Γαβαλάς Δαμιανός dgavalas@aegean.gr Εαρινό εξάμηνο Δίκτυα Υπολογιστών (Γ’ έτος, ΣΤ’ εξ) Διάλεξη #2η: To φυσικό επίπεδο: Αναλογικές και ψηφιακές επικοινωνίες, κυκλώματα και μέσα μετάδοσης, διαμόρφωση, πολυπλεξία Γαβαλάς Δαμιανός dgavalas@aegean.gr Εαρινό εξάμηνο

Το φυσικό επίπεδο (Physical layer)

Περίληψη διάλεξης Κυκλώματα Ψηφιακή μετάδοση ψηφιακών δεδομένων Διαμόρφωση κυκλωμάτων, Ροή δεδομένων, Μέσα μετάδοσης δεδομένων Ψηφιακή μετάδοση ψηφιακών δεδομένων Κωδικοποίηση, Μέθοδοι μετάδοσης (Transmission Modes), Ψηφιακή μετάδοση, Ψηφιακή μετάδοση σε δίκτυα Ethernet Αναλογική μετάδοση ψηφιακών δεδομένων Διαμόρφωση, χωρητικότητα κυκλωμάτων φωνής, μετάδοση δεδομένων από Modems Πολυπλεξία (Multiplexing) FDM, TDM, Αντίστροφη πολυπλεξία (Inverse Multiplexing), DSL

Το φυσικό επίπεδο (Physical Layer) Το φυσικό επίπεδο περιλαμβάνει το υλικό των δικτύων (network hardware) και τα κυκλώματα (circuits) Τα κυκλώματα περιλαμβάνουν τα φυσικά μέσα (π.χ., καλωδίωση) και συσκευές ειδικού σκοπού (π.χ., δρομολογητές και hubs) Τα δίκτυα αποτελούν σύνθεση φυσικών και λογικών κυκλωμάτων Τα φυσικά κυκλώματα (Physical circuits) συνδέουν συσκευές και περιλαμβάνουν τα σύρματα (wires) Τα λογικά κυκλώματα (Logical circuits) αναφέρονται στα χαρακτηριστικά μετάδοσης του κυκλώματος (π.χ. σύνδεση T-1) Τα φυσικά και λογικά κυκλώματα μπορεί να συμπίπτουν ή να διαφέρουν, π.χ. στην πολυπλεξία ένα σύρμα (φυσικό κύκλωμα) «μεταφέρει» πολλά λογικά κυκλώματα Network Layer Data Link Layer Physical Layer

Αναλογικά και ψηφιακά δεδομένα Μια άλλη βασική διάκριση στο χώρο του φυσικού επιπέδου είναι αυτή μεταξύ ψηφιακών και αναλογικών μορφών δεδομένων Τα αναλογικά σήματα είναι συνεχή στο χρόνο Τα ηχητικά σήματα τα οποία διαφοροποιούνται συνεχώς στο χρόνο είναι αναλογικά. Το ίδιο ισχύει και για το τηλεοπτικό σήμα. Γενικά ο κόσμος που αντιλαμβανόμαστε γύρω μας είναι αναλογικός Τα ψηφιακά δεδομένα έχουν συγκεκριμένες, διακριτές τιμές στο χρόνο Οι Η/Υ παράγουν ψηφιακά δεδομένα σε δυαδική μορφή, δηλαδή αναπαρίστανται από ακολουθίες μηδενικών και «άσσων»

Οι Η/Υ καταλαβαίνουν δυαδικά Bit (Binary digiT): η απλούστερη δυνατή μορφή αναπαράστασης πληροφορίας Δύο καταστάσεις (0/1, Ναι/Όχι, Αναμμένο/Σβηστό) Αναπαριστά χαρακτήρες, αριθμούς, εικόνες, ... 1 Byte = 8 bits

Αποστολή bits ως ηλεκτρικά σήματα

Αναλογική και ψηφιακή μετάδοση Πέρα της μορφής των δεδομένων (αναλογική ή ψηφιακή), η μετάδοση (εκπομπή τους) επίσης μπορεί να είναι αναλογική ή ψηφιακή Η αναλογική μετάδοση (όπως και τα αναλογικά δεδομένα) αναφέρεται σε μετάδοση σημάτων που αλλάζει συνεχώς στο χρόνο π.χ. μετάδοση τηλεοπτικού ή ραδιοφωνικού σήματος Η ψηφιακή μετάδοση αναφέρεται στη μετάδοση «ορθογώνιων» σημάτων (παλμών: pulses) με συγκεκριμένη αρχή και τέλος π.χ. τα δίκτυα Η/Υ στέλνουν ψηφιακά δεδομένα με ψηφιακή μετάδοση Τα δεδομένα μπορούν να μετατραπούν από αναλογική σε ψηφιακή μετάδοση και αντίστροφα Όταν ψηφιακά δεδομένα στέλνονται με αναλογική μετάδοση χρησιμοποιείται ένα modem (modulator/demodulator: διαμορφωτής / αποδιαμορφωτής) Όταν αναλογικά δεδομένα στέλνονται με ψηφιακή μετάδοση χρησιμοποιείται ένας codec (coder/decoder: κωδικοποιητής / αποκωδικοποιητής)

