Fyzická vrstva. RNDr. Ing. Vladimir Smotlacha, Ph.D.

Transkript

1 Fyzická vrstva RNDr. Ing. Vladimir Smotlacha, Ph.D. Katedra počítačových systémů Fakulta informačních technologií České vysoké učení technické v Praze Vladimír Smotlacha, 2011 Počítačové sítě BI-PSI LS 2010/11, Předn. 2 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

2 Obsah datový kanál a jeho vlastnosti kódování metalická media optická media bezdrátové spoje satelitní spoje 2

3 Datový kanál atributy jednosměrný x obousměrný point-to-point x multipoint (sdílené medium) problém přístupu k mediu analogový x digitální přenosová kapacita doba přenosu (zpoždění) chybovost 3

4 Datový kanál - parametry kapacita kanálu (bitrate, data rate, data speed, throughput,...) uvádí se v bitech za sekundu (b/s, bit/s, bps), vyjímečně v bytech za sekundu (B/s) kilo znamená 1000 (nikoliv 1024), atd... celkový počet přenesených bitů za sekundu včetně overheadu zpoždění (delay, latency) doba průchodu kanálem - od odeslání bitu do jeho přijetí radiový signál - šíření rychlostí světla elektrický nebo optický signál (kabel,vlákno) podle typu média, přibližně 2/3 rychlosti světla 4

5 Bit a baudy Baud - jednotka modulační rychlosti (baud rate) udávající počet změn stavu přenosového média za jednu sekundu vztah Bd a bit/s závisí na kódování, často 1 Bd odpovídá 1 bit/s teoretický příklad: modulace pomocí 4 napěťových úrovní: 00 ~ -10 V, 01 ~ -2 V, 10 ~ +2 V, 11 ~ +10 V pak 1 Bd jsou 2 bit/s 5

6 Přenosový kanál - kapacita Pro daná kmitočtové pásmo a šum lze určit limitní kapacitu: Nyquistova věta Shannonova věta C =2 B log 2 V C =B log 2 1 S / N B - šířka pásma, resp max. kmitočet [Hz] C - přenosová rychlost [b/s] V - počet diskrétních hodnot S/N - odstup signál-šum 6

7 Kapacita kanálu - příklad telefonní kanál - omezení kmitočtu 3 khz podle Nyquistovy věty nemůže přenášet více než 6 kb/s binárního signálu pro zvýšení kapacity se musí zvýšit počet rozlišovaných úrovní podle Shannonova teorému je při S/N= 30 db (1000) maximální kapacita kanálu 30 kb/s ADSL - šířka pásma je cca 1MHz odstup S/N cca 40 db, tedy jen několik km z ústředny do domu kapacita kanálu je tak max. 13 Mb/s 7

8 Sériový a paralelní přenos paralelní přenos přenos několika bitů současně po samostatných vodičích taktovací signál hrana (strobe) nebo úroveň(enable) určuje platná data příklady: ATA, SCSI, Centronics, sběrnice procesoru,... sériový přenos jednotlivé bity přenášeny sekvenčně po jednom vodiči příklady: V.24 8

9 Synchronní přenos varianty vysílač vysílá i hodinový signál další vodič s hodinovým signálem strobe např. I2C, paralelní komunikace,... hodinový signál zakódován do přenášených dat přijímací strana obnoví hodinový signál (clock recovery) např. kódování Manchester vlastnosti lze přenášet velmi dlouhé bloky dat větší propustnost složitější hardware 9

10 Asynchronní přenos hodiny přijímače a vysílače jsou nezávislé přenášená data obsahují značku začátku nebo speciální znak např. start/stop bit v RS-232 např. HDLC nastaví se fáze hodin přijímače (nikoliv frekvence) vlastnosti větší overhead snižuje kapacitu kanálu přenášený blok dat má omezenou délku jednodušší implementace 10

11 Kódování účel kódování přizpůsobení fyzikálním vlastnostem media samočinná detekce / oprava chyb (forward error detection/correction) sdílení media (FDMA, CDMA) účelem kódování není učinit data nečitelná pro ostatní neplést se šifrováním! 11

12 Vlastnosti kódování stejnosměrná složka je často je nežádoucí: transformátor, omezené kmitočtové pásmo přenos hodinového signálu frekvenční synchronizace přijímače obnovení hodinového signálu (clock recovery) šířka kmitočtového pásma (bandwidth) přenosová rychlost zmenšení využitého pásma (overhead) 12

