INF3190/4190 Løsningsforslag 4: Det Fysiske laget og Link laget

1. Funksjoner - Fysisk lag

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

- å klokke ut og ta imot bit, multipleksing/demultipleksing, koding av bit i basisbånd, modulasjon av bit inn på en bærebølge (amplitude, frekvens og fase -modulasjon)

b) Redegjør for problemstillinger rund sending av digitale signaler og synkronisering av sender og mottaker.

Digitale signaler sendes ved bruk av diskrete signaler (høyt og lavt signal). Utfordringen ligger i koding av bit inn på mediet:

c) Redegjør for forskjellige kodingsmetoder som skal avhjelpe problemene nevnt i oppgave b)

Manchesterkoding (kap4)

d) Gi eksempler på forskjellige transmisjonsmedia. Diskuter fordeler og ulemper ved dem, og angi anvendelsesområde.

twisted pair - billig, og det mest brukte mediet. Hovedsaklig brukt i telenettet og LAN i bygninger.
coaxialkabel - kan bære mange typer signal samtidig (data, tv, osv) over korte avstander. Brukes til overføring av TV-signaler og i LAN (data 50 ohm, tv 75 ohm)
optisk fiber - har stor kapasitet / høy båndbredde; er mindre og lettere enn kobberledninger (twisted pair); har lavere demping av signalstyrke og denne dempingen er konstant over en lengre rekkevidde; elektromagnetisk isolasjon (påvirkes ikke av andre elektromagnetiske kilder pga bruk av lysbølger og er dermed vanskeligere å avlytte/bryte); kan legges med større avstand mellom repeatere. Pga disse fordelene er fiberkabler svært mye brukt.
terrestrial mikrobølge - trådløst medium som krever at sender og mottaker har "øyekontakt". Er et alternativ til koaks eller fiber og benyttes steder der det er vanskelig å legge kabel.
satellitt mikrobølge - trådløst medium med rettede antenner som gir stort footprint som gjør det velegnet til distribusjon. Brukes til TV, telefoni og organisasjoner med private linker.
broadcast radio (radiobølger) - trådløst medium som ikke krever rettede antenner. Brukes til vanlig radio og TV
infrarød - trådløst medium hvor sender og mottaker må ha direkte øyekontakt og signalene stanses av bl.a. vegger, noe som gir bedre sikkerhet og minimerer interferensproblemer (som mikrobølger har). Ingen frekvensallokering av det infrarøde spekteret. Brukes mellom apparater som er fysisk nær hverandre, etc fjernkontroller, mobiltelefon, PC)

e) Redegjør for Nyquists og Shannons teorem. Forklar hvordan Nyquists teorem knyttes til begrepet sampling. Gjør noen egne forutsetninger og gi et regne-eksempel.

Kanalkapasiteten til en link påvirkes av en rekke forhold: datarate(bps), båndbredden til signalet gitt av transmisjonsmediet (Hz), gjennomsnittlig støynivå på linken og feilraten. Ønsket er å utnytte kommunikasjonslinken maksimalt, men alle medier har en båndbreddebegrensning gitt av mediets fysiske egentskaper og evt. bestemmelser ang. bruk (frekvensallokering, signalstyrke etc).

Nyquists teorem gir svar på hvor stor kanalkapasiteten målt i bps er ved støyfrie (ideale) forhold. C=2WlogM bps
Hvor C er teoretisk maksimal kanalkapasitet, W er signalets båndbredde og M er antall signalnivå (man tar binærlogaritmen av denne). Antall signalnivå beskriver hvor mange verdier signalet kan ha, dvs for 2 nivå kan vi kode bitverdiene 0 og 1. Ved flere nivåer (finere inndeling av spenningsskala) vil feks hvert enkelt av 4 nivå betegne 2 bit. Jo flere nivå, jo vanskeligere er det for mottaker å skille nivåene og avgjøre hvilket nivå et gitt signal tilhører.

Nyquists teorem uttryker en matematisk egenskap og har ikke noe å gjøre med teknologi. Det sier at hvis du har en funksjon hvis Fourier spektrum ikke inneholder noen sinus eller cosinus over f, så vil du ved å sample funksjonen ved en frekvens på 2f fange all tilgjengelig informasjon. Det gjelder således for alle media.

Shannons teorem tar utganspunkt i forholdet mellom datarate, støy og feilrate. Teoremet sier at for et gitt støynivå vil høyere datarate medføre flere feil. Det viktige parameteret i formelen er signal-støy forholdet (S/N), dvs forholdet mellom styrken i signalet og styrken på støyen. Det er hensiktsmessig å uttrykke dette forholdet i desibel fordi signalstyrken ofte faller logaritmisk. Måles ofte hos mottaker: (S/N)db = 10log(signalstyrke/støystyrke).
Dette forholdet setter en øvre grense for den oppnåelige dataraten, og kanalkapasiteten er gitt av formelen C = W log (1+S/N) bps
hvor kanalkapasiteten er produktet av båndbredden (Hz) og binærlogaritmen til 1+S/N

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

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 således 9 gard bands bor å unngå interferens. Minimum båndbredde som trengs er derfor 4000*10 + 400*9 = 43600Hz.

Oppgave 29

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

Oppgave 30

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

Oppgave 39

Meldingssvitsjing sender dataenheter som kan være vilkårlig lange, mens ved pakkesvitsjing har dataenhetene en maksimal størrelse (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 å komme til den endelige destinasjonen, må 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. Således er pakkesvitsjing raskest hvis s>(k-1)p/b

Oppgave 56

En 2Mbps downstream båndbredde-garanti til hvert hus impliserer høyst 50 hus pr koaksialkabel. Kabelselskapet må således 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?

Å konvertere en rå bitstrøm tilbydd av det fysiske laget til en strøm av rammer nettverkslaget over kan benytte (og motsatt).

b) Hvilke 3 grunnleggende tjenester tilbyr linklaget?

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

Innramming kan kort defineres som det å splitte opp en bitstrøm i håndterbare enheter. Hensikten er å legge på mottaker- og avsenderadresse, skille virkelgie data fra støy på linja, kunne oppdage og rette opp feil, samt å kunne benytte flytkontroll. Man kan brekke opp bitstrømmen i rammer (frames) ved å 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 på 'transmisjonsfeil'. Hvilke metoder kan benyttes for å detektere slike feil, og hva er fordeler/ulemper ved dem?

Transmisjonsfeil kan kort defineres som de feil som kan oppstå med data når de sendes over et nettverk. Den ekstreme løsningen på feilhåndterin er å sende med en eller flere fullstendige kopier av rammen. Heldigvis finnes det en rekke teknikker som ikke sløser fullt så mye med båndbredden:
Paritet er enkelt å 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 både horisontalt og vertikalt. Dermed kan det detekteres og rettes 1 bitfeil pr linje. Benyttes hovedsaklig i RAM og ikke så mye i kommunikasjon siden det er vanskelig å 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 nøye valgt tall t. Denne teknikken kan oppdage et antall bitfeil avhengig av størrelsen på t (som angir antall bit som legges i rammen).
CRC er pålitelig og effektiv og den mest brukte teknologien (med variasjoner) innenfor kommunikasjon. Den er tyngre å 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 pålitelig og gir mulighet for å rette feil på bekostning av behov for mer redundante data enn andre ikke-rettende teknikker. Benyttes når det er mer effektivt å rette enn å retransmittere (som ved høy RTT), eller ved konstant datstrøm (audio/video) hvor retransmittering ikke er aktuelt.