in270 Datakommunikasjon, vår 03 forelesningsnotater

Transkript

1 in270 Datakommunikasjon, vår 03 forelesningsnotater c Ketil Danielsen Høgskolen i Molde 16. januar 2003 The Electrical Interface Signalleringsmedia En kan sende og motta over ulike typer media. Karakteristika for de ulike media relaterer seg til ytelse, delingsmetode og sikkerhet. Ytelsen er begrenset av støyforhold og bandbredde. Delingsmetoden refererer til hvordan flere enn en DTE kan aksessere mediet (multipleksing). Sikkerhet kan være i fare ved at signaler kan avlyttes. 2-wire, åpen Opptil 19.2 Kb/s over opptil 50 m. Crosstalk (signalnivå i en kabel oppfanges av den andre kabel) og elektro-magnetisk utstråling (eksterne signal oppfattes i en kabel og forstyrrer signalforskjell mellom de to kabler). Kan avlyttes. Twisted Pair Forbedring fra åpen kabel ettersom elektro-magnetisk uststråling vil oppfanges av begge kabler og utjevner effekt. Beskyttet og ubeskyttet (STP og UTP). Kan avlyttes. Bruk: modem og annen lavhastighet kommunikasjon over korte distanser, f.eks. mellom IBM PC og modem. Ulike signaltyper: V.28: EIA-232A/V.24 (gammel RS-232) definerer elektriske karakteristika mellom to modem. Logisk 1 ( 0 ) representert med et spenningsnivå under -3 (over +3) volt. Max. 15 meter opptil 20 Kb/s, selv om annet kan være vanlig. 1

2 20mA: EIA-232D/V.28. Logisk 1 ( 0 ) representert med null (full) strøm. Mere støysvak, opptil 1 km. RS-422/V.11. Kan gå enda lengre, opptil 10 m for 10 Mb/s, opptil 1 km ved 100 Kb/s. Koaksialkabel Bedre beskyttet mot ekstern støy. Kan avlyttes. Opptil 350 Mhz bandbredde som kan utnyttes som: baseband: all bandbredde brukt for en datakanal. Oppdeling av denne ene datakanal ved synkron eller asynkron tidsdeling (TDM). Brukt både til p2p og multipunkt. Eks.: Ethernet er en multipunkt koaksialkabel med asynkron tidsdeling. Tradisjonell Ethernet går 10 Mb/s opptil 500 m og er meget utbredt i lokale nett). bredband: bandbredde brukt for flere datakanaler ved å bruke frekvensdeling (FDM), der hver kanal får et avgrenset frekvensband som ikke overlapper med andre kanaler. Eksempel på konfigurasjon: Hver DTE har sin egen sendekanal; alle DTE er kan høre alle kanalene og vet hvilken DTE som har hvilken kanal. Eksempel II (Kabel-TV): Kun en sender, mange lyttere, ca 6 Mhz per kanal. Eksempel III (telefoni): en koaks kan bære 10,000 telefonsamtaler p2p (3 Khz hver). Optisk fiber Signal går i glass, upåvirket av elektrisk støy. Moderne teknologi. Vanskelig å avlytte. Opptil 10 Gb/s (forskning) eller Gb/s (industri). E/O: LED (light emitting diode) eller laser, O/E: fotodiode. Bruk: lokalnett, f.eks. FDDI, 100 Mb/s, og landbasert og undersjøisk telefonnett, f.eks. TAT-12 (2 5 Gb/s). Satelitt Signal går i atmosfæren, over ionosfæren, ca. 35,855 km ut (Halsall sier 50,000 km for et satelittsamband, d.v.s. 25,000 km fra jord til satelitt). Aktive satelitter repeterer signalet istedetfor å reflektere. Solcellekraft med batteribackup ved solformørkelse. Geostasjonære står i fast forhold til jordens. Signalet svekkes p.g.a. regn, men også ved spesielle frekvenser der vannmolekyler (22.2 Ghz) og oksygenmolekyler (60 GHz) går i resonans og tar energi fra signalet. Mottakere tar også inn tilfeldig atmosfærisk støy fra andre planeter. 2

