1FIZIKI SLOJ

Predmed: Osnovi raunarskih mrea

Nastavnik: Doc. dr Kemal Hajdarevi, dipl. el. ing

2 1. VRSTE KOMUNIKACIONIH MEDIJA Svrha fizikog sloja je prijenos bita od jednog do drugog raunara.

Razliiti fiziki mediji se koriste za taj prijenos. Svaki medij ima svoje mjesto s obzirom na irinu opsega, kanjenje,

cijenu i lahkou instalacije i odravanja. Mediji su grubo podijeljeni na: iane medije (bakarni provodnik i fiber optika) i beine medije (radiotalasi). Detaljnija podjela data je na slici 1.1.

Slika 1.1.

31.2 KABL SA UPREDENIM PARICAMA Najstariji i jo uvijek najei prijenosni medij je upredena parica

(twisted pair). Parica se sastoji od dvije izolirane bakarne ice, obino promjera oko 1 mm.

Parice se najee primjenjuju u telefonskom sistemu. Parice mogu biti koritene i za analogni i za digitalni prijenos. irina opsega zavisi od debljine ice i udaljenosti, ali nekoliko

megabita/sec moe se u mnogim sluajevima ostvariti na nekoliko kilometara.

Parini kabl dolazi u nekoliko varijanti, od kojih su dvije najpoznatije za raunarske mree: parice kategorije 3 (Category 3 twisted pair) i parice kategorije 5 (Category 5 twisted pair).

1.3. BASEBAND KOAKSIALNI KABL

Drugi znaajniji prijenosni medij je koaksialni kabal. Presjek koaksialnog kabla dat je na slici 1.2.

Bakarni provodnik

izolacioni materijal

mreni spoljani sloj

zatitni plastini

omot

Slika 1.2.

41.4. BROADBAND KOAKSIALNI KABL

Druga vrsta koaksialnog kabla koristi analogni prijenos preko standardnog televizijskog kabla. Ona se zove broadband (irokopojasni kabl).

Budui da broadband (irokopojasne) mree koriste standardni televizijski kabl, kablovi mogu biti koriteni do 300 MHz (a esto i do 450 MHz) i mogu se voditi gotovo 100 km sa odgovarajuom analognom signalizacijom, koja je mnogo manje kritina od digitalne signalizacije.

1.5. KABAL SA OPTIKIM VLAKNIMA

Optiki prijenosni sistem ima tri komponente: izvor svjetlosti, prijenosni medij i detektor. Uobiajeno, izvor svjetlosti indicira bit 1, a nepostojanje svjetlosti indicira bit nula 0. Prijenosni medij je vrlo tanko vlakno stakla. Detektor generie elektrini impuls kada svjetlost pada na njega.

Kada zraka svjetlosti prolazi od jednog medija do drugog, naprimjer, od stopljenog silicija do zraka, zraka svjetlosti se prelama na graninoj liniji silicij/vazduh, kako je prikazano na slici 1.3.

1 2 3

1 2 3

Vazduhvazduh/silicij granicna zona

silicij izvor svijetlosti

Potpuna unutranja refleksija

Slika 1.3.

5 Svaki snop svjetlosti ima razliit mode (reim), tako da fiber koji ima ove karakteristike je nazvan multimode fiber.

Meutim, ako se prijenik fibera reducira na nekoliko talasnih duina svjetlosti, fiber radi kao vodi talasa i svjetlost moe propagirati samo pravolinijski, proizvodei jedan single-mode fiber. Jednomodni fiberi su skuplji, ali se mogu koristiti za vee udaljenosti.

1.5.2. Optiki kablovi

Fiber optiki kablovi su slini koaksialnom kablu, osim to nemajuobrubnicu. Na slici 1-4 je prikazan jednomodni fiber. U centru je staklena jezgra kroz koju propagira svjetlost. Kod viemodnih fibera jezgra je debljine 50 mikrona, otprilike to odgovara debljini vlasi ljudske kose. Kod jednomodnih fibera jezgra je debljine 8 do 10 mikrona.

jezgra (staklo)

kouljica (staklo)

zatita (plastika)

jezgra

zatita

kouljica

omota

Slika 1.4.

