Fyzická vrstva – základy komunikace

1. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Fyzická vrstva – základy komunikace Lekce 3 Fyzická vrstva - základy komunikace Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 1 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

2. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Přenášená dat mohou být: • spojitá • (v daném oboru mohou nabývat nekonečného počtu hodnot) • analogové počítače • analogové měřící systémy • zvuk • …… • diskrétní • (v daném oboru mohou nabývat konečného počtu hodnot) • digitální počítače • …... Přenášená data Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 2 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

3. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Problémy při přenosu…. Spojité hodnoty - vyhodnocení U ? - zkreslení U Lze použít tam, kde nepožadujeme absolutní přesnost ! Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 3 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

4. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Data mohou nabývat jen konečný počet předem definovaných hodnot Diskrétní hodnoty Čím méně stavů, tím se lépe stavy vyhodnocují a tím menší vliv má na ně zkreslení při přenosu Ideální počet stavů - 2 • Proto základní jednotka informace je 1 bit se 2 možnými stavy: • „1“, true, High, • „0“, false, Low Veškerá data jsou representována kombinací bitů dvojková soustav….. Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 4 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

5. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Pro přenos dat je nutné interpretovat přenášenou informaci: • pomocí nějakého fyzikálního přenosového média • formou hodnoty fyzikální veličiny • se schopností přenosu reálným přenosovým prostředím Fyzikální interpretace dat Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 5 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

6. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Jak chápat přenosové médium Terminologie ????? Přenosové medium • Jako přenosové médium můžeme použít: • elektrický proud • - stejnosměrný • - střídavý • elektromagnetické vlny • - rádiové • - mikrovlnné • světlo • - v infračerveném spektru • - ve viditelném spektru Vždy jde o harmonický (sinusový) signál Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 6 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

7. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Frekvenční spektrum Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 7 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

8. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Přenos v základním pásmu (baseband, nemodulovaný přenos) Vstupní signál (posloupnost bitů se převádí přímo na hodnotu vybrané fyzikální veličiny přenosového média: - úroveň napětí (High/Low) - velikost protékajícího proudu (prochází/neprochází) Přenos v základním pásmu U [V] High 0 0 1 0 1 1 Low Kvůli snížení rizika špatného rozpoznání po přenosu může být signál kódován do více změn signálu na 1 přenášený bit Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 8 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

9. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Význam má úroveň Význam má změna Kódování v základním pásmu 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 +U [V] +U [V] Unipolární 0 [V] 0 [V] = 0 Manchester hrana uprostřed bitového intervalu +U [V] Bipolární NRZ (Non Return to Zero) = 1 0 [V] 0 0 1 0 1 1 -U [V] +U [V] +U [V] Bipolární RZ (Return to Zero) 0 [V] = 0 0 [V] Diferenciální Manchester hrana na začátku bitového intervalu -U [V] = 1 Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 9 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

10. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Reálné přenosové prostředí má vliv na přenášený signál: • útlum • zkreslení - vlivem fyzikálních vlastností prostředí • - vlivem jiných signálů (přeslechy, …) • Některý signál je „narušen“ více, jiný méně • Záleží hlavně na jeho frekvenci a povaze změn Reálné přenosové prostředí Model reálného přenosového prostředí R L C R Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 10 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

11. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská R L R L C C Ideální přenosové prostředí Útlum a zkreslení Reálné přenosové prostředí Vliv odporu = útlum + Vliv kapacity, indukčnosti = zkreslení = Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 11 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

12. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Řešení: • Přenášet takový signál, který se při přenosu nejméně zkreslí • Harmonický (sinusový) signál • Čistý harmonický signál nenese sám žádná data • Nosný signál • Aby mohly být přenášeny data, musí se na nosný signál naložit formou definovaných změn nosného signálu – modulace • => Přenos v přeloženém pásmu (broadband, modulovaný přenos) • Měnit můžeme tyto parametry • amplitudu • fázi • frekvenci Přenos v přeloženém pásmu Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 12 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

13. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Funkce harmonického signálu y = A * sin(ω * t + Φ) Modulace Amplitudová modulace Fázová modulace Frekvenční modulace Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 13 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

14. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Modulační rychlost (baud rate) vyjadřuje počet modulačních změn nosného signálu za sekundu. Jednotka: 1 Bd (baud) Modulační rychlost • Modulační rychlost sama o sobě nevypovídá o množství přenášených dat • záleží na tom, kolik bitů reprezentuje jedna modulační změna • v kombinaci různých modulací může nabývat modulovaný signál více stavů (n) – pak každý přechod ze stavu do stavu může reprezentovat přenos log2(n) bitů • (např. u modemů V.34 je možno rozlišit 512 stavů (tedy kažý přechod reprezentuje přenos 9 bitů) • počet stavů modulace nelze do nekonečna zvyšovat – přijímací strana by je nebyla schopna rozlišit • V některých případech reprezentuje více modulačních změn jeden bit Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 14 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

15. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Přenosová rychlost (bit rate) udává počet přenesených bitů za sekundu. Jednotka: 1 bit/s (násobky kbit/s, Mbit/s, Gbit/s Vztah mezi přenosovou a modulační rychlostí: Vpřenosová = Vmodulační * log2(n) Příklady: Ethernet - Vpřenosová = 0,5 * Vmodulační RS-232, Centronix - Vpřenosová = Vmodulační Telefonní modemy - Vpřenosová > Vmodulační Přenosová rychlost • Přenosová rychlost má nominální charakter (maximální teoretická) • Efektivní (skutečná) přenosová rychlost může být výrazně nižší Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 15 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

16. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská „vanová křivka“ „narušení“ lze použít f [Hz] fmin fmax Šířka přenosového pásma Reálné přenosové prostředí přenáší některé signály lépe, jiné hůře. Největší vliv u harmonického signálu má frekvence signálu. Pro harmonický signál lze závislost míry narušení signálu na frekvenci přenášeného signálu vyjádřit tzv. vanovou křivkou. V rozsahu frekvencí <fmin, fmax> je zaručen přenos signálu s ještě únosným narušením. Tento rozsah se nazývá šířka pásma (bandwidth). Harmonické signály o frekvencím mimo tento rozsah nelze efektivně daným prostředím přenášet . Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 16 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

17. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Techniky přenosu na fyzické vrstvě • Na úrovni fyzické vrstvy patří do technik přenosu: • Problematika přenosu v různých směrech • zabývá se problematikou použití přenosového média ve směrech příjem / vysílání • Synchronizace dat • zabývá se problematikou časování sledu bitů na přenosovém médiu z pohledu vysílajícího a přijímajícího Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 17 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

18. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Podle vyžití přenosového média v obou směrech je přenos Duplex, poloduplex, simplex, … Duplexní – přenos je možný v obou směrech a to současně (je třeba zajistit přenosové médium proti vzájemnému rušení obou směrů) Poloduplexní – přenos je možný v obou směrech, ale ne současně (oba směry přenosu si musí rozdělit čas na přenosovém médiu ) Simplexní – přenos je možný jen v jednom směru (např. R a TV přenosy) Semiduplex – přenos v každém směru je zajišťován jinou technologií, jinou cestou, ….) U obousměrného přenosu může být přenos: Symetrický – použitá technologie umožňuje v obou směrech stejnou (maximální/nominální) rychlost Asymetrický – v každém směru přenosu je použita jiná technologie umožňující jinou přenosovou rychlost (ADSL – cca 1:10) Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana18 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

19. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Vysílání bitů do přenosového média časuje vysílající: • přenos bitu trvá konečný časový úsek (bitový interval) • přenášená data reprezentuje stav signálu během bitového intervalu • nastavení hodnoty signálu na počátku bitového intervalu trvá sice velmi malou, ale konečnou dobu (neurčitý stav) Synchronizace • Přijímající strana vyhodnocuje stav signálu někde v bitovém intervalu: • po dobu vyhodnocování se signál nesmí změnit • přijímající strana se musí „trefit“ do správného bitového intervalu Protože obě strany přenosu nejsou jinak spojeny, používají pro časování každá svoje hodiny. Při přenosu je nutno zajistit, aby hodiny obou stran tikaly po definovanou dobu stejně Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 19 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

20. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Nemá vůbec žádnou synchronizaci • bitový interval nemá pevnou délku • každá změna hodnoty signálu je informace pro přijímající stranu • nosný signál musí mít alespoň 3 definované stavy • je potřeba dostatečně dlouhý průběh stavu, který odděluje bitové intervaly – aby přijímač stihl reagovat Asynchronní přenos 1 1 0 0 0 oddělovače bitových intervalů Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 20 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

21. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Přenáší bity seskupené do skupin (4-8 bitů) • časové intervaly mezi skupinami jsou různé • na počátku každé skupiny je start-bit (seřízení hodinek) • časování ostatních bitů skupiny vzhledem ke start-bitu je dáno použitou technologií • vychází se z předpokladu, že se hodiny obou stran po celou dobu jedné skupiny „nerozejdou“ Arytmický přenos 0 1 S 0 1 0 0 1 1 0 1 S synchronizované čtení Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 21 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

22. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Obecně platí pro synchronní přenosy: • synchronizace je udržována trvale • mohou se přenášet libovolně dlouhé bloky bitů Synchronní přenos • Výhody synchronních přenosů: • jsou obecně rychlejší než asynchronní a arytmický • Metody průběžné synchronizace: • pomocí samostatného synchronizačního signálu • pomocí redundantního kódování • z přenášených dat Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 22 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

23. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Problém: • je nutno samostatné vedení datového a synchronizačního signálu • lze použít na malé vzdálenosti • speciální kabely Samostatný synchronizační signál datový signál 1 0 0 1 1 0 synchronizační signál Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 23 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

24. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská 1 0 0 1 1 0 • Vlastnosti: • nevyžaduje samostatný synchronizační kanál • nutná redundance v signálu (signál musí obsahovat časovací část • => Vpřenosová = 0,5 * Vmodulační • (na 1 přenesený bit jsou nutné 2 změny signálu) Redundantní kódování datový signál + synchronizační signál = Manchester (např. u Ethernetu) Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 24 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

25. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • přenášený signál neobsahuje časování • příjemce si časování seřizuje podle datových bitů Synchronizace z dat • Problém: • Vyskytnou se přenosy bez změny signálu -> dlouhá posloupnost „0“ nebo „1“ • Řešení – technika bit-stuffing: • po každých „n“ stejných bitech se vloží opačný bit, který vyvolá hranu signálu Vkládají se sice redundantní bity, ale není to 1:1……… 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 vložený synchronizační bit Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 25 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

26. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Přenosové prostředí, ve kterém se šíří přenášený signál může být: • prostorově ostře omezené (vodiče metalické, optické) • prostorově neomezené (bezdrátové přenosy) • (? - vlnovody, směrové antény, paprsek,….) Šíření signálu v přenosovém prostředí přenosové prostředí bezvodičový typ vodičový typ satelitní metalické optické světlo optické vlákno infračervené rádiové mikrovlnné kroucená dvoulinka koaxiální kabel Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 26 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

27. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Aktivní prvky • obecně slouží k vzájemnému propojení síťových segmentů • (jako segment můžeme označit přenosové prostředí, ve kterém se samostatně šíří přenášený signál bez pomoci jiných součástí) • používají přenosové protokoly (horizontální komunikace) • činnost aktivních prvků závisí na tom, jaké protokoly mají používat Aktivní prvky . . . . . . . . . Síťová vrstva Linková vrstva Fyzická vrstva Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 27 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

28. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Aktivní prvky na úrovni fyzické vrstvy • používají přenosové protokoly fyzické vrstvy • starají se o: • - úroveň a průběh fyzikální veličiny reprezentující data • - kódování, modulaci, synchronizaci, … • nestarají se o: obsah jednotlivých přenášených bitů Aktivní prvky na fyzické vrstvě Fyzická vrstva Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 28 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

29. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská • Opakovač (repeater) má jako hlavní úkol • signál přijatý z jednoho segmentu přenést do ostatních připojených segmentů • upravit tvar signálu do podoby dané konkrétními protokoly Opakovače Opakovač Pracuje: - na úrovni bitů - v reálném čase - nemá vnitřní paměť (neukládá přenášené bity) - neinterpretuje přenášené bity - je nezávislý na protokolech vyšších vrstev - může propojovat je segmenty se stejnými protokoly (rychlost, kódování, modulaci, synchronizaci,…) Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 29 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

30. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Omezení fyzické vrstvy: - vlastnostmi přenosového média a prostředí (útlum, zkreslení) Omezení použití opakovačů Omezení vyšších vrstev: - řízení přístupu na vyšších vrstvách (např. v Ethernetu pravidlo 5-4-3) Opakovač Opakovač Opakovač Opakovač max 5 segmenů za sebou max 4 opakovače mac 3 segmenty s koncovými uzly Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 30 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

31. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Opakovače mohou mít libovolný počet vstupů/výstupů (portů) Terminologie: rozbočovač na fyzické vrstvě (hub) Problémy – při větším počtu portů zahlcení (sdílené médim) Rozbočovač Pozor ! fyzická topologie = hvězda logická topologie = sběrnice Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 31 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.

32. Počítačové sítěVUT v BrněFakulta podnikatelská Vše co bylo řečeno platí pro opakovače Class II (pracuje se signálem jako celkem bez rozlišení jednotlivých bitů) Opakovače Class I dokáží měnit kódování, synchronizaci a časování (tedy načtou z jedné strany signál, rozbalí na „čisté bity“ a na druhou stranu je znovu odešlou ve formě jinak kódovaného signálu) Mají větší zpoždění => lze v jedné síti použít jen jeden Opakovače Class I, Média konvertory Opakovače s možností měnit přenosové médium se někdy označují jako media konvertory (optika – metalika) Realizace: - zásuvné moduly - samostatná zařízení Lekce 3– Fyzická vrstva - komunikace strana 32 Ing. Viktor Ondrák, Ph.D.