Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Содержание

Слайд 2

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Место физического уровня в модели

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Место физического уровня в модели OSI
Модель

канала связи
Среды передачи данных
Передача сигналов
Кодирование и модуляция

План

Слайд 3

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Передача потока битов по физическим

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Передача потока битов по физическим каналам

связи без искажений с заданной частотой
Не вникает в смысл передаваемой информации
Единица передаваемых данных — бит

Место в модели OSI

Физический

Канальный

Сетевой

Транспортный

Сеансовый

Представления

Прикладной

Слайд 4

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Основная задача физического уровня: как

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Основная задача физического уровня: как представить

биты информации в виде сигналов, передаваемых в среде

Передача сигналов

Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e

Слайд 5

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Характеристики канала связи: Скорость (пропускная

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Характеристики канала связи:
Скорость (пропускная способность) —

как быстро информация может передаваться по каналу, бит в секунду
Задержка — время, которое требуется сообщению чтобы дойти от отправителя к получателю, секунда
Широковещательный канал или нет, частота возникновения ошибок

Модель канала связи

Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e

Сообщение

Скорость, задержка

Слайд 6

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Скорость измеряется в битах в

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Скорость измеряется в битах в секунду:
б(b)

— биты, Б(B) — байты
б/с, bps
Кратные единицы, степень 10:
1 Кб/c = 1000 б/с (не 1024!)
1 Мб/с = 1000 Кб/с
1 Гб/с = 1000 Мб/с

Скорость канала связи

Слайд 7

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Сообщение передается не мгновенно: Время

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Сообщение передается не мгновенно:
Время передачи короткое,

но не нулевое
В среде может «находиться» некоторый объем данных:
Скорость × Задержка
Небольшой объем для локальных сетей
Большой объем для широких территориально-протяженных каналов

Время передачи сообщения

Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e

Сообщение

Слайд 8

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Пример: Сеть УрО РАН, канал

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Пример:
Сеть УрО РАН, канал Екатеринбург-Пермь, 10Гб/с,

протяженность 465 км, задержка 10 мс
Объем данных в сети:
Скорость × Задержка
10Гб/с × 10 мс = 100 Мб = 12,5 МБ

Объем данных в сети

Слайд 9

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Используется для передачи данных от

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Используется для передачи данных от отправителя

к получателю
Типы среды передачи данных:
Медные провода
Оптоволокно
Беспроводная среда

Среда передачи данных

Слайд 10

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Появились самыми первыми Использовались для

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Появились самыми первыми
Использовались для телефонной связи
Низкая

скорость
Высокие помехи

Воздушные линии связи

Слайд 11

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Скрученная пара медных проводов Скручивание

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Скрученная пара медных проводов
Скручивание снижает помехи
В

одном кабеле несколько скрученных пар

Витая пара

Слайд 12

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Витая пара В. Олифер, Н.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Витая пара

В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные

сети.

Экранированная витая пара — большая защищенность сигнала от помех
Неэкранированная витая пара — больше помех, но дешевле и удобнее при монтаже

Слайд 13

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Категории витой пары

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Категории витой пары

Слайд 14

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Коаксиальный кабель Типы кабелей: «Толстый»

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Коаксиальный кабель

Типы кабелей:
«Толстый» коаксиал (Ethernet)
«Тонкий» коаксиал

(Ethernet)
Телевизионный кабель

Два кабеля
Внешний проводник служит экраном

Слайд 15

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Оптоволокно

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Оптоволокно

Слайд 16

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Оптические кабели Самый качественный тип

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Оптические кабели

Самый качественный тип кабелей
Самый дорогой

тип кабелей

Состоит из тонких гибких стеклянных волокон (световодов)

Слайд 17

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Оптические кабели В. Олифер, Н.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Оптические кабели

В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные

сети.