Τύπος δεδομένων και τύπος μετάδοσης Αναλογική μετάδοση Ψηφιακή μετάδοση Αναλογικά δεδομένα Ράδιο, τηλεόραση (Broadcast TV) PCM & Video πρότυπα με χρήση codecs Ψηφιακά δεδομένα Επικοινωνίες με χρήση Modem Πρότυπα (standards) για τοπικά δίκτυα (LANs)

Τύπος δεδομένων και τύπος μετάδοσης

Πλεονεκτήματα ψηφιακής μετάδοσης Παράγει λιγότερα σφάλματα σε σχέση με την αναλογική. Επειδή τα δεδομένα που μεταδίδονται είναι δυαδικά (0 ή 1) είναι ευκολότερο να εντοπίσουμε και να διορθώσουμε λάθη Επιτρέπει υψηλότερους ρυθμούς μετάδοσης. Οι οπτικές ίνες (Optical fibers), π.χ., είναι σχεδιασμένες για ψηφιακή μετάδοση Είναι πιο αποτελεσματική. Είναι δυνατόν να στείλω περισσότερα δεδομένα μέσω ενός κυκλώματος μέσω ψηφιακής παρά αναλογικής μέτάδοσης Είναι πιο ασφαλής (τα ψηφιακά δεδομένα κρυπτογραφούνται ευκολότερα) Η παράλληλη μετάδοση φωνής, video και data στο ίδιο κύκλωμα είναι ευκολότερη στην ψηφιακή μετάδοση (τα επί μέρους ψηφιακά σήματα συνδυάζονται ευκολότερα)

(communication media) Κυκλώματα και μέσα μετάδοσης (communication media)

Διαμορφώσεις κυκλωμάτων (Circuit Configurations) Υπάρχουν δύο βασικές διαμορφώσεις: Point-to-point: συνδέει μόνο έναν αποστολέα κι ένα παραλήπτη Multipoint (ή shared circuit: διαμοιραζόμενο κύκλωμα): συνδέει έναν αριθμό αποστολέων και παραληπτών Πλεονέκτημα: είναι φθηνότερο και απλούστερο στην καλωδίωση Μειονέκτημα: μόνο ένας Η/Υ μπορεί να χρησιμοποιήσει το κύκλωμα κάθε στιγμή

Point-to-point διαμόρφωση

Multipoint διαμόρφωση

Ροή δεδομένων (data flows) Τα δεδομένα μεταδίδονται σε μια μόνο κατεύθυνση, π.χ. Μεταδόσεις ραδιοφωνικού και τηλεοπτικού σήματος Τα δεδομένα μεταδίδονται και προς τις δύο κατευθύνσεις, αλλά προς μία κάθε στιγμή, π.χ.CB radio Τα δεδομένα μπορούν να μεταδοθούν και προς τις δύο κατευθύνσεις κάθε στιγμή, π.χ. δίκτυα H/Y

Μέσα επικοινωνίας (communication media) Μέσο επικοινωνίας : η «φυσική ύλη» μέσω της οποίας μεταφέρονται δεδομένα. Διακρίνονται δύο βασικές κατηγορίες: Ενσύρματα μέσα: η πληροφορία μεταφέρεται μέσω κάποιου φυσικού οδηγού (guide) Καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους (twisted pair wiring) Ομοαξονικά καλώδια (coaxial cable) Καλώδια οπτικών ινών (optical fiber cable) Ασύρματα μέσα: δεν υπάρχει κάποιο ενσύρματο μέσο και η πληροφορία μεταφέρεται μέσω του «αέρα» Ραδιοσήματα (radio), υπέρυθρες (infrared), μικροκυματικές (microwave) και δορυφορικές επικοινωνίες

Twisted Pair (TP) Wires Χρησιμοποιούνται συνήθως σε τηλεφωνικά δίκτυα αλλά και σε τοπικά δίκτυα Η/Υ (LANs) Μειωμένες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές Ζεύγη συρμάτων που τυλίγονται μεταξύ τους Τα TP καλώδια έχουν ένα αριθμό συνεστραμμένων ζευγών συρμάτων Τηλεφωνικές γραμμές: δύο ζεύγη (4 σύρματα) Καλώδια LANs: 4 ζεύγη (8 σύρματα)

Ομοαξονικά (Coaxial) καλώδια Χάλκινα καλώδια Λιγότερο επιρρεπή σε παρεμβολές (λόγω μόνωσης) Πιο ακριβά από τα TP καλώδια (βαθμιαία εκλείπουν από την αγορά) Κοινές χρήσεις: Παλαιότερες καλωδιώσεις LANs καλωδιακή τηλεόραση

Καλώδια οπτικών ινών (Fiber Optic cables) Μεταφέρουν φωτονικό σήμα (φως) που παράγεται από LEDs (light-emitting diodes) ή lasers μέσω μιας λεπτής γυάλινης ή πλαστικής ίνας (fiber) Έχει τεράστια χωρητικότητα, ιδανικά για ευρυζωνικές επικοινωνίες Είναι πιο ανθεκτικά Δεν είναι εύθραυστα ή βαριά, ανθεκτικά στη φωτιά Δομή οπτικής ίνας (από το κέντρο προς το εξωτερικό): Πυρήνας (Core) (πολύ μικρός, 5-50 microns, όσο περίπου μία τρίχα) Μανδύας (Cladding),που ανακλά το σήμα Προστατευτικό περίβλημα

