Løsningsforslag til EKSAMEN Emnekode: ITF20205 Emne: Datakommunikasjon Dato: 16.Des 2009 Eksamenstid: kl 9:00 til kl 13:00 Hjelpemidler: 4 sider (A4) (2 ark) med egne notater. Kalkulator. Gruppebesvarelse, som blir delt ut på eksamensdagen til de som har fått den godkjent Faglærer: Erling Strand Eksamensoppgaven: Oppgavesettet består av 5 sider, inklusiv denne forsiden og vedlegg. Kontroller at oppgaven er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgavesettet består av 3 oppgaver. Alle oppgavene skal besvares. Hvor stor vekt hver oppgave teller til eksamen er angitt ved oppgaven. Side 5 er en side med vedlegg. Sensurdato: 19. Januar 2010 Karakterene er tilgjengelige for studenter på studentweb senest dagen etter oppgitt sensurfrist. Følg instruksjoner gitt på: http://www.hiof.no/index.php?id=7027 Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 1 av 12
Oppgave 1 (35%) a) Hva er forskjellene på Baseband, Carrierband og Broadband? Gi en kort forklaring på alle tre. I datakommunikasjon betyr baseband at det digitale signalet går direkte ut på linja uten å moduleres. Carrierband betyr at det digitale signalet moduleres før det sendes ut på linja. Dermed er det blitt flyttet opp i frekvens rundt modulasjonsfrekvensen. Broadband betyr at flere digitale signaler blir modulert med hver sin frekvens. De får hvert sitt frekvensbånd på linja. Slik sett blir mange kanaler overført samtidig. Et typisk utseende på basebandsignal kan være: Som har et frekvensspekter rundt 0 Hz. Derfor ordet base band Carrierband betyr at det digitale signalet er modulert med en bærebølge, før det går ut på linja, slik som figuren under indikerer b) Når data fra applikasjonslaget sendes nedover i TCP/IP modellen, vil mengden data vokse. Datapakken blir større og større for hvert lag nedover. Hvorfor gjør den det? Nevn også kort hva som blir lagt på i hvert lag. Hvert lag legger på info som det laget trenger for å utføre sin oppgave. Det kalles hode. Transportlaget legger på UDP hode, eller TCP hode, avhengig av hvilken protokoll som brukes. Har ligger bla. postnummer, som forteller hvilken applikasjon som dataene tilhører. TCP inneholder også info om pakkenummer og acknummer, dessuten feilkontroll. Intenet laget inneholder info om bla. IP adressen, som gjør at datapakken kommer fram til riktig PC. Dessuten info om hvilken transportlagprotokoll som skal ha pakken. Den ineholder også timeto-live, som er en sikkerhetsmekanisme, som skal hindre at en pakke går evig rundt i Internet. Linklaget inneholder info som gjør at data blir overført til neste host. Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 2 av 12
c) Gi en forklaring på de forskjellige multipleksing-metodene som kan brukes. Transportlaget multiplekser fra forskjellige applikasjoner vha portnummer. Det fysiske laget kan foreta tidsdelt multipleks (TDM), hvor de forskjellige kanalene får hver sin tidsluke på linja. Datahastigheten vil da bli større på linja, enn hastigheten på hver kanal. Det fysiske laget kan foreta frekvensdelt multipleks (FDM), hvor de forskjellige kanalene får hvert sitt frekvensbånd på linja. Frekvensbåndet på linja vil da øke på linja, i forhold til frekvensbåndet på hver kanal. d) Hva menes med effektivitet i en dataoverføring? Effektivitet er hvor stor del av tiden som faktisk brukes til å sende data. Effektiviteten U er definert som forholdet mellom tiden det tar å sende en pakke til neste pakke kan sendes (ved stopp- og vent overføring ). Ved kontinuerlig overføring er effektiviteten forholdet det tar å sende K antall pakker, til neste K antall pakker kan sendes. Hvis vi setter tiden for å sende en pakke til t trans og tiden signalet bruker for å komme fra sender (S) til mottager (M) t p =RTT ( Round Trip Time)/2, L=pakkestørrelsen og R=bithastigheten, blir U ved stopp-og-vent overføring: U = t trans RTT + t trans = L R RTT + L R Dette kan illustreres slik: e) Anta at det brukes stopp og vent-overføring, og at overføringstiden mellom sender og mottager er 10 ms. Pakkestørrelsen er på 1000 bit. Datahastigheten er på 100 Mbit/s. Hvor stor er effektiviteten U, og hva blir den effektive overføringshastigheten? Pakkestørelsen L = 1000 bit Bithastigheten: R = 100 10 6 bit/s Tidsforsinkelse fram og tilbake: RTT = 2 10 ms = 20 ms Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 3 av 12
Effektiviteten U : Den effektive overføringshastigheten blir: U R = 5 10-4 100 10 6 = 500 10 2 = 50 Kbit/s f) Hvordan kan effektiviteten økes? Effektiviteten kan økes ved å øke pakkestørrelsen. Effektiviteten hadde også økt hvis man gikk over til kontinuerlig overføring (pipeline protokoll), dvs der hvor flere pakker kan sendes før ACK mottas. g) Hvordan virker køkontroll i TCP (engelsk: congestion)? Kø kan oppstå i et nettverk ved at flere forbindelser går igjennom en nettverksenhet, f.eks en ruter. Summen av trafikken for hver forbindelse kan bli for stor for den ruteren, og da vil pakker bli tapt. TCP må ha mekanismer som vil kunne justere trafikken på sin forbindelse, slik at alle pakker slipper igjennom. Nå har ikke nettverksenhetene i vanlig Internet, f.eks ruterne, mulighet til å gi beskjed om kø hos seg. Hadde den hatt den muligheten, kunne den ha gitt beskjed om køtilstanden tilbake til TCP forbindelsene. TCP må bruke andre midler for å finne ut av køtilstanden, og justere trafikken i henhold til den. TCP starter forsiktig ved å bruke slow-start. Den begynner ved å sende kun en pakke. Neste pakke sendes først etter at ACK har kommet. Da vil den øke vindustørrelsen til 2. For hver ACK legger den på en pakke i vinduet. Det vil medføre at vindusstørrelsen dobbles for hver gang (hver RTT). Slik fortsetter den inntil den oppdager at pakker blir borte (ved at timeout slår til). Da justerer den vindusstørrelsen tilbake til 1 pakke. (En pakke er MSS stor). Samtidig har den notert hva vindusstørrelsen var da timeout slo til. Threshold settes til halvparten av den verdien. Nå vil den kjøre slow-start igjen, men den vil doble vindusstørrelsen kun inntil den har kommet til Threshold. Det var jo den vindusstørrelsen hvor det gikk bra forrige gang. Ved neste dobling ble det jo pakketap. Når vindusstørrelsen har nådd Threshold verdien, går den inn i congestion avoidance tilstand, hvor økning av vindusstørrelsen skjer mye mer forsiktig. I stedet for dobling, øker den med kun 1 for hver RTT. Slik øker den inntil det blir tap av pakker igjen. Tap av pakker oppdages enten ved at timeout slår til, eller at det har kommet 3 duplikate ACK. Dvs at 2 like ACK har kommet 3 ganger. En duplikat ACK betyr at pakken kom riktig Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 4 av 12
fram på andre forsøk. Køen er da ikke så stor.hvis timeout slår til, betyr det at ingen pakker har kommet fram. Da er køen stor. Hvis tap oppdages ved at 3 duplikate ACK har kommer, går den inn i Fast recovery tilstand. Det vil si at vindusstørrelsen går tilbake til halvparten av hva den var da tap skjedde, og den går inn i congestion avoidance tilstand. Dvs. pakkestørrelsen øker kun med 1 for hver RTT. Denne økningen fortsetter inntil det blir tap igjen. Hvis tap oppdages ved at timeout slår til, går vindusstørrelsen tilbake til slow start tilstand. Vindusstørrelsen går da tilbake til 1. For hver gang det blir duplikat ACK (to like ACK etter hverandre), øker duplikat ACK telleren. Oppgave 2 (35%) a) Ta utgangspunkt i hodet for IPv4 og IPv6 (se vedlegg). Hva er forskjellene mellom IPv4 og IPv6? Hvorfor er IPv6 bedre? Adressefeltet er mye større i IPv6. Det er 128 bit, mens i IPv4 er det 32 bit. Det er også flere adressetyper i IPv6. I tillegg til unicast adresse (en enkelt enhet), slik som også IPv4 har, har IPv6 anycast og multicats adresse. Anycast tas imot av den første, den nærmeste, av et sett host s som utgjør anycast adressen. En multicast adresse blir sendt til alle som er en del av multicast adressen. Det kan sammenlignes med broadcast adressen i IPv4. IPv6 hodet har sløyfet en del felt, som gjør at prosesseringen på info i IPv6 hodet går raskere. Header Checksum er fjernet, som gjør at lag3-utstyr slipper å foreta beregningen på header checksum. IPv6 har sløyfet info om lengden på hodet, og muligheten av option i hodet. I stedet legger IPv6 opp til å bruke flere etterfølgende hoder. Denne metode gjør prosesseringen på et standardhode raskere. Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 5 av 12
b) Hva er NAT, og hvordan virken den? Network Address Translator (NAT) brukes for å oversette IP-adresser mellom to nettverk. Den kan være implementert i en ruter, som gjør det mulig å ha mange PC er med hver sin private IP-adresse på den ene siden, og kun en IP-adresse på den siden som er ut mot Internet. Man kan dermed ha et stort nettverk hjemme. Alle PC ene på dette nettverket kan da kommunisere ut på Internet samtidig, gjennom NAT ruteren. Internet ser bare en IP adresse fra alle sammen. PC ene på det private hjemme-nettverket må få et IP nummer som er spesiellt avsatt til dette. NAT oversetter fra IP adressen og fra portnummer som kommer fra en host på hjemme nettverket til den IP-adressen som routeren har ut mot Internet, og den velger en annen fra port-nummer. Dette lagres i en NAT-tabell. Når så svaret kommer fra Internet, slår den opp i NAT-tabellen og finner ut hvem host som skal ha den pakka. Den skifter da ut til ipadressen og til-portnummeret, med det som står i tabellen. Slik får den riktige host på LAN pakka. Følgende adresser er avsatt for bruk på private nettverk: IP adresse område 10.0.0.0 10.255.255.255 16,777,216 172.16.0.0 172.31.255.255 1,048,576 192.168.0.0 192.168.255.255 65,536 Maks antall addresser Subnet maske 10.0.0.0/8 (255.0.0.0) 172.16.0.0/12 (255.240.0.0) 192.168.0.0/16 (255.255.0.0) Antall bit i host delen 24 bits 20 bits 16 bits Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 6 av 12
c) Anta at ditt firma s LAN har fått adresseområdet 158.26.24.00 / 21 av din ISP. Hvor mange host kan du ha på dette nett? Antall host bestemmes av antall 0 ere i masken. Her er det 32-21=11 stk 0 ere. Det gir: 2 11 2 = 2046 host. -2 er de to adressene som går bort; nettnummeret og broadcastadressen. d) Hva blir broadcastadressen på dette nett? Broadcastadressen har bare 1 ere i hostdelen av adressen: Vi går ut ifra nettadressen og nettmasken, og ser på de to siste bytene: Uthevede tall betyr at de hører til hostdelen: 158.26.24.00/21 -> 00011000.00000000 Setter inn 1 ere i hostdelen: 00011111.11111111 -> 31.255 Broadcastadressen blir: 158.26.31.255 e) Nå blir ditt firma delt i to avdelinger. Begge disse skal ha sitt eget nett. Det nettet du fikk fra ISP skal altså deles i to. Hva blir nettadressen, og nettmasken, på disse to nett? Ved denne subnettingen må det brukes to bit av hostdelen: Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 7 av 12
158.26.24.00/21 -> 00011000.00000000 Tar to bit fra hostdelen, og gjør de om til nettdel. Ser på de to siste byte: 00011000.00000000 (Kursiv angir hvilke to bit som tas host og flyttes til nettdel) Det gir: 00011010.00000000 -> 158.26.26.00/23 blir LAN1 (evt. LAN2) 00011100.00000000 -> 158.26.28.00/23 blir LAN2 (evt. LAN1) f) Ditt firma planlegger utvidelser. Nå skal de etablere 6 kontorer rundt om i landet. Disse kontorene skal få sine egne nett, som blir tatt fra nummerområdene som er til overs etter delingen i LAN1 og LAN2. Angi nettadressen på disse nett, og størrelsen (nettmasken) på de. Du må huske på å avsette egne punkt til punkt nett til hver av disse seks nett. Angi også nettadressen og størrelsen på disse 6 punkt til punkt nett. Vi har disse adressene igjen til subnetting: Fra : 158.26.24.00 -> 00011000.00000000 til 158.26.25.255 -> 00011001.11111111 Og Fra : 158.26.30.00 -> 00011110.00000000 til 158.26.31.254 -> 00011111.11111110 Med 6 nett må vi vanligvis bruke 3 bit av hostdelen, fordi 2 3-2=6 nett. Nå er imidlertid flere av disse adressene allerede brukt til LAN1 og LAN2. Vi må derfor bruke 4 bit av hostdelen. Det gir: 00011000.10000000 ->158.26.24.128/25 00011110.00000000 ->158.26.30.00/25 00011001.00000000 ->158.26.25.00/25 00011110.10000000 ->158.26.30.128/25 00011001.10000000 ->158.26.25.128/25 00011111.00000000 ->158.26.31.00/25 Som er de 6 adresser vi trenger. Alle nett har 7 bit i host, som gir 2 7-2= 126 host Adressene fra 00011010.00000000 til 00011101.11111111 er brukt til LAN1 og LAN2 Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 8 av 12
De 6 punkt til punkt nettene blir: På 00-siden: På 11-siden: 00011000.00000100 ->158.26.24.04/30 00011111.11111000 ->158.26.31.248/30 00011000.00001000 ->158.26.24.08/30 00011111.11110100 ->158.26.31.244/30 00011000.00001100 ->158.26.24.12/30 00011111.11110000 ->158.26.31.240/30 Det er lurest å velge noen adresser helt ytterst fra begge sider, da dette utnytter adresseområde best mulig, med tanke på senere utvidelser. g) Hvor mange adresser er igjen etter disse subnettingene? På 00-siden har vi: Fra 00011000.00000001 ->158.26.24.01 til 00011000.00000011 ->158.26.24.03, som er 3 adresser Fra 00011000.00010000 ->158.26.24.16 til 00011000.01111111 ->158.26.24.127 Som er 112 adresser Tilsvarende på 11-siden: Fra 00011111.11111110 ->158.26.31.254 til 00011111.11111100 ->158.26.31.252 som er 3 adresser Fra 00011111.10000000 ->158.26.31.128 til 00011111.11101111 ->158.26.24.239 Som er 112 adresser Totalt 230 adresser er igjen. Oppgave 3 (30%) a) Hva er hovedforskjellene mellom 802.11a, 802.11b, 802.11g og 802.11n? Gi en kort oppsummering av spesifikasjonene for de forskjellige. WiFi Bithastighet; Maks / typ Frekvens 802.11a 54 Mbit/s / 20 Mbit/s 5 GHz 802.11b 11Mbit/s / 5 Mbit/s 2,4 GHz 802.11g 54 Mbit/s / 22 Mbit/s 2,4 GHz 802.11n 600 Mbit/s / 50-144 Mbit/s 2,4 og 5 GHz b) Forklar hvordan aksessmetoden CSMA/CA virker. Carrier Sense Multiple Access med Collision Avoidance virker slik: En stasjon som ønsker å sende, må først lytte i en gitt tid, for å høre om det er noen aktivitet på kanalen. Hvis det ikke er noen aktivitet på kanalen, sender stasjonen først en kort pakke, for å fortelle alle andre om at den skal sende data. Deretter sender den datapakka. CSMA/CA kan også bruke RTS og CTS. Stasjonen som skal sende, sender da først en RTS pakke, hvor det er info om hvor lang tid sendingen vil pågå. Det er for at andre stasjoner ikke skal sende i denne perioden. Den mottagende stasjon svarer på RTS med en CTS pakke, med samme info om tid på sendingen. De stasjonene som kun hører mottager, vil dermed også ikke sende i den perioden. Når sende stasjonen har mottat CTS, sende den datapakka. Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 9 av 12
c) Hvilke nettverkstopologier kan man ha i ZigBee nett? Lag en enkel skisse av de forskjellige, og gi en beskrivelse av de forskjellige ZigBee enhetene i nettverket. ZigBee kan ha mange forskjellige topologier. Punkt til punkt, med bare to enheter. Stjerne, med en koordinaor i mitten. Kluster, med en koordinator, og FFD, som kan virke som ern ruter. Mesh, hvor neste alle kan kommunisere med de fleste, avhengig av om det er en FFD enhet, eller RFD. Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 10 av 12
d) Gi en beskrivelse av hvordan Bluetooth virker. Bluetooth virker etter master-slave prinsippet. Det er en master som spør slavene om de har noe å sende. Det kan kun være 7 aktive noder, og 255 totalt (aktive og passive). En passiv node kan vekkes opp av masteren. Nettverket kalles piconett. Det er også mulig å ha flere piconett koblet sammen til et scatternet. Bluetooth er i utgangspunktet ment til å erstatte ledninger for tilkobling av utstyr til en datamaskin. Effekten og maks avstand er derfor lav. Bluetooth versjon 1.2 har en datarate på 1 Mbit/s og vesjon 2.0 har 3 Mbit/s. Bluetooth er også delt opp i tre klasser, avhengig av utsendt effekt. Klasse 1 sender med 100 mw og kan ha en avstand på opp til 100 m. Klasse 2 sender med 2,5 mw, og kan ha en avstand opp til 10 m. Klasse 3 sender med 1 mw, og har en avtand på 1 m. e) Du skal dimensjonere et singlemodus fiberoptisk anlegg. Kabelen har en dempning på 0,4 db/km. Dispersjonen er på 2,0 ps/(nm km). Det brukes en laser med en innkoblet effekt på +2,0 dbm og med en spektral båndbredde på 1 nm. Innkoblingstapet ved mottageren er på 1,0 db. Lengden på kabelen er 45 km. Fiberkabelen leveres i lengder på 1 km. Skjøtetapet er 0,1 db. i. Hvilken følsomhet må mottageren ha? P s P tap = P m P tap = P fiber + P skjøt + P innkobling + P system P system kan settes til området fra 3,0 db til 7,0 db. +2,0 dbm 0,4 db/km 45 km 44 skjøter 0,1 db/skjøt 1,0 db 5,0 db = P m P m = +2,0 18,0 4,4 1,0 5,0 = 26,4 dbm Mottageren må ha en følsomhet som er bedre enn -26,4 dbm. For eksempel 27,0 dbm. (Riktige svar er et tall fra -24,4 dbm til 28,4 dbm, avhengig hva som velges på systemmarginen) ii. Hva er den største bithastigheten som kan brukes på dette anlegget? Må først regne ut dispersjonen: t = 2,0 ps/(nm km) 45 km 1 nm = 90 ps Det gir en båndbredde på: B= 0,44/ t = 0,44/ 90 ps = 4,9 10 9 Hz = 4,9 GHz Den største bithastigheten blir da: 4,9 2 = 9,8 Gbit/s (uten koding) Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 11 av 12
VEDLEGG Formel for båndbredde på fiber: B = 0, 44 τ Eksamen i ITF20205 Datakommunikasjon - 16/12-2009 Side 12 av 12