3 500 Mhz bandbredde deles i kanaler ved FDM og TDM. E/L og L/E: Transponder. Egnet til flerpunkt eller p2p kommunikasjon. Bruk: Langdistanse kommunikasjon i telefonnett, TV-distribusjonl. Mikrobølge Signal går rett linje i luften over kortere distanser. Bruk: langdistansekommunikasjon i telefonnett, kommunikasjon mellom høye bygninger. Signal forstyrres av regn. Opptil 50 km. Radio Signal kringkastes i luften fra en basestasjon, over et begrenset område (en celle), til radiomottakere. Vanligvis lav bitrate. Signalenergi (og nødvendig batterikapasitet) avhenger av størrelse på celle. Størrelse på en celle avhenger av terreng/bygningsforhold. Bruk: Distribusjon av radioprogram, analog mobiltelefoni digital mobiltelefoni (f.eks. GSM), innendørs trådløse lokalnett (s.k. mikroceller). Geografiske celler benytter et frekvensområde som ikke kan brukes i naboceller. Innenfor samme celle er frekvensområdet frekvens- og/eller tidsdelt: ukontrollert tildeling, f.eks. pakkeradio á la Alohanet, der hver stasjon begynner å sende på en kanal uten å sjekke om det er ledig. Kan teoretisk kaste bort 80 % av kanalkapasiteten i kollisjoner. ukontrollert tildeling med faste tidsluker, som ovenfor, men alle DTE er er synkronisert til å begynne ved faste tidsrom. fast tildeling, hver DTE har fast kanal og tidsluke etterspørselsbasert aksesstildeling, der hver DTE må si ifra hvis de ønsker aksess. Signalsvekkelse signalet svekkes underveis i mediet (kabel eller fri luft) et for svekket signal kan ikke skilles fra støy og vi får bitfeil (0 blir oppfattet som 1 og vice versa) for å oppnå et minimum støy-signalforhold begrenser en distansen signalet må traversere, f.eks. lengden på en koaksialkabel eller avstanden mellom to mikrobølgetårn. 3

4 måling av svekkelse: ved avsendelse måles signalet til P 1 watt effekt og i andre enden måles det mottatte signalet til P 2. Svekkelse uttrykkes vanligvis i decibel og er 10 log 10 P 1 /P 2. hvis man ønsker å gå lengre enn maksimal lengde kan man bruke forsterker: vil forsterke både signal og støy repeterer: vil sile ut signalnivået (0 eller 1) fra det mottatte signal og generere et nytt signal (0 eller 1) fritt for støy. Det er repeterere man bruker i datakommunikasjon! Signalrate hvis man har M nivåer per signal er det log 2 M bit overført per signal. vanligvis er M = 2 (høy og lav) og man overfører log 2 2 = 1 bit per signal Nyquist s teorem: Hvis kanalen er fri for støy, og tilbyr W Hz bandbredde, er maksimum datarate 2W log 2 M vanligvis er virkelig maks datarate mye mindre enn Nyquist p.g.a. kontrollbits, støy o.s.v. Kanalkapasitet Data overføres over en signalleringskanal med kapasitet begrenset av ekstern støy, forsinkelsesstøy og signalsvekkelse p.g.a. distanse. en signalleringskanal (over radio, koaksial e.t.c.) tilbyr et avgrenset signalband som måles i Hertz. over denne kanalen skal en sende bits(1 og 0) datarate: hvor mange bits per sekund en skal sende over et avgrenset frekvensband er dataraten begrenset avhengig av: linjestøy: tilfeldig støy fra ulike kilder som kan forårsake bitfeil (en 0 oppfattes som 1 eller en 1 oppfattes som 0). Dataraten avhenger av hvor stor bitfeilprosent en kan tolerere forsinkelsesstøy: ulike frekvenskomponenter i et signal traverserer med ulik hastighet og ankommer mottaker til ulik tidspunkt. Øyediagram. 4

5 impulsstøy: ekstern støykilde som lynnedslag og elektriske apparat. termisk støy: tilfeldig elektronaktivitet; i alle media. Også kjent som hvit støy. signalsvekkelse: signalet svekkes over distanse en har mottatt et signal på S watt kombinert med støy på N watt. Signal-støy forholdet er her S som tilsvarer log N 10 S decibel (db). N jo høyere signal-støyforhold, jo sikrere er det at mottakerapparatet vil oppfatte korrekt (at avsendt 1 blir oppfattet som 1 av mottaker og avsendt 0 blir oppfattet som 0 av mottaker) Shannon-Hartley s teorem: Hvis en ønsker et signal-støy forhold på S N og har W bandbredde tilgjengelig, er maksimum bitrate C = W log 2 (1 + S N ). Kanalforsinkelse i luft: = 300, 000, 000 meter/sekund, tilsvarer 300,000 km/sekund. i kabel: = 200, 000, 000 meter/sekund. forsinkelse fra sender til satelitt i et satelitt-samband tar T p = 35, ,000 = 0.12 sekund. Fra sender til mottaker tar det 0.24 sekund, ikke medregnet prosessering i satelitt. To-veis kommunikasjon tar 0.48 sekund, ikke medregnet prosessering i satelitt og hos mottaker. Ergo er rundetiden 0.48 sekund. forsinkelse fra Trondheim til Oslo i et fiberoptisk samband tar T p = ,000 = sekund. Rundetiden er 5 ms, eksklusiv prosesseringstid måle-enheter: 1 sekund (s) tilsvarer 1,000 millisekund (ms) tilsvarer 1,000,000 mikrosekund (µs). I vitenskaplig notasjon: 23,455 µs = ms = sek = sek. Sendingsforsinkelse den tid det tar å sende en blokk på N bits ut på et medium med bitrate C bit/sekund (b/s) er: T x = N/C. En Ethernetpakke på 1500 byte, eller = bit tar T x = = sekund, eller 12 millisekund (ms), å sende ut på koaksialkabelen. 10,000,000 5

