Grunderna i datatransmission och fysiska skiktet

Bitarna möter verklighetenSidorna 43 - 93 i boken

Data och information

• Data: information i format som kan behandlas av maskiner och människor

• Information: betydelseinnehållet i data• Kunskap (tieto): människans förståelse• Definitionerna varierar inom olika vetenskapsområden

– Nära filosofi, det har skrivits böcker om ämnet– Språkskillnader, t.ex. datatransmission = tiedonsiirto

• Exempel:– En bild i okomprimerat TIFF- ja komprimerat GIF-format kan innehålla

samma information, men datamängden i GIF-bilden är mindre• I JPEG-komprimering försvinner för ögat osynlig information

– För TCP och IP-protokollen är tillämpningsskiktets bitar data; HTTP ser pakethuvudet som information, men HTML-filen som data; för webbläsaren är HTML information

Datatransmission

• Informationen kodas som symboler (data)• Data överförs i lämpligt medium användande linjekodning• Olika media har egenskaper, t.ex. bandbredd, som

inverkar på transmissionen

Media: vågledare

• Kopparledning• Tvinnad parkabel• Koaxialkabel• Optik ledare

Media: fri utbredning

• Elektromagnetisk strålning– Radiovågor– Satellit– Mikrovågor– Laser– Infrarött

• Ljud

Kodning av diskret information

• Skriver språk består av bokstäver d.v.s. symboler som kan numreras– ASCII för bokstäver a-z, siffror och specialtecken– ISO-8859 -familjen för västerländska språk– Unicode för alla språk

• Bilder kan digitaliseras, likaså ljud och annan analog data– Rörlig bild (video) är en sekvens av bilder

Komprimering

• Baserar sig på Shannons informationsteori– N olika alternativ kan uttryckas med log2 N bitar

• Ifall datat innehåller upprepade mönster kan de uttryckas med överenskomna bitsekvenser

• Komprimering och dekomprimering kräver algoritmer implementerade i lämpliga program

• Det finns mängder av olika algoritmer och komprimeringsformat för olika datatyper– Lempel-Ziv, Huffman, JPEG, MPEG-2, MPEG-1 layer 3

Från analog data till digital

• T.ex. tal är analog data– Nästan oändligt med nyanser

• Nuförtiden överförs och lagras ljud oftast digitalt – Telefonsamtal, musik på CD

• Signalen samplas • Samplen kodas till en dataström• Enligt samplingsteorin bör samplingsfrekvensen vara

minst dubbelt signalens bandbredd– Digitala telefonnätet är uppbyggt enligt samplingsfrekvensen 8000

sampel/s och då kan ett ca. 4000 Hz band återges– Människans hörområde är ca. 20 - 20 000 Hz

Sampling

t

x(t)

n

xs(nT)

T

Digital data i en analog värld

• Bitarna måste kodas på lämpligt sätt• I basbandsmetoden kodas bitarna direkt till t.ex.

spänningsvärden, fungerar i media med relativt lite störningar i signalens frekvensområde

• Med hjälp av en bärvåg kan signalen skickas på önskat frekvensområde, signalen modulerar bärvågen– Amplitudmodulering– Frekvensmodulering– Fasmodulering

• För digitala signaler även mer invecklade kodningar – T.ex. CDMA som används i UMTS

Synkron och asynkron transmission

• Mottagaren måste kunna känna igen vad som är data• I asynkron transmission identifierar mottagaren början på

meddelandet (t.ex. en byte data) och samplar signalen tillräckligt ofta för att ta emot meddelandet– startbit, 8 databitar, paritet och stop bit

• I synkron transmission har sändaren och mottagaren klockan i samma tid, mottagaren vet när en bit borde läsas– Mer effektivt

Synkron basbandskodning

0 01 0 1 1 0 0 0 0 1 1

RZ

NRZ

Bipolar AMI

0

0

0

+

+

+

-

-

Klocksignal från kodningen

0 01 0 1 1 0 0 0 0 1 1

Manchester

Differential

Manchester

Bärvåg och modulering

0 01 0 1 1 0 0 0 0 1 1

AM

FM

PM

Egenskaper hos media

• Bandbredd (kaistanleveys, bandwidth)– Användbart frekvensområde

• Brus (kohina, noise)– Störningar i bakgrunden, får inte ändra signalen

• Överföringskapacitet (siirtokapasiteetti, capacity)– Hur många bitar per sekund kan överföras (beror på brusförhållandena)

• Felfrekvens (virhetaajuus, error rate)– hur många bitfel per sekund uppstår

• Fördröjning (viive, latency)– Tiden det tar för signalen att komma fram

• Svävning (huojunta, jitter)– Variation i fördröjningen

• Dämpning (vaimennus, attenuation)– Signalen tappar energi under transmissionen och måste förstärkas

