Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 1 Kurspresentation Kapitel 1 - Introduktion Föreläsningsmaterialet är författat av Magnus Eriksson. Material är även hämtat från Iskra Popova samt Behrouz Fourozan.

Kursmaterial Kurslitteratur: Forouzan, ”Data communications and networking”, 3:e eller 4:e utgåvan. Kursens Moodle-plats, som nås via http://portal.miun.se . Där kommer följande att finnas: Lektionsplanering Föreläsningsslides ”Quizzar” (automaträttade kapitelprov, kräver 70% rätt per prov). Se under ”utvärderingar”. Labbkompendium Övningstentor M.m.

Vem behöver denna kurs? Den som har ett hemmanätverk kan behöva felsöka och konfigurera nätverket. Nätverksansvarig på ett företag som måste kunna planera och designa nätverk. IT-ansvariga beslutsfattare som behöver beställarkompetens för att välja nätverksutrustning, förstå artiklar, broschyrer och litteratur om ny teknik inom området, etc. Den som ska programmera klient-server-applikationer (s.k. distribuerad programmering) får ofta skapa egna s.k. datakommunikationsprotokoll, eller använda standardiserade kommunikationsprotokoll. Utvecklare och forskare som behöver kunna räkna på prestandamått, t.ex. bandbreddsbehov, kapacitet, tidsfördröjning, paketförluster, kapacitet, mm.

Kursens syfte Denna kurs avser att ge dig förståelse för viktiga prestandamått, algoritmer och teorier inom områdena datornätverk och multimedietransmission, samt att orientera om hur dessa principer tillämpas inom aktuella standarder och protokoll. Kursen syfte är: - dels att ge sådan allmänbildande kunskap om området som en IT-civilingenjör behöver oavsett fortsatt studiegång, - dels att ge en introducerande översikt inför vidare studier inom studiegången Internetsystem (f.d. Multimedie- och kommunikationssystem).

Kursens syfte Denna kurs avser att ge dig förståelse för viktiga prestandamått, algoritmer och teorier inom områdena datornätverk och multimedietransmission, samt att orientera om hur dessa principer tillämpas inom aktuella standarder och protokoll. Kursen syfte är: - dels att ge sådan allmänbildande kunskap om området som en IT-civilingenjör behöver oavsett fortsatt studiegång, - dels att ge en introducerande översikt inför vidare studier inom studiegången Internetsystem (f.d. Multimedie- och kommunikationssystem).

Kursuppläggning Cirka 32 timmar föreläsning, varav 26 samläses med kursen Datornätverk A. Under föreläsningarna går jag igenom några av uppgifterna i läroboken. 6 timmar räkneövningar. Under dessa går jag igenom kursen övningskompendium (se WebCT). Salstentamen. Fyra laborationstillfällen a 3 timmar.

Överlappande kurser Kursen överlappar till stor del med följande kurser, och kan därför INTE ingå i samma examen: Datateknik A, Datornätverk A, 5 poäng. Kurskod DTEA22. (Campus- och distanskurs, som till stor del samläser med MKS-kursen. De har även en projektuppgift och obligatoriska “quizzar” varje vecka. De har färre och lättare räkneuppgifter, och större fokus på begreppsdefinitioner. MKS-kursen har extra räkneövningslektioner, och 3 hemuppgifter, och lite extramaterial om multimedial kommunikation.) Datateknik A, Datakommunikation A, 3 poäng, (Avvecklad campuskurs) Datateknik A, Internet och datakommunikation 5 poäng (Avvecklad distanskurs) Datateknik A, Datakommunikation och drift av nätverk 5 poäng (Avvecklad distanskurs)

Fler kurser inom området Mittuniversitetet erbjuder flera påbyggnadskurser inom området, bl.a. följande: Datateknik A, Datornätverk. Datateknik A, Nätverksteknik I och II (Cisco-kurser) Datateknik B, Trådlös Internetaccess. (Distans och campus) Datateknik C, TCP/IP-nätverk. (Distans och campus) Säkerhetskurser (Distans och campus) Civingprofil och masterpåbyggnadsutbildning Internetsystem (Campus).

