HY-335 : Δίκτυα Υπολογιστών O R E K W N T net works HY-335 : Δίκτυα Υπολογιστών Φυσικό Επίπεδο Μαρία Παπαδοπούλη Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Χειμερινό εξάμηνο 2009-2010

Μοντέλο επιπέδων Διαδικτύου (Στοίβα TCP/IP) Στοίβα πρωτοκόλλων Διαδικτύου Επίπεδο 5 Επίπεδο 4 Επίπεδο 3 Επίπεδο 2 Επίπεδο 1 εφαρμογής μεταφοράς δικτύου ζεύξης φυσικό Χειρίζεται την μεταφορά της ακολουθίας των bits ξεχωριστά κατά μήκος της ζεύξης

Φυσικά μέσα Bit: διαδίδεται μεταξύ ζεύγους πομπού – δέκτη Φυσική ζεύξη: μεταξύ πομπού και δέκτη Οδηγούμενα μέσα: Σήματα διαδίδονται σε στερεά μέσα: χαλκός, οπτική ίνα, ομοαξονικό καλώδιο Μη οδηγούμενα μέσα: Σήματα διαδίδονται ελεύθερα π.χ ραδιοκύματα

Φυσικό επίπεδο Χειρίζεται την μεταφορά της ακολουθίας των bits ξεχωριστά κατά μήκος της ζεύξης  Τα bits στέλνονται διαδίδοντας ηλεκτρομαγνητικά κύματα ή οπτικούς παλμούς κατα μήκος του φυσικού μέσου Ανεστραμμένο χάλκινο καλώδιο (twisted pair copper wire) Ομοαξονικό καλώδιο (coaxial cable) Επίγειο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων Δορυφορικό φάσμα ραδιοσυχνοτήτων Η ζεύξη παραδίδει bits αφού πρώτα τα μετατρέψει σε σήματα τα οποία διαδίδονται μέσω ενός καναλιού  Σήμα καλείται η υπέρθεση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Μετάδοση ΄Ηχου Ενα κύμα που διαδίδεται στον χώρο με τον χρόνο ... (πολύ απλά) “Μεταβολή πίεσης στον αέρα” Το μικρόφωνο μετατρέπει μεταβολή πίεσης σε ηλεκτρικό σήμα Γίνεται δειγματοληψία και μετατροπή του ηλεκτρικού σήματος σε αριθμούς ...

Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Έχουν δυο σημαντικές ιδιότητες: Διαδίδονται  Μετακινούνται δηλαδή απο το ένα μέρος στο άλλο, οπως απο ένα πομπό σε ένα δέκτη Περιέχουν ενέργεια η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μεταφορά μηνυμάτων

Ηλεκτρομαγνητικά κύματα (συνέχεια) Ηλεκτρομαγνητικό κύμα μπορεί να θεωρηθεί ως μια ροή φωτονίων Φωτόνιο: μικρή ριπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας Η ενέργεια μεταφέρεται από φωτόνια  Το φαινόμενο διάδοσης προκαλείται από τις αλληλοεπιδράσεις ενός ταλαντούμενου ηλεκτρικού πεδίου και ενός ταλαντούμενου μαγνητικού πεδίου τα οποία ωθούν το ένα το άλλο στο κενό ή σε ένα άλλο μέσο διάδοσης  Ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο παράγει ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο (Faraday) Σε ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, ένα μεταβαλλόμενο πεδίο επάγει ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο κ.ο.κ ... προκαλώντας έτσι την διάδοση του κύματος (Maxwell)

Ηλεκτρομαγνητικό κύμα (συνέχεια) Ηλεκτρομαγνητικό κύμα (συνέχεια) Τα δίκτυα επικοινωνιών μεταδίδουν πληροφορία μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Τα ηλεκτρόνια στα σύρματα ή στο καλώδιο μίας γραμμής χαλκού αλληλοεπιδρούν με το ηλεκτρομαγνητικό κύμα και το οδηγούν

Τα βασικά του ρεύματος(current) Το φορτισμένο σωματίδιο μπορεί να είναι είτε θετικό ή αρνητικό    Προκειμένου να ρεύσει ένα φορτίο, χρειάζεται μία ώθηση (δύναμη) και αυτή παρέχεται από την τάση, ή διαφορά δυναμικού. Το φορτίο ρέει από την υψηλή δυναμική ενέργεια προς την χαμηλή δυναμική ενέργεια. Αν υπάρχει μία διαφορά δυναμικού μεταξύ 2 περιοχών και τις ενώσουμε μεταξύ τους, το φορτίο θα ρεύσει. Το φορτίο θα κινείται ώσπου η δύναμη που ενεργεί σε αυτό μειώνεται σε μία ελάχιστη τιμή ή η τάση γίνει η ίδια.  

