Počítačové sítě a operač í s sté
Jaromír Plhák, 12.4.2016PB Počítačové sítě a operač í s sté
Jaromír Plhák
xplhak@fi.muni.cz
Pře os dat v počítačový h sítí h
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 2 z 38
Pře osová édia
• Elektri ké vodiče
– TP (Twisted Pair)
• Kroucená dvoulinka
• 100Mbit, 1Gbit
– Koaxiální kabel
• Silný, tenký
• Optický kabel (vlákno)
– Gbits
• Vzduch
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 3 z 38
Bezdrátové sítě
• Mikrovlnné spoje – na vzdálenosti cca 50 km
• Rádiové spoje na frekvencích 2,4 nebo 5 GHz
(Wi-Fi)
• Satelitní (geostacionární satelity)
• Buňkové apř. GSM
• Bluetooth (na krátké vzdálenosti – do 100 m)
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 4 z 38
Základní charakteristiky
pře osového édia
• Odol ost proti elektro ag eti ké u vl ě í
• Šířka pás a
– M ožství dat, které lze pře ést bps, Hz)
• Útlum
– Ztráta síly signálu na médiu se vzdáleností (dB)
• Charakteristická impedance
– Velikost odporu vodiče střídavé u elektri ké u
proudu (W)
• Přesle h ezi vodiči
• Cena
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 5 z 38
Koaxiální kabel (1)
• Nos ý vodič
– Vodivý drát větši ou z ědi
– Prů ěr ovlivňuje útlu
• Izolace
• Fóliové stí ě í
• Spléta é stí ě í
• Plášť
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 6 z 38
Koaxiální kabel (2)
• Konektor BNC
• V kazuje po ěr ě do ré para etr při
frekvencích pod 1 GHz
• Kvalit í koa iál í ka el lze použít až do
frekvencí okolo 10 GHz
• Použití a delší vzdále osti –„hadi e“ s
mnoha koaxiálními kabely
• V součas é do ě ahrazová o opti ký i
vlák , jeji hž pořizova í áklad klesají
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 7 z 38
Koaxiální kabel (3)
• Výhody koaxiálního kabelu
– Velká odolnost proti EMI
– Relativ ě s ad á i stala e
– Při ěře á e a
– Může sloužit i k pře osu hlasu a videa v přelože é
pásmu)
• Nevýhody koaxiálního kabelu:
– Ná h l ý k poškoze í
– Nelze použít v sítí h Token-Ring, Fast Ethernet, Gigabit
Ethernet
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 8 z 38
Kroucená dvojlinka (1)
• Vodivé dráty:
– Sig álové vodiče z ědi
– V páre h vzáje ě kole se e o toče
– Mohou být plné nebo splétané
– Nejčastěji , e o párů
• Stí ě í
– Stí ě í kole každého páru vodičů
– Stí ě í kole vše h párů
• Plášť:
– V ější kr t v ro e ý z PVC e o z teflo u
popř. kynaru
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 9 z 38
Kroucená dvojlinka (2)
• Může pře ášet data při frekve í h až do a
1000 MHz
• Dva vodiče jsou vžd vzáje ě kole se e
o toče
– Mi i alizuje přesle h , vliv EMI a ztrát
způso e é kapa it í odpore
• Sig ál je pře áše jako rozdíl ezi tě ito
dvě a sig ál
– Me ší á h l ost k ruše í a útlu u
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 10 z 38
Kroucená dvojlinka (3)
• Nejčastěji používa á ka eláž
– Prv í použití v telefo ii dva pár vodičů
– Později pro datové pře os / párů
• Nízké náklady
• Konektor RJ45
• Růz é varia t
– UTP, STP, S/STP, S/UTP
• Pře osové r hlosti od jed otek Mbs po
jednotky Gbs
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 11 z 38
Kroucená dvojlinka (4)
• Výhody kroucené dvojlinky
– S ad é připojová í jed otlivý h zaříze í
– Mož o v užít i pro telefo í popř. ji é rozvod
– STP a S/STP mají velmi dobrou ochranu proti EMI
– Snadná instalace
– Nízká cena
• Nevýhody kroucené dvojlinky
– STP a S/STP je sil ý a o tíž ě se s í pra uje
– UTP je itlivější a šu ež koa iál í ka el
– UTP sig ál e ohou ýt pře áše a větší
vzdále ost ez rege era e zesíle í a čiště í
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 12 z 38
Optický kabel (1)
• K pře osu sig álu slouží světel é i puls v
