Datanet. Per P. Madsen Afd. for Proceskontrol Grundlæggende Datanet Datanet. Per P. Madsen Afd. for Proceskontrol Institut for elektroniske systemer Aalborg Universitet Per P. Madsen AAU

Datanet 1. DDel 1: Grundlæggende datanet, OSI-modellen og Ethernet Introduktion til datakommunikation. OSI-modellen. Det fysiske lag. Herunder det teoretiske fundament, medier og modulation. Data link laget. Ethernet, herunder fejl detektering, flow kontrol, medie acces kontrol og realtime  Per P. Madsen AAU

Introduktion til datakommunikation. Grundlæggende Datanet Introduktion til datakommunikation. Overførsel af data fra en computer til en anden. Host Netværk Host Denne kommunikation er specificeret vha. en Protokol Per P. Madsen AAU

LAN netværk. ..... Host Host Point-to-Point. Fx RS-232 Host Grundlæggende Datanet LAN netværk. Host Host Point-to-Point. Fx RS-232 Host ..... Broadcast. Fx Ether, Wireless, RS-485. Per P. Madsen AAU

WAN netværk. Router Host Subnet Host Grundlæggende Datanet Per P. Madsen AAU

Introduktion til datakommunikation. Grundlæggende Datanet Introduktion til datakommunikation. Overordnede krav: Hastighed: Throughput, delay, jitter, latenstid. Sikkerhed: Integritet, tilgængelighed, fortrolighed, anonymitet. Driftsikkerhed: MTBF, redundans. Per P. Madsen AAU

Introduktion til datakommunikation. Grundlæggende Datanet Introduktion til datakommunikation. Informationsflow Trafik karakteristik Trafikkrav Kapasitetskrav Interaktiv trafik Sporadisk Delay, Pålidelighed Få Kbps Feedback Periodisk Delay, Jitter Interaktiv video Throughput, Delay Variere afhængig af kvaliteten.Typisk: 64 Kbps – 100 Mbps Interaktiv audio 2 Kbps – 100 Kbps Per P. Madsen AAU

Introduktion til datakommunikation. Grundlæggende Datanet Introduktion til datakommunikation. Sikkerhed. Sikkerhedsaspekt Metode Integritet CRC-check. PAR-protokoller. Fejlrettende koder. Fortrolighed Cryptografering. Tilgængelighed Acces kontrollister. Password. Firewalls. Per P. Madsen AAU

Protokolhieraki. ... ... Lag 4 Lag 4 Lag 3 Lag 3 Lag 2 Lag 2 Lag 1 Grundlæggende Datanet Protokolhieraki. ... ... Protokol Lag 4 Lag 4 Protokol Lag 3 Lag 3 Interface Service, som det underliggende-lag stiller til rådighed for det overliggende lag Protokol Lag 2 Lag 2 Protokol Lag 1 Lag 1 Fysisk medie Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet Design kriterier. Et lag skal oprettes, når en given abstraktion er nødvendig. Et lag skal varetage en afgrænset og vel defineret opgave. Lagene skal vælges generelle og standardiserbare. Lagene skal vælges således, at der er lille kobling mellem lagene. Antallet af lag skal være så stort, at hver lag, så vidt muligt, kun varetager en funktion. Per P. Madsen AAU

Lagdelte protokoller. Lag 2 Lag 2 Lag 1 Lag 1 Fysisk net Grundlæggende Datanet Lagdelte protokoller. Packet Interface 3 Protokol 2 Lag 2 Lag 2 Frame Interface 2 Protokol 1 Lag 1 Lag 1 Fysisk signal Interface 1 Fysisk net Start med en header. Fx 10101010 Modtager-adresse. Sender-adresse. Type. Head M-adr S-adr Type Data CRC Frameformat Data/Packet. Checksum. Per P. Madsen AAU

Encapsulation Header Data-unit Lag 2 Header Packet Lag 2 Header Frame Grundlæggende Datanet Encapsulation Header Data-unit Lag 2 Packet Header Packet Lag 2 Frame Header Frame Lag 1 Fysisk signal Fysisk net Per P. Madsen AAU

