SIECI KOMPUTEROWE I
Wykład 4
Warstwa fizyczna
Prowadzący
prof. dr hab. inż. Andrzej Pach
Plan wykładu
Terminologia
Definicje warstwy fizycznej
Cztery charakterystyki warstwy fizycznej
Standard RS-232
Zalecenie ITU-T X.21
Interfejs ISDN
Transmisja danych w paśmie podstawowym
Sieci komputerowe I - Wykład 4 2
Terminologia
DTE (Data Terminal Equipment)
 urządzenie końcowe transmisji danych np. z
ródło lub odbiorca danych
DCE (Data Communication Equipment
lub Data Circuit-Terminating Equipment)
 urządzenie komunikacyjne transmisji danych np. modem
I (Interface)  styk
I2  między DTE i DCE np. RS-232
I1  między siecią i DCE np. RJ-45
Sieci komputerowe I - Wykład 4 3
Definicje warstwy fizycznej (1)
Definicja 1 (CCITT, obecnie ITU-T, rekomendacja
X.25, rok 1976)
Fizyczne, elektryczne, funkcjonalne i
proceduralne charakterystyki mające na
celu ustanowienie, utrzymywanie i
rozłączanie fizycznego łącza pomiędzy DTE i
DCE.
Sieci komputerowe I - Wykład 4 4
Definicje warstwy fizycznej (2)
Definicja 2 (CCITT, aneks dla PDN, rok 1981)
Warstwa fizyczna przedstawia najbardziej
podstawowy poziom w modelu
wielowarstwowym i opisuje transparentną
transmisję strumienia bitów poprzez łącze
utworzone za pomocą fizycznego środka
transmisyjnego. Warstwa fizyczna określa
mechaniczne, elektryczne, funkcjonalne i
proceduralne charakterystyki do
aktywizowania, utrzymywania i rozłączania
połączeń fizycznych, określanych jako łączy
do transmisji bitów pomiędzy jednostkami
funkcjonalnymi łącza.
Sieci komputerowe I - Wykład 4 5
Definicje warstwy fizycznej (3)
Definicja 3 (ISO, rok 1980)
Warstwa fizyczna określa funkcjonalne i
proceduralne środki aktywizowania,
utrzymywania i rozłączania fizycznych połączeń
dla transmisji bitów, pomiędzy jednostkami
funkcjonalnymi łącza. Jednostki warstwy
fizycznej są połączone za pomocą fizycznego
medium. Charakterystyki mechaniczne i
elektryczne są określone w przynajmniej w
jednym punkcie, wzdłuż fizycznego medium,
który nas interesuje.
Ścisła definicja usługi realizowanej przez warstwę
fizyczną została podana w standardzie ITU-T
X.211 (ISO/IEC 10022)
Sieci komputerowe I - Wykład 4 6
Cztery charakterystyki warstwy fizycznej
Charakterystyka mechaniczna
Charakterystyka elektryczna
Charakterystyka funkcjonalna
Charakterystyka proceduralna
Sieci komputerowe I - Wykład 4 7
Charakterystyki mechaniczne
Opisują one mechaniczne aspekty odnoszące się do
styków fizycznych:
gabaryty wtyków
przyporządkowanie poszczególnych obwodów
szpilkom we wtyku
sposób  zatrzaskiwania wtyku
Przykłady wtyków znormalizowanych przez ISO
ISO 2210 (wtyk 25 szpilowy)
ISO 2593 (wtyk 34 szpilowy)
ISO 4902 (wtyk 37 i 9 szpilowy)
ISO 4903 (wtyk 15 szpilowy)
Sieci komputerowe I - Wykład 4 8
Charakterystyki elektryczne
Definiują sposób tworzenia obwodów elektrycznych
pomiędzy DTE a DCE
Kryteria podziału sposobów łączenia urządzeń
sposób podłączenia  ziemi sygnałowej
długość przewodów
zbalansowanie linii (sygnał różnicowy)
Standardy
Seria V (Data communication over the telephone network)
Seria X (Data networks and open system communication)
Sieci komputerowe I - Wykład 4 9
Przykłady: V.28  amerykański EIA RS-232-C
Interfejs szeregowy V.28 zalecany jest przy:
stosowaniu dyskretnych elementów elektronicznych
niezrównoważonym interfejsie (sygnał nie jest różnicowy)
stosowaniu jednego przewodu na obwód i jednego na
sygnał powrotny (ziemia sygnałowa) dla obu kierunków
transmisji
szybkości transmisji do 20 kb/s na odległości do 15 m
znacznych przesłuchach
Sieci komputerowe I - Wykład 4 10
Przykłady: V.10/X.26  amerykański RS-423-A
Interfejs szeregowy V.10 zalecany jest przy:
stosowaniu technologii układów scalonych
niezrównoważonym z
ródle
szybkości transmisji do 300 kb/s na odległości do 10 m
lub 3 kb/s na 1000m
ograniczonych przesłuchach
współpracy z interfejsami V.28 i V.11/X.27
Sieci komputerowe I - Wykład 4 11
Przykłady: V.10  łączenie urządzeń
W przypadku stosowania kabla koncentrycznego
wymagane jest na końcu użycie rezystora terminującego
między punktami A i B (rysunek na poprzednim slajdzie)
Potencjał Vg jest różnicą potencjałów między  ziemiami
sygnałowymi nadajnika i odbiornika
A
ączenie urządzeń DTE z DTE
Sieci komputerowe I - Wykład 4 12
Przykłady: V.11/X.27  amerykański RS-422-A
Interfejs szeregowy V.11 zalecany jest przy:
stosowaniu technologii układów scalonych
niezrównoważonym z
ródle
różnicowym odbiorniku
dwóch przewodach na jeden obwód
szybkości transmisji do 10 Mb/s na odległości do 10 m lub 100 kb/s na 1000m
znacznie ograniczonych przesłuchach
współpracy z interfejsami V.10/X.26
Sieci komputerowe I - Wykład 4 13
Charakterystyki funkcjonalne
Określają funkcję i rolę poszczególnych
obwodów elektrycznych
Funkcje spełniane przez obwody
funkcje związane z transferem danych
funkcje sterujące łączem
funkcje synchronizacji transmisji
uziemienie
Opis funkcji (przykłady)
nadawanie danych TxD
odbieranie danych RxD
synchronizacja
sterowanie
Sieci komputerowe I - Wykład 4 14
Charakterystyki proceduralne
Określają, w jaki sposób wymieniana jest informacja
pomiędzy urządzeniami DTE i DCE - określanie
chwil czasowych
kiedy można nadawać dane
kiedy należy wstrzymać wysyłanie
kiedy można odbierać dane
Sieci komputerowe I - Wykład 4 15
Standard RS-232-D
Interfejs EIA RS-232-D pomiędzy DTE i DCE (modemem)
Transmisja synchroniczna lub asynchroniczna
25 pinów - złącze ISO 2110 (DB25)
Piny wykorzystywane są do transmisji i sygnalizacji
TxD i RxD używane przez DTE do transmisji i odbierania danych
RxClk i TxClk zapewniają przesyłanie podstawy czasu
Piny kontrolne
Piny do zestawiania i usuwania połączenia
Wtyki męskie (male) i żeńskie (female)
Piny wykorzystywane są do transmisji i sygnalizacji
Kable
Proste  do łączenia DTE z DCE
Krosowane  do łączenia takich samych urządzeń (DTE  DTE i DCE 
DCE)  skrzyżowanie par przewodów TxDRxD, RxDTxD
Sieci komputerowe I - Wykład 4 16
Standard RS-232D  opis pinów
Sieci komputerowe I - Wykład 4 17
RS-232D  wymiana sygnałów między DTE i
DCE
Zestawianie i rozłączanie połączenia w trybie half-duplex
przebiega w następujących etapach
Etap nawiązania połączenia
Etap przesyłania danych
Etap rozłączania
W trybie full duplex linie CTS i RTS są cały czas aktywne
Sieci komputerowe I - Wykład 4 18
RS-232D  wymiana sygnałów między DTE i DCE
Sieci komputerowe I - Wykład 4 19
Testowanie urządzeń DCE  pętla lokalna
DCE (modemy) testujemy zestawiając pętle
Lokalną (Local Loop)  zestawienie zewnętrznego połączenia
między modulatorem i demodulatorem modemu
Sieci komputerowe I - Wykład 4 20
Testowanie urządzeń DCE  pętla zdalna
DCE (modemy) testujemy zestawiając pętle
Zdalną (Remote Loop)  zestawienie identycznego połączenia
ale
w modemie drugiego terminala
Sieci komputerowe I - Wykład 4 21
Testowanie urządzeń DCE  standard V.54
Standard V.54 opisuje cztery rodzaje pętli testowych
Sieci komputerowe I - Wykład 4 22
Zalecenie X.21
Jest to interfejs między DTE i DCE dla transmisji
synchronicznej w publicznej sieci transmisyjnej
Opisuje on charakterystyki
Fizyczną  mechaniczny styk zgodny z ISO 4903 (15 pinów)
Elektryczną  zrównoważona (różnicowa) charakterystyka, przy
zastosowaniu na duże odległości
Funkcjonalna  maksymalne zredukowanie obwodów
Sieci komputerowe I - Wykład 4 23
Zalecenie X.21  opis standardu
Standard oparty na interfejsie RS 442A/V.11
Synchroniczny interfejs różnicowy
Wykorzystywany connector 15 pinowy
Funkcje pinów
Nadawanie (T)
Odbiór (R)
Sterowanie (C)
Synchronizacja (S)
Masa (G)
Pin 15 - zarezerwowany
Sieci komputerowe I - Wykład 4 24
Zalecenie X.21  funkcje pinów
Sieci komputerowe I - Wykład 4 25
Zalecenie X.21  charakterystyka
proceduralna
Urządzenie DCE może być w dwóch stanach
 DCE nie gotowy  nie może transmitować, spowodowane
uszkodzeniem w sieci lub w czasie testów diagnostycznych,
sygnalizowane ciągłym stanem  0 na obwodzie R i stanem OFF
na obwodzie I
 DCE gotów  może transmitować dane, sygnalizowane
ciągłym stanem  1 na obwodzie R i stanem OFF na obwodzie I
Sieci komputerowe I - Wykład 4 26
Zalecenie X.21  charakterystyka
proceduralna
Urządzenia DTE może być w trzech stanach
 DTE nie gotowy w sposób niekontrolowany  nie może odbierać
danych, sygnalizowane ciągłym stanem  0 na obwodzie T i stanem
OFF na obwodzie C
 DTE nie gotowy w sposób kontrolowany  sprawny lecz czasowo
nie zdolny do odbierania danych, sygnalizowane ciągłym stanem
 0101010 na obwodzie T i stanem OFF na obwodzie C
 DTE gotów  zdolny do odbierania danych, sygnalizowane
ciągłym stanem  1 na obwodzie T i stanem OFF na obwodzie C
Prawidłowa detekcja charakteryzująca dany stan pracy -
DTE i DCE wymaga wysłania sygnałów przez okres 24 bitów
Decyzja o detekcji podejmuje się po upływie 16 bitów
Sieci komputerowe I - Wykład 4 27
Interfejs S-ISDN
S-ISDN  interfejs połączenia pomiędzy TE (Terminal
Equipment) oraz NT (Network Termination)
Opis pinów S-ISDN
Sieci komputerowe I - Wykład 4 28
Różne znaczenia pojęcia kodowania
KODOWANIE
Kodowanie
Kodowanie
Kodowanie
Kodowanie
do korekcji
kryptograficzne
liniowe
z
ródła
błędów
Kompresja
Poprawienie
Zapewnienie
danych
charakterystyk
poufności
widmowych
Zapewnienie
przesyłanych
eliminacji danych
błędów
Kodowanie
Kodowanie
do poprawiania
do wykrywania
błędów
błędów
Bezpośrednia
Korekcja
korekcja
przez retransmisję
Sieci komputerowe I - Wykład 4 29
błędów
Transmisja danych w paśmie
podstawowym
Sieci komputerowe I - Wykład 4 30
Transmisja danych w paśmie
podstawowym
cyfrowa : analogowa :
ai-1, a , a Koder bk-1, b , bk+1
k
i i+1
ai"{0,1} bk"{a1,a2,...,aq}
Sieci komputerowe I - Wykład 4 31
Transmisja danych w paśmie
podstawowym
Cechy charakterystyczne :
" Brak translacji częstotliwości
" Prostota koderów/dekoderów
" Szybkość transmisji zależy od typu i
długości kabla.
Np. f 0.6 mm 1200 bit/s przy długości 40 km
7200 bit/s przy długości 8 km
Sieci komputerowe I - Wykład 4 32
Transmisja danych
w paśmie podstawowym
Powody stosowania kodów transmisyjnych:
" Ograniczenia dolnoprzepustowe urządzeń i
mediów transmisyjnych
" Ograniczenia górnoprzepustowe urządzeń i
mediów transmisyjnych
" Umożliwienie przesyłania w sygnale podstawy
czasu do odtworzenia nadawanej sekwencji
danych
" Im szersze jest pasmo zajmowane przez sygnał
tym większe są jego zniekształcenia w
kanale
Sieci komputerowe I - Wykład 4 33
KOD NRZ
("non-return-to-zero")
ai = 0 bi = - ę
ai = 1 bi = +A
Przykład:
Sieci komputerowe I - Wykład 4 34
KOD NRZ
("non-return-to-zero")
AsinĄf"
ś#
ł (f) = "�#
ś# ź#
Ąf"
�# #
" Zasadnicza część mocy skoncentrowana jest w niższych częstotliwościach
" Sygnał pozostaje bez zmian w przypadku transmisji długich sekwencji zer i jedynek
Sieci komputerowe I - Wykład 4 35
KOD MANCHESTER
2
2A "
ś#
ł (f) = "�# sin4 Ąf
ś# ź#
Ąf" 2
�# #
Przykład:
Sieci komputerowe I - Wykład 4 36
MANCHESTER RÓŻNICOWY
Przykład:
Sieci komputerowe I - Wykład 4 37
KOD MANCHESTER
KOD MANCHESTER
RÓŻNICOWY KOD MANCHESTER
Sieci komputerowe I - Wykład 4 38
KOD MILLERA
ai = 1 zmiana stanu sygnału wśrodku impulsu
ai = 0 brak zmiany, gdy więcej "0", to zmiana po każdym z nich
Przykład:
Sieci komputerowe I - Wykład 4 39
KOD MILLERA
Sieci komputerowe I - Wykład 4 40
KOD BIPOLARNY PROSTY
(AMI - Alternating Mark Inversion)
ai = 0 bi = 0
ai = 1 bi = -ę lub + A (na przemian)
Przykład:
Sieci komputerowe I - Wykład 4 41
KOD BIPOLARNY PROSTY
(AMI - Alternating Mark Inversion)
Widmo mocy:
2
ą
ś#
ł (f) = "�# sin4 Ąf"
ś# ź#
Ąf"
�# #
Sieci komputerowe I - Wykład 4 42
KODY HDBn
(High Density Bipolar)
Kod HDBn = kod AMI z wyjątkiem:
Przykład:
0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0
+A
B
BV B
B
V B
-A
V - polaryzacja zgodna z poprzednim symbolem
B - polaryzacja przeciwna z poprzednim symbolem
Sieci komputerowe I - Wykład 4 43
Media transmisyjne -
kable koncentryczne
Budowa kabla koncentrycznego :
Można udowodnić, że najlepsze parametry
transmisyjne są osiągane dla
Szybkość transmisji :
od 25 Mbit/s (duże odległości)
Ć2
do 100 Mbit/s (1 km)
H" 3.6
Ć1
Sieci komputerowe I - Wykład 4 44
4B/5B-NRZI
" Kolejne 4 bity są kodowane przy pomocy symbolu
złożonego z 5 bitów. Efektywność kodowania: 80%.
Prędkość 100 Mbps jest osiągane przy transmisji 125
milionów symboli na sekundę.