6Dva tipa izvora svjetlosti se mogu koristiti za signalizaciju: LED diode (svijetlee diode) i poluprovodni laseri. Oni imaju razliite karakteristike, kako je prikazano u Tabeli 1.1.

SkupoNiska cijenaCijena

Znatna MinornaTemp. osjetljivost

KratkoDug ivotVrijeme ivotaVelikaKratkaUdaljenostMulti ili singl modMultimodMode

VelikaMalaBrzina podataka

Poluprovodni laser

LEDZnaenje

Prijemni kraj optikog fibera sastoji se od fotodiode, koja emituje elektriniimpuls kada je izloena svjetlosti. Tipino vrijeme odziva fotodiode je 1 nsec, koja ograniava brzine podataka na oko 1 Gbps.

71.6. PARAMETRI KOMUNIKACIONOG KANALA

Osnovni parametri komunikacionog kanala su: irina frekventnog opsega Kapacitet ili brzina prijenosa podataka Smjer prijenosa Vrijeme prijenosa podataka Vijernost prijenosa podataka Pouzdanost i raspoloivost

Kapacitet ili brzina prijenosa podataka definie broj bita koji se u jedinici vremenamogu prenijeti komunikacionim kanalom. Ova veliina se izraava bitima u sekundi(bps). Kapacitet kanala zavisi od vrste fizikog medija i varira u velikom dijapazonu, od nekoliko kbps za telefonske parice do nekoliko stotina Mbps za fiber optiku.

irinu frekventnog opsega definie razlika izmeu maksimalne i minimalne frekvencesignala, koja se moe prenijeti kroz kanal bez izoblienja. irina frekventnog opsegamjeri se u Hz.

Kapacitet kanala je jednak dvostrukoj vrijednosti frekventnog opsega.

1.7. NAIN PRIJENOSA PODATAKA Nain prijenosa podataka kroz kanal zavisi od:

Broja bita koji se prenose istovremeno Simultanosti prijenosa Vremenskog intervala izmeu znakova

U zavisnosti od broja bita koji se prenose istovremeno, prijenos moe biti paralelni iliserijski.

U zavisnosti od istovremenosti prjenosa, prijenos moe biti simpleksni, poludupleksni i dupleksni.

Vremenski interval izmeu znakova signala koji se prenosi odreuje da li je prijenosasinhroni ili sinhroni.

82. SLABLJENJE I DISTORZIJA SIGNALA

U toku transmisije preko kanala, signali trpe odreena izoblienja. Sljedei faktori utjeu na izoblienje signala (slika 1.5.):

slabljenje ogranienost frekventnog opsega (Bandwidth) izoblienje zbog kanjenja um

92.1. SLABLJENJE

Slabljenje signala podrazumijeva slabljenje amplitude signala. Korekcija slabljenja signala vri se pomou pojaivaa ilirepeatera. Pojaanje i slabljenje se mjere u decibelima (db), i onoje definisano na sljedei nain:

Slabljenje =10 log10 P1 / P2 (db) Pojaanje = 10 log10 P2 /P1 (db)

Primjer 1:Transmisioni kanal izmeu dva racunara sastoji se iz 3 sekcije. Prva

sekcija ima slabljenje 16 db, druga pojaanje od 20 db, a trea sekcija slabljenje od 10 db. Srednja transmisiona snaga signala je400 mW.

Odrediti srednju izlaznu snagu signala na kanalu.Prva sekcija: 16 = 10 log (400/P2)

P2 = 10,0475 mWDruga sekcija: 20 = 10 log (P2 / 10,0475)

P2 = 1.004,75 mWTrea sekcija: 10 = 10 log (1.004,75 /P2)

P2 = 100,475 mWSrednja izlazna snaga signala je 100,475 mW

10

2.2. OGRANIENA IRINA PROPUSNOG OPSEGA

Svaki periodian signal moe se predstaviti u formi beskonanog reda, ije su komponente sinusoide. Period signala odreuje komponentu fundamentalne frekvence. Ostale komponente imaju frekvence koje su multipl od fundamentalne frekvence i one se nazivaju harmonici.

