Физический уровень Сети и системы телекоммуникаций Созыкин А.В. - презентация

1 Физический уровень Сети и системы телекоммуникаций Созыкин А.В.

2 ИМКН УрФУ2 План Место физического уровня в модели OSI Среды передачи данных Основы представления сигналов Кодирование Модуляция

3 ИМКН УрФУ3 Место в модели OSI Физический Канальный Сетевой Транспортный Сеансовый Представления Прикладной Передача потока битов по физическим каналам связи без искажений с заданной частотой Не вникает в смысл передаваемой информации Единица передаваемых данных - бит

4 ИМКН УрФУ4 Среда передачи данных Служит для физической передачи данных в сети от одного устройства к другому Проводная среда: Медные кабели (витая пара, коаксиальный кабель) Оптические кабели Беспроводная среда: Радиосвязь Спутниковая связь

5 ИМКН УрФУ5 Воздушные линии связи Появились самыми первыми Использовались для телефонной связи Низкая скорость Высокие помехи

6 ИМКН УрФУ6 Витая пара Скрученная пара медных проводов Скручивание снижает помехи В одном кабеле несколько скрученных пар

7 ИМКН УрФУ7 Витая пара Экранированная витая пара – большая защищенность сигнала от помех Неэкранированная витая пара – больше помех, но дешевле и удобнее при монтаже Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

8 ИМКН УрФУ8 Категории витой пары Катего- рия Полоса пропускания Описание 10,1 МГц1 пара, телефонная связь (в России «лапша») 21 МГц2 пары, сети до 4 Мб/с 316 МГц4 пары, сети 10 и 100 Мб/с 420 МГц4 пары, сети до 16 Мб/с 5100 МГц4 пары, сети 100 Мб/с (используется 2 пары) 5e5e125 МГц4 пары, 100 Мб/с (2 пары), 1 Гб/с (4 пары 6250 МГц4 пары, 1-10 Гб/с 7600 МГц4 пары, только экранированный, до 10 Гб/с

9 ИМКН УрФУ9 Коаксиальный кабель Два кабеля Внешний проводник служит экраном Типы кабелей: «Толстый» коаксиал (Ethernet) «Тонкий» коаксиал (Ethernet) Телевизионный кабель Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

10 ИМКН УрФУ10 Оптические кабели Состоят из тонких гибких стеклянных волокон (световодов) Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети. Самый качественный тип кабелей Самый дорогой тип кабелей

11 ИМКН УрФУ11 Оптические кабели Одномодовые кабели Тонкий сердечник Одна длина волны Многомодовые кабели Более толстый сердечник Несколько длин волн Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

12 ИМКН УрФУ12 Оптические кабели Одномодовые кабели: Дороги в изготовлении Работают на расстоянии до сотен километров Многомодовые кабели: Дешевы в изготовлении Расстояние до 300 – 500 м При больших расстояниях возникают искажения из-за наложения сигналов с разной длинной волны

13 ИМКН УрФУ13 Окна прозрачности Затухание сигнала в оптическом кабеле зависит от длины волны Три «окна прозрачности»: 850 нм 1300 (1310) нм 1550 нм

14 ИМКН УрФУ14 Передача сигналов 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

15 ИМКН УрФУ15 Искажения в каналах связи Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

16 ИМКН УрФУ16 Основы представления сигналов Любой сигнал можно представить суммой гармонических колебаний (с разной частотой и амплитудой) Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

17 ИМКН УрФУ17 Основы представления сигналов Гармоника – каждая составляющая разложения сигнала (синусоида) Спектр (спектральное разложение) – набор всех гармоник Ширина спектра – разность между максимальной и минимальной частотами гармоник Полоса пропускания – диапазон частот, при которых гармоники передаются по линии связи без искажения

18 ИМКН УрФУ18 Полоса пропускания и спектр сигнала Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

19 ИМКН УрФУ19 Полоса пропускания и спектр сигнала Чем больше полоса пропускания кабеля, тем лучше Чем меньше спектр сигнала, тем лучше

20 ИМКН УрФУ20 Представление информации Прямоугольные импульсы Представление информации - кодирование Синусоидальные волны Представление информации - модуляция t t

21 ИМКН УрФУ21 Кодирование Представление информации с помощью прямоугольных импульсов Простейший способ (потенциальное кодирование): 1 – присутствие напряжения 0 – отсутствие напряжения t

22 ИМКН УрФУ22 Кодирование NRZ NRZ (Non Return to Zero) – потенциальный код без возвращения к 0 Используется два уровня потенциала: Положительный – 1 Отрицательный – 0 t

23 ИМКН УрФУ23 Кодирование NRZ Преимущества: Хорошая распознаваемость сигнала (уровни резко отличаются) Простота реализации Недостатки: Низкочастотная составляющая, переходящая в постоянный ток Отсутствие синхронизации

24 ИМКН УрФУ24 Синхронизация Как узнать, сколько 0 и 1 отправлено? Компьютер: тактовые импульсы Недостатки: Выделенная линия связи Задержки в распространении сигнала t ??

