Inhoud college
CSN-Networks 2/1
Handout
Zie: www.cs.uu.nl/docs/vakken/csn
CSN-Networks 2/3
Vandaag
CSN-Networks 2/2
College stof 1 Inleiding: geschiedenis, OSI model, standaarden, ISOC/IETF/IRTF structuur Secties: 1.2, 1.3, 1.4, 1.5 2 Fysieke laag: Bandbreedte/bitrate Secties: 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.6 3 Datalink laag: Error corrrectie, sliding window protocol Secties:, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.7 4 MAC sublaag: ALOHA, CSMA/CD, WLAN, Ethernet, bridges/switches Secties 4.1, 4.2, 4.3.1-4.3.4, 4.4, 4.5.1-4.5.2 5 Internet: Routing Secties: 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5 6 Internet: IP, TCP/IP Secties: 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 7 Internet Applications Secties: 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7.5
The OSI Reference Model
• Physical layer • Onderste laag • mechanische, electrische, optische specificaties,afmetingen van connectoren, diameter van fibers, voltage, frequencies, etc.
• College: • • • • • • • •
Theoretische begrenzingen Topologieën Electrical Physical Layer: Coax, utp Fiber TDM, WDM, FDM Draadloos LAN Satellieten Tapes
Fourier reeksontwikkeling
CSN-Networks 2/4
• Periodiek signaal g(t) periode T: Fourier ontwikkeling 7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
3
Network
2
Data link
1
Physical
ph sh th nh dh
ah data
Application
data
Presentation
data
Session
data
Transport
data
Network
data
T
dt
• Betekenis: • Ieder periodiek signaal (ook al is het 1 periode) kan beschreven worden als een constante offset en een som van frequentiecomponenten g( t ) =
Data link
∞ ∞ 1 c + ∑ an sin(2πnft ) + ∑ bn cos(2πnft ) 2 n =1 n =1
T
bits
Host A
Host B
• Kwadraat a n, bn en c is energie per component
Bandbreedte
• Media kunnen niet onbeperkte hoge en/of lage frequenties doorgeven • Baud rate versus bit rate • Baud = aantal veranderingen per seconde • Bitrate = aantal getransporteerde bits/seconde • Baud rate ≠ bit rate
• Vb: telefonie: laagdoorlaat filter 3000 Hz • • • • • •
T
Bitrate b bits/sec bij 2 level signaal: Feit dat we bytes kiezen bepaalt de periode T T = (8 bits per byte)/b = tijd om 1 byte te zenden bij bitrate b Basis frequentie is dus f = 1/T Hoogste harmonische = 3000/f = 3000/(b/8) = 24000/b Zijn er genoeg harmonischen om signaal te reconstrueren?
bn =
2 g(t )cos(2πnft )dt T ∫0
an =
= data path = protocol path
CSN-Networks 2/5
2 g(t )sin(2πnft )dt T ∫0
Physical
T
c=
2 g(t )dt T ∫0
• Dispersie is frequentie afhankelijkheid van weerstand: verschillende componenten hebben verschillende verzwakking
CSN-Networks 2/6
Harmonischen -> informatie
Binair (2 level) signaal: Harmonischen voor bit patroon 01100010 Conclusie: voor goede reconstructie: 4 harmonischen nodig => geeft bitrate 6000
CSN-Networks 2/7
Max data rate
dB
CSN-Networks 2/8
• Nyquist: • Willekeurig signaal met bandbreedte H kan gereconstrueerd worden door 2H exacte samples te nemen • Meer samples geen zin -> Fourier componenten eruit gefilterd • Indien signaal V discrete voltage levels heeft: Max data rate = 2H log2 (V) bits/s • Vb: 8 levels = 3 bits, 16 levels is 4 bits, …. • Ruisloos 2 level telefoon kanaal -> 2 * 3000 bits/s
• Bandbreedte => dus ook frequentie schuiven (kabelmodems)
• Signaalverhoudingen worden vaak logarithmisch uitgedrukt • Dus i.p.v. S1/S2 wordt de log(S log( 1/S2) gebruikt. gebruikt. • Omdat dit vaak kleine getallen oplevert oplevert wordt wordt dit dit met 10 vermenigvuldigd. vermenigvuldigd. De eenheid is dan dB. dB. • Voorbeeld: Voorbeeld: S1 is 2 * S2: verhouding S1/S2 = 2. • 10 * log(2) = 10 * 0.3 = 3 dB.
• Shannon: Handout
• Signalen met Signal S to Noise N verhouding: Max data rate = H log2(1 + S/N ) bits/s • Vb: telefoon: S/N = 1000 -> 30.000 bps
CSN-Networks 2/9
Voorbeeld datarate
• Veronderstel dat we een kanaal hebben met 4 niveaus, bandbreedte 4000Hz, en S/N van 20dB. • Hoeveel b/s kan er maximaal doorheen?