13 Asynchronní sériový přenos přenášená sekvence start bit 5-8 datových bitů volitelný paritní bit stop bit start bit spustí hodiny přijímače stop bit odpovídá klidovému stavu 13

14 Non-return to zero chybí auto-synchronizace 14

15 Non-return to zero inverted O = stejný stav 1 = změna stavu např. USB 15

16 Bipolar nemá stejnosměrnou složku 16

17 MLT-3 cyklus -1,0,1,0,... např. FDDI, 100BaseTx 17

18 Manchester dvojnásobná šířka pásma oproti NRZ, např.ieee Ethernet, IEEE Token Bus 18

19 Diferenciální manchester 1 otáčí hranu, ignoruje polaritu, např. IEEE Token Ring 19

20 4B5B 4 bity zakóduje do 5 bitů obnovení hodin 0 nejvýše 3x za sebou např. 100BaseTx, 100BaseFx (0000) (0001) (0010) (0011) (0100) (0101) (0110) (0111) A B C D E F (1000) (1001) (1010) (1011) (1100) (1101) (1110) (1111)

21 Modulace nosný signál je ve své podstatě analogový analogová modulace = analogový modulační signál modulace je konverze do analogového signálu amplitudová, frekvenční, fázová modulace digitální modulace = digitální modulační signál fázové (PSK, phase-shift keying), frekvenční (FSK), amplitudové (ASK) klíčování kvadratická modulace (QAM, quadrature amplitude modulation) 21

22 Multiplexování sdílení media pro více nezávislých kanálů FDMA frekvenční multiplex TDMA časový multiplex Frequency Division Multiple Acccess Time Division Multiple Access CDMA Code Division Multiple Access 22

23 FDMA každý kanál má své vyhrazené frekvenční pásmo příklady rozhlasové / televizní vysílání ADSL a hlas na telefonní lince 23

24 TDMA datové kanály se střídají v přístupu k media frame - jednotka přenosu, obsahuje všechny kanálů příklady GSM DECT (přenosné telefony) 24

25 CDMA několik vysílačů sdílí současně ten samý přenosový kanál rozprostřené (spread) spektrum modulovaný signál má větší datové pásmo než uživatelská data příklady: síť CDMA2000 (3G mobilní telefony) GPS 25

26 Multiplex - porovnání 26

27 Telefonní linky analogový modem v hovorovém pásmu 3 khz max kb/s DSL (resp. ADSL asymmetric DSL) 27

28 Metalická media symetrická kroucená dvojlinka (twisted pair) nesymetrická koaxiální kabel 28

29 UTP / STP 29

30 Kategorie UTP / STP cat 3 cat 4 cat 5 cat 5e cat 6 cat 6a cat 7 16 MHz, 10Mbps 20 MHz, 16Mbps 100 MHz, 100Mbps (1Gbps) 100 MHz, 1Gbps 250 MHz, 1Gbps (10Gbps) 500 MHz, 10Gbps 600 MHz, 100Gbps (2013) 30

31 Optická média 31

32 Lom a odraz světla 32

33 Lom a odraz světla (2) 33

34 Lom a odraz světla (3) 34

35 Šíření světla ve vlákně 35

36 Typy vláken 36

37 Útlum 37

38 Optické konektory FC/PC ST MT LC E2000 SC MT-RJ Opti-Jack 38

39 Bezdrátová media 39

40 Radiové vlny 100 khz 1 GHz ( 300 m 30 cm) šíření pozemní ohyb za obzor (klesá se stoupající frekvencí) odraz od ionosféry jen určité vlnové délky závisí i na vnějších podmínkách sluneční aktivita, denní doba... příklad rozhlas, televize (analogové, DVB-T), GSM a CDMA ( MHz) 40

41 Mikrovlny 300 MHz - 30 GHz (1 m 10 cm) šíření přímočaře směrové antény odraz, lom (reflexe, refraxe) multipath - znehodnocení signálu příklad radioreléové trasy, WiFi,... 41

42 Infračervené záření IR LED dosah v řádu metrů IR laser / laser LED dosah stovky metrů nespolehlivé: mlha, vlnění horkého vzduchu 42

43 Satelitní komunikace geostacionární výška km nad rovníkem rozestup min. 2, tedy jen 180 pozic střední oběžná dráha mezi km (2-24 h) polární dráhy např. GPS, meteorologické satelity nízká oběžná dráha pod 2000 km např. Iridium 43

44 Poděkování Janu Kubrovi z FEL ČVUT za poskytnutí slajdů, z nichž některé byly částečně využity v této přednášce 44

45 Děkuji za pozornost 45