IT_420 Komunikační technologie a služby

Transkript

KIT VŠE v Praze
IT_420
Komunikační technologie a služby
Téma 4:
Přenos po dvoubodovém spoji
Verze 1.4
© Jandoš, Matuška
Obsah

Pohled do modelu OSI
Charakteristiky přenosu

Charakteristiky spoje

Směr přenosu
Počet současně přenášených bitů
Synchronizace přenosu
Přenosová rychlost
Druh spoje
Stálost zřízení spoje
Vlastnictví spoje
Efektivní využití přenosového pásma
IT_420 Komunikační technologie a služby – téma 4
2

2. vrstva - spojová:

Řízení provozu na spoji,
zajištění přenosu rámců
mezi uzly.
1. vrstva – fyzická:

Efektivnější využití
přenosového pásma
7. Aplikační
6. Prezentační
5. Relační
4. Transportní
3. Síťová
2. Spojová
1. Fyzická
3
Směr přenosu

Simplexní přenos – pouze v jednom směru. Jedna
stanice je trvale vysílačem, druhá trvale
přijímačem.
Poloduplexní přenos – obousměrně, ale postupně
(stanice nemohou vysílat najednou). V jednom
okamžiku je jedna stanice vysílačem a druhá
přijímačem, nicméně role si mohou vyměnit.
Plně duplexní přenos – obousměrně najednou
(jakoby dva simplexní přenosy v opačném
směru). V jednom okamžiku mohou být obě
stanice vysílačem i přijímačem zároveň.
4
Počet současně přenášených bitů

Sériový přenos – přenos bitů postupně za
sebou po jednom. Stačí jeden přenosový
kanál, jednodušší synchronizace. Nutno řešit
převod ze znakového na bitové vyjádření.

Tento typ přenosu převládá
Paralelní přenos – přenos více bitů najednou
(např. celých znaků). Obvykle rychlejší, na
delší vzdálenosti příliš drahý (potřeba více
přenosových kanálů).

V telekomunikacích se příliš nepoužívá.
5

Vysílač i přijímač musí pracovat ve
shodném časovém rytmu, který zajistí, že
po vyslání informací vysílačem jsou tyto
informace ve správném okamžiku přijaty a
vyhodnoceny vysílačem.
K ustavení tohoto rytmu slouží časové,
synchronizační impulsy. Tyto impulsy se
někdy označují jako časová základna nebo
bitová synchronizace.
6

Synchronní přenos

Vysílač i přijímač mají vlastní zdroj časových
impulsů. Před přenosem se musí oba sjednotit
(synchronizovat) zvláštním znakem nebo
speciální posloupností bitů před přenosem
vlastní informace.
Nejefektivnější metoda z hlediska podílu
režijních informací (není potřeba dále vysílat
synchronizační značky), potřeba přesného
časovače.
Použití pro přenos velkého objemu dat vysokou
rychlostí na velké vzdálenosti.
7

Asynchronní přenos

Zdroj časových impulsů má pouze vysílač.
Synchronizační značky jsou součástí
přenášených informací, přijímač se přizpůsobí
Přenášená informace je prokládána
speciálními synchronizačními znaky, podle
kterých se přijímač řídí. Méně efektivní
způsob přenosu, nicméně není potřeba
seřizovat časovače.
8

Arytmický přenos (angl. Asynchronous !!)

Před každým přenosem znaku (krátké
sekvence) dojde k nové synchronizaci pomocí
start a stop signálů, přijímač používá časovač
pouze po krátkou dobu. Mezi sekvencemi se
časovač nepoužívá (není synchronizace)
Časovač tak nemusí být tak přesný, nižší podíl
synchronizačních znaků než u asynchronního
přenosu
9
Rychlost a přenosový výkon

Přenosová rychlost PR (bit/s)

Počet bitů přenesených za sekundu
Jde o technickou rychlost pro všechna data bez
rozlišení režijních (hlavičky, synchronizační značky
apod.) a užitečných dat
Na doporučení ITU jsou používány standardizované
přenosové rychlosti – např. 9 600, 14 400, 19 200
bit/s
Zvolenou přenosovou rychlostí musí pracovat všechny
komponenty přenosové cesty (koncová zařízení,
měniče signálu i spoj)
10
Rychlost a přenosový výkon

