Физический уровень

Физический
уровень
Сети и системы
телекоммуникаций
Созыкин А.В.
План
Место физического уровня в модели
OSI
 Среды передачи данных
 Основы представления сигналов
 Кодирование
 Модуляция

ИМКН УрФУ
2
Место в модели OSI
Прикладной

Представления
Сеансовый
Транспортный
Сетевой
Канальный
Физический


Передача потока битов по
физическим каналам связи
без искажений с заданной
частотой
Не вникает в смысл
передаваемой информации
Единица передаваемых
данных - бит
ИМКН УрФУ
3
Среда передачи данных


Служит для физической передачи данных в
сети от одного устройства к другому
Проводная среда:
 Медные
кабели (витая пара, коаксиальный
кабель)
 Оптические кабели

Беспроводная среда:
 Радиосвязь
 Спутниковая
связь
ИМКН УрФУ
4
Воздушные линии связи
Появились самыми
первыми
 Использовались для
телефонной связи
 Низкая скорость
 Высокие помехи

ИМКН УрФУ
5
Витая пара
Скрученная пара
медных проводов
 Скручивание снижает
помехи
 В одном кабеле
несколько скрученных
пар

ИМКН УрФУ
6
Витая пара
Источник: 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
ИМКН УрФУ
7
Категории витой пары
КатегоПолоса
рия
пропускания
Описание
1
0,1 МГц
1 пара, телефонная связь (в России «лапша»)
2
1 МГц
2 пары, сети до 4 Мб/с
3
16 МГц
4 пары, сети 10 и 100 Мб/с
4
20 МГц
4 пары, сети до 16 Мб/с
5
100 МГц
4 пары, сети 100 Мб/с (используется 2 пары)
5e
125 МГц
4 пары, 100 Мб/с (2 пары), 1 Гб/с (4 пары
6
250 МГц
4 пары, 1-10 Гб/с
7
600 МГц
4 пары, только экранированный, до 10 Гб/с
ИМКН УрФУ
8
Коаксиальный кабель


Два кабеля
Внешний проводник
служит экраном
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

Типы кабелей:
 «Толстый»
коаксиал (Ethernet)
 «Тонкий» коаксиал (Ethernet)
 Телевизионный кабель
ИМКН УрФУ
9
Оптические кабели

Состоят из тонких
гибких стеклянных
волокон
(световодов)
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
Самый качественный тип кабелей
 Самый дорогой тип кабелей

ИМКН УрФУ
10
Оптические кабели

Одномодовые кабели

Многомодовые кабели
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.


Тонкий сердечник
Одна длина волны


ИМКН УрФУ
Более толстый
сердечник
Несколько длин волн
11
Оптические кабели

Одномодовые кабели:
 Дороги
в изготовлении
 Работают на расстоянии до сотен километров

Многомодовые кабели:
 Дешевы
в изготовлении
 Расстояние до 300 – 500 м
 При больших расстояниях возникают искажения
из-за наложения сигналов с разной длинной волны
ИМКН УрФУ
12
Окна прозрачности


Затухание
сигнала в
оптическом
кабеле зависит
от длины волны
Три «окна прозрачности»:
850 нм
 1300 (1310) нм
 1550 нм

ИМКН УрФУ
13
Передача сигналов
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
ИМКН УрФУ
14
Искажения в каналах связи
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
ИМКН УрФУ
15
Основы представления сигналов

Любой сигнал можно представить суммой
гармонических колебаний (с разной частотой и
амплитудой)
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
ИМКН УрФУ
16
Основы представления сигналов




Гармоника – каждая составляющая
разложения сигнала (синусоида)
Спектр (спектральное разложение) – набор
всех гармоник
Ширина спектра – разность между
максимальной и минимальной частотами
гармоник
Полоса пропускания – диапазон частот, при
которых гармоники передаются по линии
связи без искажения
ИМКН УрФУ
17
Полоса пропускания и спектр
сигнала
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
ИМКН УрФУ
18
Полоса пропускания и спектр
сигнала
Чем больше полоса пропускания
кабеля, тем лучше
 Чем меньше спектр сигнала, тем лучше

ИМКН УрФУ
19
Представление информации

Прямоугольные
импульсы

Синусоидальные
волны
t
t

Представление
информации кодирование

ИМКН УрФУ
Представление
информации модуляция
20
Кодирование


Представление информации с помощью
прямоугольных импульсов
Простейший способ (потенциальное
кодирование):
– присутствие напряжения
 0 – отсутствие напряжения
1
0
1 0 1 0 0
1 1
t
ИМКН УрФУ
21
Кодирование NRZ


NRZ (Non Return to Zero) – потенциальный
код без возвращения к 0
Используется два уровня потенциала:
 Положительный
–1
 Отрицательный – 0
t
ИМКН УрФУ
22
Кодирование NRZ

Преимущества:
 Хорошая
распознаваемость сигнала
(уровни резко отличаются)
 Простота реализации

