Interfete si servicii
IDU ICI+SDU
IDU-Interface Data
Unit-unitate de date prin interfata
ICI-
Interface Control Information- informatii de control a interfetei
SDU-Service
Data Unit-unitate de date a serviciului
PDU =Protocol Data Unit
-unitate de date a protocolului
PDU =Fragmente de SDU+ antet, sau
PDU = Cateva SDU +antet
SAP= Service Acces Point- punct de acces la serviciu
Unitatea de date a protocolului PDU (Protocol
Data Unit)
Unitatea de date a serviciului SDU (Service Data Unit)
Transmisie orientata/neorientata pe conexiune
Transmisia
orientata pe conexiune (ca la sistemul
telefonic)
Ø Calea/ruta se stabileste inaintea transmisiei
Ø
Datele nu
au nevoie de adresa: e suficient numarul
circuitului
virtual, CV
Ø
Pe un circuit fizic exista circuite virtuale multiple
Transmisia neorientata pe conexiune (ca la sistemul postal),
foloseste datagrame DG
Ø
Fiecare
pachet trebuie sa aiba adresa completa
Ø
Fiecare
nod de comutare a pachetelor alege ruta pe baza adresei
Tipuri de servicii
Orientat
pe conexiune
Ø
Fiabil -orientat
pe caracter/byte
-orientat pe bit/mesaj)
Ø
Nefiabil -orientat pe caracter/byte
-orientat pe bit/mesaj
Datagram
(neorientat pe conexiune)
Ø
Fiabil -cu
confirmare
-cerere-raspuns
Ø
Nefiabil
Un serviciu este
fiabil daca nu au loc pierderi de date.
Acest lucru este posibil daca se face confirmarea receptiei fiecarui pachet.
Primitive de
servicii
La serviciul cu confirmare exista 4 primitive de servicii
1.
Cerere de conectare 3.
Confirmare de conectare
2.
Indicatie de conectare 4. Raspuns de conectare
Indicatie intrerupere
La
serviciul fara confirmare exista doar 2 primitive de servicii, cererea si indicatia
de conectare, nu exista nici confirmare nici raspuns
Dispozitive de interconectare
Repetor: dispozitiv de nivel fizic care reface adica regenereaza
datele si semnalele de coliziune. Este
folosit la LAN-uri cu topologie magistrala.
Hub: repetor multiport care permite detectarea defectelor si reluarea dupa
defectare. Este un element activ, in LAN-uri cu topologie stea. Fiecare statie
este conectata la hub prin doua linii, una de intrare si una de iesire. Cand o
singura statie transmite si hub-ul primeste semnalele pe acea linie de intrare,
el le va repeta pe toate liniile de iesire. Pentru evitarea coliziunilor, doar
o statie poate transmite la un moment dat. Daca exista mai multe hub-uri ele
pot fi conectate intr-o structura ierarhica, cu hub-uri intermediare IHUB
(Intermediate Hubs) si unul final HHUB (Header Hub). Desi topologia este stea
se comporta ca o magistrala.
Punte(bridge): dispozitiv
de nivel legatura de date care conecteaza doua domenii de coliziune si propaga si
difuzarea MAC.
Comutator de nivel 2 (switch): punte multiport cu cai paralele, de nivel legatura de date, pentru LAN-uri cu topologie stea,
care comuta pachetele de date sosite pe o legatura de intrare doar spre
legatura de iesire a statiei destinatie. Astfel, celelalte linii pot fi folosite pentru alt trafic. Switch-urile
pot memora pachetele sosite, (store-and-forward
switch) dupa care le transmit pe linia adecvata sau, deoarece adresa MAC e
la inceputul pachetului, pot sa le livreze direct pe legatura de iesire,
imediat ce nivelul 2 recunoaste adresa destinatie (cut-through switch), caz in care viteza este mai mare, dar nu mai are
timp pentru detectia erorilor (verificarea sumei ciclice de control). Exista insa
doua dezavantaje mari in cazul LAN-urilor conectate prin punti/switch-uri:
supraincarcarea cauzata de difuzare si absenta legaturilor multiple spre o statie.
