Obsah
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)
Přímé kódování
- 1 = kladná hodnota amplitudy
- 0 = nulová hodnota amplitudy
- ➖ žádná samosynchrovatelnost
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
Manchester
- Každý bit kódován 2 prvky signálu.
- ➕ plná samosynchronizovatelnost
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.
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.
Multiplexing
Technika sdı́lenı́ dostupné přenosové kapacity přenosového média souběžnými komunikacemi.
- Cı́lem je efektivnějšı́ využitı́ média.
- Uplatněn zejména u optických vláken a bezdrátů.
- Analogové sygnály
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
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
- Digitální signály
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
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
Error Detection, Automatic Request for Retransmission (ARQ)
- detekce chyby a zajištěnı́ opakovánı́ přenosu
- vhodné pro málo chybujı́cı́ přenosová média
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
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
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
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
CSMA/CA
- obcházenı́ kolizı́
- použitelné v nevoděném médiu
- 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)
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)
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)
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)
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
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.
Zdroje
- slidy pb156
