Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (1)
TRANSMISJA DANYCH
Przez pojęcie transmisji danych rozumiemy metody i sposoby
przekazywania sygnałów i danych na odległość.
RYS HISTORYCZNY
W 450 r. p.n.e. Grecy opracowali metodÄ™ optycznego kodowania
informacji za pomocą sygnałów świetlnych (5 pochodni).
Wykorzystywano również różne inne metody przesyłania informacji:
przelot gołębi, sztafeta posłańców, przejazd szybkich dyliżansów.
W 1794 r. Cluade Chappe zademonstrował pierwszy telegraf oparty
na zmianie elementów ruchomych ramion. Trasa pierwszego telegrafu
wynosiła 220 km (Paryż-Lille) i miała 20 stacji przekaz
nikowych. W
ciągu 50 następnych lat we Francji wybudowano 5 tys. km Torów
komunikacyjnych.
Po raz pierwszy sygnał elektryczny wykorzystano do przesyłania
informacji około 1830 roku. 18 maja 1844 roku pierwsza linia
telegraficzna połączyła Waszyngton z odległym o 60 km Baltimore.
Pierwszy przekaz telefoniczny nastąpił 10 marca 1876 po szeregu
wynalazków Bella i Edison.
W XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój technik transmisji danych.
Zaczęto wykorzystywać nowe media do transmisji: światłowód, łącza
radiowe, łącza satelitarne. Jednocześnie doskonalono łącza
elektryczne, a także sposoby kodowania i kompresji danych, co
umożliwiło znaczne zwiększenie przepustowości.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (2)
INFORMACJA
Informacją nazywamy wszystko to, co może być wykorzystywane do
bardziej sprawnego lub bardziej celowego działania. Zaprzeczeniem
informacji jest zakłócenie, czyli to wszystko, co przeszkadza w
realizacji pewnego celowego działania.
SPOSOBY PREZENTACJI INFORMACJI
" Sygnały analogowe to informacja opisana za pomocą ciągłego
sygnału sinusoidalnego o różnej częstotliwości, amplitudzie i fazie.
Częstotliwość wyraża się w hercach (Hz), które wskazują liczbę
zmian pola elektromagnetycznego sygnału transmitowanego w
ciÄ…gu 1 sekundy.
" Informacja cyfrowa jest rezultatem kwantyzacji sygnału ciągłego.
W systemie dwójkowym (binarnym) najmniejszą jednostką
informacji jest bit reprezentujący wybór między brakiem informacji
(wartość 0) a właściwą informacją (wartość 1). Bajt to 8 bitów.
amplituda
t
amplituda
 1
 0
t
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (3)
DYSKRETYZACJA INFORMACJI
Przez proces dyskretyzacji informacji rozumiemy proces uzyskiwania
z sygnału będącego funkcją czasu x(t), ciągu jego przybliżonych
wartości chwilowych. Proces uzyskiwania dyskretnego w czasie ciągu
rzeczywistych wartości chwilowych sygnału nazywamy
próbkowaniem, a elementy otrzymane w wyniku tego procesu -
próbkami. Proces przyporządkowywania wartościom rzeczywistym
sygnału wartości przybliżonych nazywamy kwantowaniem.
CYFROWA POSTAĆ INFORMACJI
Każdej informacji można przypisać pewien numer porządkowy. W
takim przypadku przesyłanie informacji sprowadza się do transmisji
liczb, które łatwo można wyrazić w postaci bitów.
DEFINICJA KODU
Kodem nazywamy zbiór ciągów kodowych oraz zasadę
przyporządkowywania tych ciągów wiadomościom. Ciągi kodowe
zbudowane są z sygnałów elementarnych, które mogą przyjmować
niewielkÄ… liczbÄ™ postaci. Za pomocÄ… kodu transmitowane dane sÄ…
odpowiednio formatowane i przetwarzane. Najbardziej popularne sÄ…
kody oparte na systemie binarnym. Stosowane są również kody,
których podstawą jest liczba 8. Przykładowe kody:
" Alfabet Morse a.
" Kod międzynarodowy nr 2 (dalekopisowy) umożliwia zapisanie
32 znaków za pomocą 5 bitów.
" Kody ASCII (128 znaków na 7 bitach).
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (4)
MODULACJA
PIERWOTNY SYGNAA
NATURALNY
Sygnał naturalny to ciąg praktycznie prostokątnych impulsów prądu
stałego, za pomocą którego wyrażana jest informacja cyfrowa w
postaci sygnału elektrycznego. Podczas trwania każdego impulsu
(między początkiem i końcem impulsu) występuje w normalnych
warunkach ściśle określony sygnał elektryczny (określony przez
wartość i kierunek prądu). Dla kodu binarnego istnieją dwa stany
sygnału, zwane stanami znamiennymi, np. brak napięcia wartość 0,
napięcie dodatnie wartość 1. Można stosować również kody
wielowartościowe, np. kod czterowartościowy umożliwia
zakodowanie 2 bitów.
DEFINICJA MODULACJI
Informacja jest przekazywana na odległość za pomocą nośnika
(medium). Pusty nośnik nie przenosi żadnej informacji. Proces
przygotowania informacji i załadowania informacji do pustego
nośnika nazywamy modulacją. Modulacja stosowana w modemach
jest procesem konwersji informacji cyfrowej na postać analogową.
Operację odwrotną, polegającą na odtworzeniu informacji z sygnału
zmodulowanego nazywamy demodulacjÄ….