Τα βασικά στην τάση (voltage) Η τάση θα έπρεπε πιο σωστά να αποκαλλείται «διαφορά δυναμικού» Για την ακρίβεια είναι η κινητήριος δύναμη των ηλεκτρονίων στον ηλεκτρισμό Η διαφορά δυναμικού είναι υπεύθυνη για την ώθηση και την έλξη των ηλεκτρονίων ή του ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός κυκλώματος. Μία κινητήριος δύναμη ηλεκτρονίων επίσης υπάρχει μεταξύ δύο αντικειμέων όποτε υπάρχει μία διαφορά στον αριθμό των ελεύθερων ηλεκτρονίων ανά μονάδα όγκου του αντικειμένου. Αν τα δύο αντικείμενα είναι και τα δύο αρνητικά , το ρεύμα θα ρεύσει από το πιο αρνητικά φορτισμένο στο λιγότερο αρνητικά φορτισμένο όταν έρθουν σε επαφή μεταξύ τους. Επίσης θα υπάρξει μία ροή ηλεκτρονίων από ένα λιγότερο θετικά φορτισμένο αντικείμενο προς ένα περισσότερο θετικά φορτισμένο αντικείμενο

Τα βασικά στην τάση (συνέχεια) Τα βασικά στην τάση (συνέχεια) Το ηλεκτροστατικό πεδίο, δηλαδή η τάση των ηλεκτρονίων να προσπαθούν να φτάσουν ένα θετικό φορτίο ή πιο υψηλό αρνητικό φορτίο είναι η κινητήριος δύναμη των ηλεκτρονίων ή αλλιώς τάση. Εκφράζεται σε μονάδες που λέγονται volts, συντομογραφία του voltage  Ένα volt μπορεί να οριστεί ως η πίεση που χρειάζεται για να οδηγήσει ένα ρεύμα του ενός ampere μέσω μίας αντίστασης του ενός ohm

Έννοιες πεδίου χρόνου: αναλογικά & ψηφιακά σήματα Έννοιες πεδίου χρόνου: αναλογικά & ψηφιακά σήματα Μέγιστο εύρος (A) - Μέγιστη τιμή ή δύναμη του σήματος με την πάροδο του χρόνου. Συνήθως μετριέται σε volts Συχνότητα (f ): Ρυθμός (rate), σε cycles/sec ή Hertz (Hz) στους οποίους το σήμα επαναλαμβάνεται Φάση (φ) – Μέτρο της σχετικής θέσης στο χρόνο εντός μίας περιόδου του σήματος  γενικό κύμα ημιτόνου s(t ) = A sin(2πft + φ) Οποιοδήποτε ηλεκτρομαγνητικό σήμα μπορεί να αποδειχθεί ότι αποτελείται από μια συλλογή περιοδικών αναλογικών σημάτων (κύματα ημιτόνου) σε διαφορετικά εύρη, συχνότητες και φάσεις

Συχνότητα Με τον όρο αυτό εννοούμε τον αριθμό των ταλαντώσεων των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων στην μονάδα του χρόνου 1Hertz αντιστοιχεί σε μια πλήρη ταλάντωση ανά δευτερόλεπτο

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα  (meters) = 300 / freq in MHz

Ασύρματες επικοινωνίες: Antenna Είναι αγωγός Τα ραδιοκύματα “πέφτουν” σε μια κεραία, με αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια να ρέουν στον αγωγό & να δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα ... Παρόμοια, εφαρμόζοντας ηλεκτρικό ρεύμα στην κεραία δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω από την κεραία ... Όπως μεταβάλλεται το ρεύμα στην κεραία, έτσι και το ηλεκτρικό πεδίο ... Ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο και το κύμα είναι έτοιμο προς διάδοση ...  Σε απλές λέξεις: οι κεραίες μετατρέπουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στα ηλεκτρικά ρεύματα και αντίστροφα