Τύποι οπτικών ινών

Δομή συστημάτων καλωδίωσης

Ασύρματα μέσα (Wireless Media) Ραδιοσήματα (Radio) Ασύρματη μετάδοση κυμάτων μέσω του αέρα Κάθε συσκευή εκπέμπει / λαμβάνει σήματα μέσω ενός radio transceiver με συγκεκριμένη συχνότητα Χαμηλής ισχύος εκπομπείς (transmitters) με ακτίνα λίων χιλιομέτρων Συχνά είναι ενσωματωμένοι σε κινητές συσκευές (Laptops, PDAs, κινητά τηλέφωνα) Περιλαμβάνουν: AM και FM ραδιόφωνα, κινητά (κυψελωτά) τηλέφωνα Ασύρματα τοπικά δίκτυα (Wireless LANs: IEEE 802.11 ή Wi-Fi) και Bluetooth Μικροκυματικές (Microwaves) και δορυφορικές (Satellite) επικοινωνίες Υπέρυθρες (Infrared) «Αόρατα» φωτονικά σήματα (συχνότητα χαμηλότερη του κόκκινου φωτός) Απαιτεί οπτική επαφή (line of sight). Επιρρεπείς σε παρεμβολές, βροχή, ομίχλη Χρησιμοποιούνται σε συσκευές απομακρυσμένου ελέγχου (remote control units), π.χ. TV controls

Μικροκυματικές ραδιοζεύξεις (Microwave Radio) Ραδιοζεύξεις υψηλής συχνότητας Πολύ μικρό μήκος κύματος (1 cm ως 1 m) Απαιτούν οπτική επαφή (line-of-sight) Επιτελούν τις ίδιες λειτουργίες με τα καλώδια Χρησιμοποιούνται συχνά για επίγειες επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων (πάνω από 70 km, χωρίς αναμετάδοση σήματος) Δεν απαιτούν καλώδια (ούτε σκάψιμο!) Απαιτούν μεγάλες κεραίες (περίπου 4 m) τοποθετημένες σε υψηλούς πύργους Έχουν παρόμοιες ιδιότητες με το φως Ανάκλαση, διάθλαση, ...

Δορυφορικές επικοινωνίες Ειδική περίπτωση μικροκυματικών επικοινωνιών Μεγάλη καθυστέρηση στην διάδοση του σήματος (propagation delay) Λόγω μεγάλης απόστασης ανάμεσα στον επίγειο σταθμό και το δορυφόρο (ακόμα και για σήματα που «ταξιδεύουν» με την ταχύτητα του φωτός) Τα σήματα στέλνονται από έναν επίγειο σταθμό σε ένα δορυφόρο που το προωθεί σε έναν άλλο επίγειο σταθμό (παραλήπτη)

Παράγοντες για την επιλογή του κατάλληλου μέσου μετάδοσης Τύπος του δικτύου LAN, WAN ή δίκτυο κορμού (Backbone) Κόστος Συνεχώς μεταβάλλεται, εξαρτάται και από την απόσταση που πρέπει να καλυφθεί Απόσταση μετάδοσης Ασφάλεια Τα ασύρματα μέσα είναι λιγότερο ασφαλή Ρυθμοί λαθών (Error rates) Τα ασύρματα μέσα προκαλούν περισσότερα λάθη στη μετάδοση του σήματος (λόγω παρεμβολών) Ταχύτητα μετάδοσης Συνεχώς βελτιώνονται. Η οπτική ίνα εξασφαλίζει τις υψηλότερες ταχύτητες

Ανεπιθύμητα φαινόμενα κατά την μετάδοση σημάτων Θόρυβος (noise): ένα ανεπιθύμητο φαινόμενο που μπορεί να αλλοιώσει ένα σήμα κατά τη μετάδοσή του Μπορεί να προέλθει από πολλές εξωτερικές πηγές θορύβου, π.χ. όταν ένα σύρμα είναι κοντά σε μια σιδηροδρομική τροχιά Επαναλήπτες (Repeaters) χρησιμοποιούνται για την «αναγέννηση» ψηφιακών παλμών Τα αναλογικά σήματα είναι πιο ευάλωτα στο θόρυβο (η αναγέννησή τους είναι δυσκολότερη) Crosstalk: συμβαίνει ως αποτέλεσμα παρεμβολής σημάτων που ταξιδεύουν σε γειτονικά σύρματα ή καλώδια Εξασθένιση (Attenuation): η απώλεια της έντασης ενός σήματος καθώς ταξιδεύει Χρησιμοποιούνται ενισχυτές (amplifiers) για την ενίσχυση της έντασης αναλογικών και ψηφιακών σημάτων

Ανεπιθύμητα φαινόμενα κατά την μετάδοση σημάτων Ένα αναλογικό σήμα που παραμορφώνεται από θόρυβο και στη συνέχεια ενισχύεται

Ανεπιθύμητα φαινόμενα κατά την μετάδοση σημάτων Ένα ψηφιακό σήμα που παραμορφώνεται από θόρυβο και στη συνέχεια αναγεννάται

Ψηφιακή μετάδοση ψηφιακών δεδομένων

Κωδικοποίηση (coding) Ένας χαρακτήρας  μια ομάδα από bits Letters (A, B, ..), numbers (1, 2,..), special symbols (#, $, ..) 1000001 Κάθε γραπτή γλώσσα χρησιμοποιεί σύμβολα, αλλά οι Η/Υ στέλνουν σήματα σε 1s και 0s (bits) Κάθε γραπτός χαρακτήρας χρειάζεται έναν bit κώδικα για να είναι αναγνωρίσιμος από έναν Η/Υ. Ένα σύνολο τέτοιων κωδίκων (αντιστοιχιών) ονομάζεται coding scheme Ο πιο κοινός κώδικας χαρακτήρων είναι ο ΑSCII American Standard Code for Information Interchange, αρχικά χρησιμοποιούσε έναν 7-bit κώδικα (128 συνδυασμοί), σήμερα χρησιμοποιείται και μια 8-bit έκδοση

