A fizikai réteg. Hardver építőelemek. Az adat kommunikáció elméleti alapjai

Átírás

1 A fizikai réteg Hardver építőelemek Az adat kommunikáció elméleti alapjai 1

2 Matematikai bevezetés (Emlékeztető lin. algebrából) Skaláris szorzatos terek Norma Ortogonalitás Fourier-együtthatók Legjobb approximáció tétele Skaláris szorzat, : V V K, u, v, w V,λ K u,v = v,u u,u o, u,u = o u = o λu,v = λ u,v u + w,v = u,v + w,v 2

3 Norma x = x, x x V, x o x x egységre normált x egységre normált, ha x =1 Vektorok szöge, ortogonalitás x, y V, egyetlen ϕ [ 0,π] hogy cosϕ = Re x,y x y x és y ortogonális, ha x,z = o vagyis ( x,y) = π 2 vagy x = o vagy y = o 3

4 Ortogonális vetület, Fourier együttható Legyen b V b o rögzített, Ekkor x V - hez pontosan egy α K, hogy x - αb és b ortogonális. α = x,b b,b Legjobb approximáció tétele Legyen H véges dimenziós altere V - nek, π pedig ortogonális projekció H - ra. x V esetén bármely y H - ra x - π( x) x y és egyenlő ha y = π( x) 4

5 Példa V:= { f :[ 0,2π] C, f folytonos} Legyen f,g := 1 2π f g 2π 0 ϕ n ( x):= e inx, n Z - re {...,ϕ -n,ϕ n +1,...,ϕ 0,...,ϕ n 1,ϕ n,...} ortonormált V - ben f n az f ortogonális vetülete az ( ) 2n +1 dim. altérre l ϕ -n,ϕ n +1,...,ϕ 0,...,ϕ n 1,ϕ n f n = n i= n f,ϕ k ϕ k ( ) altér elemei közül f - t. f n közelíti legjobban l ϕ -n,ϕ n +1,...,ϕ 0,...,ϕ n 1,ϕ n Időben változó jelek fizikai mennyiség intenzitás változás Fourier analízis analóg és digitális jelek sávhatárolt jelek - mintavételi tétel 5

6 Fourier analízis Jelek viselkedésének vizsgálata idő tartományban (időben) frekvencia tartományban Vizsgálat frekvencia tartományban fizikai okok matematikai okok Idő és frekvencia tartomány 6

7 Fourier analízis (folyt.) Jelek viselkedése szűrőkön, erősítőkön, komm. csatornán példa: Fourier sorok periódikus jelek (T-n véges, véges sok szakadás, véges integrál) együtthatók ~ diszkrét spektrum 7

8 Fourier sorok (folyt.) nem periódikus jelek komplex forma: Fourier sorok (pl.)

9 Fourier transzformáció Fourier sorok általánosítása, folytonos, aperiódikus fv-ekre folytonos spektrum komplex spektrum F(s) = f (x) = f (x)e i2πxs dx F(s)e i2πxs dx Fourier transzformáció (pl.) 9

10 Spektrális felbontás Spektrális felbontás (folyt.) Valós értékű jelekre A(f)=A(-f) Θ(f)=-Θ(-f) 10

11 Sávhatárolt jelek α>0, hogy F(f)(y)=0, ha y >α Folytonos jelek mintavételezése Amplitudó felbontás Dinamikus tartomány Időbeli felbontás Időtartam 11

12 Mintavételi tétel f sávhatárolt folytonos és sin 2πα x n n f ( x) = f 2α 2α 2πα x n n Z 2α n Z n f 2α < x R Mintavételi tétel (folyt.) 12

13 Hardver építőelemek Csomópontok Általános célú komputerek Speciális célhardverek Véges memória (méret, sebesség) Network adaptor - device driver CPU Cache Network adaptor (To network) Memory I/O bus 13

14 Összeköttetések Fizikai közegben terjedő jelek ~ elektromágneses hullámok Kódolás Moduláció Irány full-duplex half-duplex Összeköttetések (folyt.) Helyi összeköttetések Category 5 twisted pair 50-ohm coax (ThinNet) 75-ohm coax (ThickNet) Multimode fiber Single-mode fiber Mbps, 100m Mbps, 200m Mbps, 500m 100Mbps, 2km Mbps, 40km Távközlési szolgáltatások Service to ask for ISDN T1 T3 STS-1 STS-3 STS-12 STS-24 STS-48 Bandwidth you get 64 Kbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Gbps Gbps 14

15 Elektromágneses spektrum Kábelek Csavart érpár cat-3 cat-5, cat-6 Koaxiális kábel vékony vastag 15

16 Csavart érpár a) Cat-3 UTP b) Cat-5 UTP Csavart érpár jellemzői legrégebbi közeg csavarás a külső interferencia ellen nagy elterjedés (telefon) sebesség: hang 3000 Hz 10 km fölött 160 kbps 6 km fölött 10 Mbps 180 m (10BaseT) 16

17 Koax kábel hullám ellenállás Koax kábel jellemzői drágább mint a csavart érpár de 1000-szeres sávszélesség vagy 10-szeres távolság alkalmazás: közepes sebességű LAN, kábel TV 17

