Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Сети и системы телекоммуникаций

Физический уровень

ИМКН УрФУ

2

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Место физического уровня в модели OSI

Модель канала связи

Среды передачи данных

Передача сигналов

Кодирование и модуляция

План

3


Передача потока битов по физическим каналам связи без искажений с заданной частотой

Не вникает в смысл передаваемой информации

Единица передаваемых данных - бит

Место в модели OSI

Физический

Канальный

Сетевой

Транспортный

Сеансовый

Представления

Прикладной

4


Основная задача физического уровня: как представить биты информации в виде сигналов, передаваемых в среде


Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e

5


Характеристики канала связи:• Скорость (пропускная способность) – как быстро

информация может передаваться по каналу, бит в секунду

• Задержка – время, которое требуется сообщению чтобы дойти от отправителя к получателю, секунд

• Широковещательный канал или нет, частота возникновения ошибок



Сообщение

Скорость, задержка

6


Скорость измеряется в битах в секунду:• б(b) – биты, Б(B) – байты• б/с, bps

Кратные единицы, степень 10:• 1 Кб/c = 1000 б/с (не 1024!)• 1 Мб/с = 1000 Кб/с• 1 Гб/с = 1000 Мб/с

Скорость канала связи

7


Сообщение передается не мгновенно:• Время передачи короткое, но не нулевое

В среде может «находиться» некоторый объем данных:

• Скорость × Задержка• Небольшой объем для локальных сетей• Большой объем для широких территориально-

протяженных каналов

Время передачи сообщения


Сообщение

8


Пример:• Сеть УрО РАН, канал Екатеринбург-Пермь, 10Гб/с,

протяженность 465 км, задержка 10 мс

Объем данных в сети:• Скорость × Задержка • 10Гб/с × 10 мс = 100 Мб = 12,5 МБ

Объем данных в сети

9


Используется для передачи данных от отправителя к получателю

Типы среды передачи данных:• Медные провода • Оптоволокно• Беспроводная среда

Среда передачи данных

10


Появились самыми первыми

Использовались для телефонной связи

Низкая скорость

Высокие помехи

Воздушные линии связи

11


Скрученная пара медных проводов

Скручивание снижает помехи

В одном кабеле несколько скрученных пар

Витая пара

12


Витая пара

В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

Экранированная витая пара – большая защищенность сигнала от помех

Неэкранированная витая пара – больше помех, но дешевле и удобнее при монтаже

13


Категории витой пары

Катего-рия

Полоса пропускания

Описание

1 0,1 МГц 1 пара, телефонная связь (в России «лапша»)

2 1 МГц 2 пары, сети до 4 Мб/с

3 16 МГц 4 пары, сети 10 и 100 Мб/с

4 20 МГц 4 пары, сети до 16 Мб/с

5 100 МГц 4 пары, сети 100 Мб/с (используется 2 пары)

5e 125 МГц 4 пары, 100 Мб/с (2 пары), 1 Гб/с (4 пары)

6 250 МГц 4 пары, 1-10 Гб/с

7 600 МГц 4 пары, только экранированный, до 10 Гб/с

14


Коаксиальный кабель

Типы кабелей:• «Толстый» коаксиал

(Ethernet)• «Тонкий» коаксиал

(Ethernet)• Телевизионный

кабель

Два кабеля

Внешний проводник служит экраном

15


Оптоволокно

16


Оптические кабели

Самый качественный тип кабелей

Самый дорогой тип кабелей

Состоит из тонких гибких стеклянных волокон (световодов)

17




Одномодовый кабель

Тонкий сердечник

Одна длина волны

Многомодовый кабель

Более толстый сердечник

Несколько длин волн

18


Одномодовые кабели:• Дорогие в изготовлении • Низкое затухание• Нет наложения сигналов разной длины волны• Передача данных на расстояние до 100 км

Многомодовые кабели:• Более дешевые в изготовлении • Затухание выше• Искажения из-за наложения сигналов разной длины

волны• Передача данных на расстояние 300-500 м


19


Окна прозрачности

Три «окна прозрачности»:• 850 нм• 1300 (1310) нм• 1550 нм

Затухание сигнала в оптическом кабеле зависит от длины волны

20


Особенности беспроводной среды:• Сигнал распространяется в разных направлениях• Может быть несколько приемников сигнала• Несколько источников сигнала искажают друг друга и

требуют координации работы

Беспроводная среда

21


Таблица частот

22


Wi-Fi использует открытые частоты (ISM band), для которых не нужна лицензия:

• 2.4 ГГц, 5 ГГц• Другие устройства тоже работают на этих частотах:

микроволновки, пульты от шлагбаумов и т.п.

