giáo trình mạng máy tính phần 3

The Physic Layer 6Data Communication and Digital Signal ❒ Signals propagate over a physical medium ❍ Digital signal a binary string ❍ Analog signal a continuous number ❒ Data can be eith

Ch ng 3: T ng V t lý ươ ầ ậ

The Physic Layer

The Physic Layer 2

The physical layer functions

❒ deals with mechanical, electrical and procedural interfacing

❒ provides collision detection

❒ specifies cables, connectors, and other components

❒ transmits raw information over communication channel

❒ establishes, maintains, and disconnects physical links

❒ includes software device drivers for communication

interfaces

Các ch c năng c b n c a t ng V t ứ ơ ả ủ ầ ậ

lý

❒ Cung c p các đ c t k thu t v c , đi n, các hàm, th t cấ ặ ả ỹ ậ ề ơ ệ ủ ụ

❒ Cung c p kh năng dò tìm xung đ tấ ả ộ

The Physic Layer 4

Questions to Think

❒ Why do we prefer digital transmission to analog

transmission?

❒ What is the most promising physical transmission

medium for the future?

❒ Can wireless communication replace all the wired

communication?

❒ What does the “personal communication system”

mean to you?

Các v n đ c n cân nh c ấ ề ầ ắ

❒ T i sao chúng ta thích truy n thông tín hi u s h n ạ ề ệ ố ơ

truy n thông tín hi u t ng t ?ề ệ ươ ự

❒ Ph ng ti n truy n v t lý h a h n nh t cho t ng lai là ươ ệ ề ậ ứ ẹ ấ ươgì?

❒ Truy n thông vô tuy n có th thay th hoàn toàn truy n ề ế ể ế ềthông h u tuy n?ữ ế

❒ “H th ng truy n thông cá nhân” là gì?ệ ố ề

The Physic Layer 6

Data Communication and Digital Signal

❒ Signals propagate over a physical medium

❍ Digital signal (a binary string)

❍ Analog signal (a continuous number)

❒ Data can be either digital or analog

❍ Some data naturally represented as digital

signals

• Letter ‘A’: 01000001 in ASCII

❍ Other data need to be converted from analog

to digital

• Voice, video etc

❒ We are interested in digital signals/data

analog sang digial

• Âm thanh, video,…

❒ Chúng ta quan tâm đ n tín hi u/d li u s !ế ệ ữ ệ ố

The Physic Layer 8

Why Digital Signals

❒ Digital signal better than analog signal for

❍ Storage

❍ Manipulation

❍ Transmission

T i sao l i là tín hi u s ?! ạ ạ ệ ố

❒ Tín hi u s t t h n tín hi u t ng t ệ ố ố ơ ệ ươ ự để

❍ L u tr ư ữ

❍Thao tác, x lý ử

❍Truy n tin ề

The Physic Layer 10

❒ Transmission of data depends on

❍ Quality of signal

❍ Characteristics of medium

❒ Need to do signal processing

❒ Need to measure quality of received signal

❍ Analog: signal-to-noise ratio

❍ Digital: probability of symbol error

❒ To transmit bits (0’s or 1’s) we need to map them

into electromagnetic waves Modulation

techniques

❒ C n ph i đo l ng ch t l ng c a tín hi u nh n đ cầ ả ườ ấ ượ ủ ệ ậ ượ

❍ Analog: t l tín hi u/t p nhi uỷ ệ ệ ạ ễ

❍ Digital: Xác su t c a các bit l iấ ủ ỗ

❒ Đ truy n các dòng bits (0’s or 1’s) ta c n ánh x chúng ể ề ầ ạsang các sóng đi n t => các k thu t đi u chệ ừ ỹ ậ ề ế

The Physic Layer 12

❒ Attenuation and distortion depend on

❍ Type of transmission medium

The Physic Layer 14

Data Transmission (3)

❒ Medium:

❍ Guided: twisted pair, coaxial cable, optical fiber

❍ Unguided: radio, satellite, infrared, microwave

❒ Direct link: point-to-point or guided

❍ Two devices share the medium (intermediate

repeaters, amplifiers)