Protokol. Lag 2 Lag 2 Lag 1 Lag 1 Fysisk net Grundlæggende Datanet Protokol. Packet Interface 3 Protokol 2 Lag 2 Lag 2 Frame Interface 2 Protokol 1 Lag 1 Lag 1 Fysisk signal Interface 1 Fysisk net Protokol 1: Stiktype, Signalniveauer, Bit-hastighed, Medietype,... Fx: Rs232, 10Base-T Protokol 2: Frameformat, Timing, Media acces control. Fx. Ethernet, ARC-net, IEEE 802.XX osv. Per P. Madsen AAU

OSI referencemodellen. Grundlæggende Datanet OSI referencemodellen. En model, der definerer syv standard protokollag til datakommunikation mellem to computere. (Day og Zimmermann 83) 7: Applikationen. - WWW, FTP, E-mail,... 6: Præsentationslaget. - Datakonvertering. 5: Sessionslaget. - Acceskontrol. 4: Transportlaget. - Integritet. 3: Netværkslaget. - Routing. 2: Datalinklaget. - Medieacces. 1: Det fysiske lag. - Fysisk overførsel af data. Per P. Madsen AAU

OSI modellen Applikation Applikation AP-Data Unit Presentation Grundlæggende Datanet OSI modellen Applikations protokol Applikation Applikation AP-Data Unit Presentations protokol Presentation Presentation PP-Data Unit Sessions protokol Session Session SP-Data Unit Transport protokol Transport Transport TP-Data Unit Networks protokol Network Network Packet Data link protokol Data link Data link Frame Fysisk protokol Fysisk Fysisk Bit Per P. Madsen AAU

OSI modellen WWW FTP Mail rlogin telnet ..... Applikation Grundlæggende Datanet OSI modellen WWW FTP Mail rlogin telnet ..... Applikation Syntaks og semantik Datakonvertering Big endian/small endian Etablering af kommunikation Passwords Håndtering af multi-user tilgang Evt. håndtering af fortrolighed. Fx SSL Håndtering af integritet fx TCP - protokollen Connection Reliabel Sekvens Flow Control Buffering Stream Congestion control Presentation WAN håndtering fx IP-protokollen Adressering Routing Multicastning Session LAN håndtering fx: Ethernet. Frameformater Tilgangsmetoder Checksum Sliding Window Transport Network Medie Modulation Niveauer Hastigheder Data link Fysisk Per P. Madsen AAU

Det fysiske lag Applikation Presentation Session Transport Network Grundlæggende Datanet Det fysiske lag Applikation Presentation Session Transport Network Data link Medie Modulation Hastigheder Fysisk Per P. Madsen AAU

Det fysiske lag Fysisk Fysisk Bit Shannons theorem: Grundlæggende Datanet Det fysiske lag Fysisk protokol Fysisk Fysisk Bit Shannons theorem: Max antal bit /sek = H log2(1 + S/N). Hvor: H er båndbredden i Hz. S/N er signal/støj forholdet Dvs. Hurtig forbindelse kræver: Stor båndbredde. Stort signal/støj forhold. Per P. Madsen AAU

Det fysiske lag: RS-232 UART+line driver UART+line driver RS-232 Grundlæggende Datanet Det fysiske lag: RS-232 RS-232 UART+line driver UART+line driver Per P. Madsen AAU

Det fysiske lag: Medie Fysisk Fysisk Twisted pair. Coaxial kabel. Grundlæggende Datanet Det fysiske lag: Medie Fysisk Fysisk Twisted pair. Coaxial kabel. Optisk fiber. WireLess. Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet Twisted pair Per P. Madsen AAU

Twisted pair Kategori 3. Typisk båndbredde: op til 250 MHz. Grundlæggende Datanet Twisted pair Kategori 3. Typisk båndbredde: op til 250 MHz. Typisk transmissionshastighed: Op til 10 Mbps. Kategori 5. Typisk båndbredde: op til 600 MHz. Typisk transmissionshastighed: Op til 100 Mbps. Kategori 5e Kategori 6 Per P. Madsen AAU

Coaxial kabel Typisk båndbredbe: op til 1 GHz. Grundlæggende Datanet Coaxial kabel Typisk båndbredbe: op til 1 GHz. Typisk transmissionshastighed: > 100 Mbps. Per P. Madsen AAU

Optisk fiber Per P. Madsen AAU

Optisk fiber Escaping light Core Cladding Per P. Madsen AAU

Optisk fiber Per P. Madsen AAU

Optisk fiber Chromatic dispersion og Attenuation i optisk fiber Grundlæggende Datanet Optisk fiber Chromatic dispersion og Attenuation i optisk fiber Lys ind Lys ud Typisk dæmpning: 0.2 dB/km eller ca 5 %. Typisk båndbredde: 30.000 GHz. Dvs. ideelt > 30 Tbps Typisk transmissionshastighed: Op til 10 Gbps eller mere Per P. Madsen AAU

Multiplexning Hvordan kan flere bruge det samme medie på samme tid ? Grundlæggende Datanet Multiplexning Hvordan kan flere bruge det samme medie på samme tid ? Space division multiplexing. SDM Frequency division multiplexing. FDM Time division multiplexing. TDM Code division multiplexing. CDM Per P. Madsen AAU

Space division multiplexing. FDM Grundlæggende Datanet Space division multiplexing. FDM Hver sender sit eget medie. Fx. Gamle analoge telefoner, en ledning til hver samtale. Radio og TV stationer med så stor afstand, at de kan bruge samme frekvens. Simple punkt til punkt protokoller som RS-232 Per P. Madsen AAU

Frequency division multiplexing. FDM Grundlæggende Datanet Frequency division multiplexing. FDM Hvis kommunikationsmediet har N gange større båndbredde, end den enkelte sender kræver, kan man sende op til N datastrømme samtidigt. Per P. Madsen AAU

Frequency division multiplexing. FDM Grundlæggende Datanet Frequency division multiplexing. FDM Fordel: Ingen dynamisk koordination. Fungerer også for analoge signaler. Ulemper: Spild af båndbredde, hvis trafikken er ulige fordelt. Ufleksibel. Per P. Madsen AAU

Time division multiplexing. TDM Grundlæggende Datanet Time division multiplexing. TDM Per P. Madsen AAU

Time division multiplexing. TDM Grundlæggende Datanet Time division multiplexing. TDM Fordel: Kun en carrier på mediet. Høj udnyttelse. Fleksibel Ulemper: Kræver præcis synkronisering. Per P. Madsen AAU

Frequency and Time division multiplexing. Fx GSM Grundlæggende Datanet Frequency and Time division multiplexing. Fx GSM Fordel: Bedre beskyttelse mod aflytning. frekvensselektiv støj. Ulemper: Kræver præcis synkronisering. Per P. Madsen AAU

Code division multiplexing. CDM Grundlæggende Datanet Code division multiplexing. CDM a: Chip sequence b: Bipolær chip sequence c: Eks. på transmissioner d: Det, som C modtager Krav: Chip sekvenserne er ortogonale. Dvs. samme antal, ens og forskellige, bit 2. Signalerne adderer lineært. Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet Code division multiplexing. CDM eller Code division multiple Access. CDMA Fordel: God beskyttelse mod aflytning. Ingen koordinering og synkronisering nødvendig. Ulemper: Forholdsvis lav datarate. Mere kompleks signalgenerering og rekonstruktion. Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet Modulation Hvordan kan digitale signaler sendes gennem en analog kanal? Brug et modem. Grundlæggende metoder: b: Amplitude mod. c: Freq. mod. d: Fase mod. Per P. Madsen AAU

Avanceret fase modulation Grundlæggende Datanet Avanceret fase modulation Fase modulation – Phase Shift Keying. PSK Dvs faseskift af bæresignalet. Fx 45, 135, 225 og 315 grader. Dvs 2 bit pr skift. QPSK – Quadrature Phase Shift Keying(a). Eller kombineret Amplitude modulation med fase modulation Fx fire faser og fire amplituder: QAM-16 Quadrature amplitude modulation(b) dvs 4 bit pr skift. Per P. Madsen AAU

