Systemy Teleinformatyczne
w Transporcie Morskim
Joanna Szłapczyńska
Katedra Nawigacji, ZD Podstaw Informatyki i Sieci Komputerowych
Wykład 1
Systemy Teleinformatyczne
w Transporcie Morskim
Joanna Szłapczyńska
Katedra Nawigacji, ZD Podstaw Informatyki i Sieci Komputerowych
Wykład 1
Page 2
Wprowadzenie
Podstawowe definicje telekomunikacyjne
Kodowanie
Kompresja
Paradygmaty telekomunikacyjne
Sieciowy model odniesienia ISO/OSI
Wprowadzenie do sieci LAN / MAN / WAN
Wykład 1
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 3
Podstawowe usługi telekomunikacyjne
TELECOM
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 4
Konwergencja w telekomunikacji (1)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Konwergencja to proces polegający na zbliżaniu się do siebie
zjawisk, wydarzeń, działań z pogranicza kilku dziedzin życia
Zjawisko konwergencji w telekomunikacji łączy
• integrację technologii (konwergencję urządzeń końcowych) –
stanowiącą podstawę procesów konwergencji,
• konwergencję sieci różnego typu – przez które do tej pory
ś
wiadczone są zbliżone usługi (telekomunikacyjne, komputerowe,
bezprzewodowe)
• konwergencję rozwiązań (usług wąsko- i szerokopasmowych:
głosowych, obrazowych, mobilnych i stacjonarnych)
Page 5
Konwergencja w telekomunikacji (2)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 6
Konwergencja w telekomunikacji (3)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
© ITPedia.pl
Page 7
Dane – zbiory liczb i/lub tekstów w różnych formatach
Informacje - przetworzone, zorganizowane i ustrukturalizowane dane ,
prezentowane w kontekście, dzięki któremu stają się użyteczne
Informacje a dane
00000011 11101000
Dane
Cena: 1000 zł
Informacja
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 8
Nadajnik – urządzenie będące źródłem danych lub sygnału
Odbiornik– urządzenie które odbiera (jest adresatem) danych lub
sygnału
Kanał komunikacyjny– połączenie pomiędzy nadajnikiem a
odbiornikiem
• medium transmisyjne propagujące dane
• uważane za „zaszumione” = pewne porcje danych mogą czasem ,
nieoczekiwanie, uleć zmianie, zniekształceniu lub zagubieniu
Nadajnik
Podstawowe definicje telekomunikacyjne
Odbiornik
Kanał
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 9
Ze względu na kierunek komunikacji
• simplex – kanał jednokierunkowy
• duplex – kanał dwukierunkowy
• pół-duplex – jak duplex, ale w danej chwili możliwa transmisja tylko w
jednym kierunku
Podział kanałów telekomunikacyjnych (1)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
LUB
Page 10
Ze względu na typ danych
• analogowe
• cyfrowe
Ze względu na liczbę bitów
przesyłanych jednocześnie
• szeregowe
• równoległe
Ze względu na typ synchronizacji
• synchroniczne
• asynchroniczne
Podział kanałów telekomunikacyjnych (2)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 11
Typowy proces transmisji
• oryginalna informacja kodowana do postaci danych przez nadajnik
• dane transmitowane przez kanał z nadajnika do odbiornika
• dane dekodowane wstecznie do informacji przez odbiornik
Transmisja
Aparat telefoniczny
kosztuje 1000 zł
…00000011 11101000…
1000 zł, rany ale
drożyzna!
Nadajnik
Odbiornik
Kanał
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 12
Parametry kanału transmisyjnego (1)
Przepływność/ szybkość transmisji (bitrate) – liczba bitów które są
transmitowane w jednostce czasu [bit/sek]
Pasmo (bandwitch)
1) dostępna lub konsumowalna przepływność [bit/sek] (sieci komp.)
