作成 : 中村 遼 ( 大学院 情報科学府 ) physical layer ryo nakamura
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: ( )作成 中村 遼 大学院 情報科学府
Physical Layer
Ryo Nakamura
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Abstract
・ OSI reference model
・ Encoding
・ Protocol
- Protocol for Ethernet
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・ Cable - Metal cable
・ Coaxial cable・ Twisted pair cable
- Optical fiber - Wireless Communication
・ Radio・ Free Space Optics (FSO)
・ Device
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OSI reference model
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OSI reference model
・ In 1977, work on a layered model of network architecture,
which was to become the OSI model, started in the American National Standards Institute (ANSI) working group on Distributed Systems (DISY). With the DISY work and worldwide input, the International Organization for Standardization(ISO) began to develop its OSI networking suite.
・ OSI has two major components: an abstract model of networking (the Basic Reference Model, or seven-layer model) and a set of concrete protocols. [Wikipedia]
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OSI reference model
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data Link
PhysicalLayer 1
Layer 2
Layer 3
Layer 4
Layer 5
Layer 6
Layer 7
Media, signal and binary transmission
Physical addressing
Path determination and logical addressing
End-to-end connections and reliability
Signaling
Data representation and encryption
Network process to application
offer service
offer communication
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OSI Upper Layer
・ Application Layer
・ Presentation Layer
・ Session Layer
DATADATA
Format
When to start
SignalingApplication
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OSI Lower Layer
・ Transport Layer
・ Network Layer
・ Data Link Layer
・ Physical Layer
Reliability0101
0101Routing
Physical connection
Data transmissionat the node interval
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Function of Physical Layer
⇒ Conversion data into electrical signal
DATA
LAN adapter
Buffer Ethernet controller
PHY tip
Electrical Signal
Ethernet controller : Encode data
PHY (Physical) tip : D/A (Digital / Analog) conversion
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⇒ Conversion electrical signal into data
Electrical Signal
Trance PHY tip MAC tip
Buffer
Trance : Insulate the inside and the outside of LAN adapter
PHY tip : Judge a bit from electrical signal
MAC tip : Take out MAC frame based on Ethernet specifications from bit string
LAN adapter
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Encoding
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Encoding
・ NRZ(Non-Return to Zero)
0 → Low Level 1 → Hi Level
※ 1000BASE-X
・ NRZI(Non-Return to Zero Inversion)
0 → No Change Level 1 → Change Level
※ FDDI, 100BASE-FX
・ Manchester0 → Hi ⇒Low1 → Low⇒Hi
※ 10BASE5 、 2 、 -T
・ MLT-3 0 → No Change Level
1 → Change Level (Middle⇒Hi⇒Middle⇒Low )⇒
※ 100BASE-TX 、 CDDI
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Encoding
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Block Encoding
・ 4B / 5B (4-bit / 5-bit)
Decimal / 4-bit / 5bit0 / 0000 / 11110 1 / 0001 / 010012 / 0010 / 10100 3 / 0011 / 101014 / 0100 / 01010 5 / 0101 / 010116 / 0110 / 01110 7 / 0111 / 011118 / 1000 / 10010 9 / 1001 / 10011A / 1010 / 10110 B / 1011 / 10111C / 1100 / 11010 D / 1101 / 11011E / 1110 / 11100 F / 1111 / 11101
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Protocol
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Protocol
・ RS-232C (Recommended Standard 232C)
・ ISDN (Integrated Services Digital Network)
・ xDSL (x Digital Subscriber Line)
- ADSL (Asymmetric DSL)
・ IEEE 802.11 (Wireless LAN)
・ SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
SONET (Synchronous Optical NETworking)
・ Protocol for Ethernet
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RS-232C
⇒ Connect a peripheral devices to a PC
( Serial communication method )
9 Pin Serial Port
25 Pin Serial Port
Pin No
signal name
IN/OUT contents
1 DCD IN Data Carrier Detect
2 RxD IN Receive Data
3 TxD OUT Transmit Data
4 DTR OUT Data Terminal
Ready
5 GND - Ground
6 DSR IN Data Set Ready
7 RTS OUT Request
transmission
8 CTS IN Clear To Send
9 RI IN Ring Indicator
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ISDN
⇒ The digital communications network that unified telephone, FAX and data communication
2 channels for communication64kbps(B channel)
1 channel for control16kbps(D channel)
INSNet64
B channel D channel speed
INSNet64 64kbps*2 16kbps*1 128kbps
INSNet1500 64kbps*23 64kbps*1 1.5Mbps
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ISDNTA
DSU
Phone
IP Phone
PC
DTE DCE
TA (Terminal Adapter) : Convert Non-ISDN signal into ISDN signal
DSU (Digital Service Unit) : Synchronization control & Signal conversion
※DTE (Data Terminal Equipment) : Data handling device
DCE (Data Circuit-terminating Equipment) : Converting or Coding device
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xDSL
⇒ The general term of high-speed digital data communication technology with telephone wire
Down speed Up speed
SDSL (Symmetric DSL)160kbps ~
2.0Mbps160kbps ~
2.0Mbps
ADSL (Asymmetric DSL)1.5Mbps ~
50Mbps500kbps ~
12Mbps
HDSL (High bit rate DSL)
1.5Mbps ~2.0Mbps
1.5Mbps ~2.0Mbps
VDSL (Very high bit rate DSL)
13Mbps ~ 52Mbps1.5Mbps ~
2.0Mbps
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ADSL
Modem (MOdulator-DEMotulatot) : Convert Ethernet signal into ADSL signal
Splitter : Divide Voice signal and Data signal
Phone
PC
Modem
Splittermodular jack
Digital
Analog
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IEEE 802.11
⇒one of the wireless LAN related standards
Decision timeFrequency
bandOfficial speed
IEEE 802.11 1997 2.4 ~ 2.5GHz 2Mbps
IEEE 802.11b
October, 1999
2.4 ~ 2.5GHz11Mbps /
22Mbps
IEEE 802.11a
October, 1999
5.15 ~ 5.35GHz5.47 ~
5.725GHz(Max)54Mbps
IEEE 802.11g
June, 2003 2.4 ~ 2.5GHz 54Mbps
IEEE 802.11j --4.9 ~ 5.0GHz
5.03 ~5.091GHz
54Mbps
IEEE 802.11n
-- 2.4GHz / 5GHz 100Mbps ~
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SONET/SDH
⇒ The international standard of the high speed digital communication method with optical fiber
SONET SDHTransmission
speed
OC-1 ‐ 51.84Mbps
OC-3 STM-1 155.52Mbps
OC-9 ‐ 466.56Mbps
OC-12 STM-4 622.08Mbps
OC-18 ‐ 933.12Mbps
OC-24 ‐ 1244.16Mbps
OC-36 ‐ 1,866.24Mbps
OC-48STM-
162,488.32Mbps
OC-192STM-
649,953.28Mbps
Important
OC : Optical Carrier
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Protocol for Ethernet
Transmission speed
Maximum length Cable Encoding
10BASE-5 10Mbps 500m Coaxial cable Manchester
10BASE-2 10Mbps 185m Coaxial cable Manchester
10BASE-T 10Mbps 100mTwisted pair
cableManchester
100BASE-TX 100Mbps 100mTwisted pair
cable4B/5B + MLT-
3
1000BASE-T 1Gbps 100mTwisted pair
cable4D-
PAM5(8BIQ4)
100BASE-FX 100Mbps
Multi mode:412m(half duplex)
Optical fiber 4B/5B + NRZI2km(full duplex)
Single mode:20km(full duplex)
1000BASE-SX 1Gbps Multi mode:550m Optical fiber 8B/10B + NRZ
1000BASE-LX 1GbpsMulti mode:550m
Optical fiber 8B/10B + NRZSingle mode:5km
1000BASE-ZX 1Gbps 100km Optical fiber 8B/10B + NRZ
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Cable
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Coaxial cable
1. Inner conductor2. Insulator surrounding the Inner conductor3. Metallic shield and outer conductor4. Outer insulating jacket
Characteristic
・ Few leaks of the electromagnetic wave to the outside.・ Able to bend.・ Able to transmit of a wide frequency range.・ Structure is complicated, and price is high.
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10BASE5 (Thick cable, yellow cable)
N Connector
N Terminator
NIC
Transceiver
Transceiver Cable
AUI connector
Thick Coax2.5m~
~50m
10mm
Terminator : prevent the reflection of the signalNIC : Network Interface Card
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10BASE2 (Thin cable)
Thin Coax
BNC T ConnectorNIC
5mm
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Twisted pair cableSTP (Shielded twisted pair)UTP (Unshielded twisted pair)
TX +TX -RX +RX -
TX : Transmit pairRX : Receive pair
Characteristic
・ Cheap and Easy to treat.・ Wire freely.・ Affected by the powerful electricity and electromagnetic wave.
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CategoryMaximum Frequency
Transmission speed
example
Cat1 ― 20kbps telephone wire
Cat2 1MHz 4Mbps ISDN
Cat3 16MHz 10Mbps 10BASE-T
Cat4 20MHz 16Mbps Token Ring, ATM
Cat5 100MHz 100Mbps100BASE-TX, ATM(OC-3), CDDI
Cat5-e 100MHz 1Gbps 1000BASE-T
Cat6 250MHz 1.2Gbps 1000BASE-TX
Cat6-e 500MHz 10Gbps 10GBASE-T
Cat6-a(STP only)
500MHz 10Gbps 10GBASE-T
Cat7(STP only)
600MHz 10Gbps 10GBASE-Te : enhanceda : augmented
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Optical fiber
Core : Light advances.
Cladding : Light is reflected.
Buffer : Relax shock.
Jacket : Protect.
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Multi mode Single mode
・ Strong to bend.・ Easy to connect.・ Cheap.・ Made of plastic.(Cladding:fluorine-based polymer)
・ Little transmission loss.・ Made of quartz glass.( Core:Ge,P , Cladding:B,F)
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Conversion between Electricity and Light
Laser diode Photo diode
e.g. CATV
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Wireless Communication
【 Radio 】・ Electric wave
・ strong for obstacle
( ・ license is necessary)
・ mobile phone, PHS
・ Bluetooth (IEEE 802.15.1)
【 FSO 】・ Infrared ray (IR)
or Visible spectrum
・ weak for obstacle
・ license is unnecessary
・ PC, remote controller
・ IrDA UFIR⇒
・ The wiring space is unnecessary.
・ Mobile communication is possible.
・ Able to build LAN immediately.
・ Able to communicate outdoors.
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EM spectrum
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Bluetooth
・ Use frequency band of 2.4GHz.
・ Transmission length is radius of 10~100m.
・ Low power consumption
・ Low cost
VersionSymmetry type Asymmetry type
Transmission speed down up
1.x (1.1,1.2) 432.6kbps 723.2kbps 57.6kbps
2.x(2.0, 2.1)+EDR
1.3069Mbps 2.1781Mbps 177.1kbps
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IrDA (Infrared Data Association)
・ Use Infrared ray (IR).・ Used for mobile game.
Transmission speed 30cm 1m
SIR 115kbps IrDA ver1.2 IrDA ver1.0
MIR 1Mbps IrDA ver1.3 IrDA ver1.1
FIR 4Mbps IrDA ver1.3 IrDA ver1.1
VFIR 16Mbps IrDA ver1.4
UFIR 100Mbps
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Other communication style
・ Communications Satellite ⇒The wireless communication
that use the microwave from artificial satellite
・ Power Line Communication (PLC)⇒Technology to use a power line
as telecommunication line.
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Device
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Repeater HUB
⇒ Reproduce and Relay signal.
A B C D
collision
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Function of Repeater HUB
・ Retiming function ⇒ The transmission signal comes under various influence of decre
ment, the distortion of the wave pattern, increase of the jitter in a cable during transmission. Repeater HUB has a function to restore the signal that It received to keep quality as the electrical signal in a transmission process and call it “Retiming function".
・ Preamble reproducing function ⇒ Continuation of 1 and 0 of 7 bytes to be called Preamble is added
to the top of the communication frame that drifts to a cable, but there is the case that phenomena such as the bit loss occur for this preamble in a transmission process. We call a function to return this preamble to an original state “Preamble reproduction function".
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Switching HUB
⇒ Repeater Hub + Bridge
A B C D