Κωδικοποίηση Από τον Morse Code στον ASCII Code

Τύποι μετάδοσης (Transmission Modes) Τα δεδομένα μπορούν να σταλούν είτε σειριακά είτε παράλληλα Parallel mode: χρησιμοποιεί πολλά σύρματα, κάθε σύρμα μεταφέρει ένα bit την ίδια στιγμή με τα υπόλοιπα Ένα parallel printer καλώδιο στέλνει 8 bits παράλληλα Οι επεξεργαστές και μητρικές κάρτες (processor and motherboard) των Η/Υ επίσης χρησιμοποιούν parallel busses για να μεταφέρουν δεδομένα μεταξύ των μονάδων του Η/Υ Serial Mode: στέλνει bit-by-bit μέσω ενός μόνο καλωδίου Είναι πιο αργός τρόπος από τον παράλληλο αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερες αποστάσεις γιατί τα bits μένουν στη σειρά με την οποία εκπέμφθηκαν (στον παράλληλο τρόπο μπορεί να αλλάξει η σειρά μετά από μεγάλες αποστάσεις)

Παράλληλη εκπομπή

Σειριακή εκπομπή

Ψηφιακή μετάδοση Τα ψηφιακά σήματα στέλνονται ως μια σειρά από «ορθογώνια κύματα» (παλμούς) με θετική ή αρνητική τάση (voltage) Οι τάσεις διαφέρουν μεταξύ +3/-3 και +24/-24 ανάλογα με το κύκλωμα

Τύποι ψηφιακής μετάδοσης

Αναλογική μετάδοση ψηφιακών δεδομένων

Αναλογική μετάδοση ψηφιακών δεδομένων: ένα γνωστό παράδειγμα Χρήση τηλεφωνικών γραμμών για τη διασύνδεση PCs στο Internet Τα PCs παράγουν ψηφιακά δεδομένα Οι τηλεφωνικές γραμμές χρησιμοποιούν τεχνολογία αναλογικής μετάδοσης Τα modems μεταφράζουν ψηφιακά δεδομένα σε αναλογικά σήματα Internet M Τηλεφωνικό δίκτυο Τηλεφωνική γραμμή PC M Αναλογική μετάδοση ISP (Internet Service Provider) Ψηφιακά δεδομένα

Το τηλεφωνικό δίκτυο Αρχικά σχεδιάστηκε αποκλειστικά για μεταφορά ανθρώπινης ομιλίας (αναλογικές επικοινωνίες) Πως λειτουργεί το POTS (Plain Old Telephone Service) Εξυπηρετεί την επικοινωνία φωνής μεταξύ δύο τηλεφωνικών συσκευών Η ανθρώπινη φωνή (ηχητικά σήματα) μετατρέπονται σε ηλεκτρικά σήματα από την τηλεφωνική συσκευή Τα (ηλεκτρικά) σήματα ταξιδεύουν μέσω του τηλεφωνικού δικτύου και μετατρέπονται εκ νέου σε ηχητικά από την τηλεφωνική συσκευή του αποδέκτη Αποστολή ψηφιακών δεδομένων μέσω του POTS Χρήση modems για τη μετατροπή ψηφιακών δεδομένων σε αναλογική μορφή Ένα modem από την πλευρά του αποστολέα για να παράγει αναλογικά δεδομένα Άλλο modem από την πλευρά του αποδέκτη για την αναγέννηση των ψηφιακών δεδομένων

Το τηλεφωνικό δίκτυο Στις πρώτες μέρες ανάπτυξης των τηλεφωνικών δικτύων (χάλκινα καλώδια) έγινε φανερό ότι οι φωνητικές συνομιλίες μπορούν να μεταδοθούν ικανοποιητικά στο φάσμα συχνοτήτων 300 Hz ως 3330 Hz Τα ανθρώπινο ακουστικό φάσμα συχνοτήτων είναι 20 Hz ως 14 kHz Τα ηχητικά σήματα συχνοτήτων χαμηλότερων από 300 Hz ή υψηλότερων από 3300 Hz «φιλτράρονται» Η γραμμή από την τηλεφωνική συσκευή ως το πρώτο τηλεφωνικό κέντρο (τοπικός βρόγχος: local loop) χρησιμοποιεί ακόμα αναλογικές τεχνικές που αναπτύχθηκαν πριν έναν αιώνα από την Bell Σήμερα, τα περισσότερα τηλεφωνικά κέντρα (switches) είναι ψηφιακά και μετατρέπουν τα αναλογικά σήματα σε ψηφιακά χρησιμοποιώντας μια τεχνική που λέγεται παλμοκωδική διαμόρφωση (Pulse Code Modulation, PCM). Το PCM «δειγματοληπτεί» το αναλογικό σήμα παίρνοντας 8000 δείγματα/sec και κωδικοποιεί κάθε δείγμα με 8 bits/δείγμα Οι βασικές ψηφιακές επικοινωνίες του τηλεφωνικού δικτύου υποστηρίζουν 8000×8=64 kbps, που αντιστοιχεί σε ένα ψηφιακό ηχητικό σήμα