Přenosový výkon PV (bit/s, bajt/s)

TRIB - Transmission Rate of Information Bits
Počet bitů přenesených za sekundu, které obsahují
užitečnou informaci (nepočítají se režijní data kontrolní a řídící bity)
PV=počet informačních bitů/doba potřebná na jejich
přenos
Účinnost přenosu TE (v procentech)

Bezrozměrná veličina udávající podíl režijních informací
na celém přenosu
TE=PR/PV
11
Spoje a okruhy

Pro přenosy se využívají různé druhy
spojů (např. telefonní, satelitní apod.)
Na nich se vytvoří přenosové kanály okruhy.
Členění spojů

Dle stálosti spoje
Dle vlastnictví spoje
Dle řízení toku dat na spoji a způsobu
opravy chyb
12
Stálost spoje

Pevné

Jeho dílčí komponenty se v čase nemění,
přímý nebo předem připraven z řady
mezilehlých spojů
Okamžité navázání komunikace, přesně
definované přenosové charakteristiky
Obvykle vyšší přenosová rychlost a
spolehlivost než u komutovaného spoje
Vyšší náklady na zřízení a provoz
13
Stálost spoje

Komutované

Začíná se vytvářet až v okamžiku požadavku
přenosu
Typicky skládány z dílčích úseků mezi
propojovacími body (např. ústřednami)
Nestálé přenosové charakteristiky, navázání
spoje trvá déle
Levnější než pevné spojení
Typicky (ale ne vždy) vyšší chybovost než u
stálého spoje
14
Vlastnictví spoje

Vlastní

Ve vlastnictví provozovatele
Typicky v LAN (resp. MAN) sítích, typicky
pevné spoje
Pronajaté

Ve vlastnictví telekomunikační společnosti,
správy spojů nebo poskytovatele
Typicky ve WAN sítích, pevné i komutované
spoje
15
Řízení toku dat a oprava chyb

Řízení toku dat

Je dorozumívání mezi vysílačem a přijímačem
o tom, zda mohou být vyslány další informace
(a v jakém množství a v jaké rychlosti).
Přijímač nemusí být schopen data v dané
podobě (v rychlosti udané vysílačem) přijmout
(je pomalejší, má menší vyrovnávací paměť
atd.)

Specifický důvod: přijímač může provádět pro
každý blok kontrolu, zda při přenosu nedošlo v
bloku k chybám.
16

Řízení toku dat

Při vyčerpání kapacit přijímače je třeba vysílači
speciální zprávou oznámit, že další data může
poslat až později.
A například po vyprázdnění vyrovnávací paměti
přijímač oznámí možnost data znovu posílat
jinou zprávou vysílači.
Vysílač tedy typicky vysílá informace po určitých
dávkách, které označujeme jako „bloky“ a jsou
postupně potvrzovány přijímačem.
17

Detekce a oprava chyb při přenosu

Schopnost přijímače detekovat porušení integrity
bloku přenášených dat (např. pomocí
bezpečnostních kódů)
Schopnost chybu opravit samoopravným kódem
Žádost přijímače směřující na vysílač o nové
poslání chybně dodaných dat
18

Detekce a oprava chyb může být
realizována protokolem 2. vrstvy. S
rostoucí spolehlivostí přenosů a médií je
však stále častěji realizována až ve vyšších
vrstvách (např. ve 4. dle RM OSI)
Řízení toku i oprava chyb vyžaduje zpětný
řídící komunikační kanál ! (nelze použít v
simplexu)
19
Bezpečnostní kódy

Cyklické kódy, CRC (Cyclic redundancy check)

Z přenášených dat se před přenosem spočítá určitým
algoritmem (většinou vydělením generačním
polynomem cyklického kódu) malý kontrolní znak
(součet), který se přenáší spolu s daty a který zajišťuje
možnost ověřit integritu dat u přijímače po přenosu.
Po ukončení přenosu se z dat vypočítá stejným
postupem druhý kontrolní součet a oba se musí rovnat
– jinak při přenosu došlo k chybe.
Kód CRC (16 bit, 32 bit) - umožní detekovat chyby v 1 a
2 bitech, v lichém počtu bitů, shluku chyb kratších než
délka CRC a dalších chyb
Přidání CRC je určitá nadbytečná režie k samotnému
přenosu informace, nicméně akceptovatelná
20