Avanceret frekvens modulation Grundlæggende Datanet Avanceret frekvens modulation Frekvens modulation – Frequnce Shift Keying. FSK Avanceret – kombineret fase og frekvens modulation. MSK Minimum shift keying, QMSK Gaussian-MSK (GSM) F1: lav frekvens, F1n: lav frekvens 180 grader fase. F2: høj frekvens, F2n: høj frekvens 180 grader fase. Data Hvis: Even & Odd send F2 Even & ikke Odd send F1n Ikke Even & Odd send F1 Ikke Even & ikke Odd send F2n Even Odd MSK Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet Wire Less Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet Wire Less Per P. Madsen AAU

Wire Less Store afstande. Små afstande. Lav data hastighed Grundlæggende Datanet Wire Less Store afstande. Små afstande. Lav data hastighed Høj data hastighed Per P. Madsen AAU

GSM Digitalt mobiltelefon net 2G: Egenskaber: Hastighed: 9.6 Kbps. Grundlæggende Datanet GSM Digitalt mobiltelefon net 2G: Egenskaber: Hastighed: 9.6 Kbps. Multiplexing : TDMA - Time Division Multiple access. Rækkevide. Op til 70 km. Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid flere timer Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 1.8 GHz Modulation: GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying. Anvendelse: Mobiltelefoni, primært tale. Per P. Madsen AAU

UMTS Digitalt mobiltelefon net 3G: Egenskaber: Grundlæggende Datanet UMTS Digitalt mobiltelefon net 3G: Egenskaber: Hastighed: fx 384 Kbps. Med QoS. Multiplexing: CDMA/FDD - Code Division Multiple access./ Freq. division duplex Rækkevidde: Mange km. Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid, flere timer Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 2.0 GHz Modulation: QPSK – Quadrature Phase Shift Keying. Anvendelse: Mobiltelefoni, tale og data. Per P. Madsen AAU

Wire Less Store afstande. Små afstande. Lav data hastighed Grundlæggende Datanet Wire Less Store afstande. Små afstande. Lav data hastighed Høj data hastighed Per P. Madsen AAU

ZigBee Billigt strømsvagt lavhastigheds net: Egenskaber: Grundlæggende Datanet ZigBee Billigt strømsvagt lavhastigheds net: Egenskaber: Hastighed: 20 Kbps eller 128 Kbps Multiplexing : FDMA – Freq. Division Multiple access Størrelse: CSMA/CD 255 enheder pr netværk. Rækkevidde: 10 – 100 m Strømforbrug: Lille. Bateri levetid > 1 år Pris: lav. Få kroner. Frekvensbånd: 2.4 GHz og 868/915 MHz Modulation: DSSS – Direct sequence spread spectrum. Anvendelse: Automation, fjernbetjening, Kom. med I/O enheder osv. Per P. Madsen AAU

Bluetooth Kontor netwærk. Egenskaber: Hastighed: Op til 720 Kbps Grundlæggende Datanet Bluetooth Kontor netwærk. Egenskaber: Hastighed: Op til 720 Kbps Multiplexing: FDMA – Freq. Division Multiple access Netstørrelse: Op til 8 enheder i et piconet ( en master og 7 slaver) Piconet kan kombineres til større scatternet. Rækkevidde: 10 – 100 m Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid flere timer Pris: Relativ lav. < 100 kr. Frekvensbånd: 2.4 GHz Modulation: FHSS – Freq. Hopping spread spectrum. Anvendelse: Trådlød notebook, headset. Printere osv. Per P. Madsen AAU

802.11b Wireless Ethernet. Egenskaber: Hastighed: op til 11 Mbps Grundlæggende Datanet 802.11b Wireless Ethernet. Egenskaber: Hastighed: op til 11 Mbps Størrelse: Ubegrænset CSMA/CD. Rækkevidde: Op til 300 m Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid flere timer Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 2.4 GHz Modulation: DSSS med CCK – Direct Sequence Spread Spectrum med Complementary Code Keying Anvendelse: Trådlød internet. Læs om DSSS side 55 i schiller. Per P. Madsen AAU