Innehåll Aktuella multimediala kommunikationstillämpningar. OSI-modellen och TCP/IP-modellen. Källkodning: Digitalisering. Nyquists samplingsteorem. Kvantisering. Datakompression. Vanliga standarder och filformat. Kvalitetsmått för transmissionskanaler och signaler, i synnerhet bild och ljud: Decibelmått. Fourieranalys av periodiska signaler. Bandbredd. Brus. Signalstörförhållande. Kvantiserings-, viknings- och harmonisk distorsion. Punkt-till-punkttransmission: Fysiska media, vanliga modulationsmetoder, felkodning (kanalkodning). Bitfelssannolikhet. Shannons teorem. Kretskoppling: Tidsmultiplex, frekvensmultiplex, telefonnät, digitala televäxlar. Paketförmedling: Statistisk multiplex, nättopologier, fleraccessmetoder, ARQ, flödesstyrning. Beräkning av genomströmningshastighet. Adressering: MAC-adressering, subnet masks, routingalgoritmer, multicasting, DNS. Transportprotokoll: virtuell kretskoppling, sliding window, sockets, QoS. Beräkning av genomströmningshastighet. Radiosystem: vågutbredningsmodeller, trådlösa nätverk, cellulära system.

Multimedia kan definieras på många sätt ”Multimedia (Lat. Multum + Medium) is media that uses multiple forms of information content and information processing (e.g. text, audio, graphics, animation, video, interactivity) to inform or entertain the (user) audience. Multimedia also refers to the use of (but not limited to) electronic media to store and experience multimedia content. Multimedia is similar to traditional mixed media in fine art, but with a broader scope. The term "rich media" is synonymous for interactive multimedia.” (Wikipedia) “A combination of several media types in a single digital object or collection, eg, images, audio, video.” (Digital Libraries, by William Arms, 2000 M.I.T. press) “Systems that support the interactive use of text, audio, still images, video, and graphics. Each of these elements must be converted in some way from analog form to digital form before they can be used in a computer application. “ (Office of Distance Ed , Tamu)

Vad är inte multimedia? ”Vanlig” TV. (Men digital TV-distribution, åtminstone via nätverk, betraktas som multimedia.) Videobandspelare. (Inte tillräckligt hög grad av interaktivitet, inte datorbaserat.) Laserdisc. (Var inte digital) Underförstådda avgränssningar av multimediabegreppet: - Digital och datorbaserad i något skede, - Tillräcklig grad av interaktivitet.

Aktuella multimediala kommunikationstillämpningar Interaktiva multimediala presentationer på nätet. Hypermedia, www. Flash, Shockwave, och andra författarverktyg för interaktiva animeringar. Digital-TV: DVB = Digital Video Broadcasting DVB-T (Terestrial) DVB-C (Cable) DVB-S (Satellite) TV i mobilen: DVB-H (Handheld) MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) via 3G IP-TV: via bredbandsnäten och IP Multicasting till set-top-box Video-on-demand Interaktiv TV Peer-to-peer-fildelning IP-telefoni, Voice-over-IP, Messenger-tjänster, videokonferenser.

Chapter 1 Introduction Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Punkt-till-punkt-förbindelser Nivå 6 2 1 7 Mikrofon Högtalare Källkodning Källavkodning Digitalisering, komprimering 0110 Felhantering Lägger till fel- rättande eller felupptäckande kod, t.ex. checksumma. Felupptäckt och omsändning, eller felrättning 0100010 Bitfel 0110010 NACK Flödesstyrning Buffert Handskakning 0110010 ACK Modulation Demodulation Elektrisk representation

Range of data communication techniques Circuit board I/O bus Example: EISA 1 m System Serial/parallel ports Personal Area Networks (PAN) Room 10 m Example: RS232 (”com port”), USB, Firewire, Bluetooth, IEEE 802.15 WPAN 100 m Building Local area Networks (LAN) 1 km Campus Example: Ethernet, IEEE 802.11 WLAN Metropolitan Area Networks (MAN) 10 km City Example: Ethernet, ATM, FDDI, IEEE 802.16 100 km Country Continent 1000 km Wide Area Networks (WAN) 10,000 km Planet Example: The Internet. The Public Service Telephone Network (PSTN)

Tänk på ett tal mellan 0 och 31

Amount of information Think about a number between 0 and 15. I am now going to guess it using as few yes and no questions as possible. I start by asking: Is the number larger than or equal to 8? Yes Is it larger than or equal to 12? (The interval is successively divided by 2.) No. Is the number larger than or equal to 10? Is the number larger than or equal to 9? Yes. The amount of information you give me when you tell me that the number is 9 is 4 bits, because the amount of information in bits is the minimum number of yes and no questions that are required. We had 16 options, which is = 24 = 2·2·2·2, corresponding to 4 bits. If the number of options was 32 = 25 , it would require 5 bits. If yes is represented by the binary digit ”1”, and no by ”0”, the value in the above example can be represented by 1 0 1 1.