Одномодовый кабель
Тонкий сердечник
Одна длина волны

Многомодовый кабель
Более толстый сердечник
Несколько длин волн

Слайд 18

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Одномодовые кабели: Дорогие в изготовлении

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Одномодовые кабели:
Дорогие в изготовлении
Низкое затухание
Нет

наложения сигналов разной длины волны
Передача данных на расстояние до 100 км
Многомодовые кабели:
Более дешевые в изготовлении
Затухание выше
Искажения из-за наложения сигналов разной длины волны
Передача данных на расстояние 300–500 м

Оптические кабели

Слайд 19

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Окна прозрачности Три «окна прозрачности»:

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Окна прозрачности

Три «окна прозрачности»:
850 нм
1300 (1310)

нм
1550 нм

Затухание сигнала в оптическом кабеле зависит от длины волны

Слайд 20

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Особенности беспроводной среды: Сигнал распространяется

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Особенности беспроводной среды:
Сигнал распространяется в разных

направлениях
Может быть несколько приемников сигнала
Несколько источников сигнала искажают друг друга и требуют координации работы

Беспроводная среда

Слайд 21

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Таблица частот

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Таблица частот

Слайд 22

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Wi-Fi использует открытые частоты (ISM

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Wi-Fi использует открытые частоты (ISM band),

для которых не нужна лицензия:
2.4 ГГц, 5 ГГц
Другие устройства тоже работают на этих частотах: микроволновки, пульты от шлагбаумов и т.п.

Частоты беспроводной среды

Слайд 23

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Задача физического уровня — передать

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Задача физического уровня — передать сигнал

по среде передачи данных
Основная проблема — искажение сигналов при передаче по линиям связи:
Оптические кабели — низкое искажение
Медные кабели — среднее искажение
Радиоволны — высокое искажение

Передача сигналов

Слайд 24

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Искажение сигналов В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Искажение сигналов

В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные

сети.
Слайд 25

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Затухание с расстоянием Задержка сигнала

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Затухание с расстоянием
Задержка сигнала
Высокие частоты сигнала

затухают быстрее
К сигналу добавляется шум

Причины искажений

Слайд 26

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Основы представления сигналов В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Основы представления сигналов

В. Олифер, Н. Олифер.

Компьютерные сети.
Слайд 27

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Основы представления сигналов В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Основы представления сигналов

В. Олифер, Н. Олифер.

Компьютерные сети.
Слайд 28

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Чем больше полоса пропускания линии

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Чем больше полоса пропускания линии связи

— тем лучше
Чем меньше спектр сигнала — тем лучше

Полоса пропускания и спектр

Слайд 29

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Прямоугольные импульсы Представление информации —

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Прямоугольные импульсы
Представление информации — кодирование (baseband

modulation)
Медные провода

Представление информации

t

Синусоидальные волны
Представление информации — модуляция (passband modulation)
Оптоволокно, беспроводная среда

Слайд 30

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Представление информации с помощью прямоугольных

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Представление информации с помощью прямоугольных импульсов
Простейший

способ (потенциальное кодирование):
1 — присутствие напряжения
0 — отсутствие напряжения

Кодирование

Слайд 31

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень NRZ (Non Return to Zero)

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

NRZ (Non Return to Zero) —

потенциальный код без возвращения к 0
Используется два уровня потенциала:
1 — положительный потенциал
0 — отрицательный потенциал
Хорошая распознаваемость сигнала (уровни резко отличаются)

Кодирование NRZ

t

1 0 1 1 0 1 0 0 1

Слайд 32

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Преимущество — в 2 раза

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Преимущество — в 2 раза больше

скорость при той же частоте
Недостаток — нужен более мощный передатчик, чтобы различить 4 уровня передачи

Несколько уровней сигнала

Слайд 33

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Как узнать, сколько 1 или

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Как узнать, сколько 1 или 0

было отправлено?

Синхронизация

t

?

?

1

0

1

0

Слайд 34

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Как узнать, сколько 1 или

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Как узнать, сколько 1 или 0

было отправлено?
Высокоточные часы
Очень дорого
Выделенная линия связи для тактовых импульсов
Дорого и не удобно
Задержки в распространении сигналов

Синхронизация

t

?

?