Toate statiile conectate la o punte/switch au aceeasi adresa MAC de difuzare,
astfel ca daca se transmite un cadru cu o adresa de difuzare el va fi transmis
tuturor statiilor conectate la aceeasi punte/switch. Standardul pentru punti nu
permite existenta buclelor inchise in retea, deci nu este posibil sa existe mai
multe rute spre aceeasi statie, ceea ce scade performanta si siguranta.
Ruter: dispozitiv de nivel retea pentru comutarea de pachete care nu
propaga difuzarea MAC. Comutarea pachetelor se face prin software. Au fost
create pentru a elimina dezavantajele de la retelele conectate prin
punti/switch-uri. Retelele locale de mari dimensiuni sunt partitionate in mai multe subretele,
conectate prin rutere. Cadrele cu adresa MAC de difuzare vor fi trimise doar
subretelei destinatie. Dar, pentru expedierea pachetelor (forwarding), ruterul
trebuie sa proceseze adresa lor IP, ceea ce consuma timp; astfel, in timp ce
puntile pot procesa cateva milioane de pachete pe secunda, ruterele proceseaza
sub un milion de pachete pe secunda.
Comutator de nivel 3 (switch) : accelereaza procedura de
forwarding, care este implementata hardware, eliminand astfel inconvenientul
vitezei reduse a ruterelor. Exista doua variante de implementare: pachet cu
pachet - care procedeaza asemanator cu ruterele dar apeland la hardware pentru
expedierea pachetelor - respectiv orientat pe flux, la care se incearca
identificarea fluxurilor de pachete cu aceeasi adresa sursa si destinatie si
comutarea simultana a acestora pe rute prestabilite.
Poarta (gateway):
convertor de protocol / server intermediar pentru serverele care nu pot
comunica direct cu clientul (aplicatia)
Transmisia datelor prin
mediul fizic de comunicatie
Succesul receptorului in interpretarea corecta
a datelor receptionate depinde de banda
de frecventa, tipul de codare electrica, viteza datelor si raportul semnal pe
zgomot.
Capacitatea
canalului
La transmiterea prin
canale exista o serie de factori care afecteaza calitatea semnalului :
atenuarea, zgomotul si intarzierea. Atenuarea semnalului sau reducerea puterii acestuia depinde de
distanta, si ea se defineste ca raportul:
unde 
este puterea transmisa, iar 
este puterea receptionata. Pentru medii
ghidate atenuarea este exponentiala si de aceea este deseori exprimata in
decibeli (dB) per unitatea de distanta. Pentru medii neghidate atenuarea este o
functie mai complexa care depinde atat de distanta cat si de conditiile
atmosferice. Existenta atenuarii impune trei conditii de care trebuie tinut cont
in ingineria comunicatiilor: i) semnalul receptionat trebuie sa aiba o putere
suficienta pentru ca circuitele electronice ale receptorului sa-l poata detecta, ii) nivelul semnalului sa fie
suficient de mare fata de cel al zgomotului, ca semnalul sa poata fi receptionat
fara erori, iii) atenuarea semnalului creste deseori odata cu cresterea frecventei.
Primele doua conditii se rezolva asigurand semnalului o putere suficienta la
emisie si folosind amplificatoare si repetoare, dar trebuie ca puterea sa nu fie atat de mare incat sa aduca circuitele in
zone de neliniaritate, ceea ce ar duce la deformari suplimentare ale
semnalului. A treia problema se rezolva prin egalizarea atenuarii in banda de
frecvente in care se face transmisia, cu circuite pasive (bobine), sau folosirea
unor amplificatoare care amplifica mai mult semnalele de frecvente inalte decat
cele de frecvente joase.
Pentru transmisiunile digitale sau numerice
se pune problema cum sa fie tratate efectele canalului astfel incat datele sa
poata fi transmise la o viteza cat mai mare.
Capacitatea
canalului este viteza maxima cu care
se pot transmite datele printr-o cale de comunicatie sau canal, in anumite
conditii. Exista patru notiuni care trebuie avute in vedere:
Debitul datelor reprezinta viteza, in biti pe secunda (bps) la care pot fi
comunicate datele.