Χαρακτηριστικά αναλογικών σημάτων Πλάτος (Amplitude) Ύψος (ένταση) του κύματος Μετριέται σε decibels (dB) Συχνότητα (Frequency): Πόσα κύματα περνούν σε ένα second Μετριέται σε Hertz (κύκλοι/second) Μήκος κύματος (Wavelength), το μήκος ενός πλήρους κύκλου του κύματος, αντιστρόφως ανάλογο της συχνότητας Φάση (Phase): Αναφέρεται στο σημείο (μετατόπιση) από το οποίο αρχίζει ο κύκλος του κύματος (μετριέται σε μοίρες: degrees) Ένας πλήρης κύκλος αντιστοιχεί σε φάση 360ο 0o 90o 360o 180o 270o

Διαμόρφωση (modulation) Μετατροπή βασικών χαρακτηριστικών του φέροντος (carrier) κύματος με στόχο την κωδικοποίηση πληροφορίας Φέρον κύμα (Carrier wave): Ένα βασικό ηχητικό κύμα που μεταφέρεται μέσω ενός κυκλώματος (παρέχει μία βάση από την οποία μπορούμε να παρεκκλίνουμε) Μέθοδοι διαμόρφωσης φέροντος κύματος: Διαμόρφωση πλάτους (Amplitude Modulation, AM) Γνωστή και ως Amplitude Shift Keying (ASK) Διαμόρφωση συχνότητας (Frequency Modulation, FM) Γνωστή και ως Frequency Shift Keying (FSK) Διαμόρφωση φάσης (Phase Modulation, PM) Γνωστή και ως Phase Shift Keying (PSK)

Amplitude Modulation (AM) Αλλάζουμε το πλάτος του κύματος για να κωδικοποιήσουμε δεδομένα

Frequency Modulation (FM) Αλλάζουμε τη συχνότητα του φέροντος κύματος για να κωδικοποιήσουμε δεδομένα

Phase Modulation (PM) Αλλάζουμε τη φάση του φέροντος κύματος για να κωδικοποιήσουμε δεδομένα Αλλαγή φάσης φέροντος κύματος κατά 180ο αντιστοιχεί σε bit τιμής 1

Αποστολή πολλαπλών bits ταυτόχρονα Κάθε διαφορετική τροποποίηση του φέροντος κύματος για κωδικοποίηση πληροφορίας ονομάζεται σύμβολο Με χρήση πιο πολύπλοκων συστημάτων κωδικοποίησης μπορούμε να κωδικοποιήσουμε περισσότερα από 1 bit/σύμβολο Στο παρακάτω σχήμα χρησιμοποιούνται 4 επίπεδα πλάτους (amplitude) κάθε ένα από τα οποία αντιστοιχεί σε 2 bits/σύμβολο

Ψηφιακή μετάδοση αναλογικών δεδομένων

Διαμόρφωση Πλάτους Παλμών (Pulse Amplitude Modulation, PAM) Ένα αναλογικό σήμα φωνής μπορεί να μετατραπεί σε ψηφιακή μορφή με χρήση μιας συσκευής που ονομάζεται codec (coder/decoder: κωδικοποιητής/αποκωδικοποιητής) που μπορεί επίσης να κάνει και την αντίστροφη μετατροπή σε αναλογικά δεδομένα στην πλευρά του παραλήπτη Οι codecs που χρησιμοποιούνται στο τηλεφωνικό σύστημα χρησιμοποιούν Διαμόρφωση Πλάτους Παλμών (Pulse Amplitude Modulation, PAM) Η ΡΑΜ περιλαμβάνει 3 βήματα: Δειγματοληψία του σήματος Κβάντιση (αντιστοίχιση της τιμής κάθε δείγματος στο κοντινότερο «κατώφλι») Κωδικοποίηση κάθε «κβαντισμένης» τιμής ως δυαδικά δεδομένα

Διαδικασία ψηφιοποίησης αναλογικού σήματος Δειγματοληψία (Sampling) – μέτρηση της τιμής του σήματος σε ίσα διαστήματα Κβάντιση (Quantization) – ανάθεση μιας τιμής (από ένα σύνολο) σ’ ένα δείγμα Κωδικοποίηση (Coding) – μετατροπή της τιμής δυαδική μορφή (που αποθηκεύεται)

Πολυπλεξία (Multiplexing)

Πολυπλεξία (Multiplexing) H κύρια ιδέα στην πολυπλεξία είναι ο διαμοιρασμός ενός κοινού καναλιού επικοινωνίας ανάμεσα σε πολλές εποινωνούντες συσκευές Αυτό σημαίνει «σπάσιμο» ενός κυκλώματος υψηλής ταχύτητας σε πολλά (πιο αργά) κυκλώματα Χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή και στην κινητή τηλεφωνία Το κύριο πλεονέκτημα της πολυπλεξίας είναι ότι μειώνει το κόστος Απαιτούνται λιγότερα κανάλια επικοινωνίας Υπάρχουν 4 κύριες τεχνικές πολυπλεξίας: Πολυπλεξία διαίρεσης συχνοτήτων (Frequency division multiplexing, FDM) Πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (Time division multiplexing, TDM) Στατιστική πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου (Statistical time division multiplexing, STDM) Πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος (Wavelength division multiplexing, WDM)