Bits and Bytes N bit can represent M=2N different values. M values can be represented by N = 2log M =log M / log 2 values Example: The N=7 bit ASCII character code consists of M=128 codes. 8 bits = 1 byte (a unit for measuring amount of data) 1 kbit = 1000 bit (previously 1024 bit). 1 kbps has always meant 1000 bit/s. 1 Mbit = 1000 kbit (previously 1024 kbit). 1 Gbit = 1000 Mbit. 1 Tbit = 1000 Gbit.

Datornätverk A – lektion 2 MKS B – lektion 2 Kapitel 2, TCP/IP-modellens 5 nivåer

Chapter 2 Network Models

OSI:s referensmodell Motsv Internet-protokoll: SMTP, HTTP TCP IP Ethernet

Figure 5.14: Common protocols

Figure 2.17 The OSI seven layer model

The Layers of OSI Model End System Intermediate System R Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Intermediate System Network Data Link Physical

Summary of OSI Layer Functions Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical To allow access to network resources To establish, manage and terminate sessions To move packets from source to destination; to provide internetworking To transmit bits over a medium; to provide mechanical and electrical specifications To translate, encrypt and compress data To provide reliable end-to-end message delivery and error recovery To organize bits into frames, to provide node-to-node delivery

Ethernet, PPP over modems Figure 2.2 The TCP/IP five layer model Example protocols: HTTP, SMTP, FTP, Telnet TCP, UDP IP Ethernet, PPP over modems

Figure 2.4 An exchange using the Internet model H – header (pakethuvud): control data added at the front end of the data unit T – trailer (svans): control data added at the back end of the data unit Trailers are usually added only at layer 2.

Protocol N on device A and on B are peers (”varandras likar”). Figure 2.3 Peer-to-peer processes Protocol N on device A and on B are peers (”varandras likar”).

Adresser till min dator Fysisk MAC-adress, 48 bitar: 00-00-E2-4F-54-04 Publik IP-adress, 32 bitar: 193.10.250.187. Privat NAT-IP-adress (Network Address Translation): 10.14.1.63. IP-subnetmask: 255.255.0.0 DNS-namn (Domain namn Service): mageripc.itm.miun.se, där itm.miun.se är DNS-suffix, och .se är toppdomän. URL till webbsida på webbserver på min dator: http://mageripc.itm.miun.se:portnummer/filkatalog/filnamn.typ Portnumret är default 80. Många datorer i världen har DNS-alias ”www”. URL till ftp-fil på min dator: ftp://användanamn:lösenord@mageripc.itm.miun.se/filkatalog/filnamn.typ Filnamn till fil vid delad diskaccess till min dator: \\mageripc.itm.miun.se\filkatalog\filnamn.typ (Av säkerhetsskäl inte tillgänglig utanför nätet.) E-postadress till användare på en e-postserver på min dator: användarnamn@mageripc.itm.miun.se

System och protokoll för översättning mellan olika adresseringstekniker ARP (Address resolution protocol) översätter IP-adress till fysisk adress. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) kan ge varje dator en ledig IP-adress, och talar om för en dator med en viss fysisk adress vilken dess IP-adress är vid varje omstart. DNS (Domain Name Server) är ett system av databaser som översätter mellan IP-adress och DNS-namn. NAT (Network Address Translation) är en server, ofta i anslutning till företagets brandvägg, som modifierar IP-paketen genom att byta ut intern avsändar-IP-adress och portnummer till extern IP-adress + portnummer vid utgående paket, och vice versa vid inkommande. På så sätt kan många dela på samma externa IP-adress.

Figure 2.5 Physical layer

Note: The physical layer is responsible for transmitting individual bits from one node to the next.

Lager 1 Det fysiska lagret ansvarar för transmission av enskilda databitar från en nod till nästa. Detta kan innefatta: Kontakter Elektriska nivåer Modulation Multiplextekniker Bitsynkronisering Kretskoppling Exempel: RS232 (“com”-porten)

Figure 2.6 Data link layer

Note: The data link layer is responsible for transmitting frames from one node to the next.