Network Topologies
CSN-Networks 2/10
• Topologies • Bus • Star
Nyquist: 2 * 4000 * log2 4 = 16 kb/s
• Ring
Shannon: S/N = 1020/10 = 100 H log2(1 + S/N ) = 4000 * log2(101) = 4000 * 6.658 = 26.6 kb/s
• Tree • Complete • Irregular
CSN-Networks 2/11
Ethernet (1)
• electrical physical layers • Coax:
CSN-Networks 2/12
Fast and Gigabit Ethernet
• Ethernet (10 Mbit/s) • • • •
max distance 2.5 km max segment 500 m, and 4 repeaters, carrier: 10 MHz square wave. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect), minimum message length from standard = 51.2 µ s = 64 bytes ( 51.2 µs * 2.10 8 = 51.2*200 = 10 km) • max message length 1500 bytes (datalink mac sublayer issues)
• Fast ethernet (100 Mbit/s) • Baseband coax (50 ohm) • Op 1 km kabel is 1 tot 2 Gbps haalbaar
• Broadband coax (75 ohm) voor kabeltelevisie • Up to 450 Mhz, frequentie banden voor inbound en outbound traffic • Tientallen Mhz voor telefoon+computer, rest voor televisie • Beroerde performance kabelmodems ligt aan architectuur netwerk
• UTP = unshielded twisted pair • 4 paar geisoleerde koperdraad van ongeveer 1 mm dik in plastic omhulsel • Op 100 meter met gebruik van alle paren is 500 Mbps tot 1 Gbps haalbaar
• same formats and rules as ethernet, just 10 times faster -> shorter (utp->100 m). In full duplex no restriction.
• Gigabit ethernet (1000 Mbit/s) • same formats and rules as ethernet, but minimal packet about 10 times longer, 512 bytes, (fiber -> 400m). In full duplex no restriction.
Fiber optica
CSN-Networks 2/13
•
•
•
• Multimode fiber => verschillende stralen door fiber met verschillende hoeken -> verschillende modes • Single mode fiber => diameter enige malen golflengte -> gedraagt zich als golfpijp -> gaat een mode door • Dispersie => lichtsnelheid als functie van frequentie fibers met positieve en negatieve dispersie achter elkaar • Terabits / fiber met WDM (128*20 gbit/s) Handout
Modulation (2)
CSN-Networks 2/15
• • •
How to map bit-sequences to signals? • The function that does this mapping is called a modulator. How to map (distorted!) signals to bit-sequences? • The function that does this mapping is called a demodulator. The method for modulation is that we introduce signal elements. A signal element is a signal of a finite duration (say T seconds) . For modulation we define a set of signal elements Example: two signal elements s0 and s1.
Modulation
• Bit value 0 is mapped to signal element s0 • Bit value 1 is mapped to signal element s1
• So, a bit-sequence 1001001 is mapped to the signal:
T
T
T
T
T
T
T
1
0
0
1
0
0
1
1.5 1 0.5
Return to zero modulation A (RZ) 0 Non-return to zero A modulation (NRZ)
-1
Broadband modulation - B-FSK
Manchester biA phase 0 modulation A
π f t) for 0 ≤ t < T • s = A * cos ( 2π f t) for 0 ≤ t < T • in the example: f = 1 Hz, f = 3 Hz, T = 1 second. s
0
= A * cos ( 2
T
1.5 1 0.5 s1(t)
-1 -1.5 T
1001001 (0 ⇒ s0, 1 ⇒ s1)
s1
T
T
T
T
T
T
T
T
T
0
1
1
0
0
1
0
0
1
T
T
T
T
T
T
T
T
T
0
1
1
0
0
1
0
0
1
T
T
T
T
T
T
T
T
T
0
1
1
0
0
1
0
0
1
• Another modulation scheme is Binary Phase Shift Keying (B-PSK): = -A * cos ( 2
for 0
=
for 0
0
1
0
π f t) π f t)
s s
⇒s
0
=
A * cos ( 2 T
T
0
1 1
⇒s
1
=
1
0
1
0 -0.5
0
1
0
-1 -1.5
Broadband modulation - B-PSK
CSN-Networks 2/18
• Binary: because there are 2 signal elements • Frequency Shift Keying: because we shift the frequency.
• The general definition of binary frequency shift keying is:
1 0.5
-0.5
0
0
• The example shown in ‘modulation’ is an example of Binary Frequency Shift Keying (BFSK).