optickém vlnovodu
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 13 z 38
Optický kabel (2)
• Opti ký ka el se skládá z ásledují í h částí:
– Jádro
• Slože o z jed oho e o ví e skle ě ý h popř. plastový h
vláke , který i pro hází světel ý sig ál
• Plastová vlák a jsou jed odušší a výro u, ale je ož é je
použít pouze a kratší vzdále osti
• Prů ěr jádra se poh uje od do ěkolika set ikro u
– Plášť světlovodu:
• V ro e jako jed a část společ ě s jádre
• Jeho roz ěr jsou od ikro u do
• Jedná se o ochrannou vrstvu (obvykle z plastu)
s ižší i de e lo u světla ež á jádro
– Obal
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 14 z 38
Optický kabel (3)
• Pře osové r hlosti v řáde h Gbs
• Velké vzdálenosti
• Původ ě pouze jed os ěr ý pře os
• V soká počáteč í i vesti e
• Odol é vůči EMI
• Minimální odpor
V sílač
Sdružovač
modulátor
(obsahuje laser nebo LED)
Procesor
demodulátor
(obsahuje fotodetektor)
repeater
coupler
elektrickýsignáloptickýsignál
Zesil.
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 15 z 38
Optický kabel (4)
• Pře os i for a í je založe a pri ipu úpl ého odrazu
světla
• Ka el jsou větši ou v páru
– Každé vlák o pro ko u ika i v jed o s ěru
• V sílač převádí elektri ký sig ál a světel ý a v sílá jej
do vlákna
– O sahuje světel ý zdroj v sílají í sig ál
• Laser
• LED
• Přijí ač detektor převádí opti ký sig ál do
elektri kého tvaru, zesiluje jej a reprodukuje původ í
signál
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 16 z 38
T p opti ký h ka elů
• Multividové (mnohavidové)
– Prů ěr jádra ad μm
– Ví e ezávislý h světel ý h sig álů s růz ou vl ovou
délkou (úhlem lomu)
– Na kratší vzdále osti do
– V užití zej é a v udová h
– 100 Mbs k až G s (300 m)
• Jednovidové
– Prů ěr jádra do μ
– Jede světel ý sig ál
– Na velké vzdálenosti (cca 100 km)
– Malý útlum
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 17 z 38
Optický kabel – pře os sig álů
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 18 z 38
Útlum optického kabelu
• Okna – vl ové délk s ej ižší útlu e
– 850 nm – multividová vlákna
– 1310 nm – multividová i jednovidová vlákna
– 1550 nm – jednovidová vlákna
• Útlum
– Vlastní absorpce – materiál optického vlákna
– Nevlastní absorpce – ečistot
– Lineární rozptyl
– Nelineární rozptyl
– Ztráty ohybu
– )trát při spojová í a ko ektore h
• Na velké vzdále osti je potře a použít zesilovače sig álů
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 19 z 38
Optická kabely – konektory
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 20 z 38
Elektromagnetické vlny
• Pře os ez použití f zi kého kovového,
opti kého vodiče
• )alože ý a šíře í z ě elektro ag eti ký h
vlast ostí prostředí
• V závislosti a frekve č í pás u se šíří
– Buď podél povr hu ze ě
– Na pří ou viditel ost Line of Sight)
– Odrazy od ionosféry
• Rádiové vl , ikrovl a i fračerve é vl
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 21 z 38
Bezdrátový pře os dat
• Sig ál se šíří vzdu he
– Elektro ag eti ká e ergie/záře í
• V sílá í i přijí á í sig álu po o í a té
– Růz é t p a té podle v zařová í
• S ěrová/sektorová – parabola
• Všes ěrová – dipól
• Charakteristika antény v horizontálním i
vertikál í s ěru
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 22 z 38
Elektromagnetické spektrum (1)
• Děle í podle frekve e Hz
– ELF-VLF
– LF-MF
– HF
– VHF/UHF
– SHF
– I fračerve é světlo
– Mikrovlny
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 23 z 38
Mikrovlny
• Teleko u ikač í služ hlas, TV
– 2-bodové spoje mezi budovami
• Antény
– Parabolické
• Úzký paprsek
– Nut á pří á viditel ost
– A té a usí ýt v soko ad ze í překo á í
překážek
