Communicatietheorie Partim Datacommunicatie Datatransmissie Communicatietheorie Partim Datacommunicatie

Overzicht Datatransmissie Inleiding Basisconcepten van datatransmissie Synchronisatie

Inleiding: OSI-model

Overzicht Datatransmissie Inleiding Basisconcepten van datatransmissie Synchronisatie

Basisconcepten van datatransmissie Definities: Communicatiemodes Simplex = één richting (vb: PCprinter, toetsenbordcomputer, computerscherm,…) Half duplex = twee richtingen, niet tezelfdertijd zenden en ontvangen (vb: walkie talkie, …) Full duplex = twee richtingen, mag tezelfdertijd zenden en ontvangen (vb: telefoonnetwerk, …)  protocollen nodig: wie mag op bepaald ogenblik zenden? = controle-informatie ? Controle-informatie over zelfde/aparte lijn? Basisconcepten

Definities (vervolg): Seriële/parallelle transmissie Seriële transmissie = bits één na één verstuurd Parallelle transmissie = bits groeperen  n bits samen versturen (n = meestal veelvoud van 8 bits = byte) Voordelen parallelle transmissie  sneller dan seriële transmissie Nadelen parallelle transmissie  indien lange kabels  bits komen niet alle gelijktijdig aan = vertragingstijd  bits foutief ontvangen  parallelle transmissie enkel voor korte afstanden (vb. Flatcable in PC printer) Grote afstanden of lage bitsnelheden  serieel Basisconcepten

Definities (vervolg): Asynchrone/synchrone transmissie Asynchrone transmissie = geen vaste timing  zender stuurt informatie in korte frames  frames onafhankelijk van elkaar verstuurd  tussen frames : lijn niet actief ? Hoe bepalen of frame ontvangen ?  aan begin en eind frame extra bits (start- en stopbits) = controlebits  bij inactieve lijn: wachten tot startbit ontvangen  na ontvangst stopbit(s): lijn terug inactief Basisconcepten

Asynchrone transmissie (vervolg)  voorbeeld: asynchrone transmissie van ASCII-karakters frame = 7 informatiebits + 1 pariteitsbit +1 startbit +1 stopbit Basisconcepten

Asynchrone transmissie (vervolg) Nadeel:  start- en stopbits  efficiëntie   1 startbit, 8 nuttige bits, 1 stopbit = overhead van 20%  efficiëntie lager dan bij andere vormen van transmissie Voordeel  lage transmissiekost Voorbeeld:  toetsenbord  computer  file transfer protocol PCtelefoonlijn (modems) Basisconcepten

Synchrone transmissie = vaste timing  zender stuurt informatie in een continue stroom Voordeel:  geen stoptijden, geen extra controlebits  hoge efficiëntie Nadeel:  complexiteit transmissie  Voorbeeld: computer  computer (hoge snelheid) Basisconcepten

Definities (vervolg): Bitgeoriënteerde/karaktergeoriënteerde transmissie (bij synchrone transmissie) Karaktergeoriënteerde transmissie karakter = bitsequentie met vaste lengte  informatie bestaat uit opeenvolging van karakters vb: tekst: karakter = alfanumeriek teken (ASCII) Bitgeoriënteerde transmissie  informatie kan willekeurige lengte hebben, bestaat niet uit opeenvolging van karakters Basisconcepten

Overzicht Datatransmissie Inleiding Basisconcepten van datatransmissie Synchronisatie

Overzicht Synchronisatie Inleiding Bitsynchronisatie Asynchrone transmissie Synchrone transmissie Manchester codering Karaktersynchronisatie Framesynchronisatie

Overzicht Synchronisatie Inleiding Bitsynchronisatie Asynchrone transmissie Synchrone transmissie Manchester codering Karaktersynchronisatie Framesynchronisatie

Inleiding Synchronisatie Stel: bits verstuurd aan Rb bits/s  duur bit T=1/Rb  tijdens interval T: ‘0’ of ‘1’ versturen  lijncode = fysisch signaal van bitsequentie Non return to zero: ‘1’ = H ‘0’ = L Non return to zero inversion ‘1’ = HH of LL ‘0’ = HL of LH Synchronisatie: Inleiding

Synchronisatie: Inleiding Zend fysisch signaal over fysische verbinding  vervorming  signaalniveau niet constant over bitinterval  omzetting signaal  bit?  BEMONSTEREN Ideale decisieogenblik ? ± midden bitinterval daar verschil signaalwaarden maximaal stoorsignaal minimaal Synchronisatie: Inleiding

Synchronisatie: Inleiding Drie niveaus synchronisatie Bitsynchronisatie = bepalen decisietijdstippen bemonstering Karaktersynchronisatie welke bits behoren tot een karakter? (enkel bij karaktergeoriënteerde transmissie) Framesynchronisatie bepalen begin/einde frame Synchronisatie: Inleiding

Overzicht Synchronisatie Inleiding Bitsynchronisatie Asynchrone transmissie Synchrone transmissie Manchester codering Karaktersynchronisatie Framesynchronisatie

Asynchrone transmissie klok ontvanger = periodisch signaal met frequentie fR frequentie fR = N  frequentie zendklok (N= 1 of even)  gebruikt om signaal te bemonsteren bij overgang LH Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie Verstuurde asynchrone signaal geen signaal = continu H signaal startbit = overgang HL gedetecteerd midden bitinterval i : schatting = waar klok LH = begin telling Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie midden bitinterval i  schatting = (2i+1)N/2 klokintervallen N/2, N+N/2, …  op gelijke afstand Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie midden bitinterval i  schatting = (2i+1)N/2 klokintervallen Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie Wat als ontvangerklok frequentiefout heeft? Stel: begin startbit  t=0 werkelijke midden ie bit  ti=(2i+1)T/2 geschatte begin startbit  bij welke overgang ontvangerklok signaal gemeten?  t=a/fR geschatte midden ie bit  ti = (a+(2i+1)N/2)/fR Stel relatieve frequentiefout  fR=(1+e)N/T duur bitinterval uniform verdeeld [0,1] ^ relatieve afwijking t.o.v. N/T Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie Relatieve timingfout e≠0  ei lineair in i  timingfout  als i   als | ei |>1/2  verkeerde bitinterval  bitfout Worst case: e<0 (te traag bemonsteren) en a=1 Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie Worst case: |ei|max  als N  : onzekerheid over begin startbit kleiner |ei|max < 1/2  geen fout |ei|max  als i   sequentie van bits mag niet te lang zijn Stel 1 start/stopbit, I-2 informatiebits  bitsequentie lengte I Noem |e|T/2 = relatieve frequentiefout die ervoor zorgt dat |eI|max = ½   2I|e|=1-2/N ter hoogte van stopbit Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Asynchrone transmissie

Synchrone transmissie Signaal = continue stroom bits  indien dezelfde techniek gebruikt als bij asynchroon (= tellen klokintervallen)  zeker fouten als e≠0 Oplossing = digitale fasevergrendelde lus (DPLL, digital phase locked loop)  maak gebruik van informatie uit signaal om decisietijdstip te bepalen Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie DPLL: werking klok ontvanger  frequentie fR , ongeveer N/T (N even)  bemonsteren bij LH ti = schatting midden bitinterval i = bemonsteringsogenblik actie ondernomen tussen ti en ti+1 :  hangt af of er overgang HL of LH is in signaal ^ ^ ^ Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie Geen overgang in signaal  vaste afstand tussen bemonsteringsogenblikken  vergelijkbaar met asynchroon geval Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie ni < 0  afstand ti tot einde bit interval > N/2 klokcycli  geschatte tijdstip ti te vroeg ni > 0  afstand ti tot einde bit interval < N/2 klokcycli  geschatte tijdstip ti te laat ^ Wel overgang in signaal 1e monsterwaarde na overgang = ni  ni = maat voor timingfout Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie Definities: fR=(1+e)N/T ei = relatieve timingfout = afstand tussen echte en geschatte midden =  verband ni en ei ?  juist groter Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie  ni = afgeronde versie van ei Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie klok = stabiele kwartsoscillator  |e|<<1/N   curve met e=0 goede benadering voor e≠0 Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie Hoe informatie ni gebruiken  terugkoppeling/feedback Indien transitie: g(ni) : correctieterm, hangt af van ni ti > ti : geschatte tijdstip te laat  neem een vroegere monsterwaarde om terug naar het midden van het bitinterval te gaan ^ ti < ti : geschatte tijdstip te vroeg  neem een latere monsterwaarde om terug naar het midden van het bitinterval te gaan ^ Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Veel gebruikte correctietermen g(0)≠0  oscillatie ! e<<1  per klokinterval 1 monsterwaarde corrigeren houdt rekening met de grootte van de fout e<<1 Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie Werking DPLL: hangt af van initiële schatting  via synchronisatiepatroon aan begin frame (zie framesynchronisatie) Probleem: begin frame  voldoende overgangen nodig om te kunnen synchroniseren  versturen ASCII: 7 infobits + 1 pariteitsbit  kies code met oneven pariteit  zeker 1 transitie per byte  bitgeoriënteerde transmissie  gebruik bit stuffing (zie framesynchronisatie)  voldoende transities Bitsynchronisatie: Synchrone transmissie

Overzicht Synchronisatie Inleiding Bitsynchronisatie Asynchrone transmissie Synchrone transmissie Manchester codering Karaktersynchronisatie Framesynchronisatie

Manchester codering DPLL: bij synchrone transmissie: voldoende signaaltransities nodig  als niet voldoende transities  synchronisatie weg  oplossing: voeg timing informatie toe aan signaal Bit = LH of HL transitie in elk bitinterval  gebruik voor synchronisatie decisieogenblik = midden 2e deel bitinterval Manchester codering

Overzicht Synchronisatie Inleiding Bitsynchronisatie Asynchrone transmissie Synchrone transmissie Manchester codering Karaktersynchronisatie Framesynchronisatie

Karaktersynchronisatie  enkel bij karaktergeoriënteerde transmissie Na bitsynchronisatie  bits gekend Welke bits behoren tot één karakter? Asynchrone transmissie: door aanwezigheid start/stopbits  karaktergrenzen afleiden Synchrone transmissie: gebruik SYN-patroon vóór  zoek begin en eind (gekend) SYN-patroon  k0 = begin SYN  karakters op posities k0+8, k0+16, … Karaktersynchronisatie

Overzicht Synchronisatie Inleiding Bitsynchronisatie Asynchrone transmissie Synchrone transmissie Manchester codering Karaktersynchronisatie Framesynchronisatie

Framesynchronisatie = zoek begin en einde van frame (bij frame met vaste lengte  begin frame voldoende)  Gebruik controlekarakters = speciaal bitpatroon karaktergeoriënteerde transmissie bitgeoriënteerde transmissie Framesynchronisatie

karaktergeoriënteerde transmissie (vb: BSC = binary synchronous communication = protocol gebruikt in telefoonmodems)  Gebruik controlekarakters STX (start of text) en ETX (end of text)  STX en ETX kunnen niet voorkomen in normale tekst  zoek STX en ETX om begin en eind frame te kennen PROBLEEM: als binaire file wordt verstuurd: dubbelzinnigheid  STX en ETX kunnen voorkomen in datagedeelte frame  oplossing: gebruik combinatie DLE+STX en DLE+ETX (DLE = data link escape)  ook DLE kan voorkomen in datagedeelte  vervang DLE door DLE+DLE =karakterstuffing  geen vergissing mogelijk Framesynchronisatie

karaktergeoriënteerde transmissie (vervolg) mogelijke ontvangen patronen:  DLE+STX = begin frame  DLE+ETX = eind frame  DLE+DLE = karakter DLE start of header start of frame end of frame synchronisatiepatronen block check sum DLE Framesynchronisatie

bitgeoriënteerde transmissie (vb: HDLC = high-level data link control = basis PPP-protocol (point-to-point) voor WAN, internet, …) Begin en einde frame gemarkeerd door speciaal bitpatroon = vlag 01111110  zoek vlag om begin en eind tekst te bepalen PROBLEEM: vlag mag niet voorkomen in datagedeelte frame  gebruik bitstuffing: als in datagedeelte frame 5 opeenvolgende bits ‘1’, voeg dan een ‘0’ toe (ongeacht volgende bit)  aan ontvanger: als 5 opeenvolgende bits ‘1’ gedetecteerd  volgende bit = ‘0’  verwijder ‘0’  volgende bit ‘1’  vlag gevonden Opmerking: toevoegen ‘0’  zeker bittransitie na 5 keer ‘1’  goed voor bitsynchronisatie Framesynchronisatie

synchronisatiepatroon soort informatie: data of systeeminfo synchronisatiepatroon 01111110 frame check sequence = CRC Framesynchronisatie