estável e sem erros. Siga os passos com atenção:

1. Descascar a Capa do Cabo (aprox. 2 cm):
   • Use o alicate de crimpar (que geralmente possui uma lâmina para decapagem) para remover cuidadosamente cerca de 2 centímetros da capa externa do cabo.
   • **Cuidado:** Não corte os fios internos e evite danificar o isolamento de cada par trançado.
2. Desenrolar e Ordenar os Fios:
   • Desentrelace os pares de fios coloridos (Branco/Cor e Cor Sólida).
   • Alise cada fio o máximo possível para que fiquem retos e paralelos.
   • **Muito Importante:** Organize os fios na sequência exata do padrão que você escolheu (T568A ou T568B) – da esquerda para a direita, com o clipe do conector RJ-45 voltado para baixo/longe de você.
   • Mantenha-os bem juntos e alinhados.
3. Cortar os Fios Retos e Alinhados:
   • Com os fios na ordem e bem juntos, use o alicate de crimpar para cortar as pontas dos fios de forma que fiquem perfeitamente retos e com cerca de 1.2 a 1.5 cm de comprimento (após o ponto onde a capa externa termina). Isso é crucial para que todos os fios alcancem os pinos do conector.
4. Inserir os Fios no Conector RJ-45:
   • Segure o conector RJ-45 com o clipe virado para baixo.
   • Cuidadosamente, insira todos os 8 fios (já na ordem correta) no conector, empurrando-os até o final.
   • Verifique se cada fio alcançou a extremidade do conector e se a capa externa do cabo (não apenas os fios isolados) entrou um pouco no conector, para que seja presa pela ferramenta de crimpagem e dê estabilidade.
5. Crimpar o Conector:
   • Insira o conector RJ-45 (com os fios já dentro) no compartimento apropriado do alicate de crimpar.
   • Pressione o alicate firmemente e completamente até ouvir um "clique" e sentir que o conector foi fixado. Isso irá empurrar os pinos metálicos do conector para baixo, perfurando o isolamento de cada fio e fazendo contato.
6. Testar o Cabo:
   • A melhor forma de garantir que a crimpagem foi bem-sucedida é usar um **testador de cabos de rede**.
   • Conecte uma ponta do cabo em uma porta do testador e a outra ponta na outra. O testador acenderá as luzes em sequência (de 1 a 8) se todos os fios estiverem conectados corretamente e na ordem certa.
   • Se alguma luz não acender ou a sequência estiver incorreta, a crimpagem falhou em algum ponto e o conector precisará ser refeito.

Lab (15 min): Monte cabo T568B, teste no certificador e compare latências em cabo UTP vs fibra no Packet Tracer.

Comparativo de Latência: Cobre vs. Fibra Óptica

A **latência** é o atraso na transmissão de dados e é um fator crítico na performance da rede. Embora ambos os meios (cobre e fibra) transmitam sinais em velocidades próximas à da luz, suas propriedades físicas geram diferenças notáveis, especialmente em longas distâncias.

• **Cobre (UTP/STP):** Transmite dados via sinais **elétricos**. A velocidade de propagação do sinal no cobre é menor (cerca de 60-70% da velocidade da luz no vácuo) e é mais suscetível a interferências eletromagnéticas.
• **Fibra Óptica:** Transmite dados via pulsos de **luz**. A luz viaja mais rapidamente através do vidro (com menor atenuação) e é imune a interferências eletromagnéticas, resultando em menor latência e maior alcance.

Latência: Cobre vs Fibra

No Packet Tracer, podemos simular essas diferenças. Para isso, você montará um cenário onde dois dispositivos podem se comunicar tanto por um cabo de cobre (UTP) quanto por um cabo de fibra óptica. Desativando um dos caminhos, você força o tráfego pelo outro e compara os tempos de ping.

Cenário no Packet Tracer:

1. Adicione **dois Switches** (ex: 2960-24TT) à sua topologia.
2. Adicione **dois PCs** (PC1 e PC2) e conecte um em cada switch via cabo **Copper Straight-Through**.
3. **Adicione Módulos de Fibra** aos Switches: Clique em cada switch, vá na aba **"Physical"**, desligue o switch e arraste um módulo **"PT-HOST-1GE"** (ou similar) para um slot vazio. Ligue o switch novamente.
4. Conecte os **dois Switches** entre si utilizando:
   • Um cabo **Copper Straight-Through** (cobre).
   • Um cabo **Fiber Straight-Through** (fibra), usando as portas dos módulos que você adicionou.
5. Configure os **endereços IP** nos PCs na mesma rede. Exemplo:
   • **PC1:** `192.168.1.10` / `255.255.255.0`
   • **PC2:** `192.168.1.11` / `255.255.255.0`

Procedimento de Teste:

Para isolar o teste em cada meio, você precisará desativar temporariamente uma das conexões entre os switches via CLI (Command Line Interface) de um dos switches.

