1 Физические основы передачи данных Физический уровень Physical Layer

2 Функции физического уровня Представление битов электрическими/оптическими сигналами Кодирование битов Синхронизация битов Передача/прием битов по физическим каналам связи Согласование с физической средой Скорость передачи Дальность Уровни сигналов, разъемы Во всех устройствах сети Аппаратная реализация (сетевые адаптеры) Пример: 10 BaseT - UTP кат 3, 100 ом, 100м, 10Мбит/c, код МII, RJ-45

3 Типы линий связи Проводные (направляемые) Проводные воздушные Кабельные TP Coax Fiber Optics Беспроводные (ненаправляемые) Радиоизлучение Микроволны(CВЧ) Инфракрасное излучение Лазерный луч в воздухе

4 Аппаратура линий связи Линия связи: Физическая среда передачи АПД (DCE Data Circuit terminating Equipment) Промежуточная аппаратура Аналоговые линиипротокол Phy не определен Цифровые линии протокол Phy определен Многоканальные линии связи

5 Аппаратура передачи данных Преобразователь Сообщение - Эл. сигнал Кодер (сжатие, корректирующие коды) Модулятор Промежуточная аппаратура Улучшение качества связи - (Усилитель) Создание составного канала – (Коммутатор) Уплотнение канала – (Мультиплексор) (В ЛВС ПА может отсутствовать)

6 Основные характеристики линий связи Пропускная способность (Протокол) Достоверность передачи данных(Протокол) Задержка распространения Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Полоса пропускания Затухание Помехоустойчивость Перекрестные наводки на ближнем конце линии Удельная стоимость

7 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Гармонический анализ Реакция на эталонные сигналы ЛС – распределенная нагрузка. Z = Z(f) при L= const

8 Bandwidth-Limited Signals

9 Затухание (Attenuation) А – одна точка на АЧХ A= log 10 Pout/Pin Bel A=10 log 10 Pout/Pin deciBel (dB) A=20 log 10 Uout/Uin deciBel (dB) q Example 1: Pin = 10 mW, Pout =5 mW Attenuation = 10 log 10 (5/10) = 10 log 10 0,5 = - 3 dB q Example 2: UTP cat 5 Attenuation >= -23,6 dB F= 100MГц, L= 100 М Обычно А указывается для основной частоты сигнала

10 Пропускная способность и полоса пропускания Теорема Шеннона С (Бит/с) = Δ F (Гц) * log 2 (1+Ps/P N )

11 Помехоустойчивость Оптоволоконные линии Кабельные линии Проводные воздушные линии Радиолинии (Экранирование, скручивание) Устойчивость к внешним помехам Устойчивость к внутренним помехам Ослабление перекрестных наводок на ближнем конце (NEXT) Ослабление перекрестных наводок на дальнем конце (FEXT) (FEXT - Две пары в одном направлении)

12 Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk loss – NEXT) Для многопарных кабелей NEXT = 10 log Pвых/Pнав dB NEXT = NEXT (L) UTP 5 : NEXT < -27dB (100МГц)

13 Достоверность передачи данных Bit Error Rate – BER Вероятность искажения бита данных Причины: внешние и внутренние помехи, узкая полоса пропускания Борьба: повышение помехозащищенности, снижение наводок NEXT, расширение полосы пропускания Витая пара BER ~ Оптоволоконный кабель BER ~ Без дополнительных средств защиты::корректирующих кодов, протоколов с повторением

14 Стандартные типы кабелей ЛВС Unshielded Twisted PairUTPмедь Shielded Twisted PairSTP медь Coaxial cableCoaxмедь Fiber-Optic cableFiberволокно

15 Twisted Pair UTP – 7 категорий, все 4-парные (a) Category 3 UTP. (b) Category 5 UTP.

16 Витая пара Twisted Pair (TP) экран из фольги плетеный проволочный экран провод в изоляции внешняя оболочка UTP Unshielded Twisted Pair категории 1, UTP кат пары в оболочке STP Shielded Twisted Pair Типы Type 1…9 У каждой пары свой экран Каждая пара - свой шаг скрутки, свой цвет Помехозащищенность Стоимость Сложность прокладки

17 Coaxial Cable (50 ом 75 ом) Толстый D=12 мм, d=2,17мм RG-8, RG-11 Тонкий D=5мм, d=0,7мм RG-58/U, RG-58A/U Ethernet 10 base 5, Ethernet 10 base 2, ArcNet, CTV –RG-59

18 Fiber Optics Полное внутреннее отражение луча на границе двух сред n1 > n2 - (показатель преломления) n1 n2

19 Типы волоконно-оптических кабелей Многомодовый кабель Мода SMF MMF Мода 1 Мода 2 Одномодовый кабель