Multiplexing - Demultiplexing

Frequency Division Multiplexing (FDM) Για αποφυγή παρεμβολών, μεταξύ των επί μέρους ζωνών συχνοτήτων δεσμεύονται κάποιες μπάντες (guardbands) οι οποίες δεν χρησιμοποιούνται (άρα ένα μέρος της συνολικής χωρητικότητας του καναλιού μένει σε αχρησία) Χρησιμοποιείται στην καλωδιακή τηλεόραση CATV, στην κινητή τηλεφωνία 2ης γενιάς και (παλαιότερα, πριν το PCM, στο τηλεφωνικό δίκτυο)

Frequency Division Multiplexing (FDM)

Time Division Multiplexing (TDM) H TDM επιτρέπει στις επικοινωνούντες συσκευές να μοιραστούν το κοινό κανάλι εκπέμποντας δεδομένα με (χρονική) σειρά Ο χρόνος που δίνεται στις συσκευές για να εκπέμψουν δεδομένα είναι χωρισμένος εξίσου Σε κάθε κανάλι αντιστοιχίζεται μία χρονοθυρίδα (time slot) ανεξάρτητα από το αν υπάρχουν δεδομένα προς εκπομπή (το κανάλι είναι δεσμευμένο) Η TDM είναι πιο αποδοτική από την FDM, καθώς δεν χρησιμοποιούνται guardbands, άρα η συνολική χωρητικότητα διαιρείται μεταξύ των επί μέρους καναλιών Χρησιμοποιείται στην κινητή τηλεφωνία 2ης γενιάς Ακριβέστερα, χρησιμοποιείται συνδυασμός TDM-FDM

Time Division Multiplexing (TDM)

Statistical Time Division Multiplexing (STDM) H STDM έχει σχεδιαστεί για να εκμεταλλευθεί το χρόνο που το κοινό κανάλι δεν χρησιμοποιείται από τις συσκευές που επικοινωνούν, δηλαδή όταν κάποια χροσνοθυρίδα μένει ανεκμετάλλευτη (idle time) Όπως και η TDM, η STDM χρησιμοποιεί χρονοθυρίδες οι οποίες όμως δεν είναι δεσμευμένες (fixed) Χρησιμοποιούνται από συσκευές που έχουν δεδομένα προς εκπομπή Καθώς οι χρονοθυρίδες δεν είναι δεσμευμένες, δεν ξέρουμε ποιος εκπέμπει ανά πάσα στιγμή σε κάθε χρονοθυρίδα Απαιτείται λοιπόν πρόσθετη πληροφορία που προσδιορίζει τη διεύθυνση του αποστολέα / παραλήπτη στην αρχή κάθε χρονοθυρίδας Σε περίπτωση που πολλά τερματικά προσπαθήσουν να εκπέμψουν δεδομένα ταυτόχρονα, μπορεί να έχουμε μεγάλες χρονικές καθυστερήσεις (θα πρέπει να περιμένουν ως ότου κάποια χρονοθυρίδα ελευθερωθεί

Wavelength Division Multiplexing (WDM) Χρησιμοποιείται για πολυπλεξία σε κανάλια οπτικών ινών Με την WDM, τα δεδομένα εκπέμπονται σε διαφορετικές συχνότητες (ή μήκος κύματος) πάνω από την ίδια ίνα Η χωρητικότητα των οπτικών ινών αυξάνει με υψηλούς ρυθμούς Μια νέα έκδοση της WDM (Dense WDM ή DWDM) υπόσχεται ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων της τάξης των terabits/sec, με περισσότερα από 100 κανάλια σε κάθε ίνα (το κάθε κανάλι θα έχει χωρητικότητα 10 Gbps) Στο μέλλον η DWDM θα προσφέρει ρυθμούς της τάξης των petabit καθώς θα αυξηθεί ο ρυθμός μετάδοσης κάθε καναλιού αλλά και ο αριθμός (πυκνότητα) των καναλιούν που «χωρούν» σε κάθε ίνα

Μοντέλα Μεταγωγής Μεταγωγή Κυκλώματος (circuit switching) Πρώτα εξασφαλίζεται και δεσμεύεται (reserved) φυσική σύνδεση μεταξύ αποστολέα και παραλήπτη Μετά ξεκινά η μετάδοση των πληροφοριών Το κύκλωμα που συνδέει το αποστολέα και παραλήπτη χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την επικοινωνία των δύο Παρέχει προκαθορισμένη ποιότητα υπηρεσίας Μη αποδοτική χρήση των πόρων του δικτύου Παράδειγμα: Τηλεφωνικό δίκτυο (PSTN) Μεταγωγή Πακέτου (packet switching) Δεν υπάρχει απευθείας σύνδεση μεταξύ αποστολέα και παραλήπτη. Ο αποστολέας ξεκινά αμέσως να στέλνει πληροφορίες Κάθε πακέτο «βρίσκει το δρόμο του» μέσα στο δίκτυο Πιο αποδοτική χρήση των πόρων του δικτύου Δύσκολη η παροχή εγγυήσεων για την ποιότητα υπηρεσίας Παράδειγμα: Internet