0 0 0 0

0 1 0 1 1 0

11

Transmissionsfel

dämpningRundning p.g.a. bandbredd

Fördröjning

Skickad signal

Brus på linjen

Mottagen signal

SamplingMottagen data

Signalen i naturen

Signal-brus förhållande

• Analoga media medför alltid brus• Signalnivån i förhållandet till brusnivån är en väsentlig

mätare för kanalens kvalitet – SNR, Signal to Noise Ratio

• Uttrycks i decibel dB• T.ex. i ett analogt telefonnät kunde signalen vara 10 000

gånger starkare än bruset– Då är SNR = 10 log10 10000 = 40 dB

Bandbredd och kapacitet

• Varje kanal har en frekvenskurva som beskriver hur olika frekvenser t.ex. dämpas och förskjuts.

– En kanals bandbredd är det frekvensområde som med tillräcklig kvalitet kan överföras

– Uttrycks i Hertz, Hz

• En kanals kapacitet uttrycker den datamängd som kan överföras– Uttrycks i bit per sekund b/s

• Kanalens kapacitet beror på bandbredd och kodning• Nyquists formel för datatransmission

rmax = 2 W log2 Lrmax är största möjliga kapacitetW är kanalens bandbredd L är antalet signalnivåer

Brusets inverkan på kapaciteten

• Nyquists formel beaktar inte brus, med oändligt många signalnivåer för vi oändlig kapacitet

• Shannons formel beaktar brusetC = W log2 (1 + SNR) b/sC är kanalens kapacitet b/sW är kanalens bandbreddSNR är kanalens signal-brus förhållande

• Obs! Direkt förhållande, inte i dB

• Antalet signalnivåer inverkar inte, formeln ger största möjliga överföringskapaciteten – denna kapacitet kan förverkligas på olika sätt t.ex. med olika antal

signalnivåer

Störningar i överföring

• Brus– Inverkar på detektering av signalen

• Den mottagna signalen måste vara tillräckligt stark i förhållande till bruset. Signalnivån i sig är inte så viktig.

– Värme-energi i komponenter– Övriga radiosändningar och bakgrundsbrus i fri vågtransmission

• Störningsskur (purske, burst)– T.ex. mobiltelefon

• Överhöring från närliggande ledningar• Avbrott

Felkorrigering

• Fel kan korrigeras– Om det på förhand har inkluderats redundans, extra information i

meddelandet• T.ex. Hamming-kodning, till ett 4 bits meddelande läggs 3 bitar

data vilket möjliggör korrigering av alla en bits fel• Jmf. RAID-skivor för datorer

– Genom att detektera fel och sända meddelandet på nytt– Lämna okorrigerat

• T.ex. tal och video innehåller ofta naturligt tillräcklig redundans så att meddelandet är förståeligt trots små fel

Detektering av fel

• Cyclic Redundancy Check -kontrollsumma– Baserar sig på polynom– T.ex. CRC-CCITT detekterar up till 16 bitars felskurar

• Paritetsbit– Vanlig i terminalförbindelser och datorers minnen – Exempel: ett dataelement har alltid udda antal 1-bitar: 1110 0010 -

> 1110 0010 1

• Kryptografiska kontrollsummor (tiiviste, hash) skyddar mot medvetna ändringsförsök

• Feldetekteringsmetoden väljs enligt hurdana fel som förväntas i överföringen

Termer: simplex och duplex

• Simplex: enkelriktad transmission– T.ex. radioprogram

• Half-duplex: turvis dubbelriktad– T.ex. radiotelefon

• Duplex (full duplex): samtidigt dubbelriktad– T.ex. telefon

• Internet och andra datanät byggs oftast genom att kombinera simplex-förbindelser eftersom trafiken ofta är osymmetrisk (som WWW-trafik)– För användaren är tjänsten duplex

Termer: antalet mottagare

• Enkelsändning (täsmälähetys, unicast): sänds till en mottagare– Normal Internet-trafik

• Rundsändning (yleislähetys, broadcast):sändning till alla mottoagare– Rundradio– Sökning av tjänster i lokalnät

• Gruppsändning (ryhmälähetys, multicast): sändning till en viss grupp (som beställt tjänsten)– används t.ex. i Internet för videodistribution

• Anycast (jokulähetys, anycast): sänds till någon mottagare inom en grupp, mottagaren väljs på måfå– kunde kanske översättas som någonsändning?

Sammanfattning

• Fysiska skiktet representerar naturvetenskaper, närmast fysik och matematik

• en stor mängd olika tekniker för överföring av information har definierats för detta skikt

• Valet av teknik sker enligt behov och resurser - ingen teknik är överlägsen jämfört med andra