INF3190 - Vår 2010

INF3190/4190 L�sningsforslag 4: Det Fysiske laget og Link laget

1. Funksjoner - Fysisk lag

a) Hva er oppgavene til lag 1 i OSI modellen ?

- � klokke ut og ta imot bit, multipleksing/demultipleksing, koding av bit i basisb�nd, modulasjon av bit inn p� en b�reb�lge (amplitude, frekvens og fase -modulasjon)

b) Redegj�r for problemstillinger rund sending av digitale signaler og synkronisering av sender og mottaker.

Digitale signaler sendes ved bruk av diskrete signaler (h�yt og lavt signal). Utfordringen ligger i koding av bit inn p� mediet:

Hvordan vite om det sendes mange p�f�lgende 0-bit eller om linja er d�d?
Forskyving av 'baseline' signalet (gjennomsnittsverdi for h�yt/lavt signal)
Vanskelig klokkeavledning hvis mange p�f�lgende like signal. Klokkene hos sender og mottaker m� v�re n�yaktig synkronisert for at mottaker skal kunne lese av samme bitverdi som ble sendt fra den ander siden, og ogs� lese av like mange verdier

c) Redegj�r for forskjellige kodingsmetoder som skal avhjelpe problemene nevnt i oppgave b)

Manchesterkoding (kap4)

d) Gi eksempler p� forskjellige transmisjonsmedia. Diskuter fordeler og ulemper ved dem, og angi anvendelsesomr�de.

twisted pair - billig, og det mest brukte mediet. Hovedsaklig brukt i telenettet og LAN i bygninger.
coaxialkabel - kan b�re mange typer signal samtidig (data, tv, osv) over korte avstander. Brukes til overf�ring av TV-signaler og i LAN (data 50 ohm, tv 75 ohm)
optisk fiber - har stor kapasitet / h�y b�ndbredde; er mindre og lettere enn kobberledninger (twisted pair); har lavere demping av signalstyrke og denne dempingen er konstant over en lengre rekkevidde; elektromagnetisk isolasjon (p�virkes ikke av andre elektromagnetiske kilder pga bruk av lysb�lger og er dermed vanskeligere � avlytte/bryte); kan legges med st�rre avstand mellom repeatere. Pga disse fordelene er fiberkabler sv�rt mye brukt.
terrestrial mikrob�lge - tr�dl�st medium som krever at sender og mottaker har "�yekontakt". Er et alternativ til koaks eller fiber og benyttes steder der det er vanskelig � legge kabel.
satellitt mikrob�lge - tr�dl�st medium med rettede antenner som gir stort footprint som gj�r det velegnet til distribusjon. Brukes til TV, telefoni og organisasjoner med private linker.
broadcast radio (radiob�lger) - tr�dl�st medium som ikke krever rettede antenner. Brukes til vanlig radio og TV
infrar�d - tr�dl�st medium hvor sender og mottaker m� ha direkte �yekontakt og signalene stanses av bl.a. vegger, noe som gir bedre sikkerhet og minimerer interferensproblemer (som mikrob�lger har). Ingen frekvensallokering av det infrar�de spekteret. Brukes mellom apparater som er fysisk n�r hverandre, etc fjernkontroller, mobiltelefon, PC)

e) Redegj�r for Nyquists og Shannons teorem. Forklar hvordan Nyquists teorem knyttes til begrepet sampling. Gj�r noen egne forutsetninger og gi et regne-eksempel.

Kanalkapasiteten til en link p�virkes av en rekke forhold: datarate(bps), b�ndbredden til signalet gitt av transmisjonsmediet (Hz), gjennomsnittlig st�yniv� p� linken og feilraten. �nsket er � utnytte kommunikasjonslinken maksimalt, men alle medier har en b�ndbreddebegrensning gitt av mediets fysiske egentskaper og evt. bestemmelser ang. bruk (frekvensallokering, signalstyrke etc).

Nyquists teorem gir svar p� hvor stor kanalkapasiteten m�lt i bps er ved st�yfrie (ideale) forhold. C=2WlogM bps
Hvor C er teoretisk maksimal kanalkapasitet, W er signalets b�ndbredde og M er antall signalniv� (man tar bin�rlogaritmen av denne). Antall signalniv� beskriver hvor mange verdier signalet kan ha, dvs for 2 niv� kan vi kode bitverdiene 0 og 1. Ved flere niv�er (finere inndeling av spenningsskala) vil feks hvert enkelt av 4 niv� betegne 2 bit. Jo flere niv�, jo vanskeligere er det for mottaker � skille niv�ene og avgj�re hvilket niv� et gitt signal tilh�rer.

Nyquists teorem uttryker en matematisk egenskap og har ikke noe � gj�re med teknologi. Det sier at hvis du har en funksjon hvis Fourier spektrum ikke inneholder noen sinus eller cosinus over f, s� vil du ved � sample funksjonen ved en frekvens p� 2f fange all tilgjengelig informasjon. Det gjelder s�ledes for alle media.

Shannons teorem tar utganspunkt i forholdet mellom datarate, st�y og feilrate. Teoremet sier at for et gitt st�yniv� vil h�yere datarate medf�re flere feil. Det viktige parameteret i formelen er signal-st�y forholdet (S/N), dvs forholdet mellom styrken i signalet og styrken p� st�yen. Det er hensiktsmessig � uttrykke dette forholdet i desibel fordi signalstyrken ofte faller logaritmisk. M�les ofte hos mottaker: (S/N)db = 10log(signalstyrke/st�ystyrke).
Dette forholdet setter en �vre grense for den oppn�elige dataraten, og kanalkapasiteten er gitt av formelen C = W log (1+S/N) bps
hvor kanalkapasiteten er produktet av b�ndbredden (Hz) og bin�rlogaritmen til 1+S/N

Regneeksempler:
Nyquist: M=8, W=3100Hz gir C = 18600 bps (st�yfritt)
Shannon: W = 3100Hz, S/N = 30db gir C=30.894 bps (med st�y)

2. Oppgaver fra Tanenbaum kap.2

Oppgave 6

En passiv stjerne har ikke noen elektronikk. Lyset fra et fiber lyser opp et antall andre. En aktiv repeater omformer de optiske signalene til elektriske signaler for videre prosessering.

Oppgave 28

Det er 10 4000Hz signaler. Vi trenger s�ledes 9 gard bands bor � unng� interferens. Minimum b�ndbredde som trengs er derfor 4000*10 + 400*9 = 43600Hz.

Oppgave 29

En samplingstid p� 125 mikrosek tilsvarer 8000 sampler pr sekund. I henhold til Nyqists teorem er dette den samplingsfrekvens som trengs for � fange all informasjon p� en 4kHz kanal (telefon-kanal). I virkeligheten er den nomminelle b�ndbredden noe mindre, men skillet er ikke skarpt).

Oppgave 30

Sluttbrukerne f�r 7*24=168 av de 193 bitene i en ramme. Overhead er derfor 25/193*100 = 13%

Oppgave 39

Meldingssvitsjing sender dataenheter som kan v�re vilk�rlig lange, mens ved pakkesvitsjing har dataenhetene en maksimal st�rrelse (pakke), og enhver melding som er lengre enn dette splittes opp i multiple pakker.

Oppgave 42

Med linjesvitsjing settes forbindelsen opp ved t=s; ved t=s+x/b har det siste bitet blitt sendt; ved t=s+b/b +kd ankommer meldingen. Med pakkesvitsjing er det siste bitet sendt ved t=x/b. For � komme til den endelige destinasjonen, m� den siste pakken retransmitteres k-1 ganger av mellomliggende rutere, der hver retransmittering tar p/b sekunder. Den totale forsinkelsen er derfor x/b+ (k-1)p/b +kd. S�ledes er pakkesvitsjing raskest hvis s>(k-1)p/b

Oppgave 56

En 2Mbps downstream b�ndbredde-garanti til hvert hus impliserer h�yst 50 hus pr koaksialkabel. Kabelselskapet m� s�ledes splitte opp den eksisterende kabelen i 100 koaksialkabler og tilkoble hvert av disse direkte til en fibernode.

3. Linklaget - Definisjoner og funksjonalitet

a) Hva er hovedoppgaven til linklaget?

� konvertere en r� bitstr�m tilbydd av det fysiske laget til en str�m av rammer nettverkslaget over kan benytte (og motsatt).

b) Hvilke 3 grunnleggende tjenester tilbyr linklaget?

up�litelig forbindelsesfri tjeneste; avsener sender uavhengige rammer til mottaker uten kvittering (ACK)
p�litelig forbindelsesfri tjeneste; avsender sender uavhengige rammer til mottaker og hver ramme kvitteres individuelt
p�litelig forbindelsesorientert tjeneste; avsener og mottaker etablerer en forbindelse f�r dataoverf�ring. Linklaget garanterer at hver ramme som sendes blir mottatt, at rammene mottas n�yaktig en gang og at de mottas i riktig rekkef�lge.

c) Gi en kort definisjon p� 'innramming'. Hva er hensikten med innramming av data? Beskriv ulike teknikker for innramming.

Innramming kan kort defineres som det � splitte opp en bitstr�m i h�ndterbare enheter. Hensikten er � legge p� mottaker- og avsenderadresse, skille virkelgie data fra st�y p� linja, kunne oppdage og rette opp feil, samt � kunne benytte flytkontroll. Man kan brekke opp bitstr�mmen i rammer (frames) ved � telle/angi antall tegn(bit eller bytes), bytestuffing med start- og stop- bytes (eks. BISYNC), bitstuffing med start- og stop- flag (eks HDLC), eller klokkebasert counting (eks SONET).

d) Gi en kort definisjon p� 'transmisjonsfeil'. Hvilke metoder kan benyttes for � detektere slike feil, og hva er fordeler/ulemper ved dem?

Transmisjonsfeil kan kort defineres som de feil som kan oppst� med data n�r de sendes over et nettverk. Den ekstreme l�sningen p� feilh�ndterin er � sende med en eller flere fullstendige kopier av rammen. Heldigvis finnes det en rekke teknikker som ikke sl�ser fullt s� mye med b�ndbredden:
Paritet er enkelt � beregne, men kan kun oppdage 1-bitsfeil og har ingen muligheter for korreksjon av feil.
Todimensjonal paritet "fyller inn" en virtuell todimensjonal tabell med bit og beregner paritet b�de horisontalt og vertikalt. Dermed kan det detekteres og rettes 1 bitfeil pr linje. Benyttes hovedsaklig i RAM og ikke s� mye i kommunikasjon siden det er vanskelig � beregne on-the-fly.
Sjekksum kan betraktes som en videreutvikling av paritet hvor man beregner summen av bitene i rammen og sender dette tallet modula et n�ye valgt tall t. Denne teknikken kan oppdage et antall bitfeil avhengig av st�rrelsen p� t (som angir antall bit som legges i rammen).
CRC er p�litelig og effektiv og den mest brukte teknologien (med variasjoner) innenfor kommunikasjon. Den er tyngre � beregne enn paritet, men likevel lite CPU-krevende i forhold til hva moderne maskiner har tilgjengelig. CRC beregnes mens bitene sendes ut, og er relativt sterk i forhold til mengden redundante data.
FEC er p�litelig og gir mulighet for � rette feil p� bekostning av behov for mer redundante data enn andre ikke-rettende teknikker. Benyttes n�r det er mer effektivt � rette enn � retransmittere (som ved h�y RTT), eller ved konstant datstr�m (audio/video) hvor retransmittering ikke er aktuelt.