Redes de Computadores. Tema 3 Transmisión de datos

Transcripción

1 (07BJ) (05BR) Redes Redes de Computadores Tema 3

2 Índice 1. Introducción 2. Codificación de la información ([FOR07] Capítulos 4 y 5) 2.1 Datos digitales en señales digitales 2.2 Datos digitales en señales analógicas 3. xdsl 3.1 ADSL ([TAN03] Capítulo 2.5.3) 3.2 Otras tecnologías DSL 4. Cable-módems ([HAL06] Capítulo 5.2) 2

4 1. Introducción Transmisión de información (control + datos) Tipos de datos/señales Analógicas: cualquier valor dentro de un rango Digitales: número limitado de valores Una señal simple no transporta información La señal debe ser manipulada, introduciendo cambios identificables por el receptor como representativos de la información transmitida: codificación de la información 4

5 1. Introducción Transmisión digital Datos analógicos o digitales codificados en señal digital La codificación elegida la señal digital intentará: Minimizar ancho de banda requerido, coste y complejidad Facilitar sincronización y detección de errores en el receptor Maximizar la inmunidad al ruido e interferencias mediante diferentes esquemas de codificación Transmisión analógica Datos analógicos o digitales codificados en señal analógica Basada en señal de frecuencia constante: portadora modificando los parámetros de la portadora (amplitud, frecuencia, fase): modulación 5

7 2. Codificación de la información Datos digitales, señales digitales: Menor coste/complejidad que modulación señales analógicas Múltiples esquemas de codificación propuestos Datos digitales, señales analógicas: Algunos medios de transmisión no admiten señales digitales La modulación permite usar señales analógicas Datos analógicos, señales digitales: Empleo de técnicas de transmisión y equipos de conmutación digitales modernos La digitalización permite usar señales digitales Datos analógicos, señales analógicas: La modulación permite usar FDM (múltiples canales de datos analógicos comparten una única línea o enlace de transmisión) 7

9 2.1 Datos digitales en señales digitales Parámetros básicos de la señalización digital: Temporización de un bit (duración) Nivel de la señal asociado a cada valor de un bit (0 ó 1) Factores que caracterizan la señalización digital: Espectro de la señal (W requerido y presencia de DC) Capacidad de sincronización de la señal en el receptor Capacidad de detección de errores en el receptor Inmunidad frente a ruido e interferencias Coste y complejidad 9

10 2.1 Datos digitales en señales digitales Esquemas de codificación para señales digitales Unipolar: un nivel de voltaje Polar: dos niveles de voltaje Bipolar: tres niveles de voltaje Otras codificaciones usadas en LAN: MLT-3, 4B/5B, 8B/10B, 8B6T, PAM 5x5 y 2B1Q 10

11 2.1 Datos digitales en señales digitales Unipolar Uso de un único nivel de voltaje (positivo) para el 1 Línea en estado ocioso equivale a 0 Ventajas: sencillez y bajo coste de implementación Inconvenientes: Componente continua (DC) Sincronización de bit 11

12 2.1 Datos digitales en señales digitales Polar Uso de dos niveles de voltaje (positivo y negativo) Línea en estado ocioso equivale a no transmisión Ventajas: eliminación de DC y sincronización de bit en algunos casos Inconveniente: requiere W en algunos casos Codificaciones más populares: NRZ, RZ y Bifase 12

13 2.1 Datos digitales en señales digitales No Retorno a cero (NRZ) Codificaciones más populares: NRZ-L y NRZ-I (representación en función de las transiciones) Ventaja (NRZ-I): sincronización en cada 1 Inconveniente (NRZ-I): secuencia larga de 0 s Retorno a cero (RZ) Regreso a cero en mitad de cada intervalo de bit Ventaja: sincronización en cada bit Inconveniente: requiere W 13

14 2.1 Datos digitales en señales digitales Bifase Inversión de la polaridad en mitad de cada intervalo de bit Codificaciones más populares: Manchester (IEEE con CSMA/CD) Manchester Diferencial (Token Ring): inversión de la polaridad al principio de cada intervalo de bit (representación en función de las transiciones) Ventajas: sin DC / sincronización en cada bit / detección de errores (ausencia transición) Inconveniente: requiere W 14

