====== IN-POS 7. Technologie přenosu dat ======

===== Zadání =====

  * Technologie přenosu dat.
  * Signály, digitální a analogové vysílání, kódování dat, multiplexing,
  * chybové řízení, metody řízení přístupu k médiu a celkové řízení datového spoje.

  * PV169, PV183

===== Vypracování =====

==== Signály, digitální a analogové vysílání ====

  * Data jsou přenášena přes přenosové médium ve formě signálů (nutná transformace).
  * **signál** = funkce času reprezentující změny fyzikálních vlastností přenosového média
  * data, která je třeba přenést, jsou digitální (binární)
  * signály šířené přenosovým médiem:
    * **analogový signál**
      * spojitý v čase
      * lze šířit vodiči i bezdrátovým prostředím
    * **digitální signál**
      * diskrétní v čase
      * lze šířit pouze vodiči
      * data jsou diskrétní v hodnotách (znaky, prvky abecedy,...)

=== Defekty signálů ===

  * útlum
    * slábnutí signálu, ztráta energie
    * způsobeno např. odporem média
    * řešením jsou zesilovače
  * zkreslení
    * ztráta tvaru křivky signálu
    * způsobeno rozdílnou rychlostí šíření signálů na různých frekvencích
  * šum
    * vliv cizorodé energie
    * terminální šum, indukovaný signál, přeslech,..

=== Přenos dat ===


  * Analogový signál lze přenášet:
    * **amplitudovou digitální modulací** -- mění se amplituda nosného signálu
    * **frekvenční digitální modulací** -- mění se frekvence nosného signálu
    * **fázovou digitální modulací** -- mění se fáze nosného signálu
  * Pro modulaci slouží **modem** (MOdulátor/DEModulátor).


  * Digitální data (0 a 1 proudící z/do vyšších vrstev) přenášíme:
    * analogovým signálem
      * modulací nosného signálu digitálními daty
    * digitálním signálem
      * transformací kódování

  * **kódování** = proces konverze binárních dat do digitálního signálu
    * nutná synchronizace vysílače a přijímače (lze využít změnu úrovně signálu)

<box 90% blue|Přímé kódování>
  * 1 = kladná hodnota amplitudy
  * 0 = nulová hodnota amplitudy

  * ➖ žádná samosynchrovatelnost
</box>

<box 90% blue|NRZ>
NRZ-L
  * 1 = záporná
  * 0 = kladná
  * ➖ žádná samosynchronizovatelnost

NRZ-I
  * 1 = změna polarizace apmplitudy
  * 0 = žádná změna
  * ➖ řeší jen posloupnost 1, neřeší posloupnost 0
</box>

<box 90% blue|Manchester>
  * Každý bit kódován 2 prvky signálu.
  * ➕ plná samosynchronizovatelnost

{{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/58/Manchester_encoding.svg/800px-Manchester_encoding.svg.png?500}}
</box>

<box 90% blue|4B/5B>
  * Substituce originálních 4-bitových bloků speciálním 5-bitovými vzorky.
    * nejvýše tři 0 za sebou
  * Vlastní převod s využitím NRZ-I.
  * ➕ Uměle zavedená redundance pro zabezpečení synchronizace.
  * ➕ Včetně možnosti detekce chyb.
</box>


=== Přenosové médium ===

  * Voděná média
    * fyzická kanál mezi zařízeními
    * kroucená dvoulinka (LANs, až 10 Gbps), koaxiálnı́ kabel, optické vlákno
(páteře, stovky Gbps), atp.
  * Nevoděná média
    * přenášı́ elektromagnetické vlněnı́ bez použitı́ fyzického vodiče
    * signály se šı́řı́ éterem (vzduch, vakuum, voda)
    * rádiové vysı́lánı́, mikrovlnné vysı́lánı́, infračervené vysı́lánı́, atp.


<box 90% red|Multiplexing>
Technika sdı́lenı́ dostupné přenosové kapacity přenosového média souběžnými komunikacemi.