" Synchronizacja: każdy bit strumienia kodu 4B/5B
traktowany jest jako wartość binarna i kodowany jest przy
pomocy kodu NRZI. (różnicowy sposób kodowania)
" W kodzie tym logiczna jedynka jest reprezentowana przez
przejście na początku czasu trwania bitu, a logiczne zero
przez brak tegoż przejścia
" Niedopuszczalne jest wybranie takiego ciągu, w którym
występuje więcej niż trzy zera po kolei.
Sieci komputerowe I - Wykład 4 45
Data Input
Code Group
NRZI
Data Input
Code Group
NRZI
(4 bits)
(5 bits) Interpretation
pattern
(4 bits)
(5 bits) Interpretation
pattern
0000
Data 0
11110
1101 11011 Data D
0001 01001 Data 1
11100
1110
Data E
Data 2
0010 10100
1111 11101 Data F
0011 10101 Data 3
11111 Idle
Start of stream
0100 01010 Data 4
delimiter, part 1
11000
Start of stream
0101 01011 Data 5
delimiter, part 2
10001
End of stream
0110 01110 Data 6
01101 delimiter, part 1
End of stream
0111 01111 Data 7
00111 delimiter, part 2
1000 10010 Data 8
Transmiter error
00100
1001 10011 Data 9
Invalid codes
other
1010 10110
Data A
1011 10111
Data B
Kodowanie 4 bitów przy pomocy 5 bitów
pozwala na wybranie takich 16 z 32 ciągów
1100 11010 Data C
kodowych, w których nie wystąpią więcej niż
trzy zera pod rząd.
Sieci komputerowe I - Wykład 4 46
MLT-3
Kod MLT-3, wykorzystywany w technologiach bazujących na skrętce -
używany w sieciach 100BASE-TX oraz w miedzianej odmianie FDDI
Efektem zastosowania kodu MLT-3 jest skoncentrowanie większej części
energii w paśmie poniżej 30 MHz i znaczne zredukowanie ilości
emitowanego promieniowania
Kod zapewnia przejścia przy każdym wystąpieniu jedynki logicznej i używa
do tego celu trzech stanów: dodatniego (+V), ujemnego (-V) i zerowego (0).
Proces kodowania:
1.Konwersja z kodu NRZI do NRZ
2.Skramblowanie (randomizowanie, ulosowianie przebiegu )
3.Kodowanie MLT-3
4.Transmisja
Sieci komputerowe I - Wykład 4 47
MLT-3
Input=0
0,
Input=1
from +V
Input=1
-V
+V
Input=0 Input=0
0,
Input=1
Input=1
from -V
Input=0
" jeśli kolejnym bitem wejściowym jest logiczne zero, to następną wartością wyjściową jest wartość
poprzednia,
" jeśli kolejnym bitem wejściowym jest logiczna jedynka, to rozpatrywane są dwie mozliwości:
ojeśli poprzednią wartością wyjściową był jeden ze stanów +V lub  V, to kolejną wartością
wyjściową będzie 0,
ojeśli poprzednią wartością wyjściową była wartość zerowa, to następna wartość wyjściowa musi
być niezerowa i przeciwna znakiem do poprzedniej wartości wyjściowej.
Sieci komputerowe I - Wykład 4 48
MLT-3
przykładowy ciąg binarny zakodowany kodem MLT-3 :
1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0
1 1 1
+v
0
-v
Sieci komputerowe I - Wykład 4 49
8B6T
Każdy pojedynczy element może przyjąć jeden z trzech stanów:
dodatni, ujemny i zerowy - należy on do grupy kodów tetralnych
Kod blokowy 8B6T stosuje się w sieciach 100BASE-T4.
6T (25 Mbaud)
8B (100Mbps)
Stream of 8-bit
8B6T
Splitter
bytes
Coder
6T (25 Mbaud)
6T (25 Mbaud)
Sieci komputerowe I - Wykład 4 50
8B6T
Przed zakodowaniem, dane są grupowane w 8 bitowe bloki. Każdy z 8 bitowych
bloków jest odwzorowywane w 6 elementową grupę symboli tetralnych.