Частоты беспроводной среды

23


Задача физического уровня – передать сигнал по среде передачи данных

Основная проблема – искажение сигналов при передаче по линиям связи:

• Оптические кабели – низкое искажение• Медные кабели – среднее искажение• Радиоволны – высокое искажение


24


Искажение сигналов


25


Затухание с расстоянием

Задержка сигнала

Высокие частоты сигнала затухают быстрее

К сигналу добавляется шум

Причины искажений

26


Основы представления сигналов


27


Основы представления сигналов


28


Чем больше полоса пропускания линии связи – тем лучше

Чем меньше спектр сигнала – тем лучше

Полоса пропускания и спектр

Катего-рия

Полоса пропускания

Описание

…

5 100 МГц 4 пары, сети 100 Мб/с (используется 2 пары)

5e 125 МГц 4 пары, 100 Мб/с (2 пары), 1 Гб/с (4 пары)

6 250 МГц 4 пары, 1-10 Гб/с

7 600 МГц 4 пары, только экранированный, до 10 Гб/с

29


Прямоугольные импульсы

Представление информации – кодирование (baseband modulation)

Медные провода

Представление информации

t

Синусоидальные волны

Представление информации – модуляция (passband modulation)

Оптоволокно, беспроводная среда

t

30


Представление информации с помощью прямоугольных импульсов

Простейший способ (потенциальное кодирование):

• 1 – присутствие напряжения• 0 – отсутствие напряжения

Кодирование

t

0 1 0 1 0 0 1 1

31


NRZ (Non Return to Zero) – потенциальный код без возвращения к 0

Используется два уровня потенциала:• 1 – положительный потенциал• 0 – отрицательный потенциал

Хорошая распознаваемость сигнала (уровни резко отличаются)

Кодирование NRZ

t

1 0 1 1 0 1 0 0 1

32


Преимущество – в 2 раза больше скорость при той же частоте

Недостаток – нужен более мощный передатчик чтобы различить 4 уровня передачи

Несколько уровней сигнала

t

1

2

3

4

10 11 01 11 10 00 10 01 11 00

33


Как узнать, сколько 1 или 0 было отправлено?

Синхронизация

t

? ?1010

34


Как узнать, сколько 1 или 0 было отправлено?

Высокоточные часы• Очень дорого

Выделенная линия связи для тактовых импульсов• Дорого и не удобно• Задержки в распространении сигналов

Синхронизация

t

? ?1010

35


Самосинхронизирующийся код содержит информацию, необходимую для синхронизации приемника и передатчика

• Добавление избыточных 0 или 1 в длительные последовательности

• Скрэмблирование – перемешивание информации так, чтобы не оставалось длинных последовательностей

• Импульсное кодирование – представление информации не уровнем потенциала, а перепадом

Перепад сигнала указывает на необходимость синхронизации

Самосинхронизирующиеся коды

36


Манчестерский код (Ethernet 10Мб/с):• 1 – Переход от низкого сигнала к высокому• 0 – Переход от высокого сигнала к низкому• В начале такта возможен служебный переход

Недостаток – частота в два раза выше, чем у потенциальных кодов

Импульсное кодирование

0 1 1 0 0 0 1 0 1 1

t

37


NRZI (Non Return to Zero Inverted) – потенциальный код без возвращения к 0 с инверсией

Используется два уровня потенциала:• 1 – потенциал изменяется• 0 – потенциал остается прежним

Не чувствителен к длинным последовательностям 1

Потенциальный код NRZI

t

1 1 0 0 1 1 0 0 1

38


Избыточные коды основываются на добавлением информации, необходимой для синхронизации

Исходная последовательность битов разбивается на порции – символы

Каждый исходный символ заменяется на новый с большим количеством битов

Избыточные коды

39


Избыточный код 4B/5B

Исходныйсимвол

Результирующий символ

Исходныйсимвол

Результирующий символ

0000 11110 1000 10010

0001 01001 1001 10011

0010 10100 1010 10110

0011 10101 1011 10111

0100 01010 1100 11010

0101 01011 1101 11011

0110 01110 1110 11100

0111 01111 1111 11101

40


Не содержит длинных последовательностей 0

Передается по сети с помощью кодирования, не чувствительного к длинным последовательностям 1 (NRZI)

Прост в реализации (таблица перекодировки)

Избыточный код 4B/5B

41


Что означает название 4B/5B• 4 – количество бит в исходном слове• 5 – количество бит в результирующем слове• B - сигнал имеет два состояния (Binary)

Количество состояний сигнала• T – три состояния (triple)• Q – четыре состояния (quadra)

Другие примеры избыточных кодов• 8B/10B (Gigabit Ethernet) – накладные расходы

25%• 64B/66B (10GEthernet) – накладные расходы

3.125%

Избыточные коды

42


Кодирование трудно использовать в оптике и беспроводной среде

• Высокие частоты плохо распространяются• Необходим очень мощный (и дорогой)

передатчик

Вместо кодирования используется модуляция• Передается аналоговый синусоидальный сигнал

(carrier)• Меняется амплитуда, фаза или частота


43


Типы модуляции

Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

44


Можно одновременно использовать несколько типов модуляции:

• Амплитуда и фаза• Частота и амплитуда

Многоуровневые модуляции:• Четырехуровневая частотная модуляция – 4

разных частоты

Комбинация многоуровневых модуляций

Комбинированные типы модуляции

45


Комбинация амплитудной и фазовой модуляции

8 значений фаз и 4 значения амплитуды

Используется 16 комбинаций из 32 для помехоустойчивости

Квадратурная амплитудная модуляции


46


Симплексный режим – данные передаются только в одну сторону

Дуплексный режим – данные передаются одновременно в обе стороны

Полудуплексный режим – данные передаются в обе стороны с разделением времени

Направления передачи

47


Место физического уровня в модели OSI


Среды передачи данных



Итоги

48


Вопросы?

Education

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень