computer network 2 phy and data link
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II. Physical and Data Link Layer
Felix Lin
Computer Network
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
勿忘 OSI 7Layer
OSI Model Ethernet
Application Layer
Presentation Layer
Session Layer
Transport Layer
Network Layer
Data Link Layer
Physical Layer
HTTP, SMTP, FTP, Telnet, …
Type of Data, Encrypt/Decrypt
Ports
TCP/UDP
IP
MAC, LLC, …
Cable, Cat5e, …
Mapping
ITU-T
• International Telecomm Union, ITU, 國際電信聯盟• ITU-T Telecommunication Standardization Sector 電
信標準化部門• 負責確立國際無線電和電信的管理制度和標準之國際組織。• 前身是國際電報電話諮詢委員會 (International Telegraph
and Telephone Consultative Committee ， CCITT)• 指定的國際標準通常被稱為建議書
（ Recommendations ）• 各系列以不同英文字母代表區隔
– V: 電話網上的數據通信（ Data communication over the telephone network ）
– G: 傳輸系統和媒體，數據系統和網路（ Transmission systems and media, digital systems and networks ）
– H: 視訊音訊以及多媒體系統複合方法
EIA
• Electronic Industries Alliance• 電子工業聯盟• 美國電子產品製造商的一個產業組織。 EIA
由美國國家標準學會授權編寫電子器件、消費電子產品、電信和網際網路安全等方面的標準。
IEEE
• Institute of Electrical and Electronics Engineers
• 電機電子工程師學會• 每年舉辦超過 300 次國際技術會議• 由 37 個協會組成，還組織了相關的專門技術領域• 制定了超過 900 個現行工業標準，為主要的國際
標準機構• 常見標準如 IEEE754, IEEE802.3,
IEEE802.11, IEEE1394 等
Physical Layer
• Copper– Line (Telephone)– Cable– Power Line
• Fiber– FOM– PON
• Wireless
Baseband Encoding
• Baseband and Broadband• NRZ – Non-Return to Zero• RZ – Return to Zero• NRZI – Non-Return to Zero
Inverted• Manchester (10BaseT)• Differential Manchester• 4B/5B(100BaseTX)
Work Mode
• Simplex• Half Duplex• Full Duplex
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
Data Com.
• ITU-T V.24• ITU-T V.35• EIA RS-232• EIA RS-485
Serial and Parallel
• 並列傳輸• Ex: printer port, data bus, IDE
• 串列傳輸• 同步
– I2C– SPI
• 非同步– UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)– SATA
Equipment Type
• Data Terminal Equipment (DTE)– 數據終端設備– 資料終端設備 ( 電腦或終端機 )–WAN 連接中用戶方的最後設備
• Data Circuit-terminating Equipment (DCE)– 數據通信設備– 資料通訊設備 ( 傳輸或接收資料的設備 )(Modem)–WAN 服務商方的最後通訊設備 – DCE 提供時脈
DTE DCE
Signal Type
• Ground• Data• Control• Timing• Test
ITU-T V.24/EIA RS-232
RS232 Pin DefinitionAbb. Name DB9 Pin DB25 Pin Direction
DCD Data Carrier Detect 1 8 DCE to DTE
RxD Receive Data 2 3 DCE to DTE
TxD Transmit Data 3 2 DTE to DCE
DTR Data Terminal Ready 4 20 DTE to DCE
SG System Ground 5 7 Common
DSR Data Set Ready 6 6 DCE to DTE
RTS Request to Send 7 4 DTE to DCE
CTS Clear to Send 8 5 DCE to DTE
RI Ring Indicator 9 22 DCE to DTE
V.35
RS-485
• 只需兩條線利用差動訊號傳輸• 半雙工• 傳輸距離較長• 常用於工業控制， ex: PLC 等
Comparison Table
RS232 RS485 V.35
工作模式 全雙工 半雙工 全雙工
驅動方式 單端點 差動 差動
最大速率 115.2kbps 10Mbps 2Mbps
最長距離 60m(4800bps) 1219m 1250m(2400bps)
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
TDM
• Time-Division Multiplexing• E1 (2.048Mbps) – 32 * 64Kbps (1 frame = 64Kbps)
• T1 (1.544Mbps) – 24 * 64Kbps (1 frame = 64Kbps)
TDM
多 工 器
A
B
C
D
A B C D A B C D A B C D
E-carrier/T-carrier
• E-carrier(Europe)• T-carrier(North American)
標準 速率 標準 速率
E1 2.048Mbps T1 1.544Mbps
E2 8.448Mbps (=4xE1) T2 6.312Mbps (=4xT1)
E3 34.368Mbps(=4xE2) T3 44.736Mbps(=7xT2)
E4 139.264Mbps(=4xE3) T4 274.186Mbps(=6xT3)
E1
• 32(Timeslot/Frame) x 8000(Frame/s) x 8 (bit/Timeslot) = 2,048 kbps
• Coding: HDB3/AMI• Framing Type: PCM30, PCM31,
Unframed• Optional FCS CRC-4
E1 Frame Format
T1
• (24(Timeslot/Frame) x 8(bit/Timeslot) +
1(framing bit)) x 8000(Frame/s) = 1,544 kbps
• Coding: B8ZS/AMI• Framing Type: SF(Super frame),
ESF(Extension Super Frame)
T1 Frame Format
Coding
• AMI - Alternative Mark Inversion, 交替反轉碼
• B8ZS - bipolar with eight-zero substitution
• HDB3 - high density bipolar of order 3
Coding Example
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
ATM and STM
• STM (Synchronous Transfer Mode)
• ATM (Asynchronous Transfer Mode)
ATM
多 工 器
A
B
C
D
A B D A C D A B C D
STM
多 工 器ABCD
A B D A C D A B C D
ATM
• 非同步傳輸模式• 多種傳輸速率， 622/155/100/51/25 Mbps• 連線導向• 優秀的 QoS(Quality of Service)• 方便頻寬管理。可控的 CBR(Constant Bit
Rate), VBR(Variable Bit Rate), ABR(Available Bit Rate), 與UBR(Unspecify Bit Rate)
• ATM Network Interface Types– User-Network Interface (UNI)– Network-Network Interface (NNI)
ATM Network
• ATM Network Interface Types– User-Network Interface (UNI)– Network-Network Interface (NNI)
ATM Network
ATM Cell Format
• Cell Format
• UNI Header
• NNI Header
GFC – General Flow ControlVPI – Virtual Path IdentifierVCI – Virtual Channel IdentifierPT – Payload TypeCLP - Cell Loss PriorityHEC – Head Error Correction
ATM VC and VP
• Virtual Paths– Virtual path connections (VPCs),
identified by a VPI.
• Virtual Channels– Virtual channel connections (VCCs),
identified by the combination of a VPI and a VCI.
ATM Switching
ATM Reference Model
SARSegmentation and Reassembly Sub-layer
ATM Adapter Layer
UtopiaUniversal Test & Operations PHY
Interface for ATM
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
DSL
• DSL - Digital Subscriber Line ，數位用戶迴路，是通過銅線或者本地電話網提供數位連接的一種技術。
• 總括意指可在一對雙絞線上同時傳輸聲音與資料。
xDSL Comparison
Downstream Rate
Upstream Rate
Distance Standard Approved In
ADSL 8 Mbps 1Mbps <3km ITU G.992.3 Jul 1997
ADSL2 12 Mbps 1Mbps <3km ITU G.992.3 Jul 2002
ADSL2+ 24 Mbps 1Mbps <3km ITU G.992.5 May 2003
SHDSL 5.6Mbps 5.6Mbps <4km ITU G.991.2 Feb 2001
VDSL 55Mbps 3Mbps <1km ITU G.993.1 Jun 2004
VDSL2 100Mbps 100Mbps <1km ITU G.993.2 Feb 2006
xDSL Speed Comparison
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
Reference Model
Ethernet
• LLC (Logical Link Control) (802.2)– 邏輯連結控制– 負責以邏輯性來辨認不同通訊協定型態，並封裝這
些通訊協定。– Upper Sub-Layer of Data Link
• MAC (Media Access Control) (802.3)– 媒體存取控制– 定義了如何在實際的纜線上傳送訊框。– Lower Sub-Layer of Data Link
CSMA/CD
• CSMA/CD (IEEE 802.3 MAC protocol)– 載波偵聽多路存取／碰撞檢測– CSMA (Carrier Sense Multiple Access)– CD (Collision Detect)
A C E
B D F
同軸電纜收發器電纜
終端器
終端器
收發器
StandardsStd. Data Interface802.3i 1990 10BaseT (Twisted Pair)802.3j 1993 10BaseF (Fiber Optic)802.3u 1995 100BaseTX/100BaseFX (Fast Ethernet)802.3z 1998 1000Base-X/1000Base-SX/1000Base-LX802.3ab 1999 1000Base-T802.3ae 2003 10GBase-T/10GBase-SR/10GBase-LR/10GBase-ER802.3ba 2010 40GBase-T/40GBase-LR4/100GBase-LR4
MII/GMII Interface
GMII = GIGABIT MEDIA INDEPENDENT
PHY = PHYSICAL LAYER DEVICEPCS = PHYSICAL CODING SUBLAYERPMA = PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENTPMD = PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT
MDI = MEDIUM DEPENDENT INTERFACEINTERFACE
MII
• Media Independent Interface– The interface between the (PHY) physical layer
and MAC layer MDC
Management data clock MDIO
Management data I/O TX_CLK
Transmit clock TXD[3:0]
Transmit data TX_EN
Transmit enable TX_ERR
Transmit error
COL Collision detection
CRS Carrier sense
RX_CLK Receive clock
RXD[3:0] Receive data
RX_DV Receive data valid
RX_ERR Receive error
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
Guide
• Multi Mode Fiber 多模光纖
• Single Mode Fiber 單模光纖
• SFP(Small form-factor pluggable) Module/Transceiver– SX – 850nm, 550M, MM– LX – 1310nm, 10KM, SM– EX – 1310nm, 40KM, SM
Fiber Adapter
Fiber Network
• 光纖網路• FOM
– Fiber Optic Modem
• PON– 被動式光纖網路– Point to Multi-Point– E-PON – Ethernet Passive Optical Network(IEEE
802.3ah, 2004)– G-PON – Gigabit-capable Passive Optical Network
(ITU-T G.984, 2003)– XG-PON – 10-Gigabit-capable Passive Optical
Network (ITU-T G.987, 2010)
GPON
• Gigabit-capable Passive Optical Network• Standard: ITU-T G.984.1~G.984.7• 2488/1244 Mbps DS/US Rate• GPON Encapsulation Mode (GEM) can
support multiple traffic types simultaneously– Ethernet, TDM, ATM
• Advanced Encryption Standard (AES) on payload
OLT(Optical Line Termination)
ONT(Optical Network Termination)
Benefit
• 優秀的 QoS/CoS– T-Count, GEM
• 容易維護管理– PLOAM(Physical Layer OAM)– OMCI (ONT Management and Control
Interface)
• 相容舊有設備• 高頻寬與分路比• 良好安全性
GPON Network
GPON Extensibility
8 16 32 64 128
05
1015202530354045
Class AClass B
Class B+Class C
Class AClass BClass B+Class C
Split ratio
Dis
tanc
e (k
m)
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
Coaxial Cable
• 同軸電纜傳導性與絕緣性較一般銅線佳• 利用傳統類比有線電視未使用頻段• Cable Modem
– DOCSIS 1.0/2.0/3.0– 成本 ( 非常 ) 高– 速率較高 (1200Mbps)
• Ethernet Over Coax– HomePNA/HomePlugAV– 成本低廉– 速率較低 (600Mbps)
EOC Network
Power Line
• HomePNA 1.0/2.0/3.0 (ITU-T)• HomePlug 1.0/2.0/AV/AV2
(HomePlug Alliance)• G.hn (ITU-T)
HFC Network
Wireless
• WiFi 802.11 a/b/g/n/ac• GSM/GPRS/EDGE/HSPA• CDMA/WCDMA• WiMax 802.16 e/m• LTE• 3G?/4G?/5G?
Agenda
• Warm Up• DATACOM• TDM• ATM • DSL• Ethernet• Fiber• Others• Equipment
Equipment
• Hub• Switch• Gateway• Router• Access Point• Modem• Repeater
Hub/Switch Hub
• 將多路實體網路線集合於同一裝置• 所有介面皆應在同一網段• Hub
– 工作在 10Mbps Half Duplex– 僅負責封包轉發，全部 broadcast– 為早期裝置，目前已淘汰
• Switch– 除了封包轉發還可以記錄 MAC Table– 依照功能性可分為 L2/L3 switch– 可以附加網路管理功能 (SNMP, WEB, CLI)– 延伸功能應用較多 (VLAN, QoS, …)
• 現在所說的 Hub 通常指 Switch Hub
Gateway/Router/AP
• Gateway ( 網關 / 閘道器 )– 一般 Ethernet Gateway 是做 LAN-WAN 封包轉送，界接兩個
不同 IP 網段– 介面未必為 Ethernet
• Router ( 路由器 )– 有維護路由表記錄所要轉送的路徑– 介面未必為 Ethernet
• Access Point (AP/ 無線存取點 / 無線基地台 )
• 目前家用 IP 分享器大多以整合以上設備基本功能• 工業級應用產品仍有其功能性區隔
Modem/Repeater
• 數據機 , Modem( 源自 modulator-demodulator)– 將數位訊號調變成類比訊號發送– 依據不同的調變方式分類，如撥接數據機， ADSL
Modem ， Cable Modem ， 3G Modem
• 中繼器 , Repeater– 在訊號傳輸過程中信號會因距離產生衰減– 藉由中繼器轉送以延長傳輸距離– 通常裝設於戶外，需要有防水防塵設計
Reference
• http://www.itu.int/rec/T-REC/en• http://
www.techfest.com/networking/wan/t1.htm
• http://www.ieee802.org/3/• http://www.cs.nthu.edu.tw/~
nfhuang/newbook.htm• http://www.cc.ntut.edu.tw/~
wwwph/old/image/spplan/lecture/optic%2820%29.pdf
• http://www.arcelect.com/fibercable.htm