Физический уровень компьютерных сетей

Содержание лекции
Функции физического уровня
Линии связи
Терминология
Характеристики ЛС
Среды передачи
Проводные
Беспроводные
Передача данных в системах цифровой связи
Аналоговые и цифровые сигналы
Кодирование
Мультиплексирование

Функции физического уровня
Определяет физические и механические свойства линий связи, способы их соединения
Определяет метод кодирования для передачи цифровой информации
Определяет метод синхронизации приемника и источника
Сеcсия
Физический
Прикладной
Представи
тельский
Транспортный
Сетевой
Звено данных

Терминология
Под линией связи понимают:
Звено (link) – сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя соседними узлами сети. Не содержит промежуточных устройств коммутации и мультиплексирования.
Канал (channel) – часть пропускной способности звена, используемая независимо при коммутации.
Составной канал (circuit) – путь между двумя конечными узлами сети, образованный отдельными каналами промежуточных звеньев и внутренними соединениями коммутаторов.

Характеристики ЛС
Затухание
Амплитудно-частотная характеристика
Полоса пропускания
Пропускная способность
Помехоустойчивость и достоверность передачи данных
Удельная стоимость

Затухание
Затухание (A, от attenuation), [дБ] – падение мощности сигнала при передаче его по линии связи.
A = 10 lg Pвых/Pвх
Погонное затухание, [дБ/м] – затухание сигнала на единицу длины линии связи.
Линия связи

Затухание и АЧХ
Затухание и искажение форму сигнала зависит от частоты.
Линия связи
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — функция, показывающая зависимость модуля — функция, показывающая зависимость модуля некоторой комплекснозначной функции от частоты. Например, спектральной плотности мощности сигнала.
f, Гц
A, дБ

Полоса пропускания
Полоса пропускания — диапазон частот — диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического или оптического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.
Ширина полосы (B, от. bandwidth) определяется как разность верхней и нижней граничных частот участка
АЧХ, на котором амплитуда колебаний составляет ½ от максимальной мощности (~ -3 дБ).

Пропускная способность
Пропускная способность (C, от capacity), [бит/с] – максимально возможная скорость передачи данных, которая может быть достигнута на этой линии связи.
Зависит от:
Способа физического кодирования
т.е. от способа представления информации в виде сигнала, передаваемого в ЛС
Полосы пропускания физической среды и уровня шума
Th. Шеннона: C = B log2(1 + Pс/Pш)
Пример
Полоса для голоса в телефонии B = 4кГц
Отношение сигнал/шум 30дБ = 10 lg (Pс/Pш)
? C = 4000 * log2(1 + 1000) ~= 40 кбит/с

Помехоустойчивость
Помехоустойчивость – способность линии противостоять влиянию помех, создаваемых во внешней среде или на внутренних проводниках самого кабеля.
Линия связи
Помехи
Приёмник
Передатчик
Приёмник
Передатчик
Внешние помехи

Достоверность передачи
Интенсивность битовых ошибок (Bit Error Rate, BER) – вероятность искажения передаваемого бита.
Линия связи
0100110110
0100100110
Пример
для ВОЛС BER составляет 10-9, т.е. в среднем одна ошибка на 1Гбит

Среды передачи

«Медные» проводные ЛС: коаксиальный кабель
Использовались в ранних стандартах Ethernet
10Mб/сек
Вытеснен витой парой

Проводные ЛС: витая пара
Наиболее распространена
Для организации локальных сетей (LAN)
10Mб/сек или 100Мб/сек
Преимущества/Недостатки
Дешевая
Простая установка
Низкая скорость
Небольшие расстояния

Проводные ЛС: витая пара
Экранированная
Неэкранированная
Unshielded Twisted Pair (UTP)
Дешевая
Проста в монтаже
Подвержена влиянию электромагнитных помех
Shielded Twisted Pair (STP)
Металлическая оболочка
дороже
Сложнее в монтаже

Проводные ЛС: витая пара - UTP
Cat 3
до 16MHz
Для передачи голоса
Длина витка от 7.5 до 10 см
Cat 4
до 20 MHz
Cat 5
до 100MHz
Длина витка от 0.6 до 0.85 см
Cat 5e
До 125 МГц
Наиболее часто используется
Cat 6
До 250 МГц
Стандартизован в 2002г.
Используется в новых проектах
Cat 6a
До 500 МГц
Стандартизован в феврале 2008 года.
Cat 7
До 600—700 МГц
Утвержден стандартом ISO 11801
Имеет общий экран и экраны вокруг каждой пары.
По сути S/FTP (Screened Fully Shielded Twisted Pair).

Оптоволокно
Полоса пропускания в диапазоне от 1014 до 1015 Гц
Инфракрасный и видимый диапазон
Возможность частотного мультиплексирования WDM

Виды оптоволокна
Высокая пропускная способность
До 100 гбит/сек
Терабиты при использовании DWDM технологии
Небольшие размеры
Слабое затухание
Электромагнитная независимость
Большие расстояния без повторителей

Беспроводные сети
Естественная среда
Передача и прием через антенны
Направленная передача
Фокусированная антенна
Необходимость выравнивания
Ненаправленная передача
Сигнал передается во всех направлениях
Может приниматься множеством антенн

Спутниковые системы
Спутник является станцией повторителем
Принимает сигнал на одной частоте и передает на другой
Может быть однонаправленным
Требует геостационарной орбиты
высота 35,784 км (какова будет задержка распространения радиосигнала?)
Применение
телевидение
телефония
ip-сервис

Передача данных в системах цифровой связи
Аналоговые и цифровые данные
Методы передачи могут рассматриваться в следующих вариантах:
С точки зрения формы передаваемой информации
Аналоговая – голос и видео, где значение меняется непрерывно
Цифровая - принимает дискретные цифровые значения, например, ASCII код буквы
С точки зрения сигналов, передаваемых по линии связи
Аналоговые сигналы – непрерывно изменяющаяся электромагнитная волна, которая может быть передана по разным средам передачи в зависимости от спектра сигнала.
Цифровые сигналы – последовательность импульсов электромагнитного поля, которая может быть передана по разным средам передачи.

Аналоговые и Цифровые сигналы
Цифровые данные могут быть представлены аналоговыми сигналами используя модем (модулятор/демодулятор).
Аналоговые данные может быть представлен цифровыми сигналами используя кодек (кодер-декодер)

Аналоговые и Цифровые сигналы
Преимущества цифровых сигналов
Менее зависимы от шумов
Могут быт многократно усилены
Могут быть зашифрованы
Более дешевое решение
Преимущество аналоговых сигналов
Можно использовать там, где нельзя использовать цифровые сигналы – при передаче по частотным каналам (радио, телефон)

Физическое кодирование канала
Решает следующие задачи:
Синхронизация источника и приёмника
Повышение достоверности передачи за счёт использования помехоустойчивых кодов

Код NRZ (Non Return to Zero – без возврата к нулю)
Скорость передачи и требуемая пропускная способность при коде NRZ
Недостаток: возможность потери синхронизации приемником
Передача в коде NRZ с синхросигналом

Код RZ (Return to Zero – с возвратом к нулю)
Определение начала и конца приема при коде RZ
Недостаток: требуется вдвое большая полоса пропускания канала при той же скорости передачи по сравнению с NRZ
Скорость передачи и пропускная способность при коде RZ

Манчестерский код (код Манчестер-II)
Достоинства:
Обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами
Отсутствие постоянной составляющей
Если перепада на единичном интервале нет, то ошибка

Мультиплексирование
Технологии:
Мультиплексирование с разделением по частоте
(FDM, Frequency Division Multiplexing)
Мультиплексирование с разделением по времени
(TDM, Time Division Multiplexing)
B
B
C
C
A
A
B
C
A
B
C
A
MUX
MUX
Канал

Частотное разделение FDM/WDM
(a) Один сигнал заниает полосу H Гц
(b) Объединенный сигнал