Meios Óticos x Meios Metálicos

Como já comentamos em algum momento, os meios de transmissão podem ser separados em duas grandes famílias, que são as transmissões "com fio" e as "sem fio". Dois dos principais tipos de meios de transmissão "com fio" em uso, hoje em dia, são os meios metálicos e os meios óticos (ou ópticos). Os meios "sem fio" serão vistos em outro artigo.

Meios Metálicos

Os meios metálicos, de forma geral, são caracterizados por usar algum tipo de fio ou fios metálicos, geralmente em liga de cobre, para a transmissão dos dados. Para isso normalmente são usados sinais elétricos, que podem consistir de níveis de tensão ou corrente elétrica.

Esse tipo de meio tem baixa resistência a interferências externas de rádio-frequência (RFI) e eletro-magnetismo (EMI). Existe também o efeito de indução elétrica, que ocorre quando dois fios condutores estão próximos, e uma corrente elétrica é passada por um deles. Essa corrente gera um campo elétrico que induz uma corrente proporcional (e de sentido contrário) no outro fio. Como é comum que vários fios sejam colocados em posição próxima nas instalações de rede, o efeito de indução causado é significativo.

De fato, em alguns tipos de rede, o efeito de indução é tão significativo que acaba sendo um fator determinante das regras de construção. O maior exemplo são os cabos ethernet de par trançado (UTP), onde temos oito fios de cerca de 1mm de diâmetro agrupados em um cabo de cerca de 5mm de diâmetro. Toda a construção do cabo (inclusive a característica que os define, o enroscamento dos pares entre si, ou trançamento) é feita para minimizar a interferência de indução entre os fios, também chamada de linha cruzada, ou, no termo em inglês, "Cross Talk".

Também as técnicas de montagem dos conectores são definidas para minimizar o efeito de linha cruzada. A norma EIA/TIA 568 define alguns parâmetros de medição (NEXT - Near End Cross-Talk, FEXT - Far End Cross-Talk, PSNEXT - Power Sum Near End Cross-Talk, etc) que, quando são seguidas as instruções de montagem, ficam dentro de limites aceitáveis. Ainda assim, como esses efeitos são cumulativos com a distância percorrida pelo sinal no cabo, a norma impõe o comprimento máximo de 100m para o cabo ethernet.

Outro fator a levar em conta, nos meios metálicos, é a velocidade de propagação dos sinais no meio. A propagação de um sinal elétrico num cabo leva um tempo significativo, tempo esse que influi não só na latência de transmissão de dados por esse cabo, como no próprio funcionamento do esquema de transmissão. Por exemplo, no caso dos cabos usados nas primeiras versões das interfaces ethernet, esse efeito é fundamental para o funcionamento do protocolo CSMA/CD: o tempo necessário para o sinal alcançar o ponto mais distante do cabo, sofrer uma colisão e o sinal de colisão retornar, define não só os parâmetros do próprio CSMA/CD, como a distância máxima do enlace (não confundir com a distância máxima do cabo, que é definida pela atenuação e diafonia) e a quantidade de repetidores permitidos no enlace.

A interferência por RFI e EMI também é importante; por exemplo, existe uma recomendação de que cabos ethernet não sejam instalados em paralelo com fios elétricos AC, nem que sejam usados perto de motores elétricos de alta potência.

Por fim, a segurança elétrica do meio metálico também é crítica. Sendo controlados por circuitos eletrônicos, os níveis normais de operação de corrente e tensão são mínimos, normalmente da ordem de miliamperes (milésimos de ampere) e alguns poucos Volts. Sendo assim, descargas elétricas de alta voltagem ou corrente são catastróficas para os circuitos. Isso inclui não só descargas atmosféricas (raios), mas também descargas estáticas, e mesmo aquelas causadas por curto-circuitos com a fiação elétrica AC.

Tendo isso em mente, a instalação de links usando meios metálicos deve ser acompanhada de proteções contra descargas elétricas, e também de aterramento eficiente de todos os equipamentos utilizados.

Com todas essas desvantagens, seria de esperar que os meios metálicos estivessem em desuso; mas, pelo contrário, são e ainda serão os mais utilizados por muito tempo. Por quê? Principalmente porque são baratos. Além disso, há uma grande experiência no seu uso, o que faz com que praticamente todas as situações desfavoráveis sejam desconhecidas e, de certa forma, contornáveis. Além disso, os fios metálicos são resistentes a tração e dobra. O nível de conhecimento e treinamento para sua instalação e uso é mínimo, podendo inclusive ser usado por usuários finais.

Meios Óticos

Quando se fala em meios óticos, normalmente fala-se em fibras óticas. Enquanto num meio metálico a transmissão é feita por pulsos ou sinais elétricos passando por um fio metálico condutor, no meio ótico a transmissão é feita por um pulso ou sinal luminoso passando por um meio transparente, que pode ser vidro, plástico, acrílico, cristal, etc.

