Презентация лекции "Физический уровень". План лекции: Место физического уровня в модели OSI Модель канала связи Среды передачи данных Передача сигналов Кодирование и модуляция

1. Сети и системы телекоммуникаций
Физический уровень
ИМКН УрФУ

2. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Место физического уровня в модели OSI
Модель канала связи
Среды передачи данных
Передача сигналов
Кодирование и модуляция
План
2

3. 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
3
Физический
Канальный
Сетевой
Транспортный
Сеансовый
Представления
Прикладной

4. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Основная задача физического уровня: как
представить биты информации в виде сигналов,
передаваемых в среде
Передача сигналов
4
Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e

5. 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, секунд
• Широковещательный канал или нет, частота
возникновения ошибок
Модель канала связи
5
Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e
Сообщение
Скорость, задержка

6. 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
6

7. 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
7
Tanenbaum, Wetherall Computer Networks 5e
Сообщение

8. 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
8

9. 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
9

10. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Появились самыми первыми
Использовались для
телефонной связи
Низкая скорость
Высокие помехи
Воздушные линии связи
10

11. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Скрученная пара медных
проводов
Скручивание снижает помехи
В одном кабеле несколько
скрученных пар
Витая пара
11

12. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Витая пара
12
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

13. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Категории витой пары
13
Катего-
рия
Полоса
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

14. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Коаксиальный кабель
14
Типы кабелей:
• «Толстый» коаксиал
(Ethernet)
• «Тонкий» коаксиал
(Ethernet)
• Телевизионный кабель
Два кабеля
Внешний проводник
служит экраном

15. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Оптоволокно
15

16. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Оптические кабели
16
Самый качественный тип
кабелей
Самый дорогой тип кабелей
Состоит из тонких
гибких стеклянных
волокон (световодов)

17. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Оптические кабели
17
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.
Одномодовый кабель
Тонкий сердечник
Одна длина волны
Многомодовый кабель
Более толстый сердечник
Несколько длин волн

18. 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
18

19. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Окна прозрачности
19
Три «окна прозрачности»:
• 850 нм
• 1300 (1310) нм
• 1550 нм
Затухание сигнала в
оптическом кабеле
зависит от длины волны

20. 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
20

21. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Таблица частот
21

22. 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
22

23. 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
23

24. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Искажение сигналов
24
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

25. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Затухание с расстоянием
Задержка сигнала
Высокие частоты сигнала затухают быстрее
К сигналу добавляется шум
Причины искажений
25

26. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Основы представления сигналов
26
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

27. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Основы представления сигналов
27
В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

28. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Чем больше полоса пропускания линии связи –
тем лучше
Чем меньше спектр сигнала – тем лучше
Полоса пропускания и спектр
28
Катего-
рия
Полоса
пропускания
Описание
…
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

29. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Прямоугольные
импульсы
Представление
информации –
кодирование
(baseband modulation)
Медные провода
Представление информации
29
t
Синусоидальные
волны
Представление
информации –
модуляция (passband
modulation)
Оптоволокно,
беспроводная среда
t

30. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Представление информации с помощью
прямоугольных импульсов
Простейший способ (потенциальное
кодирование):
• 1 – присутствие напряжения
• 0 – отсутствие напряжения
Кодирование
30
t
0 1 0 1 0 0 1 1

31. 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
31
t
1 0 1 1 0 1 0 0 1

32. 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
32
t
1
2
3
4
10 11 01 11 10 00 10 01 11 00

33. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Как узнать, сколько 1 или 0 было отправлено?
Синхронизация
33
t
? ?1010

34. 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
34
t
? ?1010

35. 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
35

36. 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
36
0 1 1 0 0 0 1 0 1 1
t

37. 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
37
t
1 1 0 0 1 1 0 0 1

38. 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
38

39. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Избыточный код 4B/5B
39
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

40. 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
40

41. 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
41

42. 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
42

43. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Типы модуляции
43
Источник: В. Олифер, Н. Олифер. Компьютерные сети.

44. 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
44

45. 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
45
В. Олифер, Н. Олифер.
Компьютерные сети.

46. 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
46

47. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Место физического уровня в модели OSI
Модель канала связи
Среды передачи данных
Передача сигналов
Кодирование и модуляция
Итоги
47

48. Сети и системы телекоммуникаций. Физический уровень
Вопросы?
48