2) pasmo sygnału analogowego mierzone w Hz (telecom)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 13
Parametry kanału transmisyjnego (2)
Stopa błędu Bit Error Rate (BER) [/] – stosunek liczby bitów
odebranych za pośrednictwem kanału, które zostały zmienione
na wskutek
• szumów
• interferencji
• zakłóceń
• błędów bitów synchronizacji,
do wszystkich przetransmitowanych bitów danych
total
error
n
n
BER =
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 14
Kodowanie – proces konwersji
• z informacji na dane
• z danych na dane w innym formacie
Dekodowanie jest procesem odwrotnym
Procedura kodowania wymaga jednego z poniższych
• alfabetu
• tablicy kodów
• reguły translacji
Kodowanie
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 15
Kod Morsa (alfabet: ● ▬)
Kody dyskretne (reguły kodowania)
• binarne, heksadecymalne itd...
Kody znakowe (tablice kodów)
• ASCII (7-bit), UTF-16, UTF-32, itp.
Przykłady kodów
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 16
Aby wykryć (i naprawić) pojedynczy błąd transmisji wykorzystywane są
znaki kontroli bloku
Znaki kontroli bloku (Block Check Character - BCC) – dodatkowa
sekwencja znaków generowana przez algorytm dla porcji danych i
transmitowana bezpośrednio przed lub po tych danych
Typy BCC
•
Vertical Redundancy Checking (VRC) – bit parzystości dla każdego znaku
•
Longitudinal Redundancy Checking (LRC) – bit parzystości dla tego
samego bitu we wszystkich znakach
•
Cykliczny Kod Nadmiarowy (Cyclic Redundancy Checking - CRC)– kod
(zazwyczaj 32-bitowy) dodawany do całego bloku danych: oryginalny blok
danych + kod CRC muszą łącznie być podzielne bez reszty przez zadany
wielomian n-go stopnia zmiennej x o współczynnikach 0 i1
Wykrywanie i korekcja błędów
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 17
Kody liniowe
• wykorzystywane do kodowania dla szybkich, szeregowych kanałów
transmisyjnych
• kodowanie korekcyjne (forward error correction)
dowolna kombinacja liniowa słów kodowych też stanowi słowo
kodowe
• przykłady
Non Retrun to Zero, Return to Zero
Kod Manchester
Kod Hamminga
AMI
HDB3
CMI
Kody transmisyjne
© Vademecum Teleinformatyka I
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 18
Reguły Nyquista oraz Shannona
Zakładając, że żadne dane nie mogą być utracone, poszukiwana jest
maksymalna przepływność dla dekodowanych danych
Reguła Nyquista (1924) – teoretyczna maksymalna przepływność
Reguła Shannona (1948) – to samo, ale dla „zaszumionego” kanału
)
(
log
2
2
K
B
D =
)
1
(
log
2
N
S
B
C
+
=
C, D – przepływność [bit/sec]
B – pasmo [Hz]
K – dostępne poziomy napięcia [/]
S – średnia moc kanału
N – średnia moc szumu
S//N [dB]
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 19
Kompresja – zmiana sposobu zapisu (pakowanie) danych
używając mniejszej liczby bitów niż normalnie byłoby wymagane w
celu przyspieszenia prędkości transmisji
•
bezstratna– nie tracimy żadnych informacji z oryginalnego zbioru
•
stratna – pewna część informacji jest tracona i pełna oryginalna
informacja nie może być odtworzona
Kompresja (1)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 20
Dlaczego kompresja jest możliwa?
• redundancja w informacjach (i danych)
• ograniczenia ludzkiej percepcji (wzrok, słuch)
• różne sposoby prezentacji (np. wektorowa lub rastrowa)
Kompresja stratna
• Usuwamy nieodbieralne (lub mniej odbieralne) elementy informacji
• JPG, JPG2000, MPEG, MP3, itp..
Kompresja bezstratna
• Bardziej prawdopodobne znaki mają krótsze kody
• Kodowanie Huffmana(LZ-x), PNG, DEFLATE (Pkzip, gzip), itp.
