Računarske mreže

1. Lekcija 2 Računarske mreže Prenos podataka i osnove komunikacija

2. Komunikacioni sistem - model • Razmena podataka između dva učesnika • Pr1: Radne stanice (workstation, PC, ...) i servera preko javne telefonske mreže • Pr2: Razmena govora preko iste javne telefonske mreže (PSTN) Generalni blok dijagram

3. Osnovni elementi komunikacionog sistema • Izvor (source) – generisanje podataka za prenos • Predajnik (transmitter) – Transformiše generisane podatke u oblik pogodan za prenos (npr. modem digitalne podatke iz PC računara transformiše u analogni signal koji se može preneti preko PSTN) • Prenosni sistem (tramission sistem) – može biti jednostavna linija ili kompleksna mreža koja spaja izvor i odredište. • Prijemnik (receiver) – Prihvata signal iz prenosnog sistema i transformiše ga u oblik pogodan za prijem • Odredište (destination) – prihvata prenete podatke

4. Javna telefonska mreža Modem Modem PC Javna telefonska mreža Server

5. Ključni poslovi u komunikacionom sistemu • Povezivanje (interfacing) uređaja na komunikacioni sistem • Generisanje signala (signal generation) – propagacija, regeneracija, domet itd. • Sinhronizacija (synchronization) predajnika i prijemnika • Razmena podataka (exchange management) – prema odgovarajućem protokolu • Otkrivanje i ispravljanje grešaka (error detection and correction) npr. kod slanja datoteka • Kontrola toka (flow control) usaglašavanje brzine slanja i brzine prijema podataka

6. Adresiranje i usmeravanje (addressing and routing) – čim postoje više od dva učesnika • Oporavak (recovery) – mogućnost da se transfer podataka nastavi od mesta prekida • Formatiranje podataka (message formatting) dogovor učesnika • Zaštita (security), na prenosnom putu, autentičnost podataka • Upravljanje mrežom (network management) – mreža je kompleksan sistem, koji ne radi sam po sebi. Neophodno je mrežu konfigurisati, monitorisati, intervenisati i inteligentno planirati za buduću namenu.

7. Sistem prenosa Izvor Predajnik Prijemnik Odredište Ulazna Informacija m Ulazni Podaci g(t) Izlazni Podaci г’(t) Izlazna Informacija m’ Predajni Signal s(t) Prijemni Signal r(t) Prenos podataka • Pr1 – Prenos PC podataka modemskom vezom • Pr2 – Razgovor telefonom

8. WAN Sistem prenosa Izvor Predajnik Prijemnik Odredište LAN Umrežavanje • Nemoguće je sve računare povezati direktno • Računari su udaljeni • Rešenje je u umrežavanju

9. Komutacija veza (linija) - circuit switched • Fizička veza između predajnika i prijemnika kroz komunikacione tačke mreže • Brzina komunikacije zavisi od uspostavljene veze • Nema kašnjenja na mrežnim tačkama • Tipična mreža: PSTN • Komutacija paketa - packet switched • Ne uspostavlja se nezavisan fizički kanal • Informacija se šalje u paketima • U svakoj tački mreže paket se prima, smešta i šalje do sledeće tačke • Tipično se koristi kod komunikacija tipa računar-računar • Mreže ”čuvaj i prosledi” – store-and-forward

10. Komutacija veza (linija) - circuit switched

11. Komutacija paketa - packet switched

12. Prenos podataka virtuelnom vezom - virtual circuit

13. Telekomunikacione mreže Telekomunikaciona mreža Komutacija veza Komutacija paketa TDM FDM Mreže sa datagramima Mreže sa virtuelnim kolima

14. Frekvencija, spektar i širina kanala • Karakteristike vremenskog domena • Analogni signal • Kontinualan signal u vremenu • Digitalni signal • Predstava nula i jedinica odgovarajućim naponskim nivoima • Periodični signal • Deo signala se pravilno ponavlja u vremenu • s(t+T)=s(t), T- perioda • Aperiodični signal • Nema ponavljanja signala u vremenu

15. Analogni i digitalni signal

16. Periodični signali

17. Sinusoidalni signal • s(t)=A sin (2ft + ) • Amplituda (A) • Maksimalna vrednost na y-osi • Najčešće fizička veličina (V, A, ...) • Učestanost (f) • Brzina promene signala • Herc (Hz), broj ciklusa u sekundi • Perioda = vreme jednog ponavljanja(T) • T = 1/f • Faza () • Relativna pozicija signala u vremenu

18. Različiti sinusoidalni signalis(t) = A sin(2ft + )

19. Karakteristike frekvencijskog domena • Može se pokazati da se svaki signal može razložiti na svoje prostoperiodične komponente (razvoj u Furijeov red). • Komponente su prostoperiodični sinusoidalni signali • Prva sinusoida je učestanosti f, druga 3f, treća 5f itd. • Prva sinusoida se naziva fundamentalna (osnovna) • Svaki signal se može posmatrati (predstavljati, analizirati, ...) i u frekvencijskom domenu (u funkciji učestanosti f). • Svaka sinusoida je jedna linija u spektru.

20. Sabiranjem dvesinusoide (f i 3f) dobija se treći signal Dodavanjemsinusoide (5f) dobija se pravilniji digitalni signal, ...

21. Frekvencijski domen Spektar Obvojnica spektra

22. Spektar i njegov opseg (širina spektra) • Spektar • Skup učestanosti koje sadrži signal • Apsolutna širina spektra • Širina koju zauzimaju sve spektralne komponente • Efektivna širina • Opseg učestanosti koje nose najveći deo energije signala, najčešće označavabandwidth • Jednosmerna komponenta (DC) • Kompnenta nulte učestanosti

23. Signal sa jednosmernom komponentom

24. Brzina prenosa podataka i frekvencijski opseg • Svaki prenosni sistem ima ograničenen propusni frekvencijski opseg. • Sistem prenosa se može posmatrati kao ekvivalentni filtar propusnik opsega. • Zbog toga postoji ograničenje u brzini prenosa podataka, koja se može postići.

25. Analogni i digitalni prenos podataka • Podaci (Data) • Celine koje sadrže značenje • Signali (Signals) • Električna ili elektromagnetska reprezentacija signala • Prenos (Transmission) • Prenos signala (propagacija) i njhova obrada

26. Analogni i digitalni podaci • Analogni • Kontinualna vrednost u određenom trenutku vremena • Npr. govor, muzika, video signal • Digitalni • Diskretne, kvantizovane i kodirane vrednosti • Npr. tekst, brojevi, računarski podaci

27. Spektar

28. Analogni i digitalni signali • Signali kojima se prenose podaci: • Analogni • Kontinualna promena • Različiti medijumi • Žica, optika, vazduh • Širina spektra govora 100Hz do7kHz • Širina spektra telefonskog kanala 300Hz do 3400Hz • Opseg video kanala je 4MHz • Digitalni • Koriste se dve DC komponene

29. Podaci i signali • Uobičajeno je da se za analogne podatke koriste analogni signali, a za digitalne podatke digitalni signali. • Analogni signali se mogu koristiti za prenos digitalnih podataka • modem • Digitalni signali se mogu koristiti za prenos analognih podataka. • kodovanje govora, audio CD

30. Analogni signali mogu da prenose analogne i digitalne podatke

31. Digitalni signali mogu da prenose i analogne i digitalne podatke

32. Analogni prenos • Analogni signali se prenose ne ulazeći u značenje podataka • Podaci mogu biti i analogni i digitalni • Analogni signal slabi kako se prostire • Koriste se pojačivači za pojačanje signala • Pored signala pojačava se i šum

33. Digitalni prenos • Ulazi se u suštinu (značenje) podataka koji se prenose • Podaci mogu biti narušeni: šum, slabljenje, ... • Za restauraciju signala koriste se Repeater-i • Ripiteri primaju signale • Izdvajanje takta i restauracija bita • Restaurirani biti se ponovo šalju • Na taj način se prevazilazi slabljenje • Sa restauracijom signala nema pojačanja šuma

34. Digitalni signal i aditivni šum

35. Prednosti digitalnog prenosa • Digitalna tehnologija • Niske cene LSI/VLSI tehnologije • Integritet podataka • Veći domet na lošim linijama • Iskorišćenje kapaciteta • Ekonomičan – istovremeno slanje više podataka • Znatno veća brzina podataka • Jednostavno multipleksiranje • Privatnost i zaštita • Šifrovanje (Encryption) • Integracija • Primenjiv i za digitalne i analoge podatke

36. Uticaj prenosnog sistema na signal • Primljeni signal se može razlikovati od poslatog • Analogni prenos – degradira se kvalitet signala • Digitalni prenos – greške - BER (Bit Errors Rate) • Uzroci promena: • Slabljenje i izobličenje usled slabljenja • Izobličenja usled kašnjenja • Šum

37. Slabljenje • Snaga signala opada sa rastojanjem • Slabljenje zavisi od komunikacionog medijuma • Primljena snaga signala: • Mora da bude dovoljna da bi se signal detektovao • Mora da bude veća od šuma, kako bi se mogao restaurirati. • Slabljenje je funkcija koja raste sa učestanošću.

