itmo_conspects
Лекция 2. Физический уровень сетевого стека
От чего зависит скорость передачи данных по кабелю? На скорость передачи могут влиять:
- На уровне приложения вычислительная мощность взаимодействующих узлов, особенности прикладных протоколов, кодировка, алгоритмы приложений, наличие механизмов безопасности и тому подобное
- На транспортном уровне особенности протоколов, размер буферов, статистика ошибок и перегрузки
- На сетевом уровне топология и загруженность сети, алгоритмы маршрутизации, а также скорость и качество сетевых устройств
- На канальном уровне характеристики сетевой карты, спецификация канального протокола, вид и загруженность коммуникационных устройств
- На физическом уровне тип используемого кабеля, характеристики и качество пассивного оборудования, качество прокладки кабелей и расстояние между компонентами сети
Фактор влияния на физическом уровне являются верхней границей для максимальной скорости передачи, поэтому, чтобы увеличить пропускную способность, логично начать с усовершенствования кабеля
На физическом уровне передаче могут мешать:
- Электромагнитные помехи (EMI) от других источников
- Радиочастотные помехи (RFI) от Wi-Fi или микроволновой печи
- Перекрестные помехи (Crosstalk) от рядом лежащего кабеля
- Тепловые помехи от компонентов в сети
- Поглощение или затухание средой передачи
- Дублирование сигнала
По проводу можно передавать два типа сигнала:
- аналоговый - диапазон напряжения от низкого уровня до высокого относительно земли
- цифровой (или дискретный) - конечное число уровней, например, низкий уровень сигнала либо высокий
Приемник сам решат, как обрабатывать сигнал, получаемый по проводу, поэтому тип сигнала - это всего лишь интерпретация
На аналоговый сигнал очень сильно влияют помехи и затухание, поэтому чаще всего используют цифровой сигнал. Чтобы увеличить скорость можно увеличить частоту сигнала или усложнить сигнал (увеличить дискретизацию, то есть число уровней)
По Шеннону скорость передачи данных равна H log2(1 + S / N), где H - полоса пропускания фильтра, S - мощность сигнала, N - мощность шума
По Найквисту скорость 2H log2 V, где V - количество дискретных уровней
Увеличение полосы пропускания фильтра (например, использование платиновых проводов) - дорого. Увеличение количества дискретных уровней делает невозможным их различать и приводит к проблемам с аналоговым сигналом
Однако, если разложить цифровой сигнал с помощью преобразования Фурье, то можно получить ряд гармоник - синусоид и косинусоид, которые в сумме повторяют форму цифрового сигнала
Таким образом, чтобы пропускать больше дискретных уровней, нужно пропускать больше гармоник через полосу пропускания
Если для линии связи измерить отношение мощность выходного сигнала от входного для разных частот сигнала, то можно получить такую зависимость
То есть канал связи эффективно переносит сигнал в определенных частотах (в так называемой полосе пропускания), а в более высоких он более быстрее теряет амплитуду. Поэтому нет смысла переносить все гармоники для имитации цифрового сигнала, главное, чтобы основные лежали в полосе пропускания
Теперь двоичный сигнал нужно закодировать. Если несколько методов физической кодировки:
-
Код NRZ работает так: если бит равен 1, то уровень сигнала высокий, если 0, то низкий
Тогда возникает проблема: как чередовать последовательности из нулей и единиц. Здесь приемник и передатчик должны работать на одной частоте
-
Код Манчестер-II
В Манчестер-II ноль кодируется сменой с низкого сигнала на высокий, а единица сменой с высокого на низкий
Перед тем, как начать передачу сигналов, передатчик отправляет преамбулу синхронизации, чтобы приемник знал, в какой момент времени считать смену сигнала за бит информации и не путать 01 с 10