Kompresja (2)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 21
Przełączanie obwodów – metoda w której dwa węzły(stacje)
ustanawiają dedykowany kanał transmisyjny (połączenie/
obwód)
na cały czas trwania sesji komunikacyjnej (tak jakby były one
połączone ze sobą elektrycznie)
• stałe opóźnienie bitowe
• brak możliwości reużycia kanału w czasie połączenia
Przełączanie pakietów – metoda która grupuje wszystkie
transmitowane dane w niewielkie bloki danych, zwane
pakietami.
Skutkuje to zmienną prędkością transmisji danych (sekwencji
pakietów) we współdzielonej sieci
• zmiene opóźnienie pakietu
• możliwość reużycia kanału w czasie połączenia
Paradygmaty telekomunikacyjne
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 22
Bezpołączeniowy(datagram switching)
• każdy pakiet zawiera pełen adres lub informację dot. wyznaczania
dalszej trasy (routingu)
• Pakiety mają indywidualnie wyznaczane trasy (routing), co czasami
powoduje wysyłanie kolejnych pakietów w sekwencji innymi trasami,
a w konsekwencji zaburzenie kolejności odbioru pakietów
Połączeniowy (virtual circuit switching)
• Połączenie jest zdefiniowane oraz pre-alokowane w każdym
zaangażowanym węźle zanim jeszcze rozpocznie się transmisja
pakietów
• pakiety zawierają pewien identyfikator połączeni zamiast pełnej
informacji adresowej i są dostarczane w kolejności nadania
Tryby przełączania pakietów
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 23
Multipleksacja statystyczna (dynamiczna alokacja pasma) –
technika w której pasmo ruchu we współdzielonym medium
telekomunikacyjnym może być zaalokowane na żądanie i
sprawiedliwie pomiędzy różnych użytkowników tego pasma
Multipleksacja statystyczna wykorzystuje cechy współdzielonej
sieci
• zazwyczaj tylko część użytkowników jest jednocześnie podłączona do
sieci
• nawet gdy użytkownicy korzystają jednocześnie z sieci nie transmitują
danych (dźwięku lub strumienie video)wszyscy jednocześnie
• większość ruchu w sieci jest „porowata” (bursty)- pomiędzy pakietami są
przerwy (wolne medium), które mogą być wykorzystane do transmisji
przez innych użytkowników sieci
Przełączanie pakietów: podstawowe definicje
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 24
Model odniesienia ISO/OSI dla sieci komputerowych
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Warstwa fizyczna
Warstwa łącza danych
Warstwa sieciowa
Warstwa transportowa
Warstwa sesji
Warstwa prezentacji
Warstwa aplikacji
Page 25
ISO/OSI - model komunikacji
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 26
Enkapsulacja danych
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 27
Warstwa fizyczna jest odpowiedzialna za przesyłanie strumienia
bitów danych za pośrednictwem fizycznego medium
komunikacyjnego np. poprzez
• kabel miedziany UTP (np. CAT-5)
• światłowód
• fale radiowe
Funkcje warstwy fizycznej
• ustanawianie i kończenie połączenia z medium fizycznym
• uczestnictwo w procesie efektywnego współdzielenia zasobów
komunikacyjnych (pasmo) pomiędzy użytkowników sieci
• konwersja pomiędzy cyfrową reprezentacją danych a odpowiednimi
poziomami sygnałów transmitowanych przez kanał
• kodowanie korekcyjne (forward error correction)
ISO/OSI: Warstwa fizyczna (physical layer)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 28
Warstwa łącza danych jest implementowana głównie w interfejsie
karty sieciowej
Funkcje warstwy łącza danych
• Enkapsulacja danych z warstw wyższych w ramk
i
•
Podwarstwa dostępu do medium (Medium Access Control) -
dostarczanie dostępu do medium
protokoły wielodostępu (np. CSMA/CD)
adresowanie fizyczne (MAC)
kontrola jakości usług (Quality of Service - QoS)
•
Podwarstwa kontroli logicznego połączenia (Logical Link Control)
– kontrolowania przepływu strumienia danych
kontrola przepływu (flow control)
detekcja i korekcja błędów
ISO/OSI: Warstwa łącza danych (data link layer)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 29
Funkcje warstwy sieciowej
• komunikacja bezpołączeniowa (choć są wyjątki!)
