Физический уровень Сети и системы телекоммуникаций Созыкин А.В.

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

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

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

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

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

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.

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

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.

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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)

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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

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

ИМКН УрФУ45 Вопросы?