Παράμετροι απόδοσης (performance) δικτύων Εύρος Ζώνης (bandwidth, throughput) Hz vs. bps Καθυστέρηση (latency or delay) Latency= Propagation + Transmission + Queue Propagation: καθυστέρηση διάδοσης του (ηλεκτρομαγνητικού) σήματος Transmission: καθυστέρηση μετάδοσης του σήματος Queue: χρόνος αναμονής σε ουρές (λόγω δικτυακής κίνησης) Propagation = Distance / Speed of light Transmission = Packet size / Bandwidth Throughput = TransferSize / TransferTime TranferTime = Propagation + TransferSize / Bandwidth Απώλεια πακέτων (packet loss) Διακύμανση καθυστέρησης (jitter)

Τεχνολογία DSL (Digital Subscriber Line) H τεχνολογία DSL γίνεται περισσότερο δημοφιλής τρόπος σύνδεσης στο Internet λόγω των υψηλότερων ρυθμών μετάδοσης που προσφέρει στον τοπικό βρόγχο από την τηλεφωνική συσκευή ως το τηλεφωνικό κέντρο) Αντί να κάνει χρήση του καναλιού φωνής (300-3300 Hz), το DSL εκμεταλλεύεται τη φυσική χωρητικότητα των (χάλκινων) τηλεφωνικών γραμμών που είναι ως 1 MHz Η χωρητικότητα του 1 MHz διαιρείται σε: Ένα κανάλι φωνής 4 KHz (άρα μπορούμε να τηλεφωνούμε όσο είμαστε συνδεδεμένοι στο Internet) Ένα κανάλι αποστολής δεδομένων (upstream channel) Ένα κανάλι λήψης δεδομένων (downstream channel) Υπάρχουν διαφορετικές εκδόσεις του DSL, ανάλογα κυρίως με το πως το διαθέσιμο εύρος ζώνης (bandwidth) διαιρείται ανάμεσα στα upstream και downstream κανάλια Μια μορφή του DSL (G.Lite) παρέχει ένα κανάλι φωνής 4 KΗz, 384 kbps upstream και 1.5 Mbps downstream (ονομαστικές, μέγιστες ταχύτητες)

Διαγνωστικά εργαλεία στο Internet

Εργαλεία «διάγνωσης» (probing) στο Internet Πως προκύπτουν όμως στατιστικά δεδομένα σχετικά με τον αριθμό συνδεδεμένων Η/Υ; Τις πρώτες μέρες του Internet υπήρχαν μερικές 10δες τοποθεσίες και το μέγεθος μπορούσε να προσδιοριστεί εύκολα Σήμερα χρειάζεται ένα αυτοματοποιημένο εργαλείο που διατρέχει το DNS (το σύστημα που αποθηκεύει ονόματα και διευθύνσεις υπολογιστών) και μετά ελέγχει αν ο κάθε Η/Υ είναι συνδεδεμένος εκείνη τη στιγμή Υπάρχουν σήμερα διαθέσιμα στους χρήστες εργαλεία για τη διάγνωση (probing) στο Internet

ICMP – Internet Control Message Protocol Αποτελεί το μηχανισμό αποστολής μηνυμάτων ελέγχου και αναφοράς λαθών για τη λειτουργία ενός δικτύου IP. ICMP πακέτα: IP πακέτα ειδικού τύπου (χωρίς L4 payload) Echo_request – Echo_reply Time exceeded Host_unreachable Port_unreachable

Ping Ένα από τα απλούστερα διαγνωστικά εργαλεία Ο χρήστης δίνει ως όρισμα το όνομα ή τη διεύθυνση ενός Η/Υ Το ping στέλνει ένα μήνυμα (ICMP packet) στον Η/Υ και περιμένει ένα μικρό χρονικό διάστημα έως ότου ο Η/Υ αποκριθεί Αν ο Η/Υ αποκριθεί σημαίνει ότι είναι ‘alive’, διαφορετικά το Ping αναφέρει ότι ο Η/Υ δεν αποκρίνεται Πως εκτελείται: ping <όνομα Η/Υ> [παράμετροι] ping sapfo.aegean.gr Παραδείγματα παραμέτρων -a: Resolve addresses to hostnames -r <count>: Record route for count hops -w timeout: Timeout in milliseconds to wait for each reply

Ping Δοκιμάστε να “κάνετε ping” τον Η/Υ ct-green.ct.aegean.gr και αναφέρεται τι είδους στοιχεία τυπώνει Από την κονσόλα (command prompt) του Η/Υ σας Από έναν απομακρυσμένο Η/Υ, π.χ. http://helios.teiath.gr/net_utils/net_frames.html Τι διαφορές εντοπίζετε;;; Από τον απομακρυσμένο Η/Υ προφανώς θα έχουν μεγαλύτερη καθυστέρηση (delay)

Ping «Τρέξτε» το ping κάνοντας χρήση κάποιων από τις διαθέσιμες παραμέτρους, π.χ. ping -r 9 sapfo.aegean.gr ping -w 200 sapfo.aegean.gr

