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