Fysisk Lag. Det fysiske laget. Maskin arkitektur. Tre klasser av medier. Kjell Åge Bringsrud (med foiler fra Pål Spilling) Galvaniske kabler;

Transkript

1 Fysisk Lag Det fysiske laget Fysisk Fysisk Kjell Åge Bringsrud (med foiler fra Pål Spilling) Den primære oppgave flytte bits fra avsender til mottaker krever: standardisert måte å representere bit inn på transmisjonsmediet standardisering av kabler og tilkoplingsutstyr synkronisering av klokketakt mellom sender og mottaker inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 2 Maskin arkitektur Tre klasser av medier CPU CACHE MEMORY I/O BUS Bus interface NETTVERKS ADAPTER Medium interface Galvaniske kabler; elektriske signaler Optiske kabler; lys signaler Trådløst; elektromagnetisk stråling: infrarødt og radiobølger inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 3 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 4 1

2 Det elektromagnetiske spektrum Tvistede par driver mottaker Inn Ut Jord moderat følsom for støy bra transmisjonsegenskaper kapasitet Mb/s avstander < 100 m inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 5 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 6 Koaksial kabel Karakteristisk impedans Inn driver Koaksialkabel mottaker Ut Inn driver Tvistet par/koaks Jord lite følsom for støy stor kapasitet ( Mb/s) lange avstander km Ethernet < 500 m inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 7 Tre ulike situasjoner: kortsluttet ende; refleksjoner åpen ende; refleksjoner terminert(z K ) ( Ω) ingen refleksjoner inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 8 2

3 Optisk fiber Fiber Optic Networks (1) Laser diode Fiber Foto diode A passive star connection in a fiber optics network. to glass-sorter med forskjellig brytningsindeks totalrefleksjon på overgangen mellom glasstypene multimodus fiber monomodus fiber ufølsom for elektronisk støy inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 9 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 10 Fiber Optic Networks (2) A fiber optic ring with active repeaters. Optisk bølgelengde multipleksing (WDM) Fiber Laser Prisme Prisme Prisme kan erstattes av et en transparent plate med parallelle streker, kalt gitter Gitter inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 11 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 12 3

4 Optiske nett-komponenter To-akse speil Fiber Multiplekser Demultiplekser Optisk svitsj Krysskopler Optisk Add/Drop inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 13 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 14 To-akse speil Nåværende bruk av fiber inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 15 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 16 4

5 Radio Transmission Kommunikasjons-Satellitter F opp til satellitten F ned fra satellitten (a) In the VLF, LF, and MF bands, radio waves follow the curvature of the earth. (b) In the HF band, they bounce off the ionosphere. inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 17 VSATer som benytter en hub. inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 18 Kommunikasjons-Satellitter Kommunikasjons-satellitter Geostasjonære satellitter (GEO) Satellitter i middels høye baner (MEO): Sirkler jordapå6 timer Satellitter i lave baner (LEO): Sirkler raskt over polene 750km oppe Kommunikasjons-satellitter og noen av deres egenskaper, herunder høyde over jorda, round trip delay og antall satellitter som trengs for global dekning. inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 19 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 20 5

6 Kommunikasjons-satellitter De viktigste satellitt-båndene: Analog og digital transmisjon forsterker analog overføring med forsterker, støy er additiv regenerator og forsterker digital transmisjon støy ikke additiv inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 21 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 22 Overføringskapasitet/kvalitet Faktorer som påvirker kvalitet og kapasitet: Pulsforvrengning gjennom mediet båndbredden til mediet gangtiden varierer med frekvensen av signalet termisk generert støy indusert støy tap p.g.a. ohmsk motstand og stråling refleksjoner p.g.a.inhomogeniteter i mediet g(t) innsignal A(f) 0% 50% Dempning A(f) Frekvensresponsen v(t) utsignal Ideell Frekv. resp inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide % Båndbredde inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 24 f 6

7 s(t) V 0 Fourier transformering Matematisk kan hvert periodiske signal beskrives som en sum av harmoniske komponenter (sinus og cosinus funksjoner av tiden) T T: periodetiden s(t) = c/2 + a n sin (2π n f 0 t) + b n cos (2 π n f 0 t) n=1 n=1 f 0 = 1/T : grunnfrekvensen inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 25 Ut-signal ved liten båndbredde Medium a(f) 1 1/3 f Båndbredde S(t) = 1 sin (2π1ft) + 1/3 sin (2 π3ft) inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 26? Ut-signal ved ulike båndbredder Nyquist s teorem (1) transmisjonskanal og 5. harmoniske Inn Ut og 7. harmoniske Alle harmoniske slipper gjennom Maks kanal-kapasitet uten interference og støy: B: båndbredde i Hz R == 2B log 2 V (b/s) V: antall signalnivåer Eks. V = 2 bit 1: V 1 Vi kan øke symbolraten ut over dette, men da bit 0: V 2 øker feilsannsynligheten inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 27 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 28 7

8 Nyquist s samplings teorem (2) Delta modulasjon Filter AD-omformer DA-omformer B f Klokke Klokke for et signal med frekvenskomponenter innen intervallet f < B kan signalet gjenskapes eksakt ved hjelp av 2B samples/sek i praksis benyttes oversampling inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 29 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 30 Effekten av støy Shannon s kanal-kapasitet teorem Fra 2H*log2V bps til H*log2(1+S/N) bps Hvor S/N er signal/støyforholdet Gitt en kommunikasjonskanal; kanalkapasiteten C kan nå defineres slik: det er mulig å overføre data med rate R < C med vilkårlig liten feilsannsynlighet. C == B log 2 (1 + SNR) b/s Det er mulig å overføre data ved en høyere rate, men med økt feilsannsynlighet For en typisk talekanal med båndbredde B = 3000Hz og SNR-forhold lik 30 db, blir kanalkapsiteten lik C = 3000 log 2 ( ) = ~ b/s SNR= 10 log 10 Signaleffekt/støyeffekt (decibel) inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 31 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 32 8

9 Modulasjon (a) A binary signal (b) Amplitude modulation Modulasjon; digitalt på analogt Sender g(t) s(t) Modulator f 0 bærebølge (c) Frequency modulation (d) Phase modulation g(t) Mottaker Demodulator s(t) f 0 bærebølge inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 33 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 34 Modulasjon; analogt på analogt Bit synkronisering data driver mottaker g(t) Modulator s(t) klokke klokkepulser Ut Jord f 0 bærebølge inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 35 Problem: når skal mottaker taste av datasignalet? To alternative løsninger: sender leverer klokkepulser i takt med datasignalet klokke og data kombineres i et signal ved overføringen inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 36 9

10 data klokke Mange like bit i sekvens koder Jord forskyver referansepotensialet på mottakersiden løsning: kode hvert bit for eks i 2 bit; data 0 og 1 (Manchester koding) transisjonen midt i databittet kodet benyttes til synkronisering av mottakerklokken dekoder klokke inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide preamble Lokalnett (Ethernet) MAC-hode LLC-hode Preamble: manchester-koding av 7 oktetter ( ) pluss en oktett ( ) (start av ramme), nødvendig for å få mottakerklokkene synkronisert til senderens datatakt Data Sjekksum Logisk link lag Medium aksess lag Fysisk lag inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 38 Hovedkomponenter i telefonsystemet Local loops Analoge tvinnede par som går til private hus og næringsliv Trunks Digital fiberoptikk som knytter sammen svitsjestasjonene ( switching offices ) Switching offices Der hvor oppkall flyttes fra en trunk til en annen inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 39 The Local Loop: Modems, ADSL Bruk av både analog og digital overføring for maskin til maskin oppkall. Konvertering skjer i modemer og codec-er. inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 40 10

11 Analog til digital omforming Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) g(t) Koder s(t) Puls-kode-modulasjon (PCM) Televerkenes PCM standard: 8000 samples/sek 8 bit for å beskrive amplityden gir 8 x 8000 b/s = 64 kb/s Bruker FDM på en spesiell måte: Reserverer laveste 25kHz for tale (POTS: Plain Old Telephone Service): Bruker bare 4kHz resten er der for å hindre crosstalk Bruker enten ekko-kansellering eller FDM til to frekvens-bånd: lite for oppstrøms og stort for nedstrøms Klokke inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 41 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 42 ADSL Digital Subscriber Lines (3) A typical ADSL equipment configuration. inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 43 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 44 11

12 svitsjing kontra pakkesvitsjing En sammenlikning av linjesvitsjete og pakkesvitsjete nett (a) (b) (a) svitsjing (b) Pakkesvitsjing inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 45 inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 46 Hva skal vi merke oss? Vi kan ikke få bedre overføringskapasitet en det overføringsmediet bestemmer Nødvendig med synkronisering av sender og mottakers klokketakt Vi må alltid ta høyde for støy, Shannon s teorem Grunnpillarene i morgendagens nett fiberoptiske kabler med bølgelengdemulipleksing trådløs og Ethernet nærmest brukeren inf3190, V2008 Kjell Åge Bringsrud Slide 47 12