Banda de frecvente, sau latimea de banda,
reprezinta banda semnalului transmis, impusa de transmitator si de natura
mediului de transmisie, exprimata in cicluri pe secunda sau Hertzi (Hz).
Zgomotul reprezinta nivelul mediu al
zgomotului prin calea de comunicatie.
Probabilitatea
erorii sau rata erorii este rata
de aparitie a erorilor si se calculeaza ca raportul dintre numarul de biti eronati
receptionati si numarul total de biti transmisi; prin eroare se intelege receptionarea
unui 1 cand s-a transmis un 0, sau invers receptionarea unui 0 cand s-a
transmis un 1.
Terminalul de date sau
calculatorul transmite datele sub forma unor simboluri binare, sau biti. La transmiterea in canal, forma de semnalizare poate fi pastrata sau modificata, de catre echipamentul numit modem. Numele
este o abreviere de la modulare-demodulare, deoarece in acest
echipament, datele moduleaza de
obicei un semnal sinusoidal, numit purtatoare, modificandu-i unul din parametrii care o caracterizeaza si anume: amplitudinea, faza sau frecventa. Daca insa, transmisia se face in banda de baza, adica prin niveluri de tensiune continua, ridicate sau
coborate, atunci nu mai apare operatia de modulare a purtatoarei la emisie, respectiv de demodulare la receptie, dar echipamentului i s-a pastrat denumirea de modem. Acesta se numeste modem in banda de baza si contine la emitator un codor, care schimba codarea NRZ a datelor livrate de terminalul
de date, intr-o codare mai adecvata transmisiei, ca de
exemplu codare RZ, Manchester, AMI, HDB3, codare bipolara, codare multinivel, etc. La receptor exista decodorul, care
reface secventa binara din simbolurile receptionate din
canal. Astfel, in canalul de comunicatie se pot transmite alte tipuri de simboluri,
diferite de simbolurile binare livrate modemului de terminalul de date.
Terminalul de date se numeste DTE (Data Terminal Equipment), iar
viteza datelor sau debitul D al datelor livrate la iesirea sa si la
intrarea in modem se masoara in biti pe secunda, sau bps. Modemul se numeste DCE (Data
Circuit Equipment), iar viteza semnalelor de la iesirea sa si deci din canal se numeste viteza de semnalizare
v, si se masoara in numar de simboluri
pe secunda adica baud sau Bd. Relatia dintre debit si viteza de semnalizare este:
unde M este o putere a lui 2, si reprezinta numarul de simboluri posibile
din canal.
Exista doua teoreme care stabilesc limitele pentru viteza de transmisie, pentru
canale fara zgomot, respectiv cu zgomot: teorema lui Nyquist si teorema lui
Shannon.
Cosiderand
un canal fara zgomot
sau ideal, singura limitare impusa vitezei
datelor este cea data de banda de frecvente. Teorema lui Nyquist pentru canale ideale afirma ca daca B este banda de frecvente disponibile a canalului
echivalent cu un filtru trece-jos ideal, atunci viteza
datelor prin canal, pentru
codarea cu 2 niveluri, este:
Exemplu: consideram o cale vocala ideala, la care transmisia semnalelor
binare se face in banda (300 - 3400) Hz, deci banda sa este de 3100 Hz. Semnalele
numerice se transmit prin intermediul unui modem. Atunci capacitatea canalului
este C=2B=6200 bps.
Codarea multinivel (M niveluri): in canale pot fi insa folosite semnale cu mai
mult de doua niveluri, astfel incat fiecare element de semnal poate reprezenta
sau transporta mai mult decat un singur bit. Daca, de exemplu, se foloseste o
reprezentare cu 4 niveluri de tensiune, atunci fiecare element de semnal va
transporta 2 biti (
), iar daca
se foloseste o reprezentare cu 8 niveluri de tensiune atunci fiecare element de
semnal va transporta 3 biti (
). La
semnalizarea multinivel, formula lui Nyquist devine:
Pentru o banda data, debitul datelor poate
fi crescut marind numarul simbolurilor din canal. Evident ca acest lucru complica sarcina
receptorului, care va trebui sa faca distinctie nu numai intre doua simboluri
ci intre mai multe, din cele M posibile. Aceste formule reprezinta valori maxime teoretice pentru canalele ideale; in
canalele reale, zgomotul si alte efecte limiteaza valoarea lui M.