15 2.1 Datos digitales en señales digitales Bipolar Uso de tres niveles de voltaje (positivo, cero y negativo) Línea en estado ocioso equivale a 0 Codificación de 1 s alternando entre positivo y negativo Codificaciones más populares: AMI, B8ZS, HDB3 y MLT-3 AMI (Alternate Mark Inversion) Ventaja: sin DC Inconveniente: secuencia larga de 0 s B8ZS (USA) y HDB3 (Europa y Japón) se basan en el concepto de violación: Cambio no permitido por la codificación de la señal 15

16 2.1 Datos digitales en señales digitales Bipolar B8ZS (Bipolar 8-Zero Substitution) Similar a AMI pero 8 0 s consecutivos provocan una violación HDB3 (High Density Bipolar 3) Similar a AMI pero 4 0 s consecutivos provocan una violación Tiene en cuenta el número de 1 s aparecidos hasta ahora 16

17 2.1 Datos digitales en señales digitales MLT-3 (Fast Ethernet) Similar a AMI pero siguiendo el ciclo -1,0,+1,0,-1, Un 1 hace que la señal pase al siguiente estado del ciclo Un 0 hace que la señal permanezca en el mismo estado del ciclo Ventaja: sin DC Inconveniente: secuencia larga de 0 s 17

18 2.1 Datos digitales en señales digitales Codificación por bloques Codificaciones más populares: 4B/5B, 8B/10B Cada m bits de datos se codifican con n bits de código 18

19 2.1 Datos digitales en señales digitales Codificación por bloques 4B/5B-NRZ-I (Fast Ethernet) Cada 4 bits de datos se codifican con 5 bits de código El código resultante 4B/5B se codifica con NRZ-I Los grupos de 5 bits se eligen para facilitar la sincronización Máximo de tres 0 s por cada 5 bits de código 4B/5B Datos Código Datos Codigo B/10B es similar a 4B/5B y se utiliza en Gigabit Ethernet 19

20 2.1 Datos digitales en señales digitales Codificación con símbolos no binarios 8B6T (Fast Ethernet) Uso de símbolos ternarios en lugar de bits Cada 8 bits de datos se codifican con 6 símbolos ternarios Los grupos de 6 símbolos ternarios se eligen para facilitar la sincronización y compensar la componente continua Ejemplo: se codifica como PAM 5x5 (Gigabit Ethernet) Uso de símbolos quinarios en lugar de bits Cada 4 bits de datos se codifican con 2 símbolos quinarios Los grupos de 2 símbolos quinarios se eligen para facilitar la sincronización y compensar la componente continua 2B1Q (HDSL / SDSL) Cada 2 bits de datos se codifican con un símbolo cuarternario 20

21 2.1 Datos digitales en señales digitales Problema 1. Representar la cadena de bits de datos mediante las codificaciones NRZ-L, NRZ-I, RZ, Manchester, Manchester diferencial, AMI, B8ZS, HDB3, MLT-3 y 4B/5B-NRZ-I. Para los casos en los que sea necesario, se supondrá que la polaridad del primer uno es positiva y que el número de unos desde la última sustitución es par. 21

23 2.2 Datos digitales en señales analógicas Codificación basada en una señal de frecuencia constante: portadora modificando los parámetros de la portadora (frecuencia, amplitud, fase): modulación Ejemplo: módems RTB, ADSL, cable-módems 23

24 2.2 Datos digitales en señales analógicas Modulación de amplitud (Amplitude-Shift Keying, ASK) Distinta amplitud para cada valor de bit Muy sensible a cambios de voltaje (ej.: ruido impulsivo) Usada en líneas de fibra óptica A1 sen(2πfct + π ) s( t) = A2 sen(2πfct + π ) bit 1 bit 0 24

25 2.2 Datos digitales en señales analógicas Modulación de frecuencia (Frequency-Shift Keying, FSK) Distinta frecuencia para cada valor de bit Menos sensible a cambios de voltaje pero limitada por W El cambio de frecuencia es progresivo (consumo potencia) Asen (2πf1t + π ) s( t) = Asen (2πf 2t + π ) Modulación de fase (Phase-Shift Keying, PSK) Distinta fase para cada valor de bit Las variaciones de fase son fácilmente identificables bit 1 bit 0 Asen (2πfct + 0) s( t) = Asen (2πfct + π ) bit 0 bit 1 25

26 2.2 Datos digitales en señales analógicas Modulación de amplitud en cuadratura (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) Por qué limitar el cambio a un solo parámetro? El ancho de banda limita FSK, pero no la combinación entre ASK y PSK X variaciones en fase, Y variaciones en amplitud = X Y estados distintos (diagrama de constelación) En este caso V T > V m, en concreto, V T = V m log 2 (X Y) Una buena elección de X e Y proporciona resistencia al ruido y robustez ante errores Diferentes diagramas de constelación para 16-QAM 26

27 2.2 Datos digitales en señales analógicas Problema 2. Dada la señal senoidal de la figura, determina qué tipo de modulación se utiliza y dibuja su diagrama de constelación. 27

28 2.2 Datos digitales en señales analógicas Problema 3. Sabiendo que la señal senoidal de la figura transmite los bits de datos : Cuál es la frecuencia de la portadora? Qué tipo de modulación se utiliza? Deduce a qué bit(s) corresponde cada símbolo. Calcula T e, V m y V T. 28

30 3.1 ADSL ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) Concebido para aumentar la velocidad de transmisión entre el usuario y la red Aprovecha el par trenzado ya existente ( 1 MHz) Por qué asimétrico? Adecuado a las necesidades de transmisión de Internet Proporciona mayor velocidad en sentido descendente Coexistencia de los servicios de voz y datos POTS (Plain Old Telephone Service): rango de frecuencias de 0 a 4000 Hz Conexión permanente (always on) usando frecuencias superiores a las que emplea POTS V T depende de la distancia hasta el bucle local Distancias de hasta 5,5 Km en función del cable 30

31 3.1 ADSL ADSL hace uso del rango de frecuencias de 25 KHz hasta 1104 KHz 256 canales de 4312,5 Hz Reserva los 6 primeros canales para voz (25,875 KHz) POTS (Plain Old Telephone Service) Ancho de banda adicional como banda de guarda Modulación multitono discreto (Discrete Multitone Modulation, DMT) para envío y recepción de datos usando los 250 canales restantes (1078,125 KHz) 31

32 3.1 ADSL Modulación multitono discreto (DMT) Cada subcanal emplea una portadora diferente (subportadora) La frecuencia de cada subportadora es un múltiplo de 4,3125 KHz El ancho de banda de cada subportadora es de 4,3125 KHz Prueba inicial de línea para determinar la SNR de cada subcanal La atenuación aumenta con las frecuencias altas Los canales de frecuencia más alta transportan menos datos En cada canal (dependiendo de la SNR): V m = 4000 baudios n = 0 a 15 bits (desde BPSK hasta QAM) V T = 0 a 60 Kbps Los flujos ascendente y descendente están formados por varios canales Flujo ascendente (hasta 25 portadoras) Flujo descendente (hasta 224 portadoras) 32

33 3.1 ADSL Subcanales usados por DMT Combinación de canales mediante FDM 33

34 3.1 ADSL ADSL (estándar ITU-T G.992.1) Módem ADSL usuario difiere del situado al otro lado del bucle de abonado Módem de usuario (ADSL Terminal Unit Remote, ATU-R) Módem de central (ADSL Terminal Unit Central, ATU-C) 34

35 3.1 ADSL ADSL (estándar ITU-T G.992.1) Splitter: filtro paso-bajo y filtro paso-alto Separa la voz de los datos V T (downstream/upstream) máxima = 8 Mbps / 1 Mbps 35

36 3.1 ADSL ADSL G.Lite (estándar ITU-T G.992.2) Sustituye el splitter por microfiltros V T (downstream/upstream) máxima = 1,5 Mbps / 512 Kbps 36

37 3.1 ADSL ADSL2 (estándares ITU-T G.992.3/4) V T (downstream/upstream) máxima = 12 / 1 Mbps ADSL2 mejora la eficiencia de la modulación ADSL2+ (estándar ITU-T G.992.5) V T (downstream/upstream) máxima = 24 Mbps / 1 Mbps ADSL2+ incrementa frecuencia máxima hasta 2,2 MHz ITU-T G.992.3/4 Anexo J / ITU-T G Anexo M: 3,5 Mbps upstream (uso de POTS+ampliación upstream hasta 0,28 MHz) 37

38 3.1 ADSL Multiplexor de acceso para DSL (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, DSLAM) No es práctico tener cientos de ATU-C en cada central DSLAM: Digital Subscriber Line Access Multiplexer Dispositivo que agrupa varios ATU-C Interconecta los enlaces ADSL con una red WAN ATM como tecnología de transporte de los datos 38

39 2.2 Datos digitales en señales analógicas Problema 4. Una línea ADSL que utiliza DMT emplea 2/3 de los canales de datos disponibles para el enlace descendente y el resto para el ascendente (canal de separación entre ambos enlaces como banda de guarda). Si utiliza 64-QAM en cada canal, cuál es la capacidad del enlace descendente? Y la del enlace ascendente? 39

40 Índice 1. Introducción 2. Codificación de la información ([FOR07] Capítulos 4 y 5) 2.1 Datos digitales en señales digitales 2.2 Datos digitales en señales analógicas 3. DSL 3.1 ADSL ([TAN03] Capítulo 2.5.3) 3.2 Otras tecnologías DSL 4. Cable-módems ([HAL06] Capítulo 5.2) 40

41 3.2 Otras tecnologías DSL HDSL (estándar ITU-T G.991.1) La transmisión de T1/E1 requiere repetidores cada Km Encapsula T1/E1 hasta 3,7 Km sin repetidores HDSL usa el rango de frecuencias de 0 a 196 KHz Transmisión full-dúplex sobre dos pares de cobre V T = 1,544 Mbps (T1) / 2,048 Mbps (E1) SDSL (estándar ITU-T G.991.2) Variación de HDSL para transmitir sobre un único par de cobre V T = 1,544 Mbps (T1) / 2,048 Mbps (E1) Ni HDSL ni SDSL soportan POTS 41

42 3.2 Otras tecnologías DSL VDSL (estándar ITU-T G.993.1) VDSL incrementa frecuencia máxima hasta 12 MHz V T (downstream/upstream) máxima = 52 / 6,4 Mbps (asimétrica) o 13 Mbps (simétrica) VDSL2 (estándar ITU-T G.993.2) VDSL2 incrementa frecuencia máxima hasta 30 MHz V T máxima = 100 Mbps (simétrica) 42

43 3.2 Otras tecnologías DSL Característica HDSL SDSL VDSL VDSL2 V T 1,544 Mbps 2,048 Mbps 1,544 Mbps 2,048 Mbps 52/6,4 Mbps (A) 13 Mbps (S) 100 Mbps Frecuencia 196 KHz 196 KHz 12 MHz 30 MHz Señalización Digital Digital Analógica Analógica Modulación 2B1Q 2B1Q DMT DMT V m 2 bits/ciclo 2 bits/ciclo Variable Variable Distancia Hasta 3,7 Km Hasta 3 Km Hasta 1,4 Km Hasta 4 Km Pares de cobre Modo Simétrico Simétrico Asimétrico / Simétrico Asimétrico / Simétrico 43

44 3.2 Otras tecnologías DSL xdsl: pilas de protocolos comunes xdsl podría ser ADSL/2/2+ o VDSL/2 IP IP IP Ethernet PPPoA (ATM AAL5) ATM ATM PPPoA (ATM AAL5) Cat 5 xdsl xdsl ATM PHY o SONET(SDH) ATM PHY o SONET(SDH) Red Telefónica ATU-C Fibra ATU-R DSLAM Proveedor 44

45 3.2 Otras tecnologías DSL xdsl: pilas de protocolos comunes xdsl podría ser HDSL o SDSL Algunos canales de T1 se podrían dedicar a voz IP IP IP Ethernet ATM AAL5 ATM AAL5 Cat 5 ATU-R T1(E1) / xdsl Red Telefónica T1(E1) / xdsl ATU-C DSLAM TX(EX) / SONET(SDH) Fibra TX(EX) / SONET(SDH) Proveedor 45

47 6. Cable-módems Cable-módem Concebido para transmisión de datos sobre la red de televisión por cable (CATV) Aprovecha el cableado ya existente Coexistencia de los servicios de televisión y datos Conexión permanente (always on) V T independiente de la distancia V T (downstream/upstream) máxima = 50 Mbps / 9 Mbps Estándares (Euro) DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) / CableLabs ( 47

48 6. Cable-módems CATV (Community Antenna Television) Cable coaxial Unidireccional HFC (Hybrid Fiber Coax) Bidireccional CM CM CMTS 48

49 6. Cable-módems CATV (Community Antenna Television) CM (Cable Modem) + CPE (Customer Premises Equipment) CMTS (Cable-Modem Termination System) 49

50 6. Cable-módems DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) Estándar concebido para la transmisión de datos sobre una red de televisión por cable (CATV) Los operadores de televisión por cable lo emplean para proporcionar acceso a Internet sobre una infraestructura HFC La versión europea de DOCSIS se denomina EuroDOCSIS Canales de 6 MHz en USA (NTSC) / 8 MHz en Europa (PAL) Estándares DOCSIS v1.x y v2.0 ampliamente usados La última versión del estándar es DOCSIS v3.0 Permite utilizar varios canales simultáneamente, tanto para subida como para bajada, con lo que la V T puede sobrepasar los 100 Mbps en ambos sentidos 50

51 6. Cable-módems Arquitectura de DOCSIS: nivel físico (entre paréntesis valores para Europa) Ancho de banda de los canales DOCSIS 1.0/1.1 especifican un canal de subida de 200 KHz a 3,2 MHz (6,4 MHz con DOCSIS 2.0) en el rango de 5 a 42 (65) MHz El canal de bajada es de 6 (8) MHz en el rango de 88 (110) a 860 (862) MHz Modulación DOCSIS 1.0/1.1 especifica la utilización de QPSK o 16-QAM para el canal de subida (DOCSIS 2.0 permite además 32-QAM y 64-QAM) y 64-QAM o 256-QAM para el canal de bajada Upstream channels QPSK ó 16-QAM Downstream channels 64-QAM ó 256-QAM Digital TV channels BG BG Unused 51

52 6. Cable-módems Arquitectura de DOCSIS: nivel de enlace Capa MAC: canal de bajada (CMTS CM) CM obtiene dirección IP mediante DHCP CM descarga fichero de configuración mediante TFTP CMTS usa un canal de bajada (canal de TV) para enviar tramas a un CM, a varios CMs o a todos los CMs (TDME) Todos los CMs reciben todas las tramas por lo que surge la necesidad de cifrar los datos para garantizar la privacidad Subcapa LS (Link Security) CMTS arbitra el uso del canal de subida compartido por los CMs Subcapa MAC (Medium Access Control) Las tramas de datos se encapsulan dentro de tramas MPEG-2 en el canal de bajada para aprovechar el hardware necesario para procesar los datos de los canales de TV digital 52

53 6. Cable-módems Arquitectura de DOCSIS: nivel de enlace Capa MAC: canal de subida (CM CMTS) El canal ascendente está dividido en slots de 4 ms Cada slot se subdivide a su vez en minislots que se asignan a los CMs bajo demanda (TDME) CMTS envía a todos los CMs un mapa de asignación del ancho de banda para cada slot (asignación de minislots a CMs) CM envía tramas de datos usando los minislots que el mapa de asignación le ha reservado para el presente slot El mapa de asignación incluye una región de reserva para que los CMs puedan solicitar la asignación de minislots Varios CMs pueden usar la región de reserva al mismo tiempo (resolución de conflictos mediante un esquema de contienda similar al usado en Ethernet) La utilización del mapa de asignación requiere la sincronización de los CMs con el CMTS en función de la distancia entre ellos 53

54 6. Cable-módems DOCSIS v2.0: pila de protocolos comunes DHCP/TFTP UDP IP DHCP/TFTP UDP IP Ethernet LS MAC LS MAC Cat 5 US MPEG-2 DS Cable coaxial US MPEG-2 DS CM CMTS 54

55 Resumen Codificación de la información Datos digitales/señales digitales: esquemas de codificación Espectro de la señal, sincronización, detección de errores, inmunidad frente al ruido, coste y complejidad Polar (NRZ, Manchester), bipolar (AMI), codificación por bloques (4B/5B, 8B/10B), codificación con símbolos no binarios (8B6T, PAM 5x5, 2B1Q) Datos digitales/señales analógicas: ASK, FSK, PSK, QAM ADSL: transmisión de datos mediante DMT Cable-módems: transmisión de datos mediante QAM 55