❒ Indirect link: multipoint or broadcast

❍ More than two devices share the medium

❒ Transmission modes: simplex, half-duplex, full-duplex

❒ Frequency, spectrum, bandwidth

❍ Time-domain vs frequency domain

❒ Liên k t tr c ti p: đi m – đi mế ự ế ể ể

❍ Hai thi t b chia s ph ng ti n truy n (các b ế ị ẻ ươ ệ ề ộ

chuy n ti p, b khu ch đ i trung gian)ể ế ộ ế ạ

❒ Liên k t gián ti p: nhi u đi m ho c qu ng báế ế ề ể ặ ả

❍ Nhi u h n hai thi t b chia s ph ng ti n ề ơ ế ị ẻ ươ ệ

truy nề

❒ Các ph ng th c truy n: đ n công, bán song công, ươ ứ ề ơ

song công

❒ Các khái ni m c n l u ý: t n s , ph , d i thôngệ ầ ư ầ ố ổ ả

The Physic Layer 16

Baseband & Broadband

❒ Baseband: The data signal is transmitted directly over the transmission medium

❒ Broadband: the data signal is no longer placed directly on the transmission medium An analog or carrier signal is

modulated by the data signal and then transmitted

D i t n c s và D i t n r ng ả ầ ơ ở ả ầ ộ

❒ D i t n c s : Tín hi u s đ c truy n tr c ti p qua ả ầ ơ ở ệ ố ượ ề ự ế

ph ng ti n truy n.ươ ệ ề

❒ D i t n r ng: Tín hi u s không đ c đ a tr c ti p lên ả ầ ộ ệ ố ượ ư ự ế

ph ng ti n truy n Tín hi u t ng t hay sóng mang đ c ươ ệ ề ệ ươ ự ượ

đi u bi n t tín hi u s và truy n đi qua ph ng ti n ề ế ừ ệ ố ề ươ ệ

truy n ề

The Physic Layer 18

M t mô hình truy n thông đ n gi n ộ ề ơ ả

A simple model of communications

Maximum Data Rate

❒ Signal rate: number of signal changes per second

❍ Each signal may take from several values (M)

❒ What is the maximum data rate of the channel

with cutoff frequency of H?

❒ Nyquist’s theorem

❍ Max data rate = 2H log 2 M bits/sec

❍ Signal can be reconstructed with only 2H samples/sec

❒ In computer science, data rate is referred to as bandwidth

❒ Can we obtain any data rate by making M

arbitrarily large?

The Physic Layer 20

T c đ truy n d li u t i đa ố ộ ề ữ ệ ố

❒ T c đ tín hi u: s tín hi u thay đ i trong m t giây ố ộ ệ ố ệ ổ ộ

❍ M i tín hi u có th đ c truy n theo nhi u t c đ ỗ ệ ể ượ ề ề ố ộ

❒ For noisy channel with frequency H and SNR S/N

❍ Max data rate = H log 2 (1+S/N)

 Max data rate = min(H log2(1+S/N), 2H log2M)

The Physic Layer 22

Đ nh lý Shannon ị

❒ Kênh truy n t p nhi uề ạ ễ

❍ Nhi u nhi t sinh ra do các electrons va ch m nhauễ ệ ạ

❍ T l Tín hi u/Nhi u: Signal-to-Noise Ratio (SNR)ỷ ệ ệ ễ

• T l c a công su t tín hi u (S) và công su t nhi u (N): S/N ỷ ệ ủ ấ ệ ấ ễ

• Đ c đo b ng đ n v dB hay decibels ượ ằ ơ ị

– 10 log10 (S/N) – S/N = 10 10 dB, 100  20dB

❒ Cho kênh truy n t p nhi u v i t n s H và t l tín ề ạ ễ ớ ầ ố ỷ ệ

hi u/nhi u là S/Nệ ễ

❍ T c đ d li u t i đa = H logố ộ ữ ệ ố 2(1+S/N)

 T c đ d li u t i đa = min(H logố ộ ữ ệ ố 2(1+S/N), 2H log2M)