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 24 z 38
Mikrovlny – šířka pás a a
rychlosti
• 2 GHz
– Šířka pás a MHz, r hlost Mbit
• 6 GHz
– Šířka pás a MHz, r hlost Mbit
• 11 GHz
– Šířka pás a MHz, r hlost Mbit
• 18 GHz
– Šířka pás a MHz, r hlost Mbit
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 25 z 38
Analogový vs. digitální signál
• Charakteriza e sig álů
– V čase spojitý / v čase diskrét í
– V hodnotách spojitý / v hodnotách diskrétní
• Klasifikace
– Analogový signál
• Spojitý v čase a spojitý v hod otá h
– Digitální signál
• Diskrét í v čase a diskrét í v hod otá h
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 26 z 38
Základní fakta o signálech
• Transformace dat na elektromagnetické signály
– Amplituda signálu
• Intenzita
– Frekvence signálu
• R hlost z ě
– Fáze
• Posu utí pozi e sig álového prvku v čase
– Rozsah frekvencí
• Šířka pás a ka álu
• Pro odula i/de odula i sig álu slouží ode
• Digitální informace
– Lze pře ášet digitál í i a alogový sig ále
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 27 z 38
Amplitudová digitální modulace
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 28 z 38
Frekve č í digitál í odula e
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 29 z 38
Fázová digitální modulace
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 30 z 38
Defekt sig álů
• Útlum
• Zkreslení
• Šu
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 31 z 38
Digitál í pře os - kódování
• Proces konverze binárních dat do digitálního signálu
– Pří é, NR), Ma hester, B/ B, …
• Pro lé e je s hro iza e v sílače a přijí ače
– Dlouhé posloup osti ul e o jed iček
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 32 z 38
Pří é kódová í
• 1 je kladná hodnota
• 0 nulová hodnota amplitudy
• Synchronizace?
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 33 z 38
Kódování NRZ
• NRZ-L (problém synchronizace trvá)
– 1 = záporná, 0 = kladná amplituda
• NRZ-I řeší pouze posloup ost jed iček
– = z ě a polariza e a plitud , = žád a z ě a
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 34 z 38
Kódování Manchester
• Každý it kódová dvě a prvk
– Plná samosynchronizovatelnost
– Ale s íže á pře osová kapa ita
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 35 z 38
Kódování 4B/5B
• U ěle zavede á redu da e pro za ezpeče í
synchronizace
– Včet ě ož osti detek e h
• Substituce originálních 4-bitových bloku speciálními 5bitovými
vzorky
– Nejvýše tři ul ohou ásledovat po so ě
4B 5B 4B 5B
0000 11110 1000 10010
0001 01001 1001 10011
0010 10100 1010 10110
0011 10101 1011 10111
0100 01010 1100 11010
0101 01011 1101 11011
0110 01110 1110 11100
0111 01111 1111 11101
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 36 z 38
Kódování signálu – chybové říze í
• Vrstva datového spoje
• F zi ká vrstva je vžd s určitou pravděpodo ostí
před ěte h
– Ch ou je z ě a hod ot itu
• Např. opti ká vlák a a -12, wireless cca 10-5
• Provádí se detekce/korekce chyb
– V sílač přidá it , jeji hž hod ota je fu k í pre áše ý h
dat
– Přijí ač spočte stej ou fu k i a v případě rozdílu hod ot
detekuje (pokusí se opravit) chybu
• V případě detek e e ož osti oprav je v žádá o opakova é
pře osu
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 37 z 38
Proces detekce chyb
• V sílač přidává k loku itů dat it kódu pro
detekci chyb
PB Počítačové sítě a operač í s sté Snímek 38 z 38
Kódy pro detekci chyb
• Sudá/lichá parita
– K pře áše ý itů dat se přidá it tak, a ěla
sudý/li hý počet jed iček
• Redundance
– 0->000, 1->111
– 001->0, 110->1
– Te to kód dokáže opravit jed u jed o itovou h u
• Cyklické kódy – CRC
– Detekce jedno- a dvojbitových chyb
• Blokové kódy