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (5)
SPOSÓB DZIAA
ANIA MODULACJI
Nośnikiem informacji mogą być stany stałe, drgania sinosuidalne lub
ciągi impulsów. Modulacja polega na tym, że jest zmieniany jeden lub
kilka parametrów nośnika zgodnie z przesyłaną informacją (np. dla
sygnału sinosuidalnego można zmieniać amplitudę, częstotliwość,
fazę). Zmiany te określają punkty charakterystyczne. Przejścia
pomiędzy kolejnymi stanami charakterystycznymi to momenty
znamieniowe, a przedział czasowy między nimi to element modulacji.
0 0 0
t t t
SZYBKOŚĆ MODULACJI
Jednostką miary szybkości modulacji jest bod (ang. baud),
określający maksymalną liczbę zmiany momentów lub stanów
charakterystycznych modulacji w czasie 1 sekundy. Dla prostych
sygnałów (telegraf) są tylko dwa stany charakterystyczne i dla takich
sygnałów szybkość modulacji jest równoważna z przepływnością
bitową (1 bod=1 b/s). We współczesnych modemach jeden stan
charakterystyczny niesie informację o większej liczbie bitów
informacji (modulacja wielowartościowa). Przesłania 2 bitów
informacji wymaga 4 stanów charakterystycznych (modulacja
czterowartościowa). Modulacja dla przesłania 3 bitów wymaga 8=23
stanów charakterystycznych (modulacja ośmiowartościowa).
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (6)
RODZAJE MODULACJI DLA NOÅšNIKA SINOSUIDALNEGO
" Modulacja amplitudy AM (ang. amplitude modulation).
" Modulacja częstotliwości FM (ang. frequency modulation).
" Modulacja fazy PM (ang. phase modulation).
AM
0
t
FM
0
t
PM
0
t
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (7)
RODZAJE MODULACJI DLA NOÅšNIKA IMPULSOWEGO
" Modulacja amplitudy impulsów PAM (ang. pulse amplitude
modulation).
" Modulacja częstotliwości impulsów PFM (ang. pulse frequency
modulation).
" Modulacja szerokości (długości) impulsów PDM (ang. pulse
duration modulation).
" Modulacja położenia (przesunięcia, fazy) impulsów PPM (ang.
pulse phase modulation).
" Modulacja liczby impulsów PNM (ang. pulse number modulation).
" Modulacja kodowo-impulsowa PCM (ang. pulse code modulation).
" Modulacja delta (przyrostowa) P"M (ang. pulse delta modulation).
PAM PFM
0 0
t t
PDM PPM
0 0
t t
PNM PCM
0 0
t t
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (8)
PODSTAWOWE DEFINICJE
URZ
DZENIA TRANSMISJI DANYCH
" Nadajnik (ang. transmitter) to urządzenie będące z
ródłem sygnału i
generujÄ…ce pierwotnÄ… informacjÄ™ (telefon, faks, komputer).
" Odbiornik (ang. receiver) to urzÄ…dzenie docelowe odbierajÄ…ce
spływające do niego dane.
" Obwód (ang. circuit) oznacza ścieżkę komunikacyjną w ustalonym
medium między dwoma punktami (nadajnikiem i odbiornikiem).
Obwód nazywany jest także kanałem, linią lub ścieżką.
" A
ącze pojedyncze (ang. link) to fragment ścieżki między dwoma
sÄ…siednimi punktami w sieci.
" A
ącze wielokrotne (ang. trunk) jest dostępne wielu użytkownikom,
zazwyczaj to połączenia między centralami lub urządzeniami
przełączającymi.
" Kanał transmisyjny (ang. channel) to zespół środków
technicznych, umożliwiających przesyłanie sygnałów
informacyjnych.
" Linia (ang. line) nazywana również torem łączności stanowi
ośrodek fizyczny, w którym sygnały są przesyłane.
" Urządzenie przełączające (ang. switch) to urządzenia
przetwarzające informacje w węzłach sieci (centrale telefoniczne,
routery, przełącznik, koncentratorów).
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (9)
SZEROKOŚĆ PASMA
Szerokość pasma to różnica między górną i dolną częstotliwością
pasma, które kanał jest zdolny przenieść z nierównomiernością nie
gorszą niż 3dB. Szerokość pasma jest wyrażana w hercach (Hz). Dla
linii telefonicznej wynosi 3,1 kHz w naturalnym paśmie od 300 do
3400 Hz. Szerokość pasma określa przydatność łącza analogowego do
pracy z różnymi szybkościami.
PRZEPUSTOWOŚĆ
Przepustowość kanału (przepływność) to zdolność kanału do
przenoszenia informacji binarnej, czyli liczby bitów danych, które
można przesłać w ciągu 1 sekundy przez konkretne medium
transmisyjne. Przepływność binarna jest wyrażana w bitach na
sekundę (b/s, kb/s, Mb/s, Gb/s). Dzięki modulacji sygnału
przepływność kanału wyrażona w bitach na sekundę jest zwykle
kilkakrotnie wyższa od szerokości pasma tego kanału wyrażonej w
hercach.
Informacja Rodzaj usługi (jakość) Typowa przepływność (kb/s)
Mowa telefoniczna 2,3-32
wysoka 48-64
Dz
więki telefoniczna 8-32
Hi-Fi 48-64
Dane niska <10
średnia 10-64
wysoka 64-2048
bardzo wysoka 2000-20 000
Tekst 20
Obrazy faksowa 2,4-64
wysoka (kolor) 50-500
Obrazy ruchome 8-64
lokalnie 1500-20 000
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (10)
TWIERDZENIE SHANNONA
Maksymalna teoretyczna przepływność kanału jest ograniczona
twierdzeniem Shannona. Prawo to w postaci:
P=W*log2(1+S/N)
określa maksymalną przepływność kanału P kanału w zależności od
szerokości pasma W oraz stosunek mocy sygnału S do mocy szumu
termicznego N i nie zależy od przyjętego sposobu modulacji.
TRYB TRANSMISJI ZNAKOWEJ
Stosowana zwykle przez modemy, istniejÄ… trzy tryby transmisji:
" Simpleks SX (ang. simplex) to jednokierunkowa transmisja, w
której odbiornik nie może przesłać odpowiedzi ani potwierdzenia,
a odbiornik nie wymaga żadnej obsługi przez użytkownika
(transmisje rozsiewcze, radiofoniczne).
" Półdupleks HDX (ang. half duplex) dwukierunkowa, ale nie
jednoczesna, naprzemienna transmisja - w danym momencie jest
ustalony tylko jeden kierunek transmisji. Dla odwrócenia
kierunku transmisji potrzebny jest system sygnalizacji,
wskazujący, że urządzenie ukończyło nadawanie i możliwy jest
dostęp do łącza (kabel dwuprzewodowy, skrętka, jeden kanał
informacyjny).
" Dupleks FDX (ang. full duplex) to jednoczesna i dwukierunkowa
transmisja. Wymaga zazwyczaj dwóch par przewodów dla sieci
cyfrowych. Dla połączeń analogowych dla jednej pary
przewodów szerokość pasma dzielona jest na dwie części.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (11)
TRYB TRANSMISJI BITOWEJ
W transmisji bitowej informacja jest reprezentowana przez ciągły
strumień bitów i zwykle ma przezroczysty charakter dla nadajnika i
odbiornika, z wyjątkiem specjalnych sekwencji bitów określających
poczÄ…tek lub koniec ramki.
RODZAJE TRANSMISJI
" Transmisja szeregowa stosuje przesyłanie informacji bit po bicie
przez jeden tor transmisyjny. Ta metoda jest uzasadniona dla
przekazów na średnie i duże odległości (np. Ethernet, ATM).
" Transmisja równoległa zakłada transmisję danych jednocześnie
przez wiele kanałów na niewielką odległość (zwykle 3-6 m) z
uwagi na możliwość rozsynchronizowania sygnałów, służy głównie
do komunikacji między modułami i urządzeniami komputerowymi
(np. wewnętrzna szyna procesora, połączenie z drukarką).
Połączenie równoległe zazwyczaj składa się z 8, 16, 32 lub 64
równoległych torów transmisyjnych.
FORMATOWANIE INFORMACJI
Przesyłanie informacji za pomocą długiego ciągu bitów jest bardzo
nieefektywne ponieważ:
" ogranicza możliwość przełączania strumienia informacji w
węzłach dla sieci komutowanych,
" znacznie obniża użytkową efektywność transmisji w przypadku
występowania błędów.
Dlatego stosuje się segmentację strumienia bitów na mniejsze części.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (12)
MULTIPLEKSACJA KANAA
ÓW
Proces multipleksacji kanałów (zwielokrotnienia) polega na transmisji
wielu sygnałów analogowych lub cyfrowych o niższej przepustowości
przez jeden kanał o dużej przepustowości. Po stronie odbiorczej
zachodzi proces demultipleksacji. Metody multipleksacji to:
" Czasowa TDM (ang. Time Division Multiplexing) wykorzystuje
podział kanału na odcinki czasowo skojarzone z różnymi
użytkownikami. Metoda dostępu do kanału z podziałem czasu
TDMA (ang. TDM Access).
" Częstotliwościowa FDM (ang. Frequency Division Multiplexing)
używa różnych częstotliwości nośnej dla każdego kanału
użytkownika i każdego kierunku transmisji. Metoda dostępu to
FDMA.
" Kodowa CDM (ang. Code Division Multiplexing) polega na
niezależnym kodowaniu każdego z kanałów kodem
rozpraszającym w widmie częstotliwości emitowanym w tym
samym paśmie transmisyjnym. W dostępie CDMA każdy z
użytkowników ma do dyspozycji pełne pasmo medium
transmisyjnego, a sygnały są przemieszane w zakresie czasu i
częstotliwości.
" Falowa WDM (ang. Wavelength Division Multiplexing) polega
na równoległej i równoczesnej transmisji wielu fal o różnych
długościach. Metoda głównie stosowana dla światłowodów.
Obecnie stosuje się równocześnie dwie różne metody multipleksacji.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (13)
ZABEZPIECZENIE TRANSMISJI PRZED BA

DAMI
STOPA BA

DU
Do określenia wierności informacji transmitowanej przez łącze
stosuje się pojęcie stopy błędów BER (ang. Bit Error Rate). Wskaz
nik
BER definiuje prawdopodobieństwo wystąpienia przekłamania bitu
informacji w strumieniu przesyłanej informacji. Rozróżniamy dwa
sposoby definiowania stopy błędów: elementowy (liczba błędnych
elementów do wszystkich nadanych elementów) i blokowy (liczba
błędnych bloków do wszystkich nadanych bloków).
Dla poprawy elementowej stopy błędów (10-5) stosuje się korekcję
charakterystyki kanału i optymalizację metod modulacji.
Dzięki stosowaniu kodów korekcyjnych (kodowanie nadmiarowe,
kody cykliczne) uzyskuje się blokową stopę błędu w zakresie od 10-6
do 10-10.
RODZAJE ZAKA
ÓCEC

Zakłócenia fluktuacyjne mają postać chaotycznych ciągów drgań, są
procesami przypadkowymi, ciągłymi w czasie, o stosunkowo niskiej
amplitudzie.
Zakłócenia impulsowe mają postać impulsów dowolnego kształtu o
dużej amplitudzie o charakterze nagłym i przypadkowym.
ZASADY PROTEKCJI
Transmisja danych powinna zapewniać wysoką niezawodność i
wierność. Metody poprawienia jakości transmisji nazywamy
metodami protekcji.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (14)
RODZAJE PROTEKCJI
" Detekcja (wykrywanie) zapewnia wykrycie błędów, lecz nie
umożliwia automatycznego poprawienia wykrytych błędów.
Wymagana jest interwencja w celu obsługi błędnych danych.
" Korekcja (poprawianie) polega na automatycznej poprawieniu
wykrytego błędu przez odpowiednie urządzenia.
KODY PROTEKCYJNE
Kody protekcyjne umożliwiają wykrycie, a następnie w miarę
potrzeby skorygowanie błędów w ciągu kodowym. Osiąga się to
przez wprowadzenie nadmiarowej informacji do przesyłanych
danych.
Zbiór N=2n wszystkich możliwych ciągów n-elementowego kodu
dzieli się na podzbiór informacyjny I=2i, przy czym Ikontrolny K= I-N .
Korekcja błędów polega na porównaniu odebranego ciągu kodowego
ze wszystkimi ciÄ…gami podzbioru informacyjnego I oraz znalezienie
jednego z ciągów podzbiorów informacyjnego, który najmniej różni
się od ciągu odebranego. Ten ciąg uważa się za ciąg nadany.
Korekcja błędów może być rozpatrywana jako zasada podziału zbioru
kontrolnego K na 2i rozłącznych podzbiorów.
NADMIAR KODU
Podstawową cecha kodu protekcyjnego jest jego nadmiar, który
wyraża stopień wydłużenia ciągów kodowych, niezbędny do
osiągnięcia określonych właściwości zabezpieczających. Względny
nadmiar kodu może być wyrażony jako Wn=(n-i)/n=k/n .
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (15)
ZNIEKSZTAA
CENIA
Zniekształcenie (przekłamanie) ciągu kodowego jest spowodowane
zmianą wartości elementów binarnych ciągu. Zniekształceniem
jednostkowym nazywa siÄ™ zmiana 1 na 0 lub 0 na 1, ale tylko jednej
pozycji kodu. Zniekształceniem wielokrotnym nazywa się zmianę
wartości elementów binarnych w większej liczbie pozycji.
KODY WYKRYWAJ
CE BA

DY NIEPARZYSTE
Test parzystości polega na tym, że do n-1 bitów informacyjnych
dodawany jest bit parzystości, w taki sposób by liczba jedynek lub zer
w całym ciągu kodowym była np. parzysta. Umożliwia to wykrycie
nieparzystej liczby błędów.
100010 100111 111111 101000
Współczynnik nadmiaru dla tego kodu wynosi Wn=1/n .
KOD HAMMINGA
Kod Hamminga umożliwiający korekcję jednego błędu musi spełniać
następujący warunek 2k >n. Wynika to z tego, że na pozycjach
kontrolnych musimy mieć możliwość zakodowania błędu na każdej z
n pozycji oraz ciąg bez błędu. Poniższa tabela prezentuje przykładowe
wartości długości ciągu kontrolnego i informacji.
i k 2k n+1 i k 2k n+1
1 2 4 4 5 4 16 10
2 3 8 6 11 4 16 16
3 3 8 7 12 8 32 18
4 3 8 8 26 8 32 32
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (16)
PRZYKA
AD STOSOWANIA KODU HAMMINGA
Rozważmy przykład dla i=4, k=3, n=7.
Przekłamanie na kolejnych pozycjach zapisujemy na ciągu
kontrolnym b1, b2, b3 w następujący sposób:
Nr. przekłamania b1 b2 b3 Nr. przekłamania b1 b2 b3
0 (brak błędu) 0 0 0 4 1 0 0
1 0 0 1 5 1 0 1
2 0 1 0 6 1 1 0
3 0 1 1 7 1 1 1
Wybieramy pozycje 1, 2, 4 jako pozycje kontrolne b1, b2, b3 gdyż są
określone pojedynczymi wartościami 1.
Pozycje 3, 5, 6, 7 to pozycje informacyjne a1, a2, a3, a4.
Aby wyliczyć wartości pozycji kontrolnych należy wykonać
sumowanie modulo 2 dla poszczególnych pozycji kontrolnych:
b1=a1•"a2•"a4
b2=a1•"a3•"a4
b3=a2•"a3•"a4
Urządzenie dekodujące po stronie odbiorczej realizuje następującą
kontrolę w zespołach kontrolnych:
b1==b1•"a1•"a2•"a4
b2==b2•"a1•"a3•"a4
b3==b3•"a2•"a3•"a4
Dzięki temu w przypadku wykrycia błędu na którejś z pozycji,
następuje jego korekcja.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (17)
KODY CYKLICZNE
Kodami cyklicznymi nazywamy kody, których wszystkie ciągi
macierzy generującej można otrzymać w wyniku cyklicznego
przesuwania jednego ciÄ…gu, zwanego ciÄ…giem generujÄ…cym tego kodu.
Przesuwanie realizowane od prawej strony do lewej, przy czym
skrajny lewy symbol jest przenoszony za każdym razem na prawy
koniec ciÄ…gu.
Ciąg kodowy można zapisać w formie wielomianu, na przykład ciąg
kodowy 10101 to wielomian g(x)= x4+ x2+1. Podobnie można
przedstawić nadawany ciąg danych a(x).
W celu wykrycia błędów transmitowany jest ciąg y(x)= a(x) g(x). Po
stronie odbiorczej, odebrany wielomian y(x) jest dzielony przez
wielomian generujący g(x). Na podstawie analizy reszty można
określić, czy wystąpił błąd.
Najczęściej stosowane wielomiany dla sieci rozległych:
G(x)=x16+x12+x5+1 G(x)=x16+x15+x12+1
Dla sieci LAN stosuje siÄ™ wielomian stopnia 32:
G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
Przykład
10001000100100010000000000000000 : 10001000000100001
10001000000100001
10000001100000000
10001000000100001
10011001000010000
10001000000100001
10001000110001000
10001000000100001
0000000110101001 reszta
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (18)
RODZAJE KANAA
ÓW PRZESYA
OWYCH
Kanały mechaniczne są stosowane do przesyłania na niewielkie
odległości (do 500 m) sygnałów w postaci mechanicznych naprężeń
lub ciśnień.
Kanały akustyczne służą do przesyłania sygnałów dz
więkowych.
Ośrodkiem przenoszącym te sygnały mogą być dowolne materiały
przenoszÄ…ce drgania dz
więkowe. Rozróżniamy kanały z zakresu
dz
więkowego (do 20 kHz) lub ultradz
więkowego (powyżej 20 kHz).
Kanały optyczne wykorzystują falę świetlną do przesyłania
informacji.
Kanały elektryczne wykorzystują linie przewodowe do przesyłania
informacji kodowanych za pomocą sygnałów elektrycznych.
Kanały bezprzewodowe wykorzystują fale z zakresu podczerwieni i
fale radiowe.
ÅšWIATA
OWODY
Transmisja światłowodowa polega na przesyłaniu przez włókno
szklane promieni optycznych generowane przez laserowe z
ródło
światła. Ze względu na niską tłumienność oraz odporność na
zewnętrzne pole elektromagnetyczne światłowód jest obecnie
najlepszym medium stosowanym w sieciach komputerowych.
Włókna wzmacniające
PÅ‚aszcz
Rdzeń
Koszulka zewnętrzna
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (19)
WADY I ZALETY ÅšWIATA
OWODU
Zalety światłowodu:
duże prędkości transmisji (Tb/s),
małe rozmiary i mały ciężar
bezpieczeństwo, brak interferencji elektromagnetycznych,
mała tłumienność,
malejÄ…ce koszty.
Wady światłowodu:
duży koszt, trudna instalacja.
ZASADA DZIAA
ANIA ÅšWIATA
OWODU
Działanie światłowodu opiera się na zjawisku całkowitego
wewnętrznego odbicia światła na granicy dwóch ośrodków o dwóch
różnych współczynnikach załamania światła.
pokrycie
rdzeń
n2
n1
¸
n2
Maksymalny kÄ…t ¸ pod jakim zachodzi odbicie wyznacza siÄ™ z
2 2
sin¸ = n1 + n2 , gdzie n1 to współczynnik zaÅ‚amania
zależności
rdzenia, a n1 pokrycia.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (20)
RODZAJE ÅšWIATA
OWODÓW
" Wielomodowe. Długość fali świetlnej 850 nm, 1300 nm.
Odległości między regeneratorami od 0,1 km do 10 km.
Zastosowanie: sieci lokalne, wojsko, przemysł.
" Jednomodowe. Długość fali świetlnej 1300 nm, 1550 nm.
Odległości między regeneratorami od 10 km do 100 km.
Zastosowanie: telekomunikacja, telewizja.
Włókno wielomodowe
o skokowej zmianie
współczynnika odbicia
Włókno wielomodowe
y
ródło
o stopniowej zmianie
światła
współczynnika odbicia
Światłowód
jednomodowy
y
RÓDA
A ÅšWIATA
A
" Diody laserowe ILD (ang. Injection Laser Diode) wykorzystywane
przede wszystkim dla światłowodów jednomodowych, dosyć
drogie, ale umożliwiają transmisję na duże odległości.
" Diody LED (ang. Light-Emitting Diode) wykorzystywane głównie
dla światłowodów wielomodowych, tanie i o długim czasie pracy.
ZA

CZA ÅšWIATA
OWODOWE
" ZÅ‚Ä…cze ST jest najbardziej rozpowszechnione, typu bananowego.
" Złącze SMA jest starszym złączem, posiada gwint.
" Złącze MIC jest płaskie i używane wyłącznie w sieciach FDDI.
" Złącze FC łączy własności ST i SMA.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (21)
BUDŻET KABLI ŚWIATA
OWODOWYCH
Budżet kabli światłowodowych jest maksymalną wielkością
degradacji sygnału, która może być przyczyną powstawania błędów
i/lub przerwania transmisji danych. Całkowite tłumienie kabla
światłowodowego musi być mniejsze od dopuszczalnego budżetu
światłowodu.
Dostępny budżet światłowodu zależy od mocy z
ródła światła i od
czułości fotodiody po stronie odbiorczej.
(budżet światłowodu) = ((nadawana moc światła) - (czułość))
Moc optyczną wyrażamy w watach lub dBm .
Moc sprzężona ze światłowodem po stronie nadawczej jest
proporcjonalna do średnicy rdzenia. Na przykład moc związana z
kablem 50/125 jest mniejsza niż z kablem 62,5/125 o 4dBm
POMIAR WYMAGANEGO BUDŻETU
Jeśli jest to możliwe, wymagany budżet powinien być mierzony za
pomocą fotometru w następujący sposób:
1. Zmierzyć moc światła na wejściu do światłowodu (Pin).
2. Zmierzyć moc światła na wyjściu (Pout).
3. Wyliczyć straty w światłowodzie w następujący sposób:
straty[dBm]=10log(Pin[mW]/Pout[mW])
straty[dBm]=Pin[dBm]-Pout[dBm]
Na przykład
Pin=0,001 mW (-30dBm), Pout=0,0005 mW (-33dBm)
straty[dBm]=10log(1,0/0,5) lub straty[dBm]=-30-(-33)=3dBm
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (22)
OBLICZANIE WYMAGANEGO BUDŻETU
Budżet światłowodu równa się różnicy mocy dostarczonej do
światłowodu po stronie nadawczej i czułości po stronie odbiorczej.