6 en forsinkelse har da to komponenter: sending og signal. Signalet skal sendes ut på mediet (sendingsforsinkelse) og så traversere mediet fra avsender til mottaker (signalforsinkelse) Halsall opererer med en faktor a = Tp T x som uttrykker om en sending s rundetid er sendingsdominert (a < 1) eller kanaldominert (a > 1). Langdistansenett Telefonnettet benyttes når fysisk separasjon mellom to DTE er for lang til å enten kable de to eller sette opp lokalt trådløst samband. Man kan kjøpe to typer tjeneste (fra f.eks. Telenor), analog og digitalt, som oppringt samband (dial-up) eller leiet linje (leased line) leiet linje bare hvis man forventer stor nok utnyttelsesfaktor. Analog Vår telefoninngang er analog (3000 hz bandbredde), og vi trenger et modem for å gå fra DTE ens digitale format til det analoge format på linjen mellom vårt hus og nærmeste knutepunkt i telenettet. telefonlinjen vil ikke passere lav-frekvens signal har en fundamental frekvens på 0 hz alle signaler må overføres innenfor 3 Khz modem: modulering-demodulering. modulering: foregår hos avsender f c : bærefrekvens (carrier frequency) bære bølgen har tre komponenter: 1. amplitude, måles i volt, 2. frekvens, måles i hertz, 3. fase, måles i grader omforme 1 og 0 til endringer i enten voltnivå, frekvens eller fase. en bit overført per endring demodulering: invers prosess hos mottaker amplitude shift keying (ASK) 6

7 multiplisererer f c med det binære signal trenger 2f 0 for 1. komponent, 6f 0 for 3. komponent, der f 0 = C/2 er fundamental frekvens for det binære signal. frequency shift keying (FSK) multipliserer f 1 med det binære signal og f 2 med det inverse av det binære signal trenger 4f 0 + f s for 1. komponent, 6f 0 + f s for 3. komponent, der f s = f 2 f 1 er frekvens-separasjon phase shift keying (PSK) phase-coherent: endring i bitsignal representeres med en 180 o endring i fase for f c phase-differential: hver bit har faseskift (1=90 o, 2=270 o ) trenger 2f 0 for 1. komponent, visualiserer PSK med fasediagram multi-nivå modulering: to eller flere biter per endring. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) representerer 00, 01, 10 og 11 som fire ulike endringer i fasen. n-psk er generell multinivå der man har n ulike faseendringer og én endring i fasen representerer log 2 n bits. Quadrature Amplitude Modulation (QAM): 4 bit per signalelement jo flere nivåer, jo vanskeligere er det for mottaker å finne ut hva som ble sendt hos avsender Eksempel analog, EIA-232A mange modemstandarder eksisterer, f.eks. EIA-232A som boken beskriver i detalj faser klargjøring dataoverføring nedtaking 7

8 simplex, halv-duplex, full-duplex Digital EIA-232A: kobler datamaskin til modem, terminal og andre ytre enheter primære linjer: TxData og RxData sekundære linjer: for full-duplex turnaround time: tid det tar å skifte senderolle i halv-duplex. loopback linjer: for testing. lokal (fjern) loopback test: DTE setter LL (RL) til ON og lokalt (fjernt) DCE (d.v.s. modem) kobler utgang fra modulator til inngang til demodulator. Ved TM lik ON vil DTE sende og sjekke om mottak er lik avsendt. Dette avdekker om DTElokalDCE (DTE-fjernDCE) er OK. når EIA-232A brukes direkte mellom datamaskin og terminal vil begge innta rollen som DTE og en vil da krysskoble enten i en av sidene s EIA-232 plugg, eller sette imellom et nullmodem (unngår endringer i DTE). digital kobling til tjenesteleverandør klassisk bruk: digitalisering av stemme 4000 hz bandbredde for telefonstemme skal konverteres fra analog til digital sample: øyeblikksbilde av analogt signal i Pulse Amplitude Modulated (PAM) format. PAM-sample kvantiseres til et av n digitale nivå, til Pulse Code Modulated (PCM) format. Nyquist s regel (nr. 2): trenger dobbelt så mange sampler per sekund som fundamental frekvens i det signalet en sampler for at mottaker skal kunne regenerere en feilfri kopi av det originale signalet for 4000 hz signal trenger en 8000 samples per sekund en trenger log 2 n bits per sample. I PCM er n = 256 som betyr at en har 8 bits per sample, d.v.s. kodeordet i PCM er 8 bit bitrate: C = = 64 Kb/s refereres til som T0/DS0 64 Kb/s er vanligvis minimum digital linje en kan kjøpe av Telenor 8