38. Šum • Signal koji nastaje između predajnika i prijemnika. • Termički • Posledica je toga što su signali električne prirode • Uniformne je raspodele (snaga mu je ravnomerno raspoređena po svim učestanostima) • Beli šum • Interferencija • Signali koji su zbir ili razlika originalnih signala u toku prenosa

39. Šum • Preslušavanje • Signali iz jedne linije koji se preslušavaju na strane druge linije (ukrštanje puteva) • Impulsni • Neregularni impulsi • Npr. spoljašnje EM smetnje • Kratko trje • Velikog je intenziteta

40. Kapacitet kanala • Brzina podataka • Izražava se u bitima/sekundi – b/s • Brzina kojom se prenose podaci • Frekvencijski opseg • Izražava se u ciklusima/sekundi - Hz • Ograničen je predajnikom i komunikacionim kanalom

41. Maksimalna brzina prenosa kroz kanal • Nikvistova ili Šenonova teorema: • Posmatra se idealni (bešumni kanal) • Max brzina prenosa = 2 B log2 V, • Gde je:B – propusni opseg filtraHV - broj diskretnih nivoa signala H

42. Maksimalna brzina prenosa kroz kanal • Realan sistem(u prisustvu šuma) • Signal-to-noise ratio(S/N) • Izražavanje u decibelima: 10 log10 (S/N) • Primeri: • S/N=100  20 dB • S/N=1000  30 dB • S/N=2  3 dB • Max brzina prenosa = Blog2 (1+S/N)

43. Primer: telefonski kanal • Propusni opseg B=3000 Hz • S/N= 30 dB • Max brzina prenosa podataka = 30.000 b/s

44. Tehnike kodovanja • Digitalni podaci – digitalni signali • Analogni podaci – digitalni signali • Digitalni podaci – analogni signali • Analogni podaci – analogni signali

45. Digitalni prenos digitalnih podataka • Računari generišu digitalne podatke • Standardima se obezbeđuje da prijemnik i predajnik razumeju podatke • Kodovanje – reprezentacija slova, brojeva i simbola u poruci • Signalizacija – reprezentacija bita (0 i 1) u električne signale

46. Kodovanje (coding) Karakter grupa bita • Osnovno kodiranje karaktera • ASCII: American Standard Code for Information Interchange • Originalno se koristi 7-bitni kod (128 kombinacija), • EBCDIC: Extended Binary Coded Decimal Interchange Code • Kod sa 8-bitadefinisan od strane IBM Slova (A, B, ..), brojevi (1, 2,..), specijalni simboli (#, $, ..) 1000001

47. Vrste prenosa digitalnih podataka • Paralelni mod • Koristi se više žica, po svakoj žici se šalje jedan bit podataka u isto vreme • Npr. parallel printer cable šalje se 8 bitaodjednom • Procesori računara i osnovne ploče koriste magistrale (buss) (8 bita, 16 bita, 32 bita) • Serijski mod • Biti se šalju po jednoj žici • Serijski mod je sporiji od paralelnog, ali je praktičniji za veća rastojanja

48. Paralelni prenos - princip Koristi se za kratka rastojanja- do 6 metara (slabljenje na većim rastojanjima) 1 karakter sadrži 8 paralelnih bita Predaja Prijem

49. Serijski prenos - princip Koristi se za velika rastojanja. Redosled bita je određen predajnikom Žica Jedan karakter sadrži 8 serijskih bita Predaja Prijem

50. Digitalni podatak – digitalni signal • Digitalni signal • Diskretni, naponski signali različitih nivoa • Napon varira od +3/-3 V do +24/-24 V • Svaki impuls je signalizacioni element • Binarni podaci se kodiraju u signalizacione elemente • Signalizacija (encoding) – definicija naponskih nivoa koji odgovaraju 0 i 1.