Některé algoritmy umožní jednodušší chyby ihned
opravit, jinak je potřeba data poslat ještě jednou.
Podle konkrétní metody řízení toku dat vyšle
přijímač vysílači signál:

ACK (Acknowledge) jako potvrzení o úspěšném přijetí
vysílané informace,
nebo signál NACK jako žádost o nové poslání chybně
přijatého bloku dat.
Pokud je signál poškozen natolik, že není
přijímačem vůbec rozeznán jako pokus o přenos
dat, pak se vysílač po uplynutí časového období
(timeoutu), kdy nedostal zpět ani signál ACK, ani
NACK, pokouší vyslat data znovu.
21
Řízení toku na spoji - metody

A/Postupné vysílání bloků:

Potvrzování pomocí ACK, NACK, číslování bloků
B/Souvislé vysílání bloků:

B.1/ Metoda skupinového potvrzování:
potvrzení doručení celé skupiny bloků, metoda
okénka (Go back N)
B.2/ Selektivní potvrzování: nová žádost o
pouze o jednotlivé bloky (SRP - Selective
repeat)
22
Řízení toku – postupné vysílání

Ad A/Viz výše naznačený postup:

Vysílač pošle jeden blok dat a čeká na zprávu
od přijímače, zdali dostal data v pořádku.
Jednoduchá metoda, vyžaduje pouze malou
paměť vysílače a přijímače (pro 1 blok).
Hlavním nedostatkem této metody je nízká
efektivnost využití komunikačního spoje,
zejména v případě větších vzdáleností (desítky
km a výše) a kratších bloků (řádově 100 bitů).
23
Řízení toku – souvislé vysílání

Ad A/ Příklad:

Vzdálenost 40 km, rychlostí 1 Mbit/s přenášíme bloky s délkou 100
bitů mezi dvěma stanicemi spojenými pevným spojem.
Rychlost šíření signálu v měděném vodiči je 2 x 10^8 m/s. Vysílání
bloku trvá 100/10^6 = 0,1 ms. Zpoždění přenosu je 40 000/
2x10^8 = 0,2 ms.
Začátek vysílaného bloku přijde na přijímač za 0,2 ms od zahájení
vysílání, jeho konec za 0,3 ms od zahájení vysílání. Vysílání tedy
trvá 0,1 ms, spoj je však obsazen 0,3 ms; efektivnost jeho využití je
pouze 1/3.
Potvrzení putuje zpět spojem další 0,2-0,3 ms, po tuto dobu
nemůže vysílač vysílat, i když je přenosová trasa volná
Vzniká tedy další zpoždění vyvolané přenosem mnoha potvrzení
(pro každý blok jedno) od vysílače k přijímači.
24
Řízení toku – souvislé vysílání

Ad B/

Efektivnost využití spoje lze výrazně zvýšit tím,
že umožníme, aby vysílač vysílal bloky souvisle
(v čase) tj. v daném okamžiku přenášel
spojem větší počet bloků.
25
Řízení toku – metoda okénka

Ad B.1/Metoda skupinového potvrzování, metoda
okénka (Go back N)

Vysílač může vyslat určitý maximální počet bloků N bez
přijetí potvrzení od přijímače.
Přijímač nepotvrzuje příjem jednotlivých bloků, ale
jedním potvrzením potvrzuje příjem celé skupiny bloků.
Tato metoda se využívá v praxi nejčastěji.
Tuto metodu řízení toku označujeme jako "metodu
okénka". Velikostí okénka rozumíme výše uvedený
max. počet bloků N.
Jednotlivé vysílané bloky vysílač čísluje modulo N.
Vysílač musí být v tomto případě vybaven vyrovnávací
pamětí pro N bloků. Přijímač je rovněž vybaven pamětí,
obvykle na N + 1 bloků.
26

Ad B.1/ Příklad:

Předpokládejme velikost okna 7. Přijímač přijal postupně
bloky A,B,C,D,E. Vyšle přijímací signál ACK F, kterým
sděluje vysílači že přijal úspěšně bloky A až E a je
připraven na přijetí bloku F (který mezitím již rovněž
vysílač vyslal na spoj).
Vysílač nyní může vyslat (i bez potvrzení od přijímače)
dalších 7 bloků, tj. posune "okénko" z původní polohy 01
do polohy 02 a pokračuje ve vysílání.
03
01
A
B
C
D
E
F
G
H
I
02
J
K
L
M N
O
P
NACK D ACK F
27

Ad B.1/ Příklad

Pokud přijímač detekuje v bloku chybu (např. v bloku
D),vyšle vysílači tuto informaci "negativním potvrzením"
NACK D. Tím sděluje, že přijal v pořádku bloky až
včetně C, chybně přijal blok D.
Vysílač již mezitím mohl vyslat (a asi vyslal) bloky další.
Po přijetí tohoto signálu vysílač vyšle znovu blok D a
všechny další bloky, které mezitím již vyslal; okénko se
posune do polohy 03. Proto musí vysílač udržovat ve své
paměti kopie všech vyslaných bloků do té doby, než
bude každý blok potvrzen (skupinově).
Přijímač zruší chybně přijatý blok D a všechny další
přijaté bloky a to až do té doby, kdy znovu přijme blok
D.
28

Zatím jsme uvažovali přenos dat pouze v jednom směru.
Pokud se mezi stanicemi přenášejí data v obou směrech (v
duplexním režimu), musí každá stanice udržovat dvě
vyrovnávací paměti - jednu pro vysílané bloky, druhou pro
přijímané bloky.
Každá stanice musí druhé stanici zasílat jak data, tak
potvrzení. Zatím jsme předpokládali, že potvrzení zasíláme
jako samostatné informace představované zprávami ACK
či NACK, čili tzv. samostatné potvrzování.
Abychom, zejména u duplexního režimu, s duplexním
potvrzováním dat v obou směrech dosáhli efektivního
využití spoje, využíváme té skutečnosti, že potvrzení
zasíláme jako součást datového bloku. Tento způsob
potvrzování zpráv označujeme jako nesamostatné
potvrzování („piggybacking“).
29
Řízení toku – SRP

Ad B.2/ Selektivní potvrzování (SRP Selective repeat)

V tomto případě příslušným signálem vyžádá
přijímač opakované vyslání pouze toho
bloku, v němž zjistil chybu. Implementace
tohoto protokolu je značně složitá a
nebudeme se ji dále zabývat.
30
Protokol datového spoje

Protokol 2.vrstvy = Soustava pravidel pro výměnu
informací mezi dvěma stanicemi spojenými dvounebo více-bodovým spojem včetně formátu
přenášených informací
Protokol datového spoje doplní každý blok,
přicházející ze 3. vrstvy určený k poslání na
příjemce, o další řídící bity (tzv. obálku).
Ta umožňují spolupráci protokolů 2. vrstvy mezi
stanicemi A a B za účelem zajištění přenosu.
Takto doplněný datový blok označujeme jako
„rámec“ (angl. frame).
31

Protokol stanice A vysílá postupně tyto rámce
prostřednictvím rozhraní S1 na datový spoj.
Po průchodu tímto spojem jsou rámce předány,
přes rozhraní S1, do protokolu 2. vrstvy v datové
stanici B.
Ta zkontroluje CRC, zda v přenosu nedošlo k
chybě. Pokud ne, oddělí od rámce řídící bity
(obálku) a vzniklý datový blok předá vyšší vrstvě.
Současně protokol v uzlu B předá přes datový spoj
uzlu A příslušný signál potvrzující příjem bloku (v
závislosti na použité metodě řízení toku).
32

Dílčí hlediska

Druh spoje (dvoubodový, vícebodový)
Druh přenosu (synchronní, asynchronní)
Druh provozu (simplexní, polovičně/plně duplexní)
Znakové X Binární (dle kódování, moderní jsou bitové)
Požadavky

Řízení přístupu k médiu
Řízení toku dat po médiu
Detekce a oprava chyb na médiu
Synchronizace dat na médiu (bitová, znaková, bloková)
Standardizace po celé přenosové cestě
33
HDLC - příklad protokolu
datového spoje

High Level Data Link Control (ISO, ITU-T)

Dvoubodový i vícebodový spoj
Poloviční duplex, plný duplex
Různé konfigurace řídících a podřízených stanic
Řízení toku metodou okénka (velikost 8, 128)
Pouze synchronní přenos
Formát zprávy:
8 bitů
Počáteční
značka
8 bitů
Adresa
stanice
záhlaví
8/16 bitů
X bitů
8/16 bitů
8 bitů
Řízení
Vlastní
informace
Frame
Check Seq
Koncová
značka
tělo
zakončení
34
HDLC - příklad protokolu
datového spoje

I rámce – informační, vlastní přenášená data
S, U rámce – další prostředky pro řízení toku
Průběh komunikace

Navázání spojení (S rámcem), domluvení parametrů
přenosu
Přenos dat (výměna I rámců), řízení toku, obsluha chyb
Ukončení spojení (S rámcem)
Další protokoly vycházející z HDLC

LAP B (X.25)
LAP D (D kanál v ISDN)
LLC (v sítích LAN)
LAP M (v modemech s opravou chyb, např. V.32)
35
Efektivní využití média

Náklady na přenosové okruhy/kanály představují ve všech
podnicích významnou část nákladů na komunikace.
Je snahou využít dané přenosové medium k přenosu
maximálního možného množství informací, nebo
minimalizovat přenosovou kapacitu, která je zapotřebí k
uspokojení komunikačních požadavků dané aplikace.
Ke zvýšení efektivnosti přenosu využíváme především dva
přístupy: multiplexování a kompresi.
Oba tyto postupy jsou navzájem nezávislé a lze je použít
společně (kombinovat).
Dále lze v sítích sdílet přenosové kanály rovněž

přepínáním (kanálů paketů), využívaným zejména ve WAN
souběžným přístupem více stanic k mediu (multi-access),
využívaným v LAN, viz další témata
36
Multiplexování

Postup, kterým vznikne na jednom rychlém
přenosovém kanálu více pomalejších, nezávislých,
samostatných a trvalých kanálů (rozdělení velkého
přenosového pásma na menší nezávislé části)
Multiplexor - sdružuje dílčí pomalé kanály do
jednoho fyzického rychlého
Demultiplexor – rozdělení informací z rychlého
kanálu podle zvoleného klíče do řady pomalejších
A
A
B
Mux
De
Mux
B
C
C
37
Multiplexování

TDM – Time Division Multiplexing umožňuje, aby se
jednotlivé pomalé kanály postupně (v čase) staly
na krátký časový úsek výlučným uživatelem celé
šíře pásma sdíleného kanálu.

Synchronní – rozdělení na časové úseky, které jsou
postupně pevně rezervovány pro jednotlivé kanály (bez
ohledu na to, jestli se v nich vysílá nebo ne). Přidělování
se velmi rychle opakuje, takže vzniká iluze současného
přenosu
Statistické – přidělování časových úseků pomalým
kanálům na základě jejich aktuální potřeby => lepší
využití rychlého kanálu, ovšem jsou nutné režijní
informace.
38
Multiplexování

Synchronní časový multiplex
A1
B1
C1
A2
B2
C2
A3
B3
čas

Statistický časový multiplex
A1
R
B1
R
A2
R
B2
R RA3
R
A4
R
B3
čas

Vysílají pouze stanice A a B
Nutný podíl režijních informací (R, např.
adres stanic) u statistického multiplexu
39
Multiplexování

FDM (WDM) – Frequency/Wave Division Multiplexing

Frekvenční pásmo kanálu je trvale rozděleno na několik
přenosových kanálů a každý tento kanál je v čase trvalým výlučným
svého přiděleného frekvenčního (pod)pásma
Přenos analogového signálu na různých frekvenčních pásmech
Použití v distribuci TV signálu, optických vláknech a telefonii (s
digitalizací se od FDM ustupuje)
Úroveň signálu
F 300
F 60
3100 (Hz)
64
68
72(kHz)
40
Komprese

Transformace dat algoritmem (redukce počtu bitů)
pracující na principu potlačení redundantní
informace, kde po transformaci je objem dat nižší
než před ní (provádí se typicky na vysílači).
Transformaci pak lze provést i zpětně do původního
tvaru dat (tzv. dekomprese, na přijímači).

Bezztrátová komprese – po kompresi a dekompresi
dostaneme přesně stejnou původní informaci co do
velikosti a obsahu. Nutno použít pro kompresi dat (čísla,
texty).
Ztrátová komprese - dochází ke ztrátě některých (málo
důležitých) dat, má lepší kompresní poměr než
bezztrátová, nicméně data po dekompresi nejsou
identická (lze použít například u obrazu)
41
Komprese

Časová náročnost komprese

Kompresní algoritmy v komunikacích

Symetrická komprese – proces komprese i dekomprese
je časově přibližně stejně náročný
Asymetrická komprese – proces komprese je časově
mnohem náročnější než dekomprese
Fax G.3 dle ITU-T
Součásti kodeků (viz další témata)
MPEG 1,2,4 pro pohyblivý obraz a kvalitní zvuk
Pro statická data – algoritmy LZ, Huffman
Data jsou po kompresi přenesena za kratší dobu
(resp. za stejnou dobu lze přenést více dat).
42
Komprese

Měničem DCE (v 1., resp. 2. vrstvě)

Aplikací (nad 7. vrstvou)

Například pro aplikaci transparentní komprese
při přenosu modemem
Řeší aplikace sama vlastními prostředky
Původně dle RM OSI prezentační (6.)
vrstvou
43
Komprese faxu G.3

Textová stránka A4 je při rozlišovací schopností 200
bodů/palec vyjádřena 3 740 000 bity. K jejich
přenosu bychom potřebovali i při použití přenosové
rychlosti 56 kbit/s dobu kolem 1 minuty.
Použitím komprese dosahujeme přenosovou dobu
přes 1 minutu pro rychlost 4800 bit/s (tj.
potřebujeme pracovat s kompresním poměrem
alespoň cca 1:8).
Ke kompresi se u faksimile využívá modifikovaný
Huffmannův algoritmus, který kóduje bitovou mapu
po řádkách. Vychází z té skutečnosti, že v obraze
jsou dlouhé posloupnosti bílých nebo černých bodů.
44
Komprese faxu G.3

Každá posloupnost (bílá či černá) délky N je
kódována dvěma čísly m a n řazenými za sebou;
tato čísla odpovídají vztahu

N = 64m + n , kde m = <0,27> , n<0,63>.
Např. řada 200 černých bodů je kódována (64 x 3 + 8)
tj. čísly 3,8.
Vlastní čísla "n" a "m" umožňují vyjádřit
posloupnost s délkou 0 až 1728 (délka řádky
faksimile) bodů a jsou kódována různě dlouhými
kódy, v závislosti na četnosti jejich výskytu.
45
Komprese MPEG

Standard MPEG1

Standard MPEG2

V praxi se využívá nejčastěji pro videosekvence (s
audiem v kvalitě CD) s rozlišením 352x240 bodů,
snímkovou frekvencí 30 fps. Výsledný datový tok je 1,2
Mbit/s, při čemž kvalita odpovídá signálu VHS.
Využívá se pro dosažení vyšší kvality obrazu než MPEG1,
při jeho použití dochází k nižším ztrátám než u MPEG1,
vyžaduje však vyšší přenosové rychlosti.
Standard MPEG4

Je zaměřen na využívání nízkých přenosových rychlostí (
do 64 kbit/s), tj. pro komunikaci s využitím modemu a
ISDN. Typické charakteristiky videa jsou - rozlišení
176x144 bodů, snímková frekvence 10 fps.
46

2. vrstva - spojová: Řízení
provozu na spoji, zajištění
přenosu rámců mezi uzly.
Řízení toku, oprava chyb.

Dvoubodový spoj
Virtuální propojení obou
DTE (viz. obrázek v tématu
3), řízení spojení mezi nimi
Komprese
1. vrstva – fyzická:

Multiplexování
Komprese
7. Aplikační
6. Prezentační
5. Relační
4. Transportní
3. Síťová
2. Spojová
1. Fyzická
47