6 1
Szybkość modulacji w każdym z kanałów wynosi:
�"33 = 25Mbaud
8 3
Zakodowane stany sześciobitowych grup ciągów wejściowych :
Sieci komputerowe I - Wykład 4 51
8B/10B
Schemat kodowania 8B/10B stosowany jest we wszystkich
wariantach Gigabit Ethernetu z wyjątkiem wersji opartej na skrętce
miedzianej. W schemacie tym 8-bitowa ramka danych konwertowana
jest do ramki 10-bitowej, która jest transmitowana.
Zalety kodu transmisyjnego 8B/10B:
" Może on być zaimplementowany przy pomocy relatywnie prostych,
niezawodnych i tanich urządzeń,
" Kod zapewnia dobre zrównoważenie składowej stałej, co
przeciwdziała niekorzystnemu efektowi wprowadzanemu przez długie
ciągi zer lub jedynek,
" Dzięki temu systemowi kodowania transmitowany sygnał
charakteryzuje się częstą zmianą stanów nawet w przypadku gdy w 8
bitowym ciągu wejściowym występują długie sekwencje zer lub jedynek.
Ułatwia to synchronizację współpracujących ze obą urządzeń,
" kod ma duże możliwości detekcji błędów.
Sieci komputerowe I - Wykład 4 52
8B/10B
Sterowanie
Interfejs wejściowy
Clock
E
B C D F G H K
A
5B/6B 3B/4B
Kontroler
nieparzystości
Interfejs wyjściowy
Clock
g
a b c d e i f h j
10 - bitowa magistrala do układu
zamiany transmisji równoległej
na szeregową
Sieci komputerowe I - Wykład 4 53
8B/10B
8B\10B jest w zasadzie kombinacją dwóch kodów: 5B/6B oraz 3B/4B
W przypadku kodu 8B/10B odwzorowanie polega na przekształcaniu 8
 bitowych bloków z
ródłowych w 10  bitowe bloki kodowe. Kolejną
funkcją jest kontrola nieparzystości (RD  running disparity).
Zasada kontroli nieparzystości:
" RD przyjmuje na końcu każdego  podbloku wartość dodatnią jeżeli
zarówno podblok sześciobitowy (a b c d e i) jak i czterobitowy (f g h j)
zawiera więcej jedynek niż zer oraz gdy podblok sześciobitowy jest 000111
lub czterobitowy 0011,
" RD przyjmuje na końcu każdego  podbloku wartość ujemną jeżeli
zarówno  podblok sześciobitowy (a b c d e i) jak i czterobitowy (f g h j)
zawiera więcej zer niż jedynek oraz gdy podblok sześciobitowy jest 111000
lub czterobitowy 1100,
" W przypadkach pozostałych wartość RD na końcu bloku jest taka sama
Sieci komputerowe I - Wykład 4 54
jak na początku.
4D  PAM5
Czterowymiarowa pięciopoziomowa impulsowa modulacja amplitudy. Schemat
kodowania używany jest w sieciach standardu 1000BASE-T (Gigabit Ethernet)
zbudowanych w oparciu o skrętkę przewodów.
4D  PAM5 został zaprojektowany aby wykorzystać aktualny rozwój technik
transmisji cyfrowej, które mogą być implementowane w oparciu o skrętkę
kategorii 5. Schemat kodowania wykorzystuje 4 pary przewodów, dlatego każdy
link musi dostarczać dane z szybkością 250Mbit/s
Główne cechy 4D  PAM5:
" wykorzystuje 4 pary skrętki kategorii 5,
" wykorzystuje PAM5 do zwiększenia ilości informacji wysyłanej z każdym
symbolem, aby utrzymać szybkość modulacji 125 Mbodów / kanał,
" wykorzystuje 4D - ośmiostanowy system korekcji błędów (4D 8  state
Trellis Forward Error Correction coding), aby zrównoważyć wpływ szumu i
przesłuchów,
" wykorzystuje technikę skramblingu, by uzyskać optymalne widmo
Sieci komputerowe I - Wykład 4 55