Lager 2 Datalänklagret är protokoll för transmission av ramar (frames) från en nod till nästa. Detta kan innefatta: Fleraccessprotokoll (multiple access control=MAC) för att undvika kollisioner Adressering inom LAN:et/länken (nätverkskortens fysiska MAC-adresser eller nivå 2-adress). Felhantering (t.ex. vid trådlös kommunikation eller telefonnätsmodem) Exempel: Ethernet ligger på lager 1 och 2.

Figure 2.7 Node-to-node delivery

Figure 2.8 Example 1 I Figure 2.8 sänder en nod med fysisk adress 10 en ram (dvs ett paket på nivå 2) till en nod med fysisk adress 87. De två noderna är förbundna med en länk. Ramens huvud (header H2) innehåller bl.a. avsändarens och mottagarens fysiska adress. Ibland används en svans (trailer T2) som innehåller felrättande och/eller felupptäckande kod.

Example 1 In Figure 2.8 a node with physical address 10 sends a frame to a node with physical address 87. The two nodes are connected by a link. At the data link level this frame contains physical addresses in the header. These are the only addresses needed. The rest of the header contains other information needed at this level. The trailer usually contains extra bits needed for error detection

Figure 2.9 Network layer

Note: The network layer is responsible for the delivery of packets from the original source to the final destination.

Lager 3 Nätverkslagret ansvarar för vidareförmedling av paket “end-to-end”, dvs via kedjan av datalänkar från den ursprungliga källan till den slutliga destinationen. Detta innefattar WAN- adressering (t.ex. IP-adresser) och routingprotokoll. Exempel: IP-protokollet.

Figure 2.10 Source-to-destination delivery

Figure 2.11 Example 2 I figur 2.11 vill vi sända data från en nod med logisk nätverksadress (IP-adress) A och fysisk adress 10 till en nod med IP-adress P och fysisk adress 95. De två enheterna befinner sig i olika LAN. Därför kan vi inte enbart använda deras fysiska adress. Den fysiska adressen kan enbart användas vid kommunikation inom ett LAN. De två routrarna förstår av IP-adressen vilken väg paketen ska vidareförmedlas, och ändrar paketets fysiska adressering.

Illustration of the Source-to-end Delivery at the Network Layer Observe how data are sent from node to node to reach the final destination. Animation of Figure 2.11 in the book

Figure 2.12 Transport layer

Note: The transport layer is responsible for delivery of a message from one process to another.

Figure 2.12 Reliable process-to-process delivery of a message

Figure 2.14 Example 3

Example 3 Figur 2.14 exemplifierar transportlagret (UDP-protokollet). Data som kommer från högre lager förses med en TCP-header, som innehåller portnummer j och k. Avsändarprocessens portnummer är j och mottagarprocessens portnummer är k. Eftersom meddelandets storlek är större än nätverkslagret kan hantera, delas datat i två segment (två paket). Nätverkslagret lägger till nätverksadresserna (A och P) till varje paket.

Lager 4 Transportlagret ansvarar för leverans av meddelanden “end-to-end”, från en process på avsändardatorn till en process på mottagardatorn. Detta kan innefatta: portnummer, virtuell kretskoppling, dvs flödesstyrning, felkontroll, segmentnumrering, omsändning, ordning av segment. (TCP-protokollet. Ej UDP- protokollet.)

Figure 2.15 Application layer

Note: The application layer is responsible for providing services to the user.

Lager 5: Applikationslagret är kommunikationsprotokoll för att tillhandahålla en komplett kommunikationstjänst till slutanvändaren. Exempel: HTTP för web Telnet för terminalemulering. FTP för filöverföring. SMTP, POP3 och IMAP4 för Internet e-post

Figure 2.16 Summary of duties

Bandbredd kan betyda många saker Analog bandbredd i Hertz. Övre gränsfrekvens minus undre gränsfrekvens. Net bit rate = Digital bandbreddskapacitet i Bit/s. = Datatakt exklusive felupptäckande koder. Net bit rate ≤ Gross bit rate Maximal genomströmninshastighet = Maximal throughput Genomströmningshastighet = Throughput = Digital bandbreddskonsumtion Goodput = Filöverföringshastighet

Example: Video monitor. TV and radio broadcasting. Figure 1.2 Simplex communication Example: Video monitor. TV and radio broadcasting.

Example: Communication radio. 2-wire Ethernet. Figure 1.3 Half-duplex communication One at a time. Example: Communication radio. 2-wire Ethernet.

Example: Telephony. 4-wire Ethernet. Figure 1.4 Full-duplex communication Example: Telephony. 4-wire Ethernet.

1-2 NETWORKS A network is a set of devices (often referred to as nodes) connected by communication links. A node can be a computer, printer, hub, switch, router, modem, or any other device capable of sending and/or receiving data generated by other nodes on the network.

Different Line Configurations Point-to-point Two devices on a single channel (dedicated channel) Multipoint Many devices on a single channel (shared channel) Example: Bus Networks. Ring networks. Wireless Networks

Topology of Networks Topology defines the arrangement of links in a network Topology Ring Partial Mesh Full Mesh Bus Star

Figure 1.5 Mesh topology (Maskformigt nätverk) Example: 5 stations. 4 ports per station. 4+3+2+1=10 links.

Figure 1.7 Bus topology (Bussnätverk) Examples: ”Old” ethernet with coaxial cable Cable TV networks with cable modems

Figure 1.6 Star topology (Stjärnnätverk) Hub (Nätnav) or switch (växel) Examples: Ethernet with twisted pair cable Telephone networks

Figure 1.8 Ring topology (Ringnätverk) Example: Token ring and FDDI networks

Figure 1.9 A hybrid topology: a star backbone with three bus networks Hub (Nätnav) or switch (växel)

Range of data communication techniques Circuit board I/O bus Example: EISA 1 m System Serial/parallel ports Personal Area Networks (PAN) Room 10 m Example: RS232 (”com port”), USB, Firewire, Bluetooth, IEEE 802.15 WPAN 100 m Building Local area Networks (LAN) 1 km Campus Example: Ethernet, IEEE 802.11 WLAN Metropolitan Area Networks (MAN) 10 km City Example: Ethernet, ATM, FDDI, IEEE 802.16 100 km Country Continent 1000 km Wide Area Networks (WAN) 10,000 km Planet Example: The Internet. The Public Service Telephone Network (PSTN)

LAN – Local Area Network (Lokalt nätverk) Single building LAN Backbone (ryggradsdatanät) Multiple building LAN

MAN - Metropolitan Area Network (Stadsnät) Public city network

WAN – Wide Area Network (nationellt eller globalt nätverk)

Figure 1.12 A heterogeneous network made of four WANs and two LANs LAN = Local Area Network WAN = Wide Area Network

Nättopologier för WAN Växlat WAN (stjärnnät) T.ex. X.25 eller ATM Hopkopplade LAN och WAN = internetwork T.ex. Internet. Nätnoder: Växel. Kopplar ihop punkt-till-punkt-länkar. Router=vägväljare, kopplar ihop nätverk med olika teknologier. Datorer, terminaler, skrivare, etc.

The Internet Internet routers are network nodes that interconnect different networks. Network Access Points (NAP) are routers that interconnect national ISP:s. ISP = Internet Service Provider (internetleverantör)

The internet versus the Internet Internetwork or internet (small ”i”) – generic term to mean an interconnection of networks Internet (Uppercase I) – the specific worldwide network that uses the IP protocol (Internet protocol)

Figure 1.18 a) Unicast communication modes

Figure 1.18 b) Broadcasting c) Multicasting

Informationsmängd N bit kan representera 2N alternativa värden eller koder. Ex: ASCII-kodens 7 bitar kan representera 27 = 2·2 ·2 ·2 ·2 ·2 ·2 = 128 tecken. En kod som kan anta M alternativa värden har informationsmängden Ex: ISO-latinkodens 256 tecken kräver 2log 256 = 8 bit per tecken. Ex: Ett decimalt positivt heltal med givet antal siffror kan representeras med 2log 10 = 3.32 bit per siffra.

Bits and Bytes N bit can represent M=2N different values. M values can be represented by N = 2log M =log M / log 2 values Example: The N=7 bit ASCII character code consists of M=128 codes. 8 bits = 1 byte (a unit for measuring amount of data) 1 kbit = 1000 bit (previously 1024 bit). 1 Mbit = 1000 kbit (previously 1024 kbit). 1 Gbit = 1000 Mbit. 1 Tbit = 1000 Gbit.

Data Representation Text – using different codes Each character is represented by certain number of bits The number of bits in the code determins the number of different characters ASCII (7 bits), Extended ASCII (8 bits), Unicode (16 bits), ISO (32 bits) Numbers – Binary number system Images – A matrix of pixels represented by bit patterns Video – A combination of images Audio – Digitized voice and music

Multiplex-metoder Flera logiska kanaler på samma medