Høgskolen i Østfold Avdeling for Informatikk og Automatisering LØSNINGSFORSLAG TIL EKSAMENSOPPGAVE FAG: IAD21099 - DATAKOMMUNIKASJON OG SIGNALOVERFØRING LÆRER: ERLING STRAND Gruppe: D2A Dato: 10.12.2001 Tid: 0900-1200 Antall oppgavesider: 3 Antall vedleggsider : 1 Hjelpemidler: Følgende bøker og ark er godkjente: Multimedia communications Forfatter: Fred Hallsall. Forlag: Addison Wesley - ISBN 0-201-39818-4 Innføring i Nettverk - Infrastruktur Forfattere: Steen-Olsen/Stalheim. Forlag: IDG Books ISBN: 82-7772-081-5 Datakommunikasjon- Nu och i framtiden. Forlag: Studentlitteratur - ISBN 91-44-01252-7 Utdelte hefter: - AT-kommandoer - Fiberoptikk - ISDN services and protocols - TCP/IP and the OSI model - Charateristic Impedance To ark med egne notater (4 sider) Kalkulator. KANDIDATEN MÅ SELV KONTROLLERE AT OPPGAVESETTET ER FULLSTENDIG Alle svar må ha en begrunnelse. Oppgave nr. 1 (30%) a) Det er to forskjellige måter å overføre data mellom datamaskiner på: Asynkron og Synkron dataoverføring. Forklar hva dette er og virkemåten til begge. Pass på at du får fram forskjellen mellom de to i din forklaring. Synkronisering betyr at sender og mottager synkroniserer seg slik at databitene tas imot riktig, dvs at for eksempel databit 0 blir tatt imot som databit 0, og databit 1 som databit 1 osv.. Asynkron Her foregår synkroniseringen for hver byte. Det sendes en startbit før databitene sendes. Denne startbiten er logisk 0, og det er den som mottageren synkroniserer seg på. Det gjøres ved at mottageren punktprøver det mottatte signal med en høyere (16x eller 64x) frekvens enn dataene. Med en gang det oppdages et lavt nivå, logisk 0, starter mottageren. De kommende 7 eller 8 bit blir Eksamen 10.desember 2001 Side 1
punktprøvet mitt i biten, og plassert i riktig bitposisjon i mottageren (USART). Når siste bit er lest, forventer mottageren en (eller 2) stoppbit, som er logisk 1. Når stoppbiten er mottatt, begynner mottageren å lete etter neste startbit, slik at den kan synkronisere seg på den byten. T Start bit D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Stopp bit t Start synkronisering Synkron Ved synkron datapverføring foregår synkroniseringen i starten av hver blokk. Når synkronisering først er oppnådd, er det ingen synkronisering ingjen før neste blokk. Det er da viktig at senderklokka og mottagerklokka er eksakt like, derfor overføres senderklokka isammens med dataene. Det gjøres ofte ved å kode inn klokka i datastrømmen. På mottagersiden blir denne klokka kodet ut av datastrømmen, og brukes til å klokke inn datene. På den måten lir mottagerklokka og senderklokka eksakt like. Synkroniseringen kan foregå på to måter. Det ene er bytesynkronisering. Da er det en bestemt byte, synkroniseringsbyte, som er lagret i mottageren. I starten av blokka er den en slik synkroniseringsbyte. Mottageren sjekker det mottatte bitmønsteret med denne byten for hver bit mottatt. Da bitmønsteret er likt, er synkronisering oppnådd. Hvis denne synbyten er en del av dataene, setter senderen inn en ekstra byte, som betyr at etterfølgende byte ikke er synkroniseringsbyte, men en databyte. Denne ekstra byten blir tatt ut på mottagersiden. Den andre måte en bitsynkronisering. Der ser mottageren etter et bestemt bitmønster. Når det har kommet 6 enere, etter en nuller, og det deretter kommer en nuller, er synkronisering oppnådd. Hvis det samme synkroniseringsmønsteret kommer som en del av dataene, vil senderen sette inn en ekstra 0 i datastrømmen, slik at det ikke kommer 6 1 ere etter hverandre i dataene. Denne ekstra 0 er blir tatt ut igjen i mottageren. b) Når man skal bruke (det gamle analoge) telefonnettet til å overføre data, må man bruke modem. 1) Hvorfor må man bruke modem? Man må bruke modem fordi det analoge nettet kan kun overføre signaler som ligger i frekvensområdet mellom 300Hz og 3400Hz. Et baseband datasignal ligger vanligvis utenfor dette frekvensområdet. Ved å modulere signalet, flyttes signalet i frekvens, slik at det faller inn under frekvensområdet 300Hz til 3400Hz. 2) Beskriv de forskjellige modulasjonsmetodene som kan brukes. FSK: Frequency Shift Keying, virker slik at en 0 og 1 får hver sin frekvens. Demodulatoren finner ut av om det var en 0 er eller 1 er ved å se hvilken frekvens som kommer. Da samme Eksamen 10.desember 2001 Side 2
linje brukes i transmisjon begge veier, blir det totalt 4 forskjellige frekvenser. To i hver retning. PSK: Phase Shift Keying, virker slik at det er et faseskift som indikerer hvilken bit som sendes. Det er da kun nødvendig med t frekvenser, en i hver retning. Det kan være flere faserskift, slik at det dermed kan overføres flere bit per faseskift. Dette kan utvides videre ved at amplituden også forandres. Da lkalles det QAM QAM: Quadrature Amplitude Modulation vil si at både amplituden og fase forandrer seg. På den måten kan man overføre enda flere biter per fase/amplitude skift. 3) Hva er forskjellen mellom bit/s og baud? Baud forteller noe om hvor mange skift (fase/amplitude) det er i løpet av et sekund. Bit/s forteller hvor mange bit som overføres per sekund. Med for eksempel 4 fase/amplitude skift, kan det overføres 2 bit per fas/amplitude skift. Da er Baud = 2 * bit/s. For eksempel 600 Baud gir da 1200 bit/s. 4) Hva menes med AT-kommandoer? AT-kommandoer er de kommandoene som sendes til et modem for å gi modemet kommandoer. Disse kalles for AT fordi de begynner med bokstavene A og T. 5) Hvilke(n) kommando(er) brukes for å legge på røret (=bryte forbindelsen)? +++ATH +++ : bringer modemet tilbake til kommandomodus, slik at det som nå kommer ikke blir sendt over til den andre siden, men brukes som kommando til modemet. ATH : betyr Hang up, dvs legg på røret. c) Hvis man bruker et eksternt modem, blir det koblet til datamaskinen via grensesnittet EIA232D / (RS232). Beskriv det grensesnittet. Husk å ta med en beskrivelse av virkemåten til de forskjellige status- og kontroll-signalene. Selve dataene går på linjene TxD og RxD. Før det kan gå data, må PC en vite om det er klart for å sende data. PC en setter da på signalet RTS (Request To Send), og forventer et svar på CTS (Clear To Send). Når svaret har kommet på CTS, kan PC en sende data på TxD. Ved halv dupleks overføring, hvor det går data kun en vei ad gangen, styres dataoverføringen med RTS og CTS. Ved full dupleks overføring er RTS og CTS på hele tiden. Før disse signalene er aktiv, må signalene DSR (Data Set Ready) og DTR (Data Terminal Ready) være aktive. DTR setter PC en ut og den forteller modemet om at den er klar til å ta imot noen av de andre signalene på grensesnittet. Signalet DSR setter setter modemet på, til PC en,.på tilsvarende måte. Eksamen 10.desember 2001 Side 3
d) Anta at du skal sende data mellom to datamaskiner som er 40000 km (førti tusen kilometer) ifra hverandre, og det brukes luft som transmisjonsmedium. Blokkstørrelsen er på 5000 bit, og datahastigheten er på 10 Mbit/s. Det brukes kontinuerlig overføring med en vindusstørrelsen er på 5. 1) Hvor stor blir effektiviteten på overføringen hvis BER=0? T p = 40000 [km] / 3 10 8 [m/s] = 4 10 7 [m] / 3 10 8 [m/s] = 0,133 [s] T ix = 5000 [bit] / 10 10 6 [bit/s] = 0,5 [ms] a = Tp/Tix = 0,133 / 0,0005 = 266 U = K/(1+2a) = 5/(1+532) = 9,38 10-3 2) Hva blir da overføringshastigheten som brukeren ser? Den overføringshastigheten som brukere ser blir: 10 [Mbit/s] 0,00938 = 0,093808 [Mbit/s] = 93,808 [Kbit/s] 3) Hvordan kan effektiviteten økes? Den kan økes ved å øke blokkstørrelsen T ix eller øke vindusstørrelsen K. Oppgave nr. 2 (40%) Anta nå at ditt firma har fått tildelt adresseområdet 158.36.24.00 / 21 av din Internet-leverandør. a) I begynnelsen velger du å lage et nett av hele dette adresseområdet. Hvor mange host kan du ha på dette nett, og hva blir den høyeste og den laveste IP-adresse for en host på dette nett? Med 21 1 ere i maska, blir det 32-21=11 bit til host. 2 11 2 = 2046 host Den laveste IP-adressen blir: 158.36.24.1 Den høyeste IP-adressen blir: 158.36. 31.254 b) Nå skal du lage to subnett av dette nettet, LAN1 og LAN2. Disse subnett skal være størst mulig. Det blir riktignok en del adresser du mister ved denne subnettingen, men disse kan du bruke senere. Hva blir nettnummeret og masken på disse to nett. Angi også broadcastadressen på disse to nett. PC11-(LAN 1) LAN 1 1 Eksamen 10.desember 2001 2 PC21- (LAN2) Side 4 Internet Ruter 1 LAN 2
Må da to bit av host-delen av adressen for å lage to nett. Disse to bitene får verdiene 01 på LAN1 og 10 på LAN1. Med to bit blir maska på begge LAN: 255.255. 254.00 LAN1 får nr. 158.36.26.0 (26=>00011010), Broadcast 158.36.27.255 LAN2 får nr. 158.36.28.0 (28=>00011100), Broadcast 158.36.29.255 c) Nå skal du lage flere smånett. Hvert av disse nett skal ha plass til 60 PC er. Anta at du tar av adresseområdet du har fått tildelt, og som ikke er brukt til LAN1 og LAN2. Hvor mange slike smånett kan du få? Angi også nettnumrene til disse nett, og nettmasken. For å få plass til 60 PC er må hostdelen av adressen være på 6 bit (2 6 =64) Nettmasken til disse nett blir 255.255.255.192 (192=> 11000000) Det blir totalt 14 nett, med nettnummer: På 00-siden av nummerområdet får vi på de to siste byte: nett subnet host.. På 11-siden av nummerområdet får vi på de to siste byte: nett subnet host.. 00011 000.01 000000 (=> 158.36.24.64) 00011 110.00 000000 (=> 158.36.30.00) 00011 000.10 000000 (=> 158.36.24.128) 00011 110.01 000000 (=> 158.36.30.64) 00011 000.11 000000 (=> 158.36.24.192) 00011 110.10 000000 (=> 158.36.30.128) 00011 001.00 000000 (=> 158.36.25.00) 00011 110.11 000000 (=> 158.36.30.192) 00011 001.01 000000 (=> 158.36.25.64) 00011 111.00 000000 (=> 158.36.31.00) 00011 001.10 000000 (=> 158.36.25.128) 00011 111.01 000000 (=> 158.36.31.64) 00011 001.11 000000 (=> 158.36.25.192) 00011 111.10 000000 (=> 158.36.31.128) Subnett-delen kan ikke inneholde bare 0 ere, eller bare 1 ere. - De to første bitene i subnett-delen er enten 00, eller 11, da 01 er brukt til LAN1 og 10 er brukt til LAN2. d) De resterende numrene brukes til de ansatte hjemme. Man har bestemt at 4 ansatte skal få hvert sitt nettnummer til sine nett hjemme. Disse skal være størst mulig. Du kan anta at det brukes ISDN-forbindelse til disse 4 nett. Hva blir nettnumrene til disse 4 nett, og nettmasken? Vi må ta 2 ny bit av hostdelen, for å kunne få 4 nett. Det hadde da vært mulig at 6 ansatte kunne få slike nett, men de 2 for mye brukes da til ISDN-forbindelsene. Vi bruker samme fremgangsmetode som i oppgave c. På 00-siden av nummerområdet får vi på de to siste byte: nett subnett host.. På 11-siden av nummerområdet får vi på de to siste byte: nett subnett host.. Eksamen 10.desember 2001 Side 5
00011 000.00 10 0000 (=> 158.36.24.32) 00011 111.11 00 0000 (=> 158.36.31.192) 00011 000.00 11 0000 (=> 158.36.24.48) 00011 111.11 01 0000 (=> 158.36.31.208) Det hadde også vært mulig å velge 00011 000.00 01 0000 (=> 158.36.24.16) 00011 111.11 10 0000 (=> 158.36.31.224) i stedet for en av de i tabellen, men disse er bedre å bruke til ISDN, da de begge ligger lenger ut i sitt nummerområde. 158.36.24.16 ligger nærmere 0-området og tilsvarende ligger 158.36.31.224 nærmere 1-området. Med 4 bit til host blir nettmasken til disse 4 nett 255.255.255.240 Det må også velges 4 ISDN-forbindelser til disse nett. Da kan man velge en av de ISDNforbindelsene som utredes i oppgave e. e) De resterende numrene brukes til de andre ansatte. Man har da bestemt at de skal få mulighet til å ringe opp nettet på jobben via en ISDN-forbindelser. Der blir det altså ingen hjemmenett, men kun en PC. Hvor mange slike ISDN-forbindelser kan man lage av de resterende numrene? Til en ISDN-forbindelse må vi bruke 2 bit til host. Det gir maske 255.255.255.252. Vi har igjen av nummerområdet: På 00-siden : Fra 00011 000.000001 00 (=> 158.36.24.4) Til 00011 000.000111 00 (=> 158.36.24.28).. som gir 7 nett På 11-siden : 00011 111.111000 00 (=> 158.36.31.224) 00011 111.111110 00 (=> 158.36.31.248).. som gir 7 nett Av totalt 14 ISDN-forbindelser, går 4 av de til de 4 ansatte med eget hjemmenett. Det blir altså 10 ISDN-forbindelser Oppgave nr. 3 (30%) a) Du skal dimensjonere et fiberoptisk anlegg. Bølgelengden er på 850 [nm]. Fiberkabelen har der en dempning på 2,5 [db/km] og en båndbredde på 200 [MHz km]. Innkoblet effekt i fiberen er på 15,0 [dbm].. Det finnes en kontakt på hver side. Kontakttapet er på 1,0 [db]. Mottageren er innebygget i kontakten, slik at der må man regne med et ekstra tap på 0,5 [db]. Fiberkabelen leveres i lengder på en kilometer, slik at den må skjøtes for hver kilometer. Total lengde er på 10,5 km. 1) Hva må følsomheten til mottageren være på? Skjøtetap er ikke oppgitt. Setter den til 0,5 db. P innkobl P kontakter P skjøt P fiber P systemmargin = P mottager -15 2,5 (10 0,5) (10,5 2,5)- 5 = -15-2,5-5,0-26,25 5 = - 53,75 Eksamen 10.desember 2001 Side 6
Mottageren må ha en følsomhet på bedre enn 53,75 dbm 2) Hva er maksimal datahastighet på denne strekningen? Maksimal datahastighet er gitt av båndbredden B B = 200 [MHz km] / 10,5 [km] = 19 [MHz] Dette gir en maksimal datahastighet på 19 2 = 38 [Mbit/s] Dette gjelder for ukodede datasignaler b) Hvordan kan dempningen i fiberkabelen måles? Dempningen i fiberkabelen kan måles enten ved hjelp av et reflektometer eller et optisk powermeter. Et reflektometer sender ut en kort laserpuls i fiberen, og måler styrken på lyset som blir reflektert tilbake langs fiberstrekningen. Instrumentet tegner opp en kurve som viser mottatt styrke langs en tidsskala. Når man vet lyshastigheten i fiberen, vet man også hvor man er i fiberen ved å lese tiden. Helningen på denne kurven angir dempningen i kabelen. Et optisk power-meter har en mottager som måler lyseffekten. Den har også en sender i seg. Først kobles en referansefiber inn mellom senderen og mottageren, slik at man får se kontakt-tap, innkoblingstap og andre tap som man ikke er interessert i. Deretter skifter man ut referansefiberen med fiberen man skal måle. Da kontaktap og innkoblingstap osv. er lik på disse, blir dempningen da lik differansen mellom disse to målingene. c) Hva er forskjellen på 10Base5, 10Base2, 10BaseF og 10BaseT? Alle disse er varianter av Ethernet. Den originale Ethernet beskrev også kabeltype, maks avstand gitt av denne kabeltype. Da man etter hvert begynte å bruke andre kabeltyper enn den tykke koakskabelen, måtte man også gi andre navn, ellers ville det bryte med det som stod i spesifikasjonen. Det ble dat valg navn som forteller noe om datahastighet, maks regenerator avstand eller kabeltype. 10Base5 er navnet på den originale Ethernet, som bruker tykk koaks. 10 tallet står for antall Mbit/s. Den originale Ethernet er på 10Mbit/s. Base står for signaltype, om det er basebånd, eller om det brukes modulasjon. 5-tallet står for antall 100-meter mellom hver regenerator, bru eller ruter. Den tykke koaks-kabelen kan sende data 500 meter før signalet er så svakt at det må regenereres. 10Base2 gjelder for tynn koaks (for eksempel RG58). Den har større dempning, slik at der er maks strekning 200 m. 10BaseF gjelder for bruk av fiberkabel. 10BaseT gjelder for bruk av Tvisted pair, altså tvunnet parkabel. Både for fiberkabel og parkabel må man bruke punkt til punkt samband. Funksjonaliteten om at alle datamaskinene kobles fysisk sammen, må da løses ved bruk av HUB, som sender innkommende signal ut til alle tilkoblede enheter. d) Beskriv hvordan aksessmåten som brukes i Ethernet virker. Det brukes CSMA/CD, som står for Carrier-Sense Multiple-Aksess with Collision Detection. Før en stasjon skal sende data, lytter den på linja, for å se om den er ledig. Hvis den er ledig, sender den Eksamen 10.desember 2001 Side 7
datapakka. Hvis linja er opptatt, venter den til at linja er ledig, før den sender pakka. Hvis to stasjoner sender samtidig, vil det bli kollisjon. Det merkes av stasjonene. Med en gang en stasjon oppdager kollisjon, vil den avbryte sendingen av data, og gå over til å sende en jam-sekvens på 32 bit. Dette for å være sikker på at den andre part også detekterer kollisjon. Begge stasjonene vil da forsøke å sende på nytt, etter en gitt tid. Denne ventetiden må være forskjellig på de to maskinene, ellers vil det kunne bli kollisjon på neste forsøk også. Det har man gjort ved å dele tiden inn i slot time. Ventetiden er et random antall slot-time. Dette randomtallet liger mellom 0 og 2 K, hvor K er lik antall forsøk, N, opp til maks 10. Altså K er maks 10. e) Anta at du har en koakskabel med karakteristisk impedans på 50 [Ω]. Denne kabelen er feil avsluttet i den ene enden, den enden som er på motsatt siden av senderen. Der er det satt inn en motstand på 500 [Ω] i stedet for 50 [Ω]. Senderen har en indre motstand som er tilpasset kabelen. Lag en figur av signalforløpet ved hver ende, og beskriv hva det er vi ser. Legg vekt på å få riktige spenninger og tidsskala på din figur. Du kan anta at det ikke er noen dempning i kabelen, og at hastigheten er 2 10 8 [m/s]. Kabelen er 100 [m] lang. Velg en amplitude på 10 [V], og en pulslengde på 250 [ns], på utsendt puls. Vi kan regne ut størrelsen på pulsen som blir sendt tilbake ved å bruke formel: U R /U F = (R-R 0 )/(R+R 0 ) = (500-50) / (500+50) = 450/550 = 0,81 Altså 81% av pulsen blir sendt tilbake. Med en puls på 10 [V], kommer det en puls på 8,1[V] tilbake. Det kan tegnes slik. 10 V Ved generator 8,1V 250ns 250ns 0 250ns 500ns 750ns 1000ns 1250ns 18,1V Ved kabelende 250ns Eksamen 10.desember 2001 Side 8
Ved generatoren ser vi den utsendte puls, 10V og 250ns lang. Denne puls går igjennom den 100m lange kabelen, og kommer fram etter 100m/2 10 8 m/s= 500ns. Da det er mistilpasning der, vil det bli generert en ny puls som er 81% av den fremadgående puls. Denne puls kommer i tillegg til den fremadgående, og vi vil da måle 18,1 V på kabelenden. Denne nye pulsen, som altså er en del av den original, går tilbake, og kommer fram til sendersiden etter nye 500ns. Den pulsen er altså på 8,1V. Eksamen 10.desember 2001 Side 9