•
s0
-0.5
-1.5
1.5
s0(t)
Baseband modulation
CSN-Networks 2/16
• The modulator maps bits to signal elements. • For instance:
CSN-Networks 2/17
Modulation
CSN-Networks 2/14
α1)/sin(β β1) • Totale reflectie => ηair/ηsilica = sin(α
1001001
⇒
≤ ≤
t < T t < T
T
T
T
T
T
T
T
1
0
0
1
0
0
1
Broadband modulation - Q-PSK
CSN-Networks 2/19
T
T
T
T
00
01
10
11
•
• s
s
0
s
1
s
2
3
• T
T
T
T
10
01
00
11
Multiplexing
CSN-Networks 2/20
•
Another function that can be present in the physical layer is multiplexing With multiplexing a single medium can be used to create channels between pairs of Physical SAPs 'Users' exchange transmit information using the channel. Multiplexing allows for: • •
Handout
Flexible use of a medium Efficient use of a medium
'User' 'User' #1
#2
'User' 'User' #3
#5
#4
#6
Medium
'User' 'User' #1
#2
'User' 'User' #3
#4
Physical Service Provider
WDM
CSN-Networks 2/21
CSN-Networks 2/22
• Wavelength Division Multiplexing
FDM
• Frequency Division Multiplexing
• 128 golflengten / fiber
TDM
CSN-Networks 2/23
CSN-Networks 2/24
• Time Division Multiplexing • Synchronous Transfer Mode , 1 2 3 4 5
MUX
... ... ... ... n
no address, global clock
2 1 n . . . 5 4 3 2 1 n . . . 5 4 3 2 1
control channel
DMUX
... ... ... ... n
1 2 3 4 5
• Telephone MUX • • • • •
8000 Hz * 8 bit = 64 Kbps (DS0) 24 channels multiplexed 24 * 64 Kbps = 1.544 Mbps (T1 or DS1) 28 DS1 channels are MUXed to DS3 = 44.736 Mbps DS1 and DS3 include overhead and management information Higher speeds via Synchronous Optical NETwork (SONET, American) or Synchronous Digital Hierarchy (SDH , European) standard, 51.840, 155.840, 622.080, 2488 Mbps
• telecommunications • Voice (64 Kbit/s) • T1 (1.544 Mbit/s) • T3 (44.736 Mbit/s) • E1 (2.048 Mbit/s) • E3 (34.304 Mbit/s)
Telefoon MUX (USA)
= 24 Voice channels multiplexed = 24 T1 streams = 16 E1 streams
CSN-Networks 2/25
Multiplexing
CSN-Networks 2/26
• For multiplexing a combination of TDM and FDM can be used also: hence within each portion of the bandwidth, time-slots are assigned to channels • Example: GSM
TDM switch
• store en forward • Delay in MUX
Maximum Bandwidth … …
Handout
f
…
… t
CSN-Networks 2/27
Draadloos Lan
• Twee toegestane frequenties: • • • • • • •
915 MHz en 2.4 GHz Afhankelijk van land meerdere banden Standaard 802.11 Bereik zo'n 100 - 400 meter zonder schotelantennes 1 - 2 - 5 - 8 - 10 - 11 Mbps CSMA/CD (wordt later behandeld!) MACA = Medium Access Collision Avoidance
CSN-Networks 2/28
Satelliet verbindingen
• Satelliet • Geostationaire baan op 36000 km boven evenaar, om 2º • Tiental gigahertz signaal (3 - 30) • propagation delay = afstand/snelheid = 2 * 3.60 * 10 7 m / 3 * 10 8 m/s = 0.240 s op evenaar 2 * 4.29 * 10 7 m / 3 * 10 8 m/s = 0.286 s op pool • Round trip time
± 540 msec • Broadcast medium • Goedkoper dan broadcast simulatie over point to point lijnen
• Internet loopt tegenwoordig alleen over (onderzeese) fibers behalve naar afgelegen gebieden, Rusland = 1 ms per 100 km
CSN-Networks 2/29
Tapes
CSN-Networks 2/30
Physical relaying
• Bandbreedte van een duif • Neem 36 Gbyte tape • Van Minnaert Gebouw 304 ( N52º5’8.3”, E5º10’1.9” ) naar UVA-WINS ( N52º21’48.1”, E4º54’51.8” ) = 35.4 km • 35.4 km vliegen voor een duif ongeveer 1 uur • BW = getransporteerde data/verstreken tijd = 36*10 9 * 8 / 3600 ≈ 80 Mbit/s • Ack scheelt factor 2 • Moraal: • Het is goedkoper en vaak sneller om enorme hoeveelheden bulk data met de post te sturen
• Assume that we need to bridge a very long distance • Assume that the signal is distorted severely if no measures are taken. • How to solve this problem? • Solution 1: use amplifiers • Place amplifiers in the line that amplifies the signal. • Hence, this is a solution at the medium level.
• Disadvantages of solution 1: • If there is already noise on the signal this noise will be amplified to. • Dispersed signals will remain to be dispersed
CSN-Networks 2/31
Physical relaying
• Solution 2: use repeaters • A repeater regenerates the bit sequence from the received signal (i.e. demodulates it) and generates a new signal out of this bit sequence and sends it over the next line (may be with a different modulation scheme) • Hence, this is a solution at the physical layer.
• Advantages of solution 2: Handout
• Noise can be kept low (it is not amplified) • We can minimize signal distortion • Different media can be connected.