Application of Shannon’s Theorem

❒ Conventional telephone system

 Engineered for voice

The Physic Layer 24

ng d ng đ nh lý Shannon

❒ H th ng đi n tho i quy cệ ố ệ ạ ướ

 Đ c thi t k đ truy n t i gi ng nóiượ ế ế ể ề ả ọ

Transmission Media

❒ Twisted Pair

❒ Baseband Coaxial Cable

❒ Broadband Coaxial Cable

❒ Fiber Optics

❒ Wireless

The Physic Layer 26

Physical Media: Twisted Pair

❒ Bit: propagates between

transmitter/rcvr pairs

❒ physical link: what lies

between transmitter &

receiver

❒ guided media:

❍ signals propagate in solid

media: copper, fiber, coax

❍ Category 5 UTP:

100Mbps Ethernet

The Physic Layer 28

Ph ng ti n truy n: cáp đôi dây xo n ươ ệ ề ắ

❒ Bit: truy n gi a các đôi g i ề ữ ử

và nh n ậ

❒ Liên k t v t lý: ế ậ là nh ng gì ữ

n m gi a n i g i và bên nh n ằ ữ ơ ử ậ

❒ Đ ng truy n h u tuy n: ườ ề ữ ế

❍ Tín hi u truy n đi trong ph ng ệ ề ươ

ti n truy n: cáp đôi dây xo n, ệ ề ắ

cáp đ ng tr c, cáp quang ồ ụ

❒ Đ ng truy n vô tuy n: ườ ề ế

❍ Tín hi u đ c truy n đi trong ệ ượ ề

môi tr ng không khí, vd: sóng ườ

t c đ 10 Mbps ố ộ

❍ CAT 5 UTP: 100Mbps Ethernet

Physical Media: coax, fiber

❍ multiple channel on cable

❍ HFC (hybrid fiber coaxial)

Fiber optic cable:

❒ glass fiber carrying light pulses, each pulse a bit

❒ high-speed operation:

❍ high-speed point-to-point transmission (e.g., 5 Gps)

❒ low error rate: repeaters spaced far apart ; immune

to electromagnetic noise

The Physic Layer 30

❍ Nhi u kênh trên cáp ề

❍ Dùng trong mô hình lai gi a ữ

c n đ n repeatersầ ế

Physical media: radio

❍ 270 msec end-end delay

❍ geosynchronous versus LEOS

The Physic Layer 32

❍ Đ tr cu i - cu i kho ng 270 msec ộ ễ ố ố ả

Access networks and physical media

Q: How to connect end systems to

edge router?

❒ residential access nets

❒ institutional access networks

The Physic Layer 34

Truy c p m ng và ph ng ti n truy n ậ ạ ươ ệ ề

Residential access: point to point access

❒ Dialup via modem

❍ up to 56Kbps direct access to

router (often less)

❍ Can’t be “always on”

❒ ADSL: asymmetric digital subscriber line

❍ up to 1 Mbps upstream (today typically < 256 kbps)

❍ up to 8 Mbps downstream (today typically < 1 Mbps)

❍ FDM: 50 kHz - 1 MHz for downstream

4 kHz - 50 kHz for upstream

0 kHz - 4 kHz for ordinary telephone

The Physic Layer 36

Truy c p t i nhà: truy c p đi m – đi m ậ ạ ậ ể ể

❍ t c đ truy c p đ n router c a ố ộ ậ ế ủ

nhà cung c p có th đ t đ n ấ ể ạ ế

56Kbps (th ng thì th p h n) ườ ấ ơ

❍ không th ể “luôn tr c tuy n” ự ế

❒ Qua đ ng thuê bao s b t đ i x ng (ADSL):ườ ố ấ ố ứ

❍ T c đ upstream lên đ n 1 Mbps (hi n nay th ng thì < ố ộ ế ệ ườ

Residential access: cable modems

❒ HFC: hybrid fiber coax

❍ asymmetric: up to 10Mbps downstream, 1

Mbps upstream

❒ network of cable and fiber attaches homes to

ISP router

❍ shared access to router among home

❍ issues: congestion, dimensioning

❒ deployment: available via cable companies, e.g.,

MediaOne (USA), STCV (Vietnam)…

The Physic Layer 38

Truy c p t i nhà qua cable modems ậ ạ

❒ H th ng cáp “lai” gi a đ ng tr c và quang (HFC: ệ ố ữ ồ ụ hybrid fiber coax)

❍ không đ i x ng: downstream có th đ t đ n ố ứ ể ạ ế

10Mbps, upstream có th đ t đ n 1Mbps ể ạ ế

❒ m ng l i ạ ướ cáp đ ng tr c và cáp quang “g n” các h ồ ụ ắ ộ gia đình đ n router c a ISP ế ủ

❍ chia s truy c p đ n router gi a các gia đình ẻ ậ ế ữ

❍ các v n đ : t c ngh n, “kích c ” ấ ề ắ ẽ ỡ

❒ tri n khai: qua các công ty “ch y” cáp, vd: ể ạ

MediaOne (USA), STCV (Vietnam)…

Minh h a v h th ng cung c p d ch v cable ọ ề ệ ố ấ ị ụ

modem

Residential access: cable modems

The Physic Layer 40

Ki n trúc m ng cable modem t ng quát ế ạ ổ

Cable Network Architecture: Overview

home

cable headend

cable distribution network (simplified)

Typically 500 to 5,000 homes

Ki n trúc m ng cable modem t ng quát ế ạ ổ

Cable Network Architecture: Overview

home cable headend

cable distribution

The Physic Layer 42

Ki n trúc m ng cable modem t ng quát ế ạ ổ

Cable Network Architecture: Overview

home

cable headend

cable distribution network server(s)

Ki n trúc m ng cable modem t ng quát ế ạ ổ

Cable Network Architecture: Overview

V I D E O

V I D E O

V I D E O

V I D E O

V I D E O

D A T A

D A T A

C O N T R O L

1 2 3 4 5 6 7 8 9

FDM:

The Physic Layer 44

Company access: local area networks

❒ company/univ local area

network (LAN) connects end

system to edge router

❒ Ethernet:

❍ shared or dedicated link

connects end system and

router

❍ 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit

Ethernet

❒ deployment: institutions, home

LANs happening now

The Physic Layer 46

Wireless access networks

❒ shared wireless access network

connects end system to router

❍ via base station aka “access point”

❒ wireless LANs:

❍ 802.11b (WiFi): 11 Mbps

❒ wide-area wireless access

❍ provided by telco operator

❍ 3G ~ 384 kbps

• Will it widely happen in Vietnam??

❍ WAP/GPRS in Europe

basestation

mobilehostsrouter

M ng truy c p không dây ạ ậ

❒ M ng truy c p không dây chia ạ ậ

❒ Truy c p không dây di n r ngậ ệ ộ

❍ Đ c cung c p b i các nhà đi u ượ ấ ở ề

hành vi n thông ễ

❍ 3G ~ 384 kbps

❍ WAP/GPRS châu Âu ở

basestation

mobilehostsrouter

The Physic Layer 48

Home networks

Typical home network components:

❒ ADSL or cable modem

❒ router/firewall/NAT

❒ Ethernet

❒ wireless access point

wireless access point

wireless laptops router/

firewall

cable modem

to/from cable headend

Ethernet (switched)

M ng gia đình ạ

wireless access

wireless laptops router/

firewall

cable modem

to/from

cable

headend

❒ Các thành ph n c b n c a m ng gia đình: ầ ơ ả ủ ạ

o ADSL ho c cable modem đ k t n i đ n ISPặ ể ế ố ế

o Thi t b đ nh tuy n/t ng l a/NATế ị ị ế ườ ử

o Các thi t b đ c n i k t theo chu n Ethernetế ị ượ ố ế ẩ

o Đi m truy c p d ch v không dây (wireless access point)ể ậ ị ụ

The Physic Layer 50

How do loss and delay occur?

packets queue in router buffers

❒ packet arrival rate to link exceeds output link capacity

❒ packets queue, wait for turn

A

B

packet being transmitted (delay)

packets queueing (delay)

free (available) buffers: arriving packets dropped ( loss ) if no free buffers

Đ tr và m t mát xu t hi n nh th ộ ễ ấ ấ ệ ư ế

nào?

