in270 Datakommunikasjon, vår 03 forelesningsnotater c Ketil Danielsen Høgskolen i Molde 21. januar 2003 Data Transmission datakommunikasjon: vi skal (fremdeles) sende digitale signal (bits) over en datakanal kap. 2: hvordan karakteriserer vi en datakanal? begrensninger for ulike typer signalleringsmedia: støy/svekkelse, kapasitetsteori: bandbredde vs. bitrate (Nyquist I), signal-støyforhold/bandbredde vs. bitrate (Shannon), datakanaler over lange distanser. Analog: modem, moduleringsteknikker. Digital: PDH, SDH, Analog-Digital konvertering kap. 3: gitt en datakanal, hvordan bruker vi den optimalt? regler for optimalitet: må unngå overbelastning av datakanal og mottaker bitfeil i datakanal og mottaker replisering av informasjon overvåkning av belastning og feilsjekk koster: deler av bitraten brukes til overføring av kontrollsignaler mellom de to DTE er, mellom DCE er og DTE er deler av CPU-kraften brukes til å generere og tolke kontrollsignalene hos de involverte DCE er og DTE er 1
borttaking av redundans i informasjonen: reduserer behovet for bitrate i datakanalen koster CPU-kraft hos avsender (for å finne og ta bort redundans, d.v.s. komprimering) og mottaker (for å dekomprimere) optimal komprimeringsrate avhenger av hvor mye CPU-kraft koster i forhold til datakanalen i WWW er store objekt ofte komprimert fordi Internettet ofte er overbelastet og gir for mye venting for brukerne. lagringsmedium: over veldig lang tid: tape over lengre tid: disk over kortere tid: minne over veldig kort tid: registre, latcher over distanse: datakanal Eksempel: kan pr. i dag ikke lagre lys; optiske datamaskiner lagrer data (over veldig kort tid) i fiber! Elementært om Dataoverføring en byte tilsvarer 8 bit, flere enn 8 bit kalles ord (word) kanalbruk: seriell: 1 kanal, en bit av gangen parallell: en byte av gangen over 8 kanaler, en kanal for hver bit vanligvis uøkonomisk å bruke 8 parallelle kanaler over lange distanser moder: simplex (for monitoring), halv-duplex (klient-tjener roller), full duplex (dobbel klient-tjener rolle) synkroniseringsnivå bit: når starter en ny bit slik at jeg kan sample i midten? byte: hvor går grensene mellom nabo-byte? ramme: når begynner og slutter en melding? synkroniseringsformer: 2
asynkron: meldingene kommer uanmeldt, klokke startes for hver ny melding synkron: melding kommer planlagt, klokke sendes kontinuerlig datalinkprotokoll: fastsatt meldingsutveksling for feil- og belastningskontroll feilkontroll (error control): feilsjekk (error detection): oppdage bitfeil feilkorrigering (error correction): reparere bitfeil belastningskontroll (load control) flytkontroll (flow control): unngå overbelastning hos mottaker forstoppelseskontroll (congestion control): unngå overbelastning i datakanalen Asynkron overføring mottaker vet ikke når avsender begynner f.eks. terminaltrafikk hver byte (f.eks. tastetrykk) oversendes separat synkronisering: mottaker må synkroniseres for hver byte som sendes bitsynkronisering: startbit sendes med motsatt polaritet mottaker oppfatter endring og starter klokke som er N ganger bitraten. sampler midt i påfølgende databits byte: 1 startbit og S=(1,1.5, 2) stopbit ramme: ramme: nabobyte der startbit følger direkte etter stopbit enkel, for tekstlig informasjon: (STX, N informasjonsbyte, ETX) transparent, for numerisk informasjon: ((DLE,STX),(N informasjonsbytes)+(dle,etx)) hos avsender: ETX=(DLE,ETX), STX=(DLE,STX), DLE=(DLE,DLE) hos mottaker: (DLE,ETX)=ETX, (DLE,STX)=STX, (DLE,DLE)=DLE 3
transparent datakanal: muliggjort ved bruk av DLE informasjonsrate: C/b der C er dataraten i bits/sekund og b er 1 (stopbit) + 8 (informasjonbits) + S (stopbits), f.eks. C = 1200 og b = 11 gir 110 byte/sekund informasjonsrate problem: bitsynk mindre pålitelig ved høyere bitrate: vanskeligere å oppdage startbit, samt høyere relativ drift bruker (b 8)/8b av tilgjengelig bitrate på kontrollsignaler Synkron overføring bitsynkronisering: hver bit har en endring i midten Bipolar: 1 =null-til-positiv, 0 =null-til-negativ. Signalet vil alltid gjøre Return-to-Zero (RZ) midt i bit. Manchester: Endring midt i bit, null-til-positiv for 1, positiv-tilnull for 0, d.v.s Non-Return-to-Zero (NRZ) signal. Differential Manchester: Alltid endring midt i bit, der endring ved bitens start betyr 0 mottakerklokke holdes synkronisert med selvjusterende Digital Phase Lock Loop, en krets som er garantert maksimum ventetid mellom endring bytesynkronisering, karakterorientert: (SYN,SYN,...,STX, N-byte informasjonsblokk, ETX) 1. oppnå bitsynkronisering 2. søk, bit-for-bit, etter SYN-mønsteret 3. søk, byte-for-byte, etter STX-mønsteret 4. motta informasjonsbyte, let etter ETX-mønsteret 5. bruker evt. DLE for transparent overføring: (DLE,STX), (DLE,ETX), (DLE,DLE) bytesynkronisering, bitorientert: (ledig, ledig,..., flagg, N-byte informasjonsblokk, flagg, ledig,...). Ledig=01111111 (gir synk for DPLL), flagg=01111110 4