Teorema lui Shannon pentru
canale reale.
Teorema lui Nyquist arata ca, pastrand
constante celelalte conditii, dublarea benzii permite dublarea ratei datelor. Sa
consideram acum relatia dintre rata datelor, zgomot si rata erorii. Zgomotul
poate corupe unul sau mai multi biti. Daca rata datelor creste, atunci fiecare
bit va dura mai putin, astfel ca pentru o anumita structura a zgomotului vor fi
afectati mai multi biti. Deci, pentru un
anumit nivel de zgomot, cresterea ratei datelor duce la cresterea ratei
erorilor. Pe de alta parte, pentru un anumit nivel de zgomot, cresterea puterii
semnalului va permite receptorului sa detecteze corect un numar mai mare de biti
in prezenta zgomotului, deci scade rata erorilor. Elementul cheie in acest rationament
este raportul semnal pe zgomot care
este raportul dintre puterea semnalului si puterea zgomotului, notat fie cu SNR (Signal-to-Noise Ratio), fie cu S/N.
Acest raport se exprima in valori absolute, ca raportul 
dintre cele doua puteri, a semnalului S, si a
zgomotului N. Raportul exprimat in decibeli, se calculeaza cu formula:
.
Un raport SNR mare inseamna o calitate buna a semnalului receptionat si
un numar redus de repetoare. Acest raport e important in transmiterea datelor numerice, deoarece impune limita
superioara pentru rata datelor.
Cel care a stabilit
formula pentru capacitatea maxima a
canalului, in prezenta zgomotelor, a fost C. Shannon:
Se poate folosi o formula aproximativa in care raportul semnal/zgomot
se introduce in decibeli
Puterea zgomotului
este proportionala cu B, banda de frecvente utilizata, deoarece:
unde 
este densitatea spectrala de putere a zgomotului.
Exemplu: pentru o linie telefonica, B =
3100 Hz si S/N = 30 dB. Deci,
Capacitatea va fi:
sau
Capacitatea indicata de
formula lui Shannon e denumita "capacitate fara erori"
("error-free capacity"). Shannon a aratat ca daca informatia se transmite prin
canal la o rata mai mica decat cea data pentru capacitatea fara erori, atunci
este posibila codarea informatiei cu un cod adecvat, pentru a atinge aceasta
limita superioara, dar nu a specificat cum trebuie creat acest cod.
Codarea electrica a datelor. Succesul receptorului in interpretarea corecta
a datelor receptionate depinde de banda
de frecventa, tipul de codare electrica, viteza datelor si raportul semnal pe
zgomot.
Elementul de semnal este impulsul.
Transmiterea datelor binare se face asociind fiecarui bit unul sau mai
multe elemente de semnal. In cazul cel mai simplu e o corespondenta unu la unu intre
biti si elementele de semnal. De exemplu, 1 logic e reprezentat prin nivel
ridicat de tensiune, iar 0 logic e reprezentat prin nivel scazut de tensiune.
Dar exista si alte metode de reprezentare electrica a datelor (vezi figura de
mai sus).
Viteza de semnalizare sau
viteza de modulatie se masoara la iesirea modemului
si arata viteza cu care se schimba starile semnalului in canalul de comunicatie:
v=1/durata elementului minim [Baud].
Viteza datelor, rata
datelor sau debitul terminalului de date:
R=1/T [biti/secunda sau [bps],
T fiind durata bitului sau perioada de
bit.
S a
afirmat deja ca succesul receptorului in interpretarea corecta a datelor receptionate
depinde de banda de frecventa, tipul de codare electrica, viteza datelor si raportul
semnal pe zgomot. Daca ceilalti factori raman constanti, atunci:
Cresterea vitezei datelor duce la
cresterea probabilitatii de eroare, BER (Bit Error Rate),
Cresterea S/N duce la scaderea
probabilitatii de eroare, BER,
Cresterea benzii permite cresterea
vitezei datelor.