Манчестер-II используется в технологии Ethernet
-
Код PAM-5
В PAM-5 различаются 4 уровня. В нем 00, 01, 10 и 11 кодируются разными уровнями сигнала
PAM-5 используется в гигабитных каналах Ethernet
Помимо физического кодирования можно сделать логическое. Логическое кодирование нужно для обнаружения ошибок и улучшение условий передачи. Например, кодирование 4B/5B использует лишний бит для дополнительной информации:
| 16-ричная система | 2-чная система | 4B/5B код / |
|---|---|---|
| 0 | 0000 | 11110 |
| 1 | 0001 | 01001 |
| 2 | 0010 | 10100 |
| 3 | 0011 | 10101 |
| 4 | 0100 | 01010 |
| 5 | 0101 | 01011 |
| 6 | 0110 | 01110 |
| 7 | 0111 | 01111 |
| 8 | 1000 | 10010 |
| 9 | 1001 | 10011 |
| A | 1010 | 10110 |
| B | 1011 | 10111 |
| C | 1100 | 11010 |
| D | 1101 | 11011 |
| E | 1110 | 11100 |
| F | 1111 | 11101 |
| Символ | 4B/5B код | Сообщение |
|---|---|---|
| H | 00100 | Ошибка передачи |
| I | 11111 | Ожидание |
| J | 11000 | Начало потока |
| K | 10001 | Начало потока |
| L | 00110 | Начало потока |
| Q | 00000 | Потеря сигнала |
| R | 00111 | Сброс |
| S | 11001 | Набор |
| T | 01101 | Конец потока |
Код 4B/5B сделан так, чтобы при передачи 4 бит хотя бы дважды происходила смена уровня сигнала
Структурированная кабельная система - универсальная кабельная система здания, объединяющая в себе множество информационных …
С развитием качества коммуникаций отдельные кабельные системы для различных сервисов превратились в универсальные системы с гарантированной полосой пропускания, модифицируемостью, простотой эксплуатации
Появились различные стандарты (TIA/EIA-568, TIA/EIA-569, ISO/IEC 11801, ANSI/TIA-606), по который должны разрабатываться системы в зданиях. Они в основном определяют характеристики линий связи (амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, затухание), правила монтажа и эксплуатации, требования к проектирования и тестированию
Далее появился термин СКС:
Структурированная кабельная система (СКС) - универсальная кабельная система здания, объединяющая в себе множество информационных сервисов, таких как локально вычислительные, телефонные сети, системы видеонаблюдения и так далее
Для СКС существует ряд терминов:
- Рабочее место - область, где установлены технические средства пользователя, подключенные к кабельной сети здания.
- Горизонтальная кабельная проводка – кабельные линии, соединяющие рабочее место с коммутационным узлом этажа.
- Вертикальная кабельная проводка - кабельные линии, соединяющие коммутационный узел этажа с коммутационным центром здания.
- Магистральная подсистема - подсистема комплекса зданий, которая может строиться из медного и/или оптоволоконного типов кабеля, и которая объединяет кабельные системы зданий.
- Коммутационный узел этажа - область, в которой сходятся линии горизонтальной кабельной проводки, размещается коммутационное оборудование и осуществляется администрирование кабельной системы этажа
Пассивным оборудованием СКС считаются кабели, сплайсы, шнуры и перемычки, соединительное оборудование (такое как коммутационные панели, коробки, телекоммуникационные розетки)
Кабели бывают:
-
Симметричные электрические на основе витой пары
Для витой пары есть категории:
Категория Полоса пропускания Описание cat.5 100 МГц 4 пары, передача до 100 Мбит/с cat.5e 125 МГц 4 пары, самый распространенный, передача до 1000 Мбит/с cat.6 250 МГц 4 пары, передача до 10 Гбит/с на расстоянии не более 50 метров cat.7 600-700 МГц 4 пары с экранированием, передача до 10 Гбит/с - Одномодовые и многомодовые оптические
- Коаксиальные (или твинкоаксиальные)
Также кабели бывают с разной оболочкой, разной толщины, для разной среды использования и так далее