Από σήματα σε πακέτα 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 Analog Signal “Digital” Signal Bit Stream 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 Packets 0100010101011100101010101011101110000001111010101110101010101101011010111001 Header/Body Receiver Sender Packet Transmission Σημείωση: δεν υπάρχει αντιστοιχία μεταξύ των παραπάνω σχημάτων. Το κάθε ένα είναι ανεξάρτητο από τα άλλα

Τα “πάθη” ενός ηλεκτρομαγνητικό κύματος  Εξασθένιση: απώλεια ενέργειας του κύματος κατά τη διάδοσή του Όταν διαδίδεται σε μία ίνα ή σε γραμμή μετάδοσης, ένα μέρος του απορροφάται και μετατρέπεται σε θερμότητα Όταν διαδίδεται στον αέρα ή στο κενό εξαπλώνεται σε σχήμα κώνου ή σφαίρας. Κατά συνέπεια, η ενέργεια του κύματος ανά μονάδα επιφάνειας μειώνεται καθώς το κύμα διαδίδεται όταν φτάσει σε μια κεραία ή έναν οπτικό ανιχνευτή, η συσκευή αυτή λαμβάνει ενέργεια η οποία έχει μειωθεί με την απόσταση διάδοσης  Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ενδέχεται να υποστούν: Ανάκλαση, διάθλαση, απορρόφηση από φυσικά αντικείμενα στην διαδρομή τους Παραμόρφωση Διασπορά Θόρυβο

Εξασθένηση ισχύος με την απόσταση Γενικός τρόπος Απόσταση d μεταξύ του αποστολέα και του δέκτη Δύναμη σήματος στον δέκτη ~ 1/da Τυπικά a>2, όταν ο δέκτης είναι εκτός μίας μικρής γειτονιάς του αποστολέα

Επιδράσεις των φυσικών αντικειμένων στη διαδρομή του κύματος Θέση 1: Μόνο γραμμή θέας (line-of-sight) Θέση 2: Υπάρχει ισχυρή γραμμή θέας αλλά οι ανακλάσεις του εδάφους μπορεί να επηρεάσουν σημαντικά την απώλεια Θέσεις 3, 4: Κάποιες απώλειες λόγω διάθλασης προκαλούνται από δέντρα και λόφους που παρεμβάλλονται στη γραμμή θέας Θέση 5: Η πρόβλεψη της απώλειας είναι πολύ δύσκολη και αναξιόπιστη, αφού εμπεριέχεται πολλαπλή διάθλαση

Εξασθένηση Η ισχύς του σήματος μειώνεται με την απόσταση Εξαρτάται από το μέσο Καθοδηγούμενα: η εξασθένηση αυξάνεται με την συχνότητα Μη καθοδηγούμενα: εξαρτάται και από παρεμβολές και ανακλάσεις Decibel (dB): σχετική μονάδα μέτρησης Εξασθένηση: dB ανά Km Οπτικές ίνες: A=0.2 - 1.0 dB/Km

Διαφορετικοί τύποι εξασθένησης (fading) Wall Transmitter Cabinet Reflection Diffraction (Shadow Fading) Scattering Receiver

Παραμόρφωση Σήμα καλείται η υπέρθεση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων Παρατηρείται όταν το σήμα αποτελείται/διαδίδεται σε πολλαπλές συχνότητες Ενα σήμα που διαδίδεται σε μία μόνο συχνότητα διατηρεί την συχνότητα του καθώς διαδίδεται, παρά το γεγονός ότι η ισχύς του εξασθενεί και καθυστερεί το σήμα ΄Οταν όμως το σήμα αποτελείται από πολλαπλές συχνότητες, η διάδοση του ζεύξη μετάδοσης στην κάθε συχνότητα, εξασθενεί και καθυστερεί με διαφορετικό τρόπο  Με αποτέλεσμα το σχήμα του λαμβανόμενου σήματος διαφέρει από αυτό του μεταδιδόμενου

Παραμόρφωση  Αποτέλεσμα του ότι η ταχύτητα διάδοσης και εξασθένηση διαφέρει για διαφορετικές συχνότητες

Διασπορά (Dispersion) Μία ριπή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας την οποία στέλνει ένας πομπός σε σύρματα, ένα καλώδιο ή μια οπτική ίνα εξαπλώνεται καθώς διαδίδεται  Η ενέργεια εξαπλώνεται καθώς το σήμα διαδίδεται στο μέσο  Ριπές που στέλνονται σε ταχεία διαδοχή τείνουν να συγχωνεύονται, καθώς διαδίδονται με αποτέλεσμα ο διαχωρισμός τους να γίνεται πιο δύσκολος … Το φαινόμενο αυτό λέγεται διασπορά

Διασπορά (Dispersion) Η ενέργεια εξαπλώνεται καθώς το σήμα διαδίδεται στο μέσο Δυσκολεύεται η σωστή ανάγνωση των bits όταν η διασπορά είναι μεγάλη Οπτικές ίνες Διασπορά λόγου των διαφορετικών γωνιών ανάκλασης Διασπορά υλικού: λόγω ανάκλασης που εξαρτάται από συχνότητα

Θόρυβος Απρόβλεπτη μεταβολή του σήματος που φτάνει στον δέκτη Φυσικές αιτίες:  Θερμική κίνηση (και συγκρούσεων) των ηλεκτρονίων στους αγωγούς Την αβεβαιότητα ως προς τον αριθμό των φωτονίων που παράγει μια πηγή φωτός  Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που παράγονται από πηγές άλλες εκτός του πομπού και λαμβάνει ο δέκτης

Γιατί χρειαζόμαστε κωδικοποίηση; Για να πετυχαίνουμε κάποιους συγκεκριμένους ηλεκτρικούς περιορισμούς Ο δέκτης χρειάζεται αρκετές «μεταβάσεις» για να παρακολουθήσει το ρολόϊ μετάδοσης Αποφυγή του κορεσμού των δεκτών Για να δημιουργήσουμε σύμβολα ελέγχου, εκτός από τα κανονικά σύμβολα δεδομένων π.χ. : αρχή ή τέλος του πλαισίου (frame), διαφυγή, ... Ανίχνευση λαθών ή διόρθωση λαθών Μερικοί κώδικες είναι παράνομοι έτσι ο δέκτης μπορεί να ανιχνεύσει ορισμένες κατηγορίες λαθών Τα δευτερεύοντα λάθη μπορούν να διορθωθούν με τη χαρτογράφηση πολλών γειτονικών σημάτων στο ίδιο σύμβολο δεδομένων. Η κωδικοποίηση μπορεί να είναι πολύ σύνθετη, π.χ. ασύρματη

Κωδικοποίηση Χρήση δύο διακριτών σημάτων, υψηλό και χαμηλό, για την κωδικοποίηση σε 0 και 1 Η μετάδοση είναι σύγχρονη, δηλ., ένα ρολόι χρησιμοποιείται για να επιλέξει το σήμα Γενικά, η διάρκεια ενός bit είναι ίση με ένα ή δύο παλμούς του ρολογιού Το ρολόι του δέκτη πρέπει να συγχρονιστεί με το ρολόι του αποστολέα Η κωδικοποίηση μπορεί να γίνει ένα bit την φορά ή σε blocks των, π.χ., 4 ή 8 bits

Παράδειγμα κωδικοποίησης: Non-Return to Zero (NRZ) 1 1 1 1 .85 V -.85 1 -> υψηλό σήμα, 0 -> χαμηλό σήμα Μεγάλες ακολουθίες από 1 ή 0 μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα: Ευαισθησία στην αναπήδηση του ρολογιού, είναι δύσκολο να ανακτηθεί το ρολόι Είναι δύσκολο να ερμηνευθούν τα 0 και 1

Παράδειγμα κωδικοποίησης : Non-Return to Zero Inverted (NRZI) 1 1 1 1 .85 V -.85 1 -> κάνε τη μετάβαση, 0 -> το σήμα μένει το ίδιο Λύνει το πρόβλημα για μεγάλες ακολουθίες από 1, αλλά όχι για 0.

Μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (analog-to-digital converter) ADC (ή A/D ή A σε D) Μια ηλεκτρονική συσκευή που μετατρέπει μια εισερχόμενη αναλογική τάση ή ένα ρεύμα σε έναν ψηφιακό αριθμό Μια ADC με μία ανάλυση των 8 bit μπορεί να κωδικοποιήσει μια αναλογική εισαγωγή σε ένα από 256 διαφορετικά επίπεδα. Οι τιμές μπορούν να αντιπροσωπεύσουν το εύρος από 0 έως 255 (δηλ. μη προσημασςμένος ακέραιος αριθμός) ή από -128 έως 127 (δηλ. προσημασμένος ακέραιος αριθμός), ανάλογα με την εφαρμογή Το αναλογικό σήμα είναι συνεχές στο χρόνο και είναι απαραίτητη η μετατροπή του σε μια ακολουθία ψηφιακών τιμών Επομένως πρέπει να καθοριστεί ο ρυθμός στον οποίο οι νέες ψηφιακές τιμές δειγματοληπτούνται από το αναλογικό σήμα Ο ρυθμός των νέων τιμών καλείται ρυθμός δειγματοληψίας ή συχνότητα δειγματοληψίας του μετατροπέα

Αναλογικό  ψηφιακό Αυτό γίνεται με δειγματοληψία Η δειγματοληψία μετρά το αναλογικό σήμα σε διάφορες χρονικές στιγμές καταγράφοντας την φυσική ιδιότητα του σήματος (π.χ., τάση) σαν ένα αριθμό Παράδειγμα: Διαβάζοντας την κάθετη κλίμακα στα αριστερά, θα μεταδίδαμε τους αριθμούς 0, 5, 3, 3, -4,… Καλύτερη ανάλυση (περισσότερα bits στον κάθετο άξονα) & γρηγορότερη δειγματοληψία Καλύτερη ποιότητα (αναπαραγωγή του αρχικού σήματος) Το μέγεθος του αρχείου αυξάνεται

Κβαντοποίηση Είναι η διαδικασία στην οποία ένα σήμα συνεχών τιμών μετατρέπεται σε ένα σήμα διακριτών τιμών

Ψηφιακές ραδιοεπικοινωνίες Baseband Modulation Carrier Radio Channel Αποστολέας Data In Bit &Frame Sync Detection Δέκτης Decision Out Μετατροπή μιας ροής από bits σε σήμα Μετατροπή του σήματος σε μια ροή από bits

Παράδειγμα: Κωδικοποιήση δεδομένων καθώς η σειρά συχνότητας αλλάζει σε έναν μεταφορέα (carrier) Δύο διαφορετικές συχνότητες Για την μετάδοση 1  Η συχνότητα του μεταφορέα αυξάνεται με μία σταθερή απόκλιση Για την μετάδοση 0  Η συχνότητα του μεταφορέα μειώνεται με την ίδια απόκλιση Ο οριζόντιος άξονας (αναπαριστά τον χρόνο) χωρίζεται σε περιόδους συμβόλων Γύρω στην μέση της κάθε περιόδου, ο δέκτης μετράει τη συχνότητα της μετάδοσης και μεταφράζει αυτή τη συχνότητα σε ένα σύμβολο.

Διαμόρφωση FSK Χρησιμοποιείται αλφάβητο Μ συμβόλων (M = 2K για KN) Κάθε σύμβολο αντιστοιχεί σε ένα συνδυασμό K bits Το i-οστό σύμβολο αντιστοιχίζεται στη φέρουσα συχνότητα Fi = (n+i)/2T T: διάρκεια συμβόλου, n: τυχαίος ακέραιος Για την αποστολή του i-οστού συμβόλου, χρησιμοποιείται το ακόλουθο σήμα: E: ενέργεια amplitude 41

Παράδειγμα BFSK Bit 0 αντιστοιχεί στο σήμα: 42

Αποδιαμόρφωση FSK Θεωρούμε διανυσματικό χώρο με διανύσματα-βάσεις: Το εκπεμπόμενο και το λαμβανόμενο σήμα αντιστοιχούν σε διαφορετικά σημεία επί του διανυσματικού χώρου. Αυτό οφείλεται στο θόρυβο & στο κέρδος καναλιού (channel gain) Η μεγαλύτερη συντεταγμένη του λαμβανόμενου σήματος αντιστοιχεί, με μεγάλη πιθανότητα, στο εκπεμπόμενο σήμα. 43

Αποδιαμόρφωση BFSK Υποθέσεις (κριτήριο): Όταν το λαμβανόμενο σήμα είναι: κάτω από τη διακεκομμένη γραμμή, (θεωρώ ότι) έχει σταλεί το bit 0. Αλλιώς, (θεωρώ ότι) έχει σταλεί το bit 1 44