ίκτυα Υπολογιστών (Γ έτος, ΣΤ εξ) ιάλεξη #2η: To φυσικό επίπεδο: Αναλογικές και ψηφιακές επικοινωνίες, κυκλώµατα και µέσα µετάδοσης, διαµόρφωση, πολυπλεξία Γαβαλάς αµιανός dgavalas@aegean.gr Εαρινό εξάµηνο
Περίληψη διάλεξης Κυκλώµατα ιαµόρφωση 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 ιαµόρφωση, 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 ύο 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)
ιαµορφώσεις 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. ιακρίνονται 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 εν είναι εύθραυστα ή βαριά, ανθεκτικά στη φωτιά οµή 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 οµή 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) εν απαιτούν καλώδια (ούτε σκάψιµο!) Απαιτούν µεγάλες κεραίες (περίπου 4 m) τοποθετηµένες σε υψηλούς πύργους Έχουν παρόµοιες ιδιότητες µε το φως Ανάκλαση, διάθλαση,...
ορυφορικές 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
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: 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 M Internet PC M Ψηφιακά δεδοµένα Τηλεφωνική γραµµή Αναλογική µετάδοση ISP (Internet Service Provider) Τηλεφωνικό δίκτυο 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 360 ο 0 o 90 o 180 o 360 o 270 o
ιαµόρφωση (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: ιαµόρφωση πλάτους (Amplitude Modulation, AM) ιαµόρφωση συχνότητας (Frequency Modulation, FM) Γνωστή και ως Amplitude Shift Keying (ASK) Γνωστή και ως Frequency Shift Keying (FSK) ιαµόρφωση φάσης (Phase Modulation, PM) Γνωστή και ως Phase Shift Keying (PSK) Amplitude Modulation (AM) Αλλάζουµε το πλάτος του κύµατος για να κωδικοποιήσουµε δεδοµένα 22
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 23
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
ιαµόρφωση 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 ιαµόρφωση Πλάτους Παλµών (Pulse Amplitude Modulation, PAM) Η ΡΑΜ περιλαµβάνει 3 βήµατα: 1. ειγµατοληψία του σήµατος 2. Κβάντιση (αντιστοίχιση της τιµής κάθε δείγµατος στο κοντινότερο «κατώφλι») 3. Κωδικοποίηση κάθε «κβαντισµένης» τιµής ως δυαδικά δεδοµένα ιαδικασία ψηφιοποίησης αναλογικού σήµατος ειγµατοληψία (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) 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) Η FDM χωρίζει µία µπάντα συχνοτήτων σε µεγάλο αριθµό καναλιών καθένα από τα οποία χρησιµοποιεί ένα περιορισµένο εύρος συχνοτήτων 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) εν 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 ύσκολη 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) ιακύµανση 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)