(Wymagany budżet)[dB] = (straty w kablu)+(całkowite straty w
złączach)+(całkowite straty w miejscach spawania)+3[dB].
gdzie
(całkowite straty w kablu)=(tłumienność[dB/km])*(długość kabla[km])
(całkowite straty w złączach)=(liczba złączy)*(straty w jednym złączu[dB])
(całkowite straty na spawach)=(liczba spawów)*(straty w jednym spawie[dB])
3 dB jest  zapasowym budżetem wyliczonym (zarezerwowanym) dla wpływu
temperatury otoczenia i starzenia siÄ™ kabla.
STRATY W ÅšWIATA
OWODACH
tłumienność kabla 3-5 dB/km
kable 50/125: 3-3,5 dB/km (850 nm)
światłowodowego
kable 62,5/125: 3,5-4 dB/km (850 nm)
kable 62,5/125: 1 dB/km (1300 nm)
kable 100/140: 4,5-6 dB/km (850 nm)
kable 9,5/125: 0,5-1,5 dB/km (1300 nm)
straty w złączach 1-2 dB/złącze
złącze SMA : 0,5-3 dB
złącze ST : 0,5-1,5 dB
złącze FC : 0,5-1 dB
złącze MIC : 0,5-1 dB
straty na spawach 0,1-0,3 dB/spaw
Uwagi:
1. Konkretne wartości strat należy uzyskać od producenta kabla.
2. Należy ograniczać liczbę łączy, których wpływ równa się 1 km kabla.
3. Straty na złączach maleją ze wzrostem średnicy światłowodu.
4. Straty na złączach wejściowym i wyjściowym są uwzględniane w mocy
dostarczanej i czułości.
5. Spawy to stałe złącza, których, inaczej niż złącza, nie można rozłączyć.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (23)
OBLICZANIE MAKSYMALNEJ DA
UGOÅšCI ÅšWIATA
OWODU
(całkowite straty w (całkowite straty na
(maksymalna (budżet[dB])+ złączach [dB])+ spawach [dB])+ 3[dB]
długość [km]) (tłumienność kabla[dB/km])
PRZYKA
AD WYLICZANIA BUDŻETU I DA
UGOÅšCI ÅšWIATA
OWODU
światłowód 50/125 złącze
FOM-40 SMA FOM-40
spawy
FOM-40 to modem światłowodowy firmy RAD o następujących
parametrach (dane katalogowe):
(moc światła po stronie nadawczej) = -19 dBm (kabel 50/125)
(czułość po stronie odbiorczej) = -40 dBm
(tłumienność spawu) = 0,2 dB/spaw
(tłumienność złącza SMA) = 1,5 dB/złącze
(tłumienność kabla 50/125) = 3 dB/km
Zatem
(budżet)=(-19)-(-40)=21 dB
(maksymalna długość)=(21-(1*1,5)-(3*0,2)-3)/3=5,3 km
ZAPOBIEGANIE NASYCENIU ODBIORNIKA OPTYCZNEGO
W przypadku gdy moc optyczna nadajnika dostarczana do odbiornika
jest zbyt duża (np. światłowód jest za krótki) to odbiornik może się
nasycić co powoduje błędy w odbiorze. Aby zapobiec takiej sytuacji
musi być spełniona następująca nierówność:
((max. moc po stronie nadawczej)-(straty))<(max. moc odbiornika)
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (24)
A

CZA TRANSMISYJNE
Przez łącze transmisji danych rozumie się zespół środków
technicznych służących do przesyłania binarnych szeregowych
sygnałów miedzy dwoma oddalonymi od siebie stacjami w sieci
teleinformatycznej.
RODZAJE A

CZY TRANSMISYJNYCH
Ze względu na sposób trasowania wyróżnia się łącza:
" A
ącze stałe, wykonywane jako prowizoryczne lub trwałe, nie
podlega żadnym modyfikacjom (linia telefoniczna, kabel
podziemny).
" A
ącze dzierżawione (dedykowane) stanowi tor między
komunikującymi się stronami, może mieć postać kabla fizycznego,
albo funkcjonować logicznie jako łącze trwałe w obrębie
komutowanego lub multipleksowanego systemu komunikacyjnego.
A
ącza dzierżawione w sieciach WAN są dzierżawione okresowo w
dla stałego połączenia dwupunktowego o wysokiej przepustowości.
" A
Ä…cze komutowane jest zestawiane przez system komutacyjny
wyłącznie na czas trwania usługi.
" A
ącze wirtualne. Połączenie wirtualne to łącze między dwiema lub
większą liczbą stacji końcowych w sieci pakietowej. Za pomocą
łącza wirtualnego ustala się pomiędzy punktami końcowymi sesję
tymczasową lub dedykowaną. Układ fizyczny połączenia
wirtualnego może się zmieniać w czasie transmisji.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (25)
PASMO W A

CZACH
" A
Ä…cze wÄ…skopasmowe (ang. narrowband) oznacza zwykle
pojedynczy kanał o przepustowości nie większej niż 64 kb/s albo
kilka pojedynczych kanałów 64 kb/s o łącznej przepustowości nie
przekraczajÄ…cej 2Mb/s (w USA do 1,544 Mb/s).
" A
ącze średniopasmowe (ang. widewband) ma przepustowości od
2Mb/s do 34 Mb/s (w USA od 1,544 Mb/s do 45 Mb/s).