1

0

1

0

Слайд 35

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Самосинхронизирующийся код содержит информацию, необходимую

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Самосинхронизирующийся код содержит информацию, необходимую для

синхронизации приемника и передатчика
Добавление избыточных 0 или 1 в длительные последовательности
Скрэмблирование — перемешивание информации так, чтобы не оставалось длинных последовательностей
Импульсное кодирование — представление информации не уровнем потенциала, а перепадом
Перепад сигнала указывает на необходимость синхронизации

Самосинхронизирующиеся коды

Слайд 36

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Манчестерский код (Ethernet 10Мб/с): 1

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Манчестерский код (Ethernet 10Мб/с):
1 — Переход

от низкого сигнала к высокому
0 — Переход от высокого сигнала к низкому
В начале такта возможен служебный переход
Недостаток — частота в два раза выше, чем у потенциальных кодов

Импульсное кодирование

Слайд 37

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень NRZI (Non Return to Zero

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

NRZI (Non Return to Zero Inverted)

— потенциальный код без возвращения к 0 с инверсией
Используется два уровня потенциала:
1 — потенциал изменяется
0 — потенциал остается прежним
Не чувствителен к длинным последовательностям 1

Потенциальный код NRZI

Слайд 38

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Избыточные коды основываются на добавлением

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Избыточные коды основываются на добавлением информации,

необходимой для синхронизации
Исходная последовательность битов разбивается на порции — символы
Каждый исходный символ заменяется на новый с большим количеством битов

Избыточные коды

Слайд 39

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Избыточный код 4B/5B

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Избыточный код 4B/5B

Слайд 40

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Не содержит длинных последовательностей 0

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Не содержит длинных последовательностей 0
Передается по

сети с помощью кодирования, не чувствительного к длинным последовательностям 1 (NRZI)
Прост в реализации (таблица перекодировки)

Избыточный код 4B/5B

Слайд 41

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Что означает название 4B/5B 4

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Что означает название 4B/5B
4 — количество

бит в исходном слове
5 — количество бит в результирующем слове
B — сигнал имеет два состояния (Binary)
Количество состояний сигнала
T — три состояния (triple)
Q — четыре состояния (quadra)
Другие примеры избыточных кодов
8B/10B (Gigabit Ethernet) — накладные расходы 25%
64B/66B (10GEthernet) — накладные расходы 3.125%

Избыточные коды

Слайд 42

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Кодирование трудно использовать в оптике

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Кодирование трудно использовать в оптике и

беспроводной среде
Высокие частоты плохо распространяются
Необходим очень мощный (и дорогой) передатчик
Вместо кодирования используется модуляция
Передается аналоговый синусоидальный сигнал (carrier)
Меняется амплитуда, фаза или частота

Кодирование и модуляция

Слайд 43

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Типы модуляции Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Типы модуляции

Источник: В. Олифер, Н. Олифер.

Компьютерные сети.
Слайд 44

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Можно одновременно использовать несколько типов

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Можно одновременно использовать несколько типов модуляции:
Амплитуда

и фаза
Частота и амплитуда
Многоуровневые модуляции:
Четырехуровневая частотная модуляция — 4 разных частоты
Комбинация многоуровневых модуляций

Комбинированные типы модуляции

Слайд 45

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Комбинация амплитудной и фазовой модуляции

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Комбинация амплитудной и фазовой модуляции
8 значений

фаз и 4 значения амплитуды
Используется 16 комбинаций из 32 для помехоустойчивости

Квадратурная амплитудная модуляции

В. Олифер, Н. Олифер.
Компьютерные сети.

Слайд 46

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Симплексный режим — данные передаются

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Симплексный режим — данные передаются только

в одну сторону
Дуплексный режим — данные передаются одновременно в обе стороны
Полудуплексный режим — данные передаются в обе стороны с разделением времени

Направления передачи

Слайд 47

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень Место физического уровня в модели

Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень

Место физического уровня в модели OSI
Модель

канала связи
Среды передачи данных
Передача сигналов
Кодирование и модуляция

Итоги