18 Optikai összeköttetések jellemzői Sávszélesség Elméleti sávszélesség 50 THz (TV jel 6 MHz) Valódi sávszélesség néhány 100 GHz Jel input/output a kábelre 27 Gbps demonstrált sebesség ( párhuzamos telefon beszélgetés) Megbízhatóság tipikus BER 1: Jel csillapodás Kisebb mint 1 db/km (1310 nm) 30 km-enként repeaterek Fizikai jellemzők cm átmérőjű optikai kábel ekvivalens 76.2 cm-es réz kábelezéssel 3.6 kg optikai szál ~ 94.5 kg réz kábel Üvegszálas összeköttetések fénytörés 18

19 Üvegszálas összeköttetések (folyt.) csillapítás a hullámhossz fv-ében Üvegszálas összeköttetések (folyt.) üvegszál több módusú 19

20 Üvegszálas összeköttetések (folyt.) üvegszál egy módusú Fénykábelek 20

21 Fényforrások Optikai hálózatok 21

22 Vezeték nélküli összeköttetések Rádió és mikrohullámú hálózatok Fény összeköttetések Műholdas kapcsolatok Rádiós átvitel 22

23 Rádióhálozatok Topológiák Rádióhálozatok (folyt.) IEEE Frekvenciák ISM frekvenciasávok MHz GHz GHz Adatsebességek 5Mbps, 11Mbps, 54Mbps 23

24 Rádióhálozatok (folyt.) Jelcsilladopás mérés db Rádióhálozatok (folyt.) Line of sight Fresnel zóna 24

25 Rádióhálozatok (folyt.) Multipath probléma Rádióhálozatok (folyt.) Eszközök 25

26 Rádióhálozatok (folyt.) Wardriving Lézeres átvitel 26

27 Műholdas átvitel Hub használata 27

28 Nyílvános telefonhálózat Előfizetői szakasz analóg csavart érpár Trönkök digitális száloptika Központok trönkök közötti kapcsolás Kapcsolódás a telefon hálózatra 28

29 Modemek, kódolás Hálózati adapterek Probléma: bináris adatok konvertálása olyan jelekké, melyek megfelelő módon terjednek az összeköttetés közegében Signalling component Node Adaptor Signal Adaptor Node Bits 29

30 Jelidőzítés, szinkronizálás szinkron átvitel órajel átvitele önidőzitő átvitel Aszinkron átvitel pl. aszinkron karakter átvitel termináloknál idle - alacsony jelszint start bit adatbitek stopbit(ek) 30

31 Non-Return to Zero (NRZ) kódolás Probléma: egymás utáni 1-ek vagy 0-ák sok 0 - nincs jel sok 1 - alapvonal eltolódás óra szinkron tartása Bits NRZ NRZI és Manchester kódolás Non-return to Zero Inverted (NRZI) Manchester Bits NRZ Clock Manchester NRZI 31

32 4B/5B kódolás Minden 4 bit adat 5 biten kódolva: max. egy vezető 0, max. 2 záró 0 => max. 3 egymást követő 0 az 5-bites kódok NRZI-vel továbbítva kontrol kódok Differenciális kódolás csatornán a jelváltás detektálható jelszintek megváltozhatnak a csatornán (akár inverzió pl. PSK esetén) 32

33 Bit és Baud ráták baud - jelzés/sec bit ráta < baud ráta - pl. Manchester kódolás bit ráta > baud ráta - pl. 2B1Q kódolás szimbólum méret bps= (baud ráta) x (bitek száma per szimbólum) Modemek jelek digitális-analóg ill. visszaalakítása 33

34 Modemek (folyt.) Interfészek Jelek a csatornán Alapsávi jelzés digitális csatornák (pl. koax. kábel LAN) Szélessávú jelzés moduláció (pl. koax. kábel kábel TV) analóg erősítők, repeaterek 34

35 Moduláció Amplitudó moduláció Frekvencia moduláció Fázis moduláció Moduláció (folyt.) Vektor moduláció ortogonális jelek (bázisok) jelek felbontása visszaállítás 35

36 Moduláció (folyt.) konstelláció n-bites szimbólum -> 2 n pont Modemek (folyt.) szabványok 1,200 bits/sec, full-duplex, PSK V.22 encoding 2,400 bits/sec, full-duplex, QAM V.22bis encoding Asynchronous/synchronous, V.32 4,800/9,600 bits/sec, QAM encoding Asynchronous/synchronous, 14,400 V.32bis bits/sec, TCM encoding Defines high data rates over combined V.35 circuits V.42 Defines error checking standards Defines modem compression using the V.42bis Lempel Ziv method The newest data compression standard, V.44 announced with V.92 in 2000 A standard for 28 Kbits/sec using TCM V.34 encoding V.34+ Boosts V.34 to 33.6 Kbits/sec 56 Kbits/sec download speed, assuming V.90 only one digital-to analog conversion Improves the upload speed of the V.90 standard from 33.6 Kbits/sec to 47 V.92 Kbits/sec 36

37 Modemek (folyt.) Shannon-Hartley tétel csatorna kapacitás B sávszélesség S/N átlagos jel/zaj arány ( ) C = Blog 2 1+ S / N Többszörös közeghozzáférés Frekvenciaosztásos multiplexálás Hullámhossz-osztásos (szín) multiplexálás Időosztásos multiplexálás 37

38 Frekvencia osztásos multiplexálás Hullámhossz-osztásos (szín) multiplexálás 38

39 Időosztásos multiplexálás 39