25 ИМКН УрФУ25 Самосинхронизирующиеся коды Самосинхронизирующийся код содержит информацию, необходимую для синхронизации приемника и передатчика Перепад сигнала указывает на необходимость синхронизации

26 ИМКН УрФУ26 Методы улучшения самосинхронизации Добавление избыточных 1 в длительные последовательности 0 Скрэмблирование – перемешивание информации так, чтобы не оставалось длинных последовательностей 0 Импульсное кодирование – представление информации не уровнем потенциала, а перепадом

27 ИМКН УрФУ27 Избыточные коды 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

28 ИМКН УрФУ28 Избыточный код 4B/5B Исходный символ Результирующий символ Исходный символ Результирующий символ

29 ИМКН УрФУ29 Избыточный код 4B/5B Не содержит длинных последовательностей 0 Передается по сети с помощью кодирования, не чувствительного к последовательностям 1 (NRZI) Прост в реализации (таблица перекодировки)

30 ИМКН УрФУ30 Избыточные коды Что означает название 4B/5B? 4 – количество бит в исходном слове 5 – количество бит в результирующем слове B – сигнал имеет два состояния (Binary) Число состояний сигнала: T – три состояния (triple) Q – четыре состояния (quadra)

31 ИМКН УрФУ31 Избыточные коды Код 4B/5B – накладные расходы 25% Код 8B/10B – накладные расходы 25% Код 64B/66B – накладные расходы 3.125%

32 ИМКН УрФУ32 Избыточные коды Часть символов в избыточных кодах не используется Обнаружение ошибок: Получили неиспользуемый символ – значит, произошла ошибка при передаче по сети Управляющие символы: Начало передачи, конец передачи и т.п.

33 ИМКН УрФУ33 Код 2B/1Q Для передачи данных используется 4 уровня потенциала: 1 уровень – 11 2 уровень – 10 3 уровень – 01 4 уровень – 00 За 1 такт передается 2 бита

34 ИМКН УрФУ34 Код 2B/1Q t Недостаток: нужен мощный передатчик, чтобы различить 4 уровня сигнала

35 ИМКН УрФУ35 Импульсное кодирование Информация представляется сменой импульса, происходящей в середине такта Хорошая самосинхронизация – сигнал изменяется каждый такт Недостаток: широкий спектр по сравнению с потенциальным кодированием из-за высокой частоты

36 ИМКН УрФУ36 Манчестерское кодирование Два уровня сигнала Кодирование: Переход от низкого сигнала к высокому – 1 Переход от высокого сигнала к низкому – 0 В начале такта возможен служебный переход сигнала XOR данных и тактовых импульсов

37 ИМКН УрФУ37 Манчестерское кодирование Преимущества: Два уровня сигнала Самосинхронизация Недостаток: Частота выше, чем у потенциальных кодов, спектр шире t

38 ИМКН УрФУ38 Задачи кодирования Минимизация ширины спектра сигнала Синхронизация передатчика и приемника Устойчивость к шумам Обнаружение ошибок Минимизация мощности передатчика

39 ИМКН УрФУ39 Модуляция Модуляция – передачи информации с помощью синусоидальных сигналов путем изменения амплитуды, частоты или фазы Типы модуляции: Амплитудная модуляция Частотная модуляция Фазовая модуляция

40 ИМКН УрФУ40 Типы модуляции Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

41 ИМКН УрФУ41 Комбинированные типы модуляции Можно одновременно использовать несколько типом модуляции Амплитуда и фаза Многоуровневые модуляции: Четырехуровневая частотная модуляция – 4 разных частоты Комбинации многоуровневых модуляций

42 ИМКН УрФУ42 Квадратурная амплитудная модуляция Комбинация амплитудной и фазовой модуляции 8 значений фаз и 4 амплитуды Используется 16 комбинаций из 32 для помехоустойчивости Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

43 ИМКН УрФУ43 Направления передачи 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

44 ИМКН УрФУ44 Итоги Место физического уровня в модели OSI Среды передачи данных Основы представления сигналов Кодирование Модуляция

45 ИМКН УрФУ45 Вопросы?