Neka je v(t) proizvoljni periodini signal sa periodom T. Tada je:0 (rad/sec) - fundamentalna frekvencaT = 2pi / 0 (sec) - perioda0, an, bn - Fourievi koeficijenti , n = 1, 2, 3,.....

Fourievi koeficijenti su odreeni iz relacije:=T

dttvT

a0

0 )(1

=T

n dttntvTa

00 )cos()(

2

=T

n dttntvTb

00 )sin()(

2

11

U raunarskim komunikacijama signali su binarne sekvence oblika 101010.110110.11001100. Sekvenca 101010 ima najkrai period, odnosno najveu fundamentalnu frekvencu.

Postoje dva bazina tipa binarnih signala (slika 1.6.): Unipolarni Bipolarni

Fouriev red za unipolarni tip signala je oblika:v t

V Vt t t( ) (cos( ) cos( ) cos( ) ...)= + +

22 1

33 1

550 0 0pi

Fouriev red za bipolarni tip signala je oblika:v t

Vt t t( ) (cos( ) cos( ) cos( ) ...)= + 4 1

33 1

550 0 0pi

12

Komunikacioni kanal ima ogranienu irinu frekventnog pojasa(bandwidth). irina frekventnog pojasa (opsega) definie razliku izmeu najvie i najnie frekvence sinusoidalnog signala, koji se mogu transmitovati kroz kanal. Mjeri se u hercima (Hz).

Frekventni opseg telefonskog kabla je 3.000 Hz. Kroz kanal e proi samo one frekventne komponente koje se nalaze u irini frekventnog opsega.

Neka kanal ima irinu frekventnog opsega ( 0, fa ). Ako je fa =R/2, pri emu je R brzina bita kroz kanal (kapacitet kanala), tada e ovaj kanal propustiti sve frekventne komponente do fundamentalne frekvence, koju definiu binarne sekvence 101010.

Slika 1.6.

13

Primjer 2:

Kanal ima bit brzinu od 500 bps. Odrediti minimalnu irinu opsega za (slika 1.7.):

Fundamentalnu frekvencu Fundamentalnu frekvencu i trei harmonik Fundamentalnu frekvencu, te trei i peti harmonik

0 250 Hz 0 750 Hz 0 1250 Hz

Za sekvencu 101010 pri 500 bps, fundamentalna frekvenca je 250 Hz. Za trei harmonik je 3x250 = 750 Hz, a za peti 1250Hz.

14

2.2.1. Maksimalna brzina prjenosa bita kroz kanalMaksimalna brzina prijenosa podataka kroz kanal (po Nyquestu) jeC = 2 W log2 M,pri emu je

C = brzina prijenosa bita (bps)W = irina frekventnog opsega (Hz)M = broj nivoa po signalnom elementu

Za M = 2 (binarni sistem) ima se:C = 2 W

Slika 1.7.

15

2.3. DISTORZIJA KANJENJA

Brzina propagacije sinusoidalnog signala du transmisione linije varira sa frekvencom signala. Ta injenica izaziva efekat distorzije kanjenja signala.

2.4. UM Neka je

S _ snaga prijemnog signalaN snaga uma

Uvodi se pojam signal_to_noise rate (SNR), koji se definie na sljedei nain:

SNR = 10 log10 (S / N) (db) Brzina prijenosa informacija u kanalu sa umom (po Shannonu) data je

izrazom:C = W log2 (1 + S/N) (bps)

Primjer 5:

Za PSTN mreu tipini SNR = 20 db. Koliko je C (bps)? 20 = 10 log10 (S /N); S /N = 100 C = 3.000 log2 (1+ 100) = 19.963 bps

16

3. PROPAGACIJA SIGNALA

Razmatra se prijenos digitalnih informacija izmeu dva vora povezana fizikim medijem (slika 1.8.). Odailja (Transmiter) konvertuje povorku bita u transmisiju elektromagnetnih talasa.

Signali se transmituju kao elektromagnetni talasi.

Slika 1.8.

Dvije osobine ovih talasa omoguavaju transfer informacija:propagacija, kao kretanje od jednog do drugog prostornog mjesta,energija, kao nosilac informacija.

Na slici 1.9. dat je frekventni spektar elektromagnetnih talasa.

17

Vrijeme koje je potrebno signalu da doe od izvora do destinacije naziva se transmisiono propagaciono kanjenje ili propagaciono vrijeme i oznaava se saTp.

Brzina propagacije signala je izmeu 2-3 x 10 m/sec, a zavisi od vrste medija. Ako sa V oznaimo brzinu propagacije signala, a sa S rastojanje izmeu izvora i

odredita signala, tada je: Tp = S / V

Neka Tx predstavlja vrijeme transmisije bloka podataka na medij. Ovo vrijeme je odreeno brojem bita N koje ima blok i kapacitetom linka C izrazom

Tx = N / C Kolinik a = Tp / Tx igra znaajnu ulogu u transmisiji signala preko linka.

Slika 1.9.

8

18

Primjer 6:

Blok od 1.000 bita transmituje se izmeu dva racunara. Odrediti veliinu a za sljedee tipove linka:

telefonska parica sa C=10 kbps duine 100 m. 10 km koaksijalnog kabla transmisione brzine od 1 Mbps 50.000 km satelitskog linka sa brzinom transmisije od 1o Mbps.

Tp = S/V = 100/2x108 = 5 x 10-7 sec Tx = N / R = 1000 / 10000 = 0.1 sec a = Tp / Tx = 5 x 10-6 Tp = 10 x 103 / 2 x 108 = 5 x 10 5 sec Tx = 1000 / 106 = 10-3 sec a = 5x 10-2 Tp = 5x 107 / 3x 108 = 1.67 x10-1 sec Tx = 1000/ 10x106 = 10-4 sec a = 1,67 x 103

19

3.1. TRANSMISIJA BITA PREKO KANALA Elektromagnetni talasi koji se mogu transmitovati preko fizikog

medija, pokrivaju frekvence od nekoliko stotina do nekoliko milijardiherca (slika 1.10.). Ovakve talase transmiter moe modifikovati ne samo po amplitudi nego i po frekvenci i fazi. Ovakva transmisija signala naziva se modulaciona shema.

Kod unipolarne modulacije ulazni signal se mijenja na isti nain kao i biti, pa je njegova spektralna snaga skoncentrisana oko frekvence f = R /2. Ako pojaanje i faza kanala nisu konstantne oko frekvence R/2, signal e imati veliku distorziju. Ova modulaciona shema naziva se baseband transmisija.

Da bi se umanjio nepoeljan efekat baseband transmisije, koristi se broadband modulaciona shema. Ova modulaciona shema modifikuje spektar snage signala sa fundamentalne frekvence R/2na neku drugu frekvencu, koja zavisi od specifine modulacione sheme.

Slika 1.10.

Najee se koriste sljedee broadband modulacione sheme:frequency shift keying (FSK)amplitude shift keying (ASK)phase shift keying (PSK)

20

Proizvoljna povorka bita a(t) moe se predstaviti matematiki u obliku:

=

21

Modulaciona shema FSK transmisije signala a(t) moe se predstaviti na sljedei nain (slika 1.12.):

S tA f t zanR t

nR zan

A f t zanR tnR zan

FSK ( ) sin ( ),sin ( ),=

< = < =

2 1 12 1 0

1

0

pi

pi

Slika 1.12.