20 Transmission of Light through Fiber Attenuation of light through fiber in the infrared region.

21 Конструкция ВОК

22 Волоконно-оптический кабель Multi Mode Fiber MMF50/125, 62,5/125, Single Mode FiberSMF8/125, 9,5/125 D = 250 мкм 1 ГГц – 100 км BaseLH5000км - 1 Гбит/с (2005 г) MMSM

23 Источники оптического сигнала Канал: источник - носитель - приемник (детектор) Источники Светодиод (LED- Light Emitting Diod) нм некогерентный источник - MMF Полупроводниковый лазер когерентный источник - SMF - Мощность = f (t o ) Детекторы Фотодиоды, pin-диоды, лавинные диоды

24 Светодиоды и лазеры

25 Структурированные кабельные системы - СКС Structured Cabling System - SCS Первые ЛВС – различные кабели и топологии Унификация кабельной системы СКС – открытая кабельная инфраструктура ЛВС (подсистемы, компоненты, интерфейсы) - независимость от сетевой технологии - кабели ЛВС, TV, системы охраны и т.п. - универсальная кабельная проводка без привязки к конкретной сетевой технологии -Конструктор

26 Иерархия СКС

27 Стандарты СКС (основные) EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (США) CENELEC EN50173 Performance Requirements of Generic Cabling Schemes (Европа) ISO/IEC IS Information Technology - Generic cabling for customer premises cabling Для каждой подсистемы: Среда передачи данных. Топология Допустимые расстояния (длина кабелей) Интерфейс подключения пользователей. Кабели и соединительная аппаратура. Пропускная способность (Performance). Практика установки (Горизонтальная подсистема – UTP, звезда, 100 м... )

28 Беспроводная связь Wireless Transmission Достоинства: у добство, недоступные районы, мобильность. быстрое развертывание... Недостатки: в ысокий уровень помех (специальные средства: коды, модуляция…), сложность использования некоторых диапазонов Линия связи: передатчик - среда - приемник Характеристики ЛС ~ F(Δf, fн);

29 Wireless Transmission Радиодиапазон Микроволновый диапазон ИК- диапазон Диапазон видимого света

30 Спектр электромагнитных волн

31 Диапазоны электромагнитного спектра

32 Распространение электромагнитных волн Fн ~ Проникновение (препятствие) P ~ Pо/(L 2 x f 2 ) Отражение, рассеивание, дифракция … Лицензирование Без лицензии (900Мгц, 2,4Ггц, 5Ггц P

33 Radio Transmission (a) F < 2Мгц (VLF, LF, MF) - волны вдоль поверхности земли (

34 2. Cотовая телефония Разбиение территории на соты Повторное использование частот Малая мощность (габариты) В центре – базовая станция Европа – Global System for Mobile - GSM Беспроводная телефонная связь 1. Маломощная радиостанция – (трубка-база, 300м) DECT Digital European Cordless Telecommunication Роуминг - переключение с одной базовой сети на другую - основа сотовой связи

35 Спутниковая связь В основе – спутник (отражатель–усилитель) Приемопередатчики – транспондеры Н~50 Мгц (1 спутник ~ 20 транспондеров) Диапазоны частот: С. Ku, Ka C - Down 3,7 - 4,2 ГГц Up 5,925-6,425 ГГц Ku - Down 11,7-12,2 ГГц Up 14,0-14,5 ГГц Ka - Down 17,7-21,7 ГГц Up 27,5-30,5 ГГц

36 Спутниковая связь. Типы спутников Спутниковая связь: микроволны – прямая видимость Геостационарные Большое покрытие Неподвижность, Малый износ Cпутник-повторитель, широковещательность, низкая стоимость, стоимость не зависит от расстояния, Мгновенное установление связи (Mil) Tз=300мс Низкая защищенность, Первоначально большая антенна (но VSAT) Среднеорбитальные км Global Positioning System GPS - 24 спутника Низкоорбитальные км малое покрытие малая задержка Доступ в Интернет

37 Communication Satellites

38 Communication Satellites (3) VSATs using a hub.

39 Low-Earth Orbit Satellites Iridium (a) The Iridium satellites from six necklaces around the earth. (b) 1628 moving cells cover the earth.

40 Техника расширения спектра Специальные методы модуляции и кодирования для беспроводной связи С (Бит/с) = Δ F (Гц) * log2 (1+Ps/P N ) Уменьшение мощности Помехоустойчивость Скрытность OFDM, FHSS ( , Blue-Tooth), DSSS, CDMA