Các gói tin x p hàng t i vùng đ m c a routerế ạ ệ ủ

❒ t c đ các gói tin đ n t liên k t đi vào v t quá kh năng c a liên ố ộ ế ừ ế ượ ả ủ

k t đi ra ế

❒ các gói tin ph i x p hàng, đ i đ n phiên đ c truy n ả ế ợ ế ượ ề

A

B

gói tin đang đ c truy n ượ ề (delay)

các gói đang x p hàng ế (delay)

vùng đ m còn tr ng; các gói tin đ n s b b đi n u

The Physic Layer 52

Four sources of packet delay

❒ 1 nodal processing:

❍ check bit errors

❍ determine output link

A

B

propagation transmission

nodal processing queueing

❒ 2 queueing

❍ time waiting at output link for transmission

❍ depends on congestion level of router

nodal processing queueing

❒ 2 x p hàng (queueing) ế

❍ th i gian ch đ i đ đ c ờ ờ ợ ể ượ truy n đi t i các liên k t đ u ề ạ ế ầ ra

❍ tùy thu c vào m c đ t c ộ ứ ộ ắ ngh n c a các router ẽ ủ

The Physic Layer 54

Delay in packet-switched networks

3 Transmission delay:

❒ R=link bandwidth (bps)

❒ L=packet length (bits)

❒ time to send bits into

link = L/R

4 Propagation delay:

❒ d = length of physical link

❒ s = propagation speed in medium (~2x108 m/sec)

❒ propagation delay = d/s

A

B

propagation transmission

nodal processing queueing

Note: s and R are very

different quantities!

Đ tr trong m ng chuy n m ch gói ộ ễ ạ ể ạ

Chú ý: s và R là hai đ i ạ

l ng hoàn toàn khác ượnhau!

The Physic Layer 56

Caravan analogy

❒ Cars “propagate” at

100 km/hr

❒ Toll booth takes 12 sec to

service a car (transmission

time)

❒ car~bit; caravan ~ packet

❒ Q: How long until caravan is

lined up before 2nd toll

booth?

❒ Time to “push” entire caravan through toll booth onto highway = 12*10 = 120 sec

❒ Time for last car to propagate from 1st to 2nd toll both: 100km/

(100km/hr)= 1 hr

❒ A: 62 minutes

toll booth

toll booth

ten-car caravan

Caravan analogy (more)

❒ Cars now “propagate” at

1000 km/hr

❒ Toll booth now takes 1 min

to service a car

❒ Q: Will cars arrive to 2nd

booth before all cars

serviced at 1st booth?

❒ Yes! After 7 min, 1st car

at 2nd booth and 3 cars still at 1st booth

❒ 1st bit of packet can arrive

at 2nd router before packet is fully transmitted

at 1st router!

toll booth

toll booth

ten-car caravan

The Physic Layer 58

Nodal delay

❒ dproc = processing delay

❍ typically a few microsecs or less

❒ dqueue = queuing delay

❍ depends on congestion

❒ dtrans = transmission delay

❍ = L/R, significant for low-speed links

❒ dprop = propagation delay

❍ a few microsecs to hundreds of msecs

prop trans

queue proc

nodal d d d d

Queueing delay (revisited)

❒ R=link bandwidth (bps)

❒ L=packet length (bits)

❒ a=average packet

arrival rate

traffic intensity = La/R

❒ La/R ~ 0: average queueing delay small

❒ La/R -> 1: delays become large

❒ La/R > 1: more “work” arriving than can be

serviced, average delay infinite!

The Physic Layer 60

Packet loss

❒ queue preceding link in buffer has finite capacity

❒ when packet arrives to full queue, packet is

dropped (lost)

❒ lost packet may be retransmitted by previous

node, by source end system, or not retransmitted

at all

S m t gói tin ự ấ

❒ Dung l ng vùng đ m c a hàng đ i là gi i h nượ ệ ủ ợ ớ ạ

❒ Khi các gói tin đ n nh ng hàng đ i đ y, chúng s b ế ư ợ ầ ẽ ị

b (dropped)ỏ

❒ Các gói b m t có th đ c truy n l i b i nút li n ị ấ ể ượ ề ạ ở ề

tr c, b i ngu n g i, ho c không đ c truy n l i ướ ở ồ ử ặ ượ ề ạ

gì c ả