• logiczne adresowanie hostów/stacji
• wyznaczanie trasy pomiędzy routerami (routing) pakietów
• przesyłanie pakietów w ramach routera (przesłanie pakietu z jednego z
wejść na jedno z wyjść danego routera)
Warstwa sieciowa jest odpowiedzialna przede wszystkim za
przesyłanie i routing pakietów
• tablica przesyłania, forwarding table (Forwarding Information Base - FIB)
• tablica routingu, routing table (Routing Information Base - RIB)
• protokół routingu – w jaki sposób routery komunikują się ze sobą (np.
RIP, BGP)
• algorytm routingu – w jaki sposób zbieramy rozproszone informacje o
topologii sieci
ISO/OSI: Warstwa sieciowa (network layer)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 30
ISO/OSI: Warstwa sieciowa – typy routingu
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 31
Warstwa transportowa dostarcza aplikacjom usługi komunikacyjne
dla połączenia typu end-to-end
• komunikacja połączeniowa (choć nie zawsze np. UDP w sieciach TCP/IP)
• przywrócenie oryginalnej kolejności pakietów
• niezawodność (ACK/NACK, żądanie automatycznej retransmisji)
• kontrola przepływu (np. zapobieganie przepełnianiu buforów)
• zapobieganie przeciążeniom (np. zwolnienie prędkości transmisji na
początku połączenia)
• multipleksacja statystyczna (poprzez przydział numerów portów)
Gniazdo sieciowe – para lokacji typu end-to-end wraz z typem
protokołu, każdy z elementów w parze zdefiniowany przez adres
logiczny i numer portu
ISO/OSI: Warstwa transportowa (transport layer)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 32
ISO/OSI: Klasy protokołów transportowych
TCP (?)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 33
Warstwa sesji dostarcza mechanizmów otwarcia, zarządzania
oraz zamykania sesji pomiędzy procesami komunikujących się
końcowych (end-user) aplikacji
Sesje komunikacyjne zawierają żądania i odpowiedzi
wymieniane pomiędzy aplikacjami
Usługi warstwy sesji
• uwierzytelnianie (authentication)
• kontrola dostępu
• utrzymywanie sesji(checkpointing oraz wznawianie)
ISO/OSI: Warstwa sesji (session layer)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 34
Warstwa prezentacji jest odpowiedzialna za formatowanie i
konwersję dane informacje
Zwalnia to wyższą warstwę aplikacji of problemu radzenia
sobie z różnicami syntaktycznymi (różnicami formatu
np.Windowsowe i UNIX/Linuxowe formaty przejścia do nowej
linii) w reprezentacji danych
Usługi oferowane przez warstwę prezentacji
• konwersja: dane dane
• deszyfrowanie (obecnie również w warstwie sieci)
• kompresja
ISO/OSI: Warstwa prezentacji (presentation layer)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 35
Warstwa aplikacji dostarcza usługi semantycznej
(znaczeniowej) konwersji pomiędzy połączonymi procesami
aplikacji
Przykłady usług warstwy aplikacji w sieciach TCP/IP
• SMTP
• POP
• IMAP
• FTP
• HTTP
• SSH
ISO/OSI: Warstwa aplikacji (application layer)
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim
Page 36
Podział sieci ze względu na obszar pokrycia
• Personal Area Network – PAN (np. domowa sieć Wi-Fi)
• Local Area Network – LAN (np. .sieć w jednym z laboratoriów bud. F)
• Campus Area Network – CAN (np. sieć w całym kampusie AM)
• Metropolitan Area Network – MAN (np. sieć TASK)
• Wide Area Network – WAN (siec obejmująca cały kraj lub więcej)
Sieci LAN / MAN / WAN z uwagi na różny obszar pokrycia
wymagają zróżnicowanych modeli, technologii oraz usług
Wprowadzenie do sieci LAN / MAN / WAN
Systemy Teleinformatyczne w Transporcie Morskim