Недостатки:
 Низкочастотная
составляющая,
переходящая в постоянный ток
 Отсутствие синхронизации
ИМКН УрФУ
23
Синхронизация

Как узнать, сколько 0 и 1 отправлено?
?
?
t
Компьютер: тактовые импульсы
 Недостатки:

 Выделенная
линия связи
 Задержки в распространении сигнала
ИМКН УрФУ
24
Самосинхронизирующиеся коды
Самосинхронизирующийся код
содержит информацию, необходимую
для синхронизации приемника и
передатчика
 Перепад сигнала указывает на
необходимость синхронизации

ИМКН УрФУ
25
Методы улучшения
самосинхронизации
Добавление избыточных 1 в
длительные последовательности 0
 Скрэмблирование – перемешивание
информации так, чтобы не оставалось
длинных последовательностей 0
 Импульсное кодирование –
представление информации не уровнем
потенциала, а перепадом

ИМКН УрФУ
26
Избыточные коды
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

ИМКН УрФУ
27
Избыточный код 4B/5B
Исходный
символ
Результирующий
символ
Исходный
символ
Результирующий
символ
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
ИМКН УрФУ
28
Избыточный код 4B/5B
Не содержит длинных
последовательностей 0
 Передается по сети с помощью
кодирования, не чувствительного к
последовательностям 1 (NRZI)
 Прост в реализации (таблица
перекодировки)

ИМКН УрФУ
29
Избыточные коды

Что означает название 4B/5B?
– количество бит в исходном слове
 5 – количество бит в результирующем
слове
 B – сигнал имеет два состояния (Binary)
4

Число состояний сигнала:
– три состояния (triple)
 Q – четыре состояния (quadra)
T
ИМКН УрФУ
30
Избыточные коды
Код 4B/5B – накладные расходы 25%
 Код 8B/10B – накладные расходы 25%
 Код 64B/66B – накладные расходы
3.125%

ИМКН УрФУ
31
Избыточные коды
Часть символов в избыточных кодах не
используется
 Обнаружение ошибок:

 Получили
неиспользуемый символ –
значит, произошла ошибка при передаче по
сети

Управляющие символы:
 Начало
передачи, конец передачи и т.п.
ИМКН УрФУ
32
Код 2B/1Q

Для передачи данных используется 4
уровня потенциала:
1
уровень – 11
 2 уровень – 10
 3 уровень – 01
 4 уровень – 00

За 1 такт передается 2 бита
ИМКН УрФУ
33
Код 2B/1Q
10
11
01
11
10
00
10
01
11
00
1
2
3
t
4

Недостаток: нужен мощный передатчик,
чтобы различить 4 уровня сигнала
ИМКН УрФУ
34
Импульсное кодирование
Информация представляется сменой
импульса, происходящей в середине
такта
 Хорошая самосинхронизация – сигнал
изменяется каждый такт
 Недостаток: широкий спектр по
сравнению с потенциальным
кодированием из-за высокой частоты

ИМКН УрФУ
35
Манчестерское кодирование
Два уровня сигнала
 Кодирование:

 Переход
от низкого сигнала к высокому – 1
 Переход от высокого сигнала к низкому – 0
 В начале такта возможен служебный
переход сигнала

XOR данных и тактовых импульсов
ИМКН УрФУ
36
Манчестерское кодирование
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
t

Преимущества:
 Два уровня сигнала
 Самосинхронизация

Недостаток:
 Частота
шире
выше, чем у потенциальных кодов, спектр
ИМКН УрФУ
37
Задачи кодирования
Минимизация ширины спектра сигнала
 Синхронизация передатчика и
приемника
 Устойчивость к шумам
 Обнаружение ошибок
 Минимизация мощности передатчика

ИМКН УрФУ
38
Модуляция
Модуляция – передачи информации с
помощью синусоидальных сигналов
путем изменения амплитуды, частоты
или фазы
 Типы модуляции:

 Амплитудная
модуляция
 Частотная модуляция
 Фазовая модуляция
ИМКН УрФУ
39
Типы модуляции
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
ИМКН УрФУ
40
Комбинированные типы
модуляции

Можно одновременно использовать
несколько типом модуляции
 Амплитуда

и фаза
Многоуровневые модуляции:
 Четырехуровневая
4 разных частоты

частотная модуляция –
Комбинации многоуровневых
модуляций
ИМКН УрФУ
41
Квадратурная амплитудная
модуляция
Комбинация
амплитудной и
фазовой модуляции
 8 значений фаз и 4
амплитуды
 Используется 16
комбинаций из 32 для
помехоустойчивости

ИМКН УрФУ
Источник: В. Олифер, Н. Олифер.
Компьютерные сети.
42
Направления передачи
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

ИМКН УрФУ
43
Итоги
Место физического уровня в модели
OSI
 Среды передачи данных
 Основы представления сигналов
 Кодирование
 Модуляция

ИМКН УрФУ
44
Вопросы?
ИМКН УрФУ
45