22

Modulaciona shema PSK transmisije signala a(t) moe se predstaviti na sljedei nain (slika 1.13.):

=

23

3.2. MODEMI

Postoji vie vrsta modema (Modulator/Demodulator). MODEM 300 bps Ovaj modem koristi FSK modulacionu shemu, sa sljedeim frekvencama

1.070 Hz za logiku 01.270 Hz za logiko 1

Postoji i druga varijanta koja koristi sljedee frekvence:2.025 Hz za logiku 02.225 Hz za logiku 1

MODEM 1.250 bps Ovaj modem koristi PSK modulacionu shemu. Predajnik emituje na

frekvenci od 1.200Hz, a prijemnik koristi frekvencu 2.400 Hz za odgovor MODEM 2.400 bps Ovaj modem kombinuje PSK i ASK modulacionu shemu.

24

4.TRANSMISIJA PODATAKA

Kad mi unosimo podatke u raunar preko tastature, svako slovo ili cifra su kodirani pomou elektronike u odgovarajui binarni kod. Za ovo kodiranje koristi se 7 ili 8 bita to omoguava 128, odnosno 256 razliitih kodova (codewords). Printer mora dekodirati svakih od ovih kodova u odgovarajui znak (slovo ili cifru).

Najee se za ovo kodiranje koristi standard ASCII ili EBCDIC (slika 1.14.). Oba koda ukljuuju print karaktere i kontrolne karaktere. Osnovni element u komunikaciji je bajt ili multipl bajta, kada se naziva word

(rije).

DELoO?/USSI1111~n^N>.RSSO0111}m]M=-GSCR1011|l\L

25

4.1. TRANSMISIONI REIMI Da bi prijemni ureaj dekodirao i interpretirao povorku bita, ureaj mora imati

mogunost da odredi: Start svakog bit perioda (samplovanje) Start i kraj svakog karaktera Start i kraj bloka podataka (frame/okvir) Ovi zadaci se nazivaju u literaturi:

Bit sinhronizacija Karakter (byte) sinhronizacija Blok (frame) sinhronizacija

Sinhronizacija se rjeava zavisno od toga da li je transmisija: Asinhrona ili Sinhrona.

4.2. ASINHRONA TRANSMISIJA Kod ove transmisije, podaci se transmituju u sluajnim intervalima vremena

(komunikacija tastatura-raunar) i oni su fiksne duine (1 byte). Prijemnik se mora sinhronizirati na poetku svakog karaktera. Da bi to bilo mogue, karakter koji se transmituje mora biti enkapsuliran izmeu start bita i jednog ili vie stop bita (slika 1.15.).

Slika 1.15

26

4.3. SINHRONA TRANSMISIJA Sinhrona transmisija se koristi za vee blokove bita i vee brzine. Za ovu

transmisiju neophodno je obezbijediti sljedee: Povorka bita je enkodirana tako da prijemnik moe obezbijediti sinhronizaciju Svi okviri imaju jedan ili vie rezervisanih bajta koji omoguavaju korektnu

interpretaciju Sadraj svakog okvira je enkapsuliran izmeu para rezervisanih bajta radi

sinhronizacije okvira (slika 1.16.).

Slika 1.16.

27

4.3.1. Vrste sinhrone transmisija Postoje dvije vrste sinhrone transmisije:

Karakter-orijentisana Bit-orijentisana transmisija

Karakter-orijentisana transmisija se koristi za transmisiju blokova karaktera kao to je fajl ASCII karaktera. Na poetku svakog bloka stavljaju se dva ili vie specijalnih karaktera koji se nazivaju SYN (slika 1.17.).

Podaci se nalaze izmeu dva specijalna karaktera STX i ETX. Prvi definie poetak, a drugi kraj okvira. Meutim, u stringu podataka moe se nai i kombinacija bita ETX, pa bi prijemnik to tumaio kao kraj okvira. Da bi se to izbjeglo, uvodi se specijalni karakter DLE u paru sa STX i ETX. Kako se i DLE moe pojaviti u stringu podataka, to odailja prije transmisije pretrauje string podataka i ako otkrije ovu kombinaciju, postavlja iza nje istu. Prijemnik, kad detektuje kombinaciju DLE-DLE, izbacuje ovu drugu. Ovaj postupak se naziva bajt stuffing.