1. No **Switch1 (CLI)**, entre no modo de configuração global:

   Switch> enable
   Switch# configure terminal

2. **Teste com Cabo de Cobre (UTP):**
   • **Desative a porta de Fibra** no Switch1. Exemplo (ajuste o nome da interface para a sua porta de fibra):

     Switch(config)# interface GigabitEthernet0/1  (supondo que G0/1 seja a fibra)
     Switch(config-if)# shutdown

   • No **PC1**, abra o **Command Prompt** e execute o ping para o PC2:

     user@pc1:~$ ping -c 4 192.168.1.11

   • Anote o tempo médio (`time=Xms`) das respostas. Este será o tempo via UTP.
3. **Teste com Cabo de Fibra:**
   • No **Switch1 (CLI)**, reative a porta de Fibra e **desative a porta de Cobre**. Exemplo:

     Switch(config-if)# no shutdown (para reativar a fibra)
     Switch(config-if)# exit
     Switch(config)# interface FastEthernet0/1 (supondo que F0/1 seja o cobre)
     Switch(config-if)# shutdown

   • No **PC1**, abra o **Command Prompt** novamente e execute o ping para o PC2:

     user@pc1:~$ ping -c 4 192.168.1.11

   • Anote o tempo médio (`time=Xms`) das respostas. Este será o tempo via Fibra.

Resultados Esperados:

No exemplo abaixo, você veria uma diferença perceptível (ainda que pequena no Packet Tracer, devido à natureza da simulação em ambiente controlado). Em redes reais, essa diferença se amplifica com a distância.

A Camada Física não apenas envia bits brutos, mas precisa saber **como** esses bits serão representados no meio de transmissão. É aqui que entram a **Codificação Digital** e a **Modulação Analógica**.

1. Codificação Digital: Bits em Pulsos Elétricos/Ópticos

A **codificação digital** é a forma como sequências de 0s e 1s são convertidas em sinais elétricos (para cabos de cobre) ou pulsos de luz (para fibra óptica). Cada método tem suas vantagens e desvantagens em termos de custo, complexidade, sincronização e eficiência.

Exemplo Visualizando Manchester:

Para o bit '1', o sinal pode ir de baixo para alto no meio do intervalo do bit. Para o bit '0', vai de alto para baixo. Isso garante que sempre haverá uma mudança no sinal, permitindo que o receptor se mantenha sincronizado com o transmissor.

(*Imagine um gráfico de ondas aqui, com as transições de nível no meio de cada bit para 1 e 0*)

2. Modulação Analógica: Bits em Ondas de Rádio/Luz

Quando a transmissão ocorre em meios analógicos (como ondas de rádio no Wi-Fi, linhas telefônicas para DSL, ou luz para fibra óptica que passa por conversores analógicos), os bits digitais precisam "modular" uma onda portadora analógica. Isso significa alterar uma característica dessa onda (amplitude, frequência ou fase) para representar 0s e 1s.

Exemplo Prático de Modulação: Seu modem de internet a cabo ou DSL usa QAM para espremer centenas de megabits por segundo através de um único cabo ou linha telefônica, enquanto seu Wi-Fi usa principalmente PSK e QAM para transmitir dados sem fio.

3. Multiplexação: Compartilhando o Meio

A multiplexação permite que múltiplos sinais (ou usuários) compartilhem o mesmo meio de transmissão, otimizando o uso da banda disponível. É como ter várias conversas na mesma linha telefônica sem que uma interfira na outra.

• TDM (Time-Division Multiplexing):

  • Divide o tempo de transmissão em "slots" (fatias). Cada usuário/sinal usa o canal por um curto período de tempo, de forma sequencial.
  • **Analogia:** Várias pessoas conversando no walkie-talkie, mas só uma fala por vez.
  • **Uso:** Linhas telefônicas digitais (T1/E1), SONET/SDH.

• FDM (Frequency-Division Multiplexing):

  • Divide a largura de banda total em diferentes "canais de frequência". Cada usuário/sinal é atribuído a uma frequência diferente.
  • **Analogia:** Estações de rádio (FM/AM) transmitindo em frequências diferentes ao mesmo tempo.
  • **Uso:** Rádio e TV analógicos, telefonia celular 2G.

• WDM (Wavelength-Division Multiplexing) em Fibra Óptica:

  • Uma forma de FDM para fibra óptica. Em vez de frequências de rádio, usa diferentes **comprimentos de onda (cores)** de luz para transmitir múltiplos sinais simultaneamente por uma única fibra.
  • **Analogia:** Um único "tubo" de fibra carregando várias "cores" de luz, cada uma levando um stream de dados diferente.
  • **Uso:** Backbone da internet, redes de fibra óptica de alta capacidade (transmissão de terabits por segundo). DWDM (Dense WDM) permite dezenas de canais em uma única fibra.

• OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing):

  • Uma técnica complexa que divide um único fluxo de dados em muitos fluxos de dados de baixa velocidade e os transmite em várias subportadoras de frequência ortogonais (que não interferem umas nas outras).
  • **Vantagem:** Muito robusta contra interferência e desvanecimento, e eficiente no uso do espectro.
  • **Uso:** Wi-Fi (802.11a/g/n/ac/ax), 4G (LTE), 5G (NR), ADSL, DVB-T (TV Digital).

W-Lab: Inspecionando Sua Conexão Wi-Fi no Linux

Você pode explorar os parâmetros da sua própria interface de rede sem fio no Linux para ver como algumas dessas características da camada física se manifestam na prática.