Alegerea
metodei de codare depinde de:
Spectrul semnalului: absenta componentelor de inalta frecventa inseamna ca
banda necesara transmisiei este mai redusa; este de dorit sa nu existe componenta
continua, ca sa poata fi interconectate dispozitivele prin transformatoare,
ceea ce permite izolarea electrica si reducerea interferentelor. In plus,
caracteristica de transfer a canalului (de atenuare si de faza) este mai buna
la mijlocul benzii de trecere si mai dezavantajoasa la capetele benzii, astfel
ca un semnal "bun" este cel care are energia concentrata la jumatatea benzii de
transisie. In acest caz distorsiunile vor fi minime in semnalul receptionat.
Numarul mediu de tranzitii pe bit: pentru o detectie corecta a semnalului la
receptor, e necesar sa fie stabilit cu precizie inceputul si sfarsitul bitului,
ceea ce este o problema dificila. Ideal
ar fi sa se transmita o secventa speciala de impulsuri de tact care sa faca sincronizarea receptorului, solutie care este
insa costisitoare. Alta solutie, mai utilizata, este folosirea unei codari
electrice, prin care semnalul de date sa contina suficiente tranzitii, din care
se formeaza impulsurile care sa permita sincronizarea receptorului.
Detectia erorilor, se face de obicei in nivelul legatura de date, superior
nivelului fizic, dar este util sa existe si in nivelul fizic aceasta
posibilitate, astfel incat erorile pot fi mai rapid detectate.
Interferenta semnalelor si imunitatea
la zgomot: anumite coduri au performante superioare in prezenta zgomotelor,
care se cuantifica prin probabilitatea ca un bit sa fie eronat dupa detectie, BER
(Bit Error Rate).
Complexitate si cost: desi costul logicii cablate numerice scade, acest
factor nu poate fi neglijat. Costul creste odata cu cresterea vitezei de
semnalizare. Anumite coduri duc la o viteza de semnalizare mai mare decat
viteza datelor, ceea ce implica o banda necesara mai mare, deci costuri mai mari.
Codarea
electrica a datelor:
Codarea NRZ (Non Return to Zero) sau NRZ-L (Level): se pastreaza acelasi nivel de
tensiune pe toata durata bitului; la NRZ unipolar, de exemplu 0 logic e asociat
cu absenta de semnal, iar 1 logic cu un nivel pozitiv de tensiune. La NRZ-L bipolar,
1 logic e reprezentat cu un nivel de tensiune si 0 logic cu acelasi nivel de
tensiune dar de polaritate opusa. Banda ocupata este minima, apare componenta
continua, iar numarul mediu de tranzitii pe bit este insuficient pentru
sincronizarea receptorului.
Codarea RZ (Return to Zero): nu se pastreaza acelasi nivel de tensiune pe toata durata bitului; banda ocupata
este dubla fata de NRZ, dar si numarul
mediu de tranzitii pe bit este dublu fata de NRZ
Codarea unipolara: elementele de semnal au aceeasi polaritate, fie
toate pozitive, fie toate negative; apare componenta continua
Codarea polara: o stare logica e reprezentata prin nivel pozitiv de
tensiune, iar cealalta stare logica prin nivel negativ de tensiune. Avantajul
este absenta componentei continue.
Codarea cu conservarea fazei pentru acelasi simbol: NRZ, NRZ-L, Manchester.
Codarea fara conservarea fazei pentru
acelasi simbol sau codarea diferentiala: informatia este purtata de schimbarea fazei,
nu de faza simbolului, care difera pentru acelasi simbol. Din aceasta categorie
fac parte: NRZ-M (Mark-numai aparitia lui 1 duce la schimbare de nivel) sau NRZI
(NRZ Invert on One); NRZ-S, (Space- numai aparitia lui 0 duce la schimbare de
nivel).
Sunt posibile combinatii intre ele, de
exemplu NRZ unipolar, NRZ bipolar, RZ unipolar, RZ bipolar, etc.
Codurile RZ ocupa o banda dubla fata de NRZ,
deci au SNR pe jumatate (sau cu 3 dB mai mic) decat NRZ. In schimb creste numarul
mediu de tranzitii pe bit, deci permit o sincronizare mai buna a receptorului.