" A
ącze szerokopasmowe (ang. broadwband) to kanały o
przepustowości większych od 45 Mb/s (USA), 34 Mb/s (Europa).
URZ
DZENIE KOC
COWE
" DCE (ang. Data Communication Equipment) to urzÄ…dzenia
pośredniczące w przesyłaniu danych (modem, kodek,).
" DTE (ang. Data Terminal Equipment) to urzÄ…dzenia terminali
danych (komputery, mosty, routery).
STRUKTURA A

CZA TRANSMISJI DANYCH
S S S S S S
3 2 1 2 3
1
urzÄ…dzenie urzÄ…dzenie urzÄ…dzenie urzÄ…dzenie
modem modem
końcowe protekcji protekcji końcowe
kanał
analogowy
DTE DCE DCE DTE
kanał ziarnisty
Å‚Ä…cze transmisji danych
Kanał ziarnisty to kanał przystosowany do przekazywania sygnałów
mających postać impulsów prostokątnych. Tworzy go kanał
analogowy zakończony odpowiednimi modemami.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (26)
STYKI
" Styk S1 określa charakterystyki elektryczne i mechaniczne między
modemem a sieciÄ… telekomunikacyjnÄ….
" Styk S2 jest rozumiany jako zestaw przewodów o ściśle
określonym przeznaczeniu, po których są przekazywane sygnały
określone zarówno pod względem funkcji, jak i parametrów
elektrycznych. Przewody styków tworzą wiele obwodów. Po
obwodach styku S2 są przekazywane sygnały sterujące, sygnały
stanów, dane nadawane, dane odbierane i sygnały synchronizacji.
Do styków S2 należy zaliczyć styki określone zaleceniami V.24
(RS-232C), V.35 i X.21.
ZALECENIE V.24
Zalecenie V.24 opisuje styk między DTE i DCE (modemem) służący
do wymiany binarnych sygnałów: danych, sterowania i
synchronizacji. Stosuje siÄ™ je przede wszystkim przy organizacji:
" transmisji synchronicznej i asynchronicznej,
" transmisji danych po liniach dzierżawionych 2 i 4
przewodowych,
" transmisji danych w sieciach telefonicznych i sieciach transmisji
danych z wykorzystaniem linii 2 i 4 przewodowych,
" bezpośredniego (bez modemów) połączenia dwóch DTE na
niewielką odległość do 15 m.
Stan OFF na obwodzie styku V.24 odpowiada logicznej 1, a stan ON
logicznemu 0. Syk RS-232C jest podzbiorem zalecenia V.24 i jest
zgodny z zaleceniami V.28 i ISO 2110.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (27)
OBWODY ZALECENIA V.24
Oznaczanie Nazwa obwodu V.24 y
r. Typ Nr
wg i jego funkcje Sygn. ob. nóżki
V.24 EIA 25 9
101 AA Protective Ground  ziemia ochronna wsp. Z 1 5
102 AB Signal Ground  ziemia sygnałowa wsp. Z 7 5
103 BA Transmitted Data (TxD)  dane nadawane. Dane generowane przez DTE sÄ… DTE D 2 3
przesyłane po tym obwodzie do DCE.
104 BB Receive Data (RxD)  dane odbierane. Dane nadchodzące z odległej lokalizacji są DCE D 3 2
przesyłane z DCE do DTE.
105 CA Request to Send (RTS)  żądanie nadawania w kanale docelowym DTE S 4 7
106 CB Clear to Send (CTS)  gotowość do nadawania w kanale docelowym DCE S 5 8
107 CC Data Set Ready (DSR)  gotowość DCE DCE S 6 6
108/1 Connect Data Set  podłączenie DCE do łącza DTE S
108/2 CD Data Terminal Ready (DTR)  gotowość DTE DTE S 20 4
109 CF Received Line Signal Detector  detektor sygnału transmisji danych odbieranego w DCE S 8 1
kanale docelowym
110 CG Signal Quality Detector  detektor jakości sygnału transmisji danych DCE S 21
111 CH Data Signal Rate Selector  wybór szybkości transmisji przez DTE DTE S 23
112 CI Data Signal Rate Selector  wybór szybkości transmisji przez DCE DCE S 23
113 DA Transmit Signal Element Timing  podstawa czasu z DTE dla elementów DTE T 24
nadawczych
114 DB Transmitter Signal Element Timing  podstawa czasu z DCE dla elementów DCE T 15
nadawanych
115 DD Receiver Signal Element Timing  podstawa czasu z DCE dla elementów DCE T 17
odbieranych
116 Select Standby  wybór zespołów rezerwowych DTE S
117 Standby Indicator  wskaz
nik zestawu rezerwowego DCE S
118 SBA Secondary Transmitted Data  dane nadawane w kanale powrotnym DTE D 14
119 SBB Secondary Received Data  dane odbierane w kanale powrotnym DCE D 16
120 SCA Secondary Request to Send  żądanie nadawania w kanale powrotnym DTE S 19
121 SCB Secondary Clear to Send  gotowość kanału powrotnego DCE S 13
122 SCF Secondary Received Line Signal Detector  detektor sygnału odbieranego w kanale DCE S 12
powrotnym
123 Secondary Signal Quality Detector  detektor jakości sygnału odbieranego w DCE S
kanale powrotnym
124 Select Frequency Groups  wybór grup częstotliwości DTE S
125 CE Ring Indicator (RI)  wskaz
nik wywołania. DCE S 22 9
126 Select Transmit Frequency  wybór częstotliwości nadawania DTE S
127 Select Receive Frequency  wybór częstotliwości odbioru DTE S
128 Receiver Signal Element Timing  elementowa podstawa czasu odtwarzana w DTE DTE T
129 Request to Receive  żądanie odbioru DTE S
130 Secondary Request to Send Tone  żądanie nadawania sygnału nośnego w kanale DTE S
powrotnym
131 Received Character Timing  odbiorcza znakowa podstawa czasu DCE T
132 Return to  Nondata Mode  żądanie powrotu do trybu pracy DCE  nie dane DTE S
133 Ready for Receiving  gotowość do odbioru DTE S
134 Received Data Present  prezentacja danych odebranych DCE S
140 Remote Loopback (RL)  pętla sprzężenia zwrotnego DTE
141 Local Loopback (LL)  lokalna pętla sprzężenia zwrotnego DTE 18
142 Test Indicator  wskaz
nik testu DCE 25
191 Transmitted Voice Answer  nadawana odpowiedz
głosowa DTE S
192 Received Voice Answer  odbierana odpowiedz
głosowa DCE S
Przyjęto następujące oznaczenia w kolumnie  Typ obwodu : D  obwód danych, S  obwód sterowania, T  obwód
podstawy czasu, Z  ziemia ochronna lub sygnałowa.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (28)
OPERACJE NA OBWODACH STYKU V.24
Sygnały używane w fazie transmisji. Po obwodzie 103 DTE
przekazuje do DCE (do modemu) te sygnały, które następnie są
wysyłane w linię do odległego DCE, natomiast sygnały nadchodzące
z linii sÄ… przekazywane do DTE po obwodzie 104.