Ping: χρησιμότητα ως διαγνωστικό εργαλείο & αδυναμίες To ping χρησιμοποιείται συχνά ως διαγνωστικό εργαλείο από διαχειριστές δικτύων (network administrators) Ενημερώνει κατά πόσο ένας Η/Υ είναι συνδεδεμένος και λειτουργεί, για το κατά πόσο υπάρχει συμφόρηση (congestion) στο δίκτυο, για το ποια τμήματα του δικτύου λειτουργούν σωστά και ποια έχουν βλάβη, κλπ (πως;;;;) Έχει όμως πολλές αδυναμίες ως διαγνωστικό εργαλείο καθώς αν ένας Η/Υ δεν αποκρίνεται, δύσκολα μπορεί να εξακριβωθεί η ακριβής αιτία Ο Η/Υ έχει αποσυνδεθεί, δεν λειτουργεί (off) ή έχει βλάβη Ο τοπικός Η/Υ έχει αποσυνδεθεί από το δίκτυο Ίσως υπάρχει πρόβλημα σε ενδιάμεσο Η/Υ ή στο δίκτυο Το δίκτυο είναι υπερφορτωμένο με κυκλοφορία δεδομένων και ο Η/Υ δεν αποκρίνεται στον καθορισμένο χρόνο Η εταιρία που ‘φιλοξενεί’ τον Η/Υ έχει ρυθμίσει το δίκτυό της έτσι ώστε να απορρίπτονται ping πακέτα (για λόγους ασφαλείας, ώστε να είναι εξασφαλισμένη από επιθέσεις «άρνησης εξυπηρέτησης» (denial of service), όπου το δίκτυο κατακλύζεται από Ping πακέτα ώστε να τεθεί εκτός λειτουργίας Η συμφόρηση ελέγχεται από το χρόνο απόκρισης Τα τμήματα δικτύου που λειτουργούν σωστά ή έχουν βλάβη ελέγχονται κάνοντας ping σε Η/Υ που ξέρουμε ότι λειτουργούν και που βρίσκονται σε διαφορετικά τμήματα του δικτύου. Αν δεν αποκριθούν, τότε υπάρχει βλάβη στο τμήμα (π.χ. σε κάποιο router του τμήματος του δικτύου όπου είναι τοποθετημένοι).

traceroute Διαγνωστικό εργαλείο που προσδιορίζει τους ενδιάμεσους Η/Υ κατά μήκος της διαδρομής από τον τοπικό προς ένας απομακρυσμένο Η/Υ Κάθε μία από τις γραμμές εξόδου του προγράμματος αντιστοιχεί σε έναν ενδιάμεσο Η/Υ (δρομολογητή, router) Υπάρχει ως προ-εγκατεστημένο πρόγραμμα σε πολλά λειτουργικά συστήματα Μπορείτε να το «τρέξετε» και online, π.χ. http://www.ntua.gr/nmc/traceroute.html

traceroute

traceroute: πως λειτουργεί; Όταν εκτελούμε το traceroute στον τοπικό Η/Υ, στέλνουμε ένα UDP πακέτο με το πεδίο Time-To-Live (TTL)=1 Όταν αυτό το πακέτο φθάσει στον πρώτο ενδιάμεσο Η/Υ (router), αυτός μειώνει την τιμή του TTL κατά ένα και απορρίπτει το πακέτο. Στη συνέχεια ο router στέλνει ένα πακέτο στον Η/Υ μας αναφέροντας τη διεύθυνσή του, άρα ο Η/Υ μας γνωρίζει πλέον τον πρώτο ενδιάμεσο router στη διαδρομή προς τον απομακρυσμένο Η/Υ που μας ενδιαφέρει Στη συνέχεια, ο Η/Υ μας στέλνει ένα UDP πακέτο με TTL=2 (με την ίδια διεύθυνση παραλήπτη, εκείνη του Η/Υ που μας ενδιαφέρει) Το πακέτο θα περάσει από τον ίδιο ενδιάμεσο router που ήδη γνωρίζουμε, ο οποίος θα μειώσει το TTL=1 και θα το προωθήσει στον επόμενο ενδιάμεσο router. Εκείνος (ο 2ος ενδιάμεσος) θα μειώσει το TTL=0, θα απορρίψει το πακέτο και θα στείλει πίσω στον Η/Υ μας ένα ICMP πακέτο που θα αναφέρει τη διεύθυνσή του. Άρα πλέον γνωρίζουμε και τον δεύτερο ενδιάμεσο router Στο επόμενο βήμα, ο Η/Υ μας θα στείλει πάλι ένα UDP πακέτο με TTL=3 και η ίδια διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να λάβουμε ένα ICMP πακέτο με τη διεύθυνση του H/Y που μας ενδιαφέρει. Τότε θα γνωρίζουμε πλέον την πλήρη λίστα με τους ενδιάμεσους routers που βρίσκονται ανάμεσα στον Η/Υ μας και σε εκείνος που μας ενδιαφέρει.

traceroute: πως λειτουργεί; 45.30.57.12 122.11.2.9 195.32.56.120 Destination: 33.22.44.130 UDP (TTL = 1) 33.22.44.130 115.2.7.22 TTL: Time To Live

traceroute: πως λειτουργεί; 45.30.57.12 122.11.2.9 195.32.56.120 TTL = 0 33.22.44.130 115.2.7.22 TTL: Time To Live

traceroute: πως λειτουργεί; 45.30.57.12 122.11.2.9 195.32.56.120 Address: 45.30.57.12 ICMP 33.22.44.130 115.2.7.22 traceroute output: 1. 45.30.57.12 TTL: Time To Live

traceroute: πως λειτουργεί; TTL = 1 45.30.57.12 122.11.2.9 195.32.56.120 Destination: 33.22.44.130 UDP (TTL = 2) 33.22.44.130 115.2.7.22 TTL = 0 TTL: Time To Live

traceroute: πως λειτουργεί; 45.30.57.12 122.11.2.9 195.32.56.120 Address: 115.2.7.22 ICMP 33.22.44.130 115.2.7.22 traceroute output: 45.30.57.12 115.2.7.22 TTL: Time To Live