1
Datový spoj
• Datový spoj (Data Link) – organizovaný komunikační kanál
– Datové jednotky – rámce (frames) • indikátory začátku a konce rámce• režijní informace – záhlaví event. zápatí rámce
(identifikátor zdroje a cíle, řídící informace, informace o stavu spoje, kontrola bitové správnosti- FCS …)
• data určená k přenosu
– Formát rámce (včetně specifikace minimální a maximální délky) je určen příslušným přenosovým protokolem
– Protokol je souhrn pravidel, podle kterých probíhá dialog mezi vzdálenými entitami
2
Datový spoj
• Formát obecného rámce
Flag FlagFCSDataAdresa Řízení
záhlaví zápatí
Příznak začátku a konce rámce
není u rámců s pevnou délkou
3
Datový spoj
– Typy rámců• Rámce s pevnou délkou • Rámce s proměnlivou délkou• Datové proudy (streams)
– Musí být zajištěno oddělení režijních informací od dat– Řízení datového spoje zahrnuje:
• Synchronizaci rámců• Řízení toku rámců• Kontrola bitové správnosti
4
Datový spoj
• Synchronizace rámců – Asynchronní přenos – znakově orientovaný –
start/stop bit ohraničuje každý „znak“ (tj. 7/8 bitů), definice minimální vzdálenosti mezi znaky ……. velká přenosová režie
– Synchronní přenos – bitově orientovaný, libovolná sekvence bitů – začátek sekvence je dohodnutý bitový vzorek (preamble), konec může být ohraničen (postamble) ……menší přenosová režie
5
Datový spoj
• Kontrola bitové správnosti – detekce bitových chyb– Určeno protokolem– Paritní kontrola – paritní bit, sudá/lichá parita,
příčná (pro každý znak zvlášť) / podélná (pro všechny bity zprávy nebo její části) –
– Cyklická redundantní kontrola CRC – prostřednictvím dohodnutého algoritmu (mod2, polynomický CRC) se vypočítá kontrolní sekvence rámce FCS (Frame Control Sequence) a vloží se do rámce, cílový systém provede tentýž výpočet a výsledek srovná s přijatým FCS
6
Datový spoj
• Řízení toku rámců a bitové správnosti– Zabránění zahlcení přijímacího systému, omezení
kolizí (jamming) v komunikačním kanále– Zajištění opravného vyslání nekorektně přijatých
rámců
• Techniky pro komunikační kanály s násobným přístupem – typicky LAN
• Deterministické – TokenRing• Nedeterministické (stochastické) – CSMA/CD
(Carrier Sense Multiply Access/Collision Detection)
7
Datový spoj
• Token Ring
• CSMA/CD
token – režijní zpráva – oprávnění k přenosu
směr přenosu
možné kolize
8
CSMA/CD• CSMA/CD
– CSMA (Carrier Sense Multiply Access) – každá stanice monitoruje stav přenosového média a začíná vysílat jen v době, kdy je médium volné.
– CD (Collision Detection) – začne-li vysílat v krátkém časovém intervalu více stanic, nastávají kolize. Vysílající stanice je detekují, zastaví vysílání a vyšlou do sítě krátký „jamming signal“, který ostatní upozorní na kolize. Vysílání obnoví v náhodných časových intervalech po náslechu, zda je médium volné.
9
CSMA/CD
• CSMA/CD – nepředchází kolizím na sběrnici, ale detekuje je– Před zahájením vysílání zjistí, zda je kanál volný, v
případě, že není, počká určitou dobu a pokusí se vysílání zopakovat
– Náslech současně s vysíláním (po celou dobu vysílání).
– V případě, že byly detekovány kolize, vlastní vysílání okamžitě zastaví a vyšle do sběrnice informaci o detekci kolize – všechny stanice pak „zahodí“ dosud přijatá data znehodnocená kolizí
10
Stav kanálu volný ?
Připraveno k vysílání
Vysílá
Test kanálu kolize ?
Signál „jamming“
Příliš mnoho kolizí
Očekává„backoff“
ano
ne
ne
ne
ano
ano
ano
Vysílá zprávuo stavu kanáluKonec
vysílání?