9 vår stemme befinner seg vanligvis i lavere amplituder. Derfor er kvantiseringsintervallene mindre i lavere amplitudeområder, for å gi gjennomsnittlig bedre oppløsning. mottaker vil reprodusere signalet med kvantiseringsfeil Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) kombinerer n 64 Kb/s (T0) samtaler ved tidsdeling (TDM) n = 24 : T1 (USA), n = 30: DS1 (Europa) T1: ( )/125µs = Mb/s. Overhead 8000 bit/sekund. Rammer repeteres hvert 125 µs. ved kombinering av flere T1 med individuell klokkekilde benytter en høyere utgangsrate enn summen av alle T1 pluss overhead. Dette utjevner ulikheter. f.eks. T3: Mb/s, er 28 T1 (d.v.s. 672 samtaler) pluss justification bits: 1.544Mb/s 28 = Mb/s < Mb/s. elastisk buffer brukt ved kombineringen kunder kan leie Tn-linjer fra tele-leverandør for f.eks. å koble opp geografisk separerte LAN ulempe: må demultiplekse fra Tn (n > 1) til T1/E1 for å ta ut de ulike kunders subkanaler moderne digitale tjenester Synchronous Optical Network (SONET): minste innkjøpsenhet er Optical Carrier Level 1 (OC-1) på 51,84 Mb/s. Videre: OC-n gir n 51, 84 Mb/s (se tabell s. 77 i Halsall) Synchronous Digital Hierarchy (SDH): minste enhet er Synchronous Transport Module Level 1 (STM-1) som tilsvarer SONET s OC-3, d.v.s. 155 Mb/s). deler veien mellom en kundes DTE er inn i seksjoner; mellom repeterere (Section Terminating Equipment, STE) linje; mellom knutepunkt (Line Terminating Equipment, LTE) kanal; mellom to DTE (Path Terminating Equipment, PTE) Ramme er (som i T1) 125µs lang; og gir 2430 Byte per ramme: 27 Byte Section Overhead, 56 Byte Line Overhead, og resten Payload (kundedata og overhead) 9

10 kan kombinere flere VC i en ramme, f.eks. side 80 i Halsall: en bedrift har 3 stk. E1 som skal koble to avdelinger ( Mb/s) bedriften kjøper en SDH-basert tjeneste fra televerket televerket bruker en STM-1 linje ( Mb/s) for transport av denne bedriftens tre E1 pluss andre kunder s data. en E1 tilsvarer en VC-12 container televerket allokerer 4 kolonner per ramme for hver VC-1 Dette gir 4 kolonner ramme 9 Byte Byte = 36 kolonne ramme en E-1 er 2,048 Mb/s og trenger bare 2, 048, 000bit/sekund 8, 000rammer/sekund = 256bit/ramme = 32Byte/ramme Pluss 1 Byte per VC-12 for peker til data, gir 33 Byte/ramme per E1 kanal. de resterende 3 Byte brukes til fyllmasse (fixed stuff). noen kunder ønsker å leie kanaler som kan bære trafikk som ikke passer fint inn i en container. Televerket kan da kombinere flere mindre kundestrømmer til en VC. En kan da frakte pakketrafikk (f.eks. ATM eller Ethernet) over SDH fordel: en trenger ikke å demultiplekse helt ned for å ta ut subkanaler til enkeltkunder Eksempel digital, X.25/X.21 og ISDN/S-interface X.25: pakkesvitsjet datatjeneste i PSDN. Bruker X.21 plugg n 64: leid datalinje i PSDN. Bruker X.21 plugg ISDN: linjesvitsjet datatjeneste i PSDN. Bruker RJ-45 plugg. Ikke Pensum Fourier Analyse. Matematisk analyse av bandbredde ved FSK, ASK og PSK. Diskusjon om, og analyser med E b /N om EIA-530, om V