La codarea Manchester, unde 1 logic este
reprezentat prin nivel ridicat si coborat de tensiune HL (High-Low) in perioada
T de bit, iar 0 logic prin nivel coborat si ridicat de tensiune, LH(Low-High),
se asigura o tranzitie pe bit, deci o
sincronizare buna a receptorului, dar banda ocupata este dubla fata de codarea
NRZ, deci SNR mai mic cu 3dB, ceea ce poate conduce la cresterea numarului de
erori.
Codarea
AMI (Alternate Mark
Inversion): 1 apare cu polaritate alternanta, iar 0 e reprezentat ca 0 volt sau
absenta de semnal; se elimina astfel componenta continua. Deoarece fiecare 1
introduce o tranzitie, sirurile lungi de 1 permit o sincronizare buna a
receptorului, dar sirurile lungi de 0 nu, deoarece nu apar tranzitii
suficiente. Nu apare componenta continua, deoarece pentru 1 alterneaza
polaritatea impulsului. Banda semnalului este considerabil mai mica decat la
NRZ. Alternarea polaritatii impulsurilor ofera o cale simpla de detectie a
erorilor, deoarece orice eroare izolata, adaugarea sau stergerea unui impuls,
va genera un viol de bipolaritate .
Codul pseudoternar este asemanator cu AMI, dar
1 e reprezentat prin absenta de semnal iar 0 logic prin impuls cu polaritate
alternanta. Are aceleasi proprietati cu AMI si fiecare este folosit in diverse
aplicatii. Dezavantajul este pierderea sincronizarii, in cazul unor siruri
lungi de 1 la AMI, sau de 0 la pseudoternar. Pentru depasirea sa, s-a folosit introducerea unor biti suplimentari care forteaza o tranzitie,
cum este in cazul ISDN, la viteza mica. La viteze mari schema nu este folosita,
deoarece ar duce la cresterea suplimentara a benzii si de aceea se aplica
tehnici de aleatorizare (scrambling) a secventei de date.
Cele doua metode de codare AMI si pseudoternara se
mai numesc si de codare binara
multinivel; fata de NRZ, codarea
binara multinivel permite o sincronizare mai buna si la absenta componentei
continue, dar cu trei niveluri de tensiune, (+A, _A, 0) fiecare element de
semnalizare ar putea transporta 
biti de informatie si nu doar unul singur. Astfel
eficienta e mai scazuta ca la NRZ. La aceeasi concluzie se poate ajunge si prin
urmatorul rationament: receptorul trebuie sa fie capabil sa distinga unul din
cele trei niveluri posibile, deci e necesara o putere a semnalului mai mare cu
3 dB decat la NRZ, pentru aceeasi probabilitate a erorii. Sau altfel spus, la
un raport semnal pe zgomot dat, rata erorii pentru NRZ este semnificativ mai mica
decat pentru codarea binara multinivel.
Densitatea spectrala de putere la diferitele coduri
BER (Eb/N0)(dB)
pentru diverse coduri
Codarea binara multinivel nu trebuie confundata cu codarea multinivel unde se grupeaza 2,
3, sau n biti sositi de la terminalul de date, si in linie se transmite un
nivel de tensiune din cele 
posibile, corespunzator secventei binare de
transmis. Codarea multinuivel permite reducerea vitezei de semnalizare de 2, 3,..,
n ori si deci o reducere a benzii semnalului, dar sincronismul este deficitar.
HDB3
(High Density Bipolar 3-zeros
substitution) asemanator cu AMI, dar un sir de 4 zerouri e inlocuit cu un sir
cu un viol de bipolaritate.
B8ZS (Bipolar
with 8-zeros substitution) asemanator cu AMI, dar un sir de 4 zerouri e inlocuit
cu un sir cu doua violuri de bipolaritate.
4B5B si 8B10B:
patru, respectiv opt biti sunt codati ca cinci, respectiv zece biti, in acelasi
interval de timp, 4T respectiv 8T. Banda
de frecvente creste cu 25% , dar nu se
dubleaza ca la codarea Manchester; creste insa numarul mediu de tranzitii pe
bit, ceea ce va permite o sincronizare mai buna a receptorului.