Konec
Začátek
ne
11
CSMA/CD• Kódování „Manchester“
• Nejdelší doba, za kterou je kolize detekována, musí být pro max. délku segmentu menší než 51,2 μs („slot time“) – určuje minimální délku rámce (512 bitů) – kolize musí být detekována během vysílání
1 0 0 1 1
3
PC1 PC2
Kolize
1 2
4Detekce kolize
Max. délka segmentu ~ délka, kterou urazí čelo signálu za 51,2 μs
12
Kolizní domény
PC3 PC5
Sběrnice
Šíření signálu
PC1
HUB
PC2 PC3 PC4 PC1 PC2 PC3 PC4
Šíření signálu
Switch
Stromová topologie
CSMA/CA
• CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
• Na rozdíl od CSMA/CD předchází kolizím. • Princip:
– Je-li médium volné po určenou dobu, může stanice zahájit vysílání.
– Pokud je vysílání neúspěšné (druhá strana nepotrvdí příjem), zahájí exponenciální čekání.
– Pokud je médium obsazeno, počká na jeho uvolnění a následně zahájí exponenciální čekání, stejně jako při neúspěšném odvysílání.
• CSMA/CA využívají bezdrátové technologie (např. IEEE802.11 a IEEE802.15)
13
14
Datový spoj
–Techniky pro dvoubodové komunikační kanály (typicky pro WAN)
•Řízení toku – techniky Stop-and-Wait a Sliding WindowAnimace http://williamstallings.com/DCC/DCC7e.html
–sliding window–stop-and-wait
•Řízení správnosti přenosu (ztráta rámce, porušení rámce)
–Techniky :
» pozitivního/negativního potvrzení (ACK/NACK)
» opakovaní vyslání rámce po neobdržení potvrzení (ARQ – Automatic Repeat Request)
15
Datový spoj
• Příklady technik pro řízení datových spojů
– Význam použitých zkratek:• F X – rámec č.X• ACK – potvrzení (Acknowledgement)• NACK – negativní potvrzení• RR X – připravenost k přijetí rámce č. X
(Ready-to-Receive)• REJ X – odmítnutí rámce č. X (Reject)
16
Počítačové sítěDatový spoj
• Zvýšení využitelnosti spoje – multiplexing
jeden fyzický spoj je využit N přenosovými kanály• Techniky zvýšení využitelnosti komunikačního
kanálu – FDM, TDM, CDMA, OFDM
1
32
NN
2
1
17
Datový spoj
TDM (Time – Division Multiplexing) – časové sdílení spoje
čas
frekvence
časové sloty (time slots)
ČAS
FREKVENCE
18
Datový spoj
• Časový multiplexing – rámce z více zdrojů jsou vysílány ve stanovených časových úsecích – „time slots“
• Synchronní TDM – pro každý zdroj je pevně stanovený time slot – nižší využitelnost kapacity spoje, ale jednodušší implementace
• Asynchronní TDM (statistické, inteligentní) – dynamická alokace time slots (na vyžádání zdroje) – vyšší využitelnost kapacity spoje, náročnější implementace (STDM)
19
A
B
D
C
t1 t2 t3 t4 t5
STDM
TDM
A1 B1 B2 C2 C4A4 D5A5
Záhlaví obsahuje identifikátor zdroje a pořadí
cykly
A1 B1 C1 D1 D2C2B2A2
prázdné time slots
20
Datový spoj
FDM (Frequency – Division Multiplexing) sdílení frekvenčního rozsahu spoje
čas
frekvence
frekvenční kanály
čas
frekvence
Datový spoj
21
CDMA (Code Division Multiply Access) – z více zdrojů jsou současně vysílána data kódovaná rozdílnými kódy. Sdílení spoje časové i frekvenční.
Datový spoj
22
Srovnání frekvenčního, časového a kódového sdílení
Datový spoj
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
•Varianta FDMA
•Rozdělení frekvenčního rozsahu na oddělené nosné frekvence
•Nosné frekvence modulovány různými modulačními technikami
•Možnost současného vysílání stovek datových signálů, které se „sčítají“
•Použití v přenosech bezdrátových i v přenosech pevnými vodiči
23
Problém bezdrátových přenosů
24
Technika DSSS
25
Původní signál Kódovaný signál(v rozloženém spektru)
Dekódovaný signál
Direct Sequence :
Technika FHSS
26