Potaov st Datov spoj Datov spoj Data Link

Počítačové sítě 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 Počítačové sítě - Datový spoj 1

Počítačové sítě Datový spoj • Formát obecného rámce Flag Adresa Řízení Data záhlaví FCS Flag zápatí Příznak začátku a konce rámce Počítačové sítě - Datový spoj není u rámců s pevnou délkou 2

Počítačové sítě 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 Počítačové sítě - Datový spoj 3

Počítačové sítě 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 Počítačové sítě - Datový spoj 4

Počítačové sítě 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 (mod 2, 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 Počítačové sítě - Datový spoj 5

Počítačové sítě Datový spoj Princip kontroly bitové správnosti Počítačové sítě - Datový spoj 6

Počítačové sítě 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 – Token. Ring • Nedeterministické (stochastické) – CSMA/CD (Carrier Sense Multiply Access/Collision Detection) Počítačové sítě - Datový spoj 7

Počítačové sítě Datový spoj • Token Ring směr přenosu token (oprávnění k přenosu) • CSMA/CD možné kolize Počítačové sítě - Datový spoj 8

Počítačové sítě Datový spoj • 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. Počítačové sítě - Datový spoj 9

Počítačové sítě Datový spoj • 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 Počítačové sítě - Datový spoj 10

Začátek Funkční schéma techniky CSMA/CD Očekává „backoff“ Připraveno k vysílání Stav kanálu volný ? ano ne Vysílá Test kanálu kolize ? Signál „jamming“ Příliš mnoho kolizí ano ne ne Konec vysílání? ano Vysílá zprávu o stavu kanálu Konec Počítačové sítě - Datový spoj 11

• Kódování „Manchester“ Počítačové sítě Datový spoj 1 0 0 1 1 • 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 Detekce kolize Kolize 4 3 PC 1 1 2 Max. délka segmentu ~ délka, kterou urazí čelo signálu za 51, 2 μs Počítačové sítě - Datový spoj PC 2 12

Počítačové sítě Datový spoj Sběrnice Šíření signálu PC 3 PC 5 Šíření signálu Switch HUB PC 1 PC 2 PC 3 PC 4 Stromová topologie Počítačové sítě - Datový spoj 13

Počítačové sítě Datový spoj • 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. IEEE 802. 11 a IEEE 802. 15) Počítačové sítě - Datový spoj 14

Počítačové sítě Datový spoj –Techniky pro dvoubodové komunikační kanály (typicky pro WAN) • Řízení toku – techniky Stop-and-Wait a Sliding Window –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) Počítačové sítě - Datový spoj 15

Počítačové sítě 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) Počítačové sítě - Datový spoj 16

Počítačové sítě Datový spoj • Zvýšení využitelnosti spoje – multiplexing 1 2 3 1 2 N N jeden fyzický spoj je využit N přenosovými kanály • Techniky zvýšení využitelnosti komunikačního kanálu – FDM, TDM, CDMA, OFDM Počítačové sítě - Datový spoj 17

Počítačové sítě Datový spoj TDM - Time Division Multiplexing – časové sdílení spoje FDM - Frequency Division Multiplexing sdílení frekvenčního rozsahu spoje Počítačové sítě - Datový spoj 18

Počítačové sítě Datový spoj TDM - Time Division Multiplexing – časové sdílení spoje frekvence t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 časové sloty (time slots) Počítačové sítě - Datový spoj čas 19

Počítačové sítě 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) Počítačové sítě - Datový spoj 20

Princip TDM a STDM A B C D STDM A 1 t 2 B 1 B 2 t 3 C 2 t 4 A 4 Záhlaví obsahuje identifikátor zdroje a pořadí t 5 C 4 A 5 D 5 cykly TDM prázdné time slots A 1 B 1 C 1 D 1 A 2 B 2 C 2 D 2 Počítačové sítě - Datový spoj 21

Počítačové sítě Datový spoj frekvence FDM - Frequency Division Multiplexing sdílení frekvenčního rozsahu spoje čas ……… čas f 1 f 2 f 3 f 4 f 5 fn ……… Frekvenční rozsahy (kanály) Počítačové sítě - Datový spoj frekvence 22

Počítačové sítě Datový spoj CDMA - Code Division Multiply Access z více zdrojů jsou současně vysílána data kódovaná rozdílnými kódy. Sdílení spoje časové i frekvenční. Počítačové sítě - Datový spoj 23

Počítačové sítě Datový spoj Srovnání frekvenčního, časového a kódového sdílení Počítačové sítě - Datový spoj 24

Počítačové sítě 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 Počítačové sítě - Datový spoj 25