Feilsjekk transparenthet (bit stuffing, zero bit insertion): avsender vil alltid sette inn en 0 etter at fem 1-ere opptrer i informasjonsblokken en variant er brukt i Ethernet (kap. 6): (ledig, rammestart, adresser, lengde, informasjonsblokk, ledig,...). Ledig=10101010, rammestart=10101011. en annen variant: (ledig, ledig,..., JK0JK000, informasjon, JK1JK111, ledig,...) Ledig=10101010. Eksempel i bok med Manchester kodet signal. bitfeil: avsendt 0 (1) opptrer hos mottaker som 1 (0) mottaker bør med stor sannsynlighet oppdage bitfeil metoder Feedback (Backward) Error Control: Avsender inkluderer informasjon slik at mottaker kan oppdage bitfeil (error detection algorithm) eventuelt be om en ny overføring fra avsender (retransmission scheme). Forward Error Control: Avsender inkluderer informasjon slik at mottaker kan toleranser oppdage bitfeil, finne ut hvor bitfeilene er, og korrigere (d.v.s. invertere) disse selv. Brukes hvis retransmisjon er uegnet, f.eks. ved multicast: mange mottakere real-time trafikk: har ikke tid til retransmisjon en sekvens er ukorrekt hvis en eller flere bit er feil N=antall bit i en sekvens, P =Prob(en bit er feil) Prob(sekvensen er ukorrekt)=1-prob(sekvensen er korrekt)= 1 (1 P ) N, sjansen for at en sekvens er ukorrekt øker med P og N burst: flere enn en nabobit i en sekvens har bitfeil paritetskontroll 5
avsender genererer en paritetsbit per byte slik at summen av informasjonsbit og paritetsbit er partall (even parity) eller oddetall (odd parity). disse vil kun oppfange odde antall bitfeil i informasjonsbitene mottaker vet ikke hvilke(n) bit som er feil F.eks. asynkron, karakterorientert overføring gir ofte valgfri odde eller lik paritetskontroll, samt at det er valgfritt om det skal være 7 eller 8 informasjonsbit blokksumkontroll blokk=n byte hver byte paritetskontrolleres (finner bare odde antall bitfeil) hver kolonne i blokken paritetskontrolleres for å øke sjansen for å oppdage like antall bitfeil i en eller flere byte i blokken vil kun oppfange odde antall bitfeil per kolonne mottaker vet ikke hvilke(n) bit i en kolonne som er feil en blokksum kontrollbyte sendes etter alle blokkens informasjonsbyte tavleeks. for MOLDE Cyclic Redundancy Check (CRC) k: antall bit i sekvens som skal sjekkes R: antall bit i sjekkpolynom R 1: antall bit i sjekksum avsender genererer en (R 1)-bit sjekksum avsender sender k-bit sekvens og påfølgende (R 1)-bit sjekksum mottaker kontrollerer (k + R 1) mottatte bit mot R bitpolynom hvis kontrollen gir 0 i rest anses sekvensen som korrekt mottatt toleranser: R-bit polynom vil avdekke feil hvis sekvensen har 1- eller 2-bit bitfeil odde antall bitfeil alle burster med lengde under R de fleste andre burster, lik og større enn R industri: i WAN: CRC-16: (16, 15, 2, 0), CRC-CCITT: (16, 12, 5, 0) i LAN: CRC-32: (32,26,23,16,12,11,10,8,7,5,4,2,1,0) 6
Komprimering komprimering: ta bort redundans i et objekt, beholde informasjonsverdi Packed Decimal vil sende 16.9 tar vanligvis 4 byte 4 bit er nok hvis alle byte inneholder ASCII-numeriske data sender da (kontroll,1,6,:,9)=3 byte Character Suppression hvis en karakter repliseres N ganger: send kontroll+n+karakter, bruker 3 byte istedetfor N Relative Encoding overfører kun forskjellen mellom nabobyte f.eks. Adaptive Differential PCM (ADPCM) PCM bruker 8 bit per sample ADPCM bruker 4 bit per sample et sample i ADPCM: forskjell mellom observert nivå og forrige observerte nivå får upresis reproduksjon hvis forskjell overstiger 4 bit CCITT vedtok i 1985 ADPCM som standard for 32 Kb/s stemmedigitalisering Komprimering: Huffman-koding undersøk statistisk hvor ofte de ulike symbol forekommer et symbol representeres med færre bit jo oftere det forekommer variabelt antall bit per symbol: bruk bit-orientert overføring prosedyre for Huffman-koding: 1. du har en informasjonsmengde med N symboler 2. definer alle ulike symboler som kan forekomme i informasjonen 3. finn ut hvor ofte symbol i forekommer, n(i) N: 4. sjansen for at symbol i skal forekomme er P (i) = n(i)/n 7
5. konstruer symbolsettet og Huffman-treet se boka+tavleeksempel 6. hvert symbol får bitlengde b(i) garanti: et kortere symbol vil aldri være starten på et lengre symbol! komprimering: gjennomsnittlig symbollengde (bit per symbol): i b(i)p (i) for alle symboler i Shannon s minimum gjennomsnittlig symbollengde: entropy, H = i P (i) log 2 (P (i)) for alle i H gjennomsnitt/huffman log 2 (antall symbol), d.v.s. gjennomsnitt/ascii mottaker må kjenne kodeboken til avsender adaptiv Huffman-koding: oversender nye kodebøer ved leilighet dynamisk Huffman-koding: avsender og mottaker bygger Huffman-treet ved sending og mottak av nye symbol 8