802.11a Wireless højhastigheds Ethernet. Egenskaber: Grundlæggende Datanet 802.11a Wireless højhastigheds Ethernet. Egenskaber: Hastighed: op til 54 Mbps Størrelse: Ubegrænset TDMA/TDD.. Rækkevidde: Op til 200 m Problemer med mure og andre genstande. Pris: Relativ høj. Frekvensbånd: 5 GHz Modulation: OFDM - Orthogonal Freq. Division Multiplexing. Anvendelse: Trådlød internet, distribueret computing. Per P. Madsen AAU

802.11b Wireless Ethernet. DataLink laget Egenskaber: Grundlæggende Datanet 802.11b Wireless Ethernet. Egenskaber: Hastighed: op til 11 Mbps Størrelse: Ubegrænset CSMA/CD. Rækkevidde: Op til 300 m Strømforbrug: Relativ lav. Batteri levetid flere timer Pris: Relativ lav. Frekvensbånd: 2.4 GHz Modulation: DSSS med CCK – Direct Sequence Spread Spectrum med Complementary Code Keying Anvendelse: Trådlød internet. DataLink laget Per P. Madsen AAU

Datalink laget Datalink Datalink Fysisk lag Fysisk lag Fysisk net Grundlæggende Datanet Datalink laget Protokol 2 Datalink Datalink Fysisk lag Fysisk lag Fysisk net Protokol: Frameformat, Timing, Media acces control fx. Ethernet, ARC-net, IEEE 802.XX osv- Per P. Madsen AAU

Ethernet Net segment LLC IEEE 802.2 Fysisk Data Link MAC IEEE 802.3 Grundlæggende Datanet Ethernet Fysisk DataLink Net segment LLC IEEE 802.2 Fysisk Data Link MAC IEEE 802.3 CSMA/CD Fx. 10Base-T, 100Base-TX, 100Base-FX Per P. Madsen AAU

Ethernet – Fysisk lag 10 Mbps Thick Coaxial: 10BASE5: 10 Mbps Thin Coaxial: 10BASE2: 10 Mbps Twisted Pair: 10BASE-T: 10 Mbps Optisk Fiber: 10BASE-F: 100 Mbps Twisted Pair: 100BASE-TX: 100 Mbps Fiber Optic: 100BASE-FX: 100 Mbps Twisted-Pair: 100BASE-T4: Per P. Madsen AAU

Ethernet – Fysisk lag Per P. Madsen AAU

Hub og Switch Switch Bridge Hub Fældes net segment Per P. Madsen AAU

Fysiske adr. eller MAC adr. Grundlæggende Datanet Ethernet 8 6 2 46-1500 4 Ethernet Frame Preamble Dest. add. Src. add. Length Header Payload CRC Fysiske adr. eller MAC adr. Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet CSMA/CD Per P. Madsen AAU

Grundlæggende Datanet CSMA/CD Per P. Madsen AAU

10 Mbit Ethernet % - delen af pakkerne der kom for sent > 2 msek. Data pr. stream: 1.5 Mbps. Per P. Madsen AAU

Hub og Switch Switch Bridge Hub Fældes net segment Per P. Madsen AAU

Collision-free Ethernet vha. Hardware Collision domain: Et logisk område i et computer netværk hvor data pakker kan ”kollidere" med hinanden fx: Ethernet. En Switch opdeler i et antal Collision domain’er. Hvis forbindelsen er full-duplex og det et rent switched net er der ingen Collision domain’er. Løser det alle problemer ????? Per P. Madsen AAU

En anden vej: Prøv fx at styre hvor meget der bliver sagt samt hvornår der bliver sagt noget. Per P. Madsen AAU

QoS – Quality of Service Delay Jitter Bandwidth Per P. Madsen AAU

QoS – Quality of Service Løsning: Kapacitet nok. Fx. Telefonsystemet. Reciver buffer. Øger delay og mininere jitter. Begrænsning af senderes bithastighed. Minder delay, mindre jitter og mindre Bandwidth. Per P. Madsen AAU

Bucket algoritmen En sender buffer. En cyklisk task der er aktiv hvis der er data i bufferen og sender disse data med en passende lav bidhastighed. Per P. Madsen AAU

Token Bucket algoritmen En sender buffer der fyldes med token token/sek. Senderen sender sine data vha tokens dvs. Nbit pr token fra bufferen. Per P. Madsen AAU

RETHER ET token-bus pricip på et collision domain fx Ethernet. Per P. Madsen AAU

RETHER Node 1 Initiator Node n Node 2 ...... Switch-to-RETHER ACK Per P. Madsen AAU

CSMA/CA Per P. Madsen AAU

CAN-Data Frame CAN 2.0A CAN 2.0A CAN 2.0B Per P. Madsen AAU

Token bus net: fx: ARCNET ..... Host 1 Host 2 Host n Hastighed: max 10 Mbit/s Antal hosts pr. segment: 255 dvs ID: 1-255 Per P. Madsen AAU

Opstart af token Hvis en maskine ikke er med dvs: ingen INVITATION TO TRANSMIT i 420 S. Så råber den ''ALLE SKAL DØ'' RECONFIGURATION BURST .... 111111110 111111110 111111110 765 gange Herefter: Når bus bliver IDLE, vent 41S + 73 S * (255-ID) ------------------------------------------------------------------------------------ Hvis stadig IDLE så: Send INVITATION TO TRANSMIT til mig selv samt find næste host med mindre ID. Ellers: Vent til en sender INVITATION TO TRANSMIT til mig Per P. Madsen AAU

Find NID NID er ID'en for den host med nærmeste, og lavere ID. NID = ID NID--; Send ITT to NID hvis ingen aktivitet i 37,4 S så hop: ellers stop ca 3 km frem samt tilbage= 15 S + 15 S plus opstartstid ca 6.4 S. Per P. Madsen AAU

Data transmission Sender: ID Modtager: DID ITT til ID send FBE send ACK send DataPacket send ACK ITT til NID Per P. Madsen AAU

TDMA Per P. Madsen AAU

DataLink MAC protokoller: Egenskab CSMA/CD Ikke Realtime. God udnyttelse af kanalen. Ingen koordinering. CSMS/CA Realtime for højeste prioiteter. Mindre god udnyttelse af kanalen. Token bus Realtime. Koordinering. TDMA Rimelig god udnyttelse af kanalen. Per P. Madsen AAU

Transmission Error Control Tilføje ekstra bit til pakker således, at der bliver en given mindste afstand (Hamming afstand) mellem lovlige pakker. Fx. Even paritet, som giver Hamming afstanden på 2. Per P. Madsen AAU

CRC - Cyclic Redundancy Check Polynomie: 10011 Data: 1101011011 110000 10011 :1101011011 10011 00001 00000 00010 00101 01011 Remainder: Checksum 1011 Per P. Madsen AAU

CRC - Cyclic Redundancy Check IEEE 802.3 CRC-32: x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x1+1 Dvs 10000 0100 - 1100 0001- 0001 1101 - 1011 0111 ARCnet: CRC-16 x^16 + x15 + x ^ 2 + 1 Dvs 11000 0000 - 0000 0101 CAN bus: CRC-CCITT X^16+X^12+X^5+1 Dvs 10001 0000 - 0010 0001 Per P. Madsen AAU

CRC - Cyclic Redundancy Check De mest brugte CRC polynomier: CRC-12: X^12+X^11+X^3+X^2+X+1 CRC-16: X^16+X^15+X^2+1 CRC-CCITT: X^16+X^12+X^5+1 CRC-32: X^32+X^26+X^23+X^22+X^16+X^12+ X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1 CRC-12 bruges til 6-bits streams. Både CRC-16 og CCRC-CCITT er for 8 bits streams. CRC-32 giver ekstra sikkerhed, da der genereres en 32 bit Checksum. CRC-32 bruges i fx. (IEEE-802). Per P. Madsen AAU