É um fato conhecido que a luz transmite-se em linha reta. Para que seja possível que ela seja usada para transmissão de dados, então, é necessário que ela consiga fazer curvas. Isso é possível graças à combinação dos efeitos de refração e reflexão que ocorrem dentro de uma fibra ótica.

A fibra ótica é formada por um meio central, de espessura ínfima, chamado de núcleo da fibra, e de um revestimento também transparente, porém de composição diferente. A espessura estreita do núcleo faz com que todos os raios de luz que incidam sobre a fronteira entre o núcleo e o revestimento o façam em um ângulo raso, o que faz com que a maior parte do raio seja refletido de volta para o núcleo, mesmo que este esteja curvado (os materiais componentes da fibra são flexíveis). O restante da luz, graças à diferença dos materiais, é refratada, entrando no revestimento em um ângulo ainda mais raso, o que faz com que esta seja refletida de volta ao atingir a borda externa do revestimento.

Existem dois grandes grupos de fibras: as multi-modo (MM) e as mono-modo (SM). A diferença entre elas está na espessura do núcleo, que é tão fino, nas fibras mono-modo, que apenas um fóton consegue entrar nela por vez. Isso evita um efeito chamado dispersão modal, que atrapalha a propagação dos sinais dentro da fibra. Com isso, as fibras mono-modo conseguem transmitir muito mais dados, por uma distância muito maior. O preço disso, no entanto, é que os equipamentos necessários para transmitir ou receber, nas fibras monomodo, são também muito mais caros (não que os outros sejam baratos).

Uma característica importante da transmissão por meios óticos é que a luz não sofre qualquer interferência de EMI ou RFI. Além disso, não há passagem de corrente ou tensão elétrica pelo condutor ótico, o que faz a fibra ótica ideal para transmissão em locais de alta interferência, ou ainda em instalações externas.

A montagem e conectorização da fibra ótica exige muita técnica e detalhe. Por exemplo, o procedimento para emendar duas fibras (normalmente pela fusão entre elas) exige um alinhamento preciso dos dois núcleos. Um equipamento de fusão de fibras pode chegar a custar milhares de dólares.

Outra questão importante nas fibras é que a luz que corre por elas não é como a de um pisca-pisca de natal; pelo contrário, fontes de alta potência são usadas, e embora gerem feixes muito estreitos, podem chegar a atingir níveis danosos aos olhos. Assim, nunca se deve olhar diretamente para a ponta de uma fibra ativa. Esse risco faz com que não seja aconselhável o uso de fibras em locais de grande circulação e/ou pouco controle das pessoas.

Existe uma grande variedade de opções de fibras óticas, cada uma com uma aplicação específica. Para que seus equipamentos não fiquem limitados a um uso, a maioria dos fabricantes modulariza as interfaces, separando a parte específica para o tipo de fibra em uso em um transceiver. Observe que esse modelo adapta-se perfeitamente ao modelo de sub-camadas PHI e MAC da camada 2 (Enlace de dados). Hoje em dia, os transceivers mais usados são do tipo SFP+ ou QSFP+.

Em termos de capacidade de transmissão, as fibras óticas são muito superiores aos meios metálicos, tanto em taxa de dados, quanto em distância. Em termos de comparação, uma fibra comum pode transmitir facilmente entre 1 e 100Gbps, em distâncias de 300m a 5Km, ou até 20Km ou mais, com fibras mono-modo. Na realidade, não se conhece ainda um limite para a taxa de transmissão das fibras óticas, sendo os limites atuais criados pelos equipamentos de transmissão.

Outro detalhe interessante das fibras é que normalmente elas são utilizadas em enlaces unidirecionais, o que exige, para a criação de um enlace bidirecional, duas fibras. Tanto os transceivers quanto os conectores das fibras levam isso em conta; no entanto, isso torna possível a ocorrência de dois erros de montagem comuns; no primeiro, cada uma das fibras de um par acaba sendo montada de forma que o transmissor de uma ponta é conectada ao transmissor da outra, em vez do receptor, impedindo o funcionamento. No segundo, uma das fibras do par é conectado inadvertidamente em outra interface, ou ainda, não conectado corretamente, fazendo com que a interface funcione apenas em uma direção. Isso gera uma condição perigosa para o ambiente, pois vários dos protocolos de rede baseiam-se na ideia de que todos os equipamentos são capazes de comunicação bidirecional, e o Spanning-Tree é um deles. A ocorrência de interfaces unidirecionais pode "quebrar" o Spanning-Tree, e por isso vários fabricantes desenvolveram formas de detectar interfaces unidirecionais. Essas técnicas são conhecidas genericamente como UDLD (Unidirecional Data Link Detection).

Por enquanto é só. Até o próximo artigo.