Slika 1.17.

28

4.3.2. Bit-orijentisana transmisija Karakter-orijentisana sinhrona transmisija nije pogodna za

transmisiju binarno kodiranih podataka. Za to se koristi bit-orijentisana sinhrona transmisija. Kod ove transmisije koriste se tri sheme formatiranja okvira (slika 1.18.).

Slika 1.18.

FlagStart-of frame-delimiterBit encoding violation

29

U prvom sluaju poetak i kraj okvira oznaavaju se kombinacijom bita 01111110koja se naziva flag.

Druga shema se koristi u LAN mreama. Za sinhronizaciju se koristi specijalni karakter Preamble, koji ima 10 bita. Start-of-frame-delimiter predstavlja poetak podataka. U headeru se nalazi adresa primaoca, a Length bytes definie broj bajta koje sadri okvir, ime je indirektno definisan i kraj okvira.

Trea shema se koristi kod LAN mrea. Poetak i kraj okvira se oznaavaju nestandardnim bit-uzorkom, koji se naziva bit-encoding violations.

Da bi se izbjegla pojava flag kombinacije, u stringu bita podataka koristi se bit-stuffing, tako to se poslije svakih 5 jedinica stavlja 0, koju prijemnik izbacuje u postupku enkodiranja.

Poseban sluaj bit-sinhronizacije (samosinhronizacija) vezan je za Manchester kodiranje (slika 1.19.).

Slika 1.19.

30

5. KONTROLA GREAKA

Analizira se transmisiona linija sa sinhronom transmisijom paketa od N bitai bit-grekom BER. Treba izraunati vjerovatnou PER da je primljeni paket s grekom.

Vjerovatnoa da je bar jedan bit u paketu od N bita pogrean, data je relacijom:

PER = 1 - (1 BER)N Za N x BER

31

5.1. KOD ZA KOREKCIJU GREKI Za paket od N bita definie se novih M bita.

Slika 1.20.String od (M+N) bita naziva se codeword. Paket od N bita ima 2N codewords C(1),C(2),

C(3),). M se definie tako da se bilo koje dvije codeword razlikuju u d bita. Odailja alje pakete kao codeword. Ako je primljena codeword jedna od definisanih codeword, primljeni paket je ispravan. Ako je u primljenom paketu neispravnih q bita, i pri tome je q d/2, prijemnik e moi korigovati greku. Na slici 1.20. dat je primjer sa d = 5.

5.2. DETEKCIJA GREKIZa detekciju greki najee se koristi tehnika CRC (Cyclic redundancy code) i checksum

biti.Uoimo string M od m bita i string R od r bita. (slika 1.21.).

Slika 1.21.

32

String T moemo predstaviti na sljedei nain:T = M x 2r + R

String R se odreuje na sljedei nain: Definie se string G od (r+1) bita. String G se naziva generator. String R se odabere tako da je T = Ax G, A = Integer. 5.2.1. Raunanje stringa R Iz relacije T = M. 2r + R = AxG, slijedi M. 2r = AxG + R

Veliina R predstavlja ostatak dijeljenja stringa M.2r sa stringom G, koristeisabiranje po modulu 2 bez prijenosa.

Na slici 1.22. dat je primjer dijeljenja stringa M = 11100110 sa generatorom G = 11001. Kodna rije T = 111001100110, jer je ostatak dijeljenja R = 0110.

33

34

5.2.2. Generator G(x)

Generator G(x) odreuje tip greke koja se moe detektovati. Najeekoriteni generatori su:

CRC_16 = X16 + X15 + X2 + 1 CRC_CCITT = X 16 + X12 + X5 + 1 CRC_32 = X32 + X26 + X23 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4

+ X2 + X + 1

Generatori G(x) imaju najmanje 3 jedinina bita to omoguava detekciju: Svih jedininih bit-greaka Svih dvostrukih bit-greaka Svih neparnih bit-greaka Svih greaka u procijepu manjem od (r + 1) Najveu greku u procijepu veem od (r+1)