W przypadku transmisji synchronicznej po obwodach 113 i 114 sÄ…
przesyłane sygnały podstawy czasu dla elementów nadawanych.
Sygnały wykorzystywane do inicjowania transmisji. DTE
zawiadamia modem o zamiarze nadawania przez ustawienie stanu ON
na obwodzie 105. Wówczas wysyła w linię sygnał nośnej oraz
sekwencję synchronizującą (ciąg jedynek) do odległego modemu.
Sekwencja ta powiadamia odległy modem aby przygotował się do
odbioru danych. Następnie przez ustawienie stanu ON na obwodzie
106 modem powiadamia DTE, że może nadawać dane.
Sygnały używane podczas ustanawiania połączenia. Sygnały te
wykorzystuje się jedynie w sytuacji gdy połączenia dokonujemy za
pomocą linii komutowanej. Stan ON na obwodzie 107 wskazuje, że
modem jest dołączony do łącza. Z obwodu 125 korzysta się w
procedurze automatycznej odpowiedzi, która pozwala na dołączenie
DTE poprzez modem do linii transmisyjnej.
Obwody dotyczące kanału powrotnego. Obwody 118, 119, 120, 121
i 122 odgrywają rolę analogiczną do następujących obwodów
zwiÄ…zanych z transmisjÄ… w kanale podstawowym: 103, 104, 105, 106
i 109.
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (29)
ZALECENIE V.35
Zalecenie V.35 określa charakterystyki elektryczne
B A
D C
F E
J H
dla obwodów zrównoważonych. Styk V.35 jest
L K
N M
R P
stosowany do szybkich transmisji synchronicznych
T S
V U
X W
po łączach dzierżawionych w trybie dupleksowym. Z Y
BB AA
DD CC
FF EE
Maksymalna szybkość transmisji z użyciem tego
JJ HH
LL KK
NN MM
styku wynosi 4 Mb/s, a maksymalna długość kabla
Å‚Ä…czÄ…cego DTE z DCE wynosi 15 m.
Styk V.35 wykorzystuje złącze 34 nóżkowe określone zaleceniem
ISO 2593. Styk V.35 wyposażony jest w obwody zrównoważone i
niezrównoważone. Obwody zrównoważone wykorzystują dwa
przewody kabla łączącego DTE z DCE, a co za tym idzie dwie nóżki
na złączu. Nóżki przyporządkowane jednemu obwodowi
zrównoważonemu mają takie same nazwy rozróżniane literami A i B.
Nazwa obwodu ozn. Nr z
r.
obw. syg.
Frame (protective) Ground  ziemia ochronna FG A wsp.
Signal Ground  ziemia sygnałowa SG B wsp.
Request to Send  żądanie nadawania RTS C DTE
Clear to Send  gotowość do nadawania CTS D DCE
Data Set Ready  gotowość DCE DSR E DCE
Received Line Signal Detector  detektor sygnału transmisji danych RLSD F DCE
Data Terminal Ready  gotowość DTE DTR H DTE
Local Loopback  lokalna pętla sprzężenia zwrotnego J DCE
Test Mode  wskaz
nik testu LT K DCE
Test Pattern  wynik testu L DCE
Send Data (A)  dane nadawane SD(A) P DTE
Receive Data (A)  dane odbierane RD(A) R DCE
Send Data (B)  dane nadawane SD(B) S DTE
Receive Data (B)  dane odbierane RD(B) T DCE
Serial Clock Transmit Ext. (A)  podstawa czasu z DTE dla el. nadawanych SCTE(A) U DTE
Serial Clock Receive (A)  podstawa czasu z DTE dla el. odbieranych SCR(A) V DCE
Serial Clock Transmit Ext. (B)  podstawa czasu z DTE dla el. nadawanych SCTE(B) W DTE
Serial Clock Receive (B)  podstawa czasu z DTE dla el. odbieranych SCR(B) X DCE
Serial Clock Transmit (A)  podstawa czasu z DCE dla el. nadawanych SCT(A) Y DCE
Serial Clock Transmit (B)  podstawa czasu z DCE dla el. nadawanych SCT(B) AA DCE
Remote Loopback  pętla sprzężenia zwrotnego BB DTE
K. Walkowiak, SK
Podstawy transmisji danych w sieciach komputerowych. (30)
K. Walkowiak, SK