  * Cı́lem je efektivnějšı́ využitı́ média.
  * Uplatněn zejména u optických vláken a bezdrátů.
</box>


  * **Analogové sygnály**

<box 90% blue|Frequency-Division Multiplexing (FDM)>
  * každý přenášený signál je modulován samostatným nosným signálem s unikátnı́ nosnou frekvencı́
  * modulované nosné signály se kombinujı́ do nového signálu, který se
přenášı́ spojem
</box>

<box 90% blue|Wave-Division Multiplexing (WDM)>
  * varianta FDM pro optické signály (optická vlákna)
  * použitı́ vı́ce světelných paprsků na různých frekvencı́ch
  * každá barva světla (vlnová délka, frekvence) reprezentuje 1 kanál
</box>

  * **Digitální signály**


<box 90% blue|Time-Division Multiplexing (TDM)>
  * v libovolném okamžiku kanál využı́vá výhradně jeden vysı́lajı́cı́ (po jistou dobu)
  * vysoká propustnost i při mnoha vysı́lajı́cı́ch
  * nutnost preciznı́ synchronizace vysı́lače a přijı́mače
</box>


==== Řízení datového spoje ====


=== Chybové řízení ===

  * Fyzická vrstva je téměř vždy předmětem chyb.
  * Vrstva datového spoje provádí detekci/korekci.
    * Vysílač přidá kontrolní bity. Příjemce ověří a případně zažádá o přeposlání.

  * Detekce chyb:
    * sudá/lichá parita
    * Cyclic Redundancy Check (garance silné kontroly)
      * postaveno nad dělením polynomů

<box 90% blue|Error Detection, Automatic Request for Retransmission (ARQ)>
  * detekce chyby a zajištěnı́ opakovánı́ přenosu
  * vhodné pro málo chybujı́cı́ přenosová média
</box>


<box 90% blue|Forward Error Correction (FEC)>
  * detekce chyb a snaha o jejich korekci (s využitı́m redundance dat)
  * vhodné pro často chybujı́cı́ přenosová média či média s velkou latencı́
  * např. Hammingův kód
</box>


=== Řı́zenı́ přı́stupu k médiu (MAC) ===

  * funkcionalita odpovědná za koordinaci přı́stupu vı́ce stanic ke sdı́lenému přenosovému médiu
  * Cı́l: eliminace kolizı́ (konfliktů) při vysı́lánı́
    * tj. souběžného vysı́lánı́ do jediného přenosového prostředı́

  * **MAC protokoly neřı́zeného přı́stupu**

<box 90% blue|Aloha>
  * stanice vysı́lá kdykoliv má připravený rámec
  * kolize detekovány nepřijetı́m potvrzenı́ o přijetı́ v definovaném časovém intervalu
  * po kolizi náhodnou dobu vyčká a zkusı́ vysı́lat znovu
  * ➖ neefektivnı́
</box>

<box 90% blue|CSMA/CD>
  * upravená Aloha – stanice vysı́lá jen když zjistı́ klid v médiu
  * současně na médiu naslouchá pro detekci přı́padné kolize
    * **(CD = Collision Detection)**
  * aplikace v klasickém LAN Ethernetu; nepoužitelné v nevoděném médiu
</box>

<box 90% blue|CSMA/CA>
  * obcházenı́ kolizı́
  * použitelné v nevoděném médiu
</box>

  * **MAC protokoly řı́zeného přı́stupu**
    * stanice smı́ vysı́lat jen tehdy, když k tomu zı́ská právo od řı́dı́cı́/jiné stanice
    * **rezervace**
      * vysı́lánı́ v předem domluvených vyhrazených intervalech
    * **vyzývánı́**
      * centrálnı́ stanice vyzývá (a vybı́rá) stanici, která bude vysı́lat
    * **předávánı́ přı́znaku**
      * předávánı́ peška indikujı́cı́ho právo k vysı́lánı́

  * **Protokoly multiplexově-orientovaného přı́stupu**
    * zpřı́stupněnı́ multiplexingu fyzické vrstvy vrstvě L2
    * FDMA (Frequency-Division Media Access)
    * TDMA (Time-Division Media Access)


=== Sítě na L2 ===

  * **lokálnı́ počı́tačové sı́tě (LANs)**
    * systematická topologie pro jednoduché sı́tě
      * topologie = fyzické uspořádánı́ stanic na médiu
      * sběrnice, kruh, hvězda, strom, mesh atp.
    * rozlehlejšı́ sı́tě tvořeny vzájemným propojovánı́m jednoduchých topologiı́

  * **koliznı́ doména**
    * určena stanicemi sdı́lejı́cı́mi přenosové médium
    * kdykoliv začne v koliznı́ doméně vı́ce stanic vysı́lat, dojde ke kolizi (znehodnocenı́ signálu ⇒ nutnost opakovánı́ přenosu)


<box 90% blue|bus>
  * relativně jednoduše instalovatelná
  * koliznı́ doména tvořena všemi připojenými stanicemi
  * CSMA/CD jako protokol řı́zenı́ přı́stupu k médiu
  * náchylná k defektům (výpadek kabelu = výpadek celé sı́tě)
</box>

<box 90% blue|ring>
  * všechny zprávy putujı́ v jednom směru
  * koliznı́ doména tvořena všemi připojenými stanicemi
  * právo vysı́lat určuje metoda peška
  * velmi náchylná k defektům (výpadek kabelu/zařı́zenı́ = výpadek celé sı́tě)
</box>

<box 90% blue|star>
  * centrálnı́ propojovacı́ bod (hub, bridge, switch) 
  * hůře instalovatelná
  * koliznı́ doména v závislosti na propojovacı́m bodu
    * **hub** – operuje na L1 – koliznı́ doména tvořena všemi připojenými stanicemi
    * **bridge**, **switch** – operujı́ na L2 – koliznı́ doména vždy tvořena pouze dvěma sousedı́cı́mi stanicemi
  * nepřı́liš náchylná k defektům (výpadek kabelu = výpadek pouze daného zařı́zenı́)
</box>

=== Budování L2 sítí ===

  * **můstek (bridge)**
    * transparentnı́ propojenı́ sı́tı́
    * vlastnosti:
      * všechen provoz procházı́ můstkem
      * odděluje sdı́lená média (kolize se nepřenášı́)
      * může mı́t vı́ce jak dvě připojenı́
    * přepı́nač (switch) ≈ vı́ceportový můstek

  * založeno na MAC adresách
    * Backward Learning Algorithm – můstek se učı́ umı́stěnı́ stanic naslouchánı́m na médiu (sledovánı́m zdrojových adres)
    * rámce se směrujı́ dle cı́lové adresy

  * vlastnosti:
    * lze vytvořit sı́tě s cykly
      * distribuovaný Spanning Tree Algorithm pro výpočet kostry
    * nevhodné pro velké sı́tě
      * přepı́nacı́ tabulky rostou s počtem stanic – pomalá konvergence

<box 90% blue|Distribuovaný Spanning Tree Algorithm>
  * cı́l algoritmu: nepoužı́vat některé porty můstků (zabránit cyklům)
  * každý můstek posı́lá periodické zprávy:
    * <vlastnı́ adresa, adresa kořenového můstku, vzdálenost od kořene>

  * když dostane zprávu od souseda, upravı́ definici nejlepšı́ cesty
    * preferuje kořen s menšı́ adresou
    * preferuje menšı́ vzdálenosti
    * při stejných vzdálenostech preferuje nižšı́ adresu

  * mechanismus:
    * volba kořenového vrcholu stromu (nejnižšı́ adresa)
    * postupný růst stromu – nejkratšı́ vzdálenost od kořene (preference majı́ uzly s nižšı́ adresou, pokud existuje vı́ce možnostı́)
    * nalezené nejlepšı́ cesty definujı́ aktivnı́ porty můstků
    * všechny ostatnı́ porty vypnout

  - fáze výběru kořenového můstku
    - po zapnutı́ všechny můstky prohlásı́, že jsou kořenem (Root Bridge)
    - každý z nich zašle konfiguračnı́ informaci na všechny porty
    - na základě těchto informacı́ je zvolen kořenový můstek s nejnižšı́ ID
  - fáze výběru kořenových portů
    - každý můstek si za svůj kořenový port (Root Port) zvolı́ ten s nejnižšı́ cenou cesty k Root Bridge
    - majı́-li dva porty stejnou cenu, je zvolen ten s nižšı́m Port ID (druhý se vypne (stane se non-designated) pro vyloučenı́ smyček)
  - fáze výběru aktivnı́ch/neaktivnı́ch portů
    - Root Bridge nastavı́ všechny svoje porty jako aktivnı́ (Designated)
    - na všech spojı́ch, na kterých nejsou Root Porty, si přepı́nače vyměňujı́ informace a zjišťujı́, kdo z nich má nižšı́ Bridge ID. Ten potom nastavı́ svůj port jako aktivnı́, druhý s vyššı́m Bridge ID svůj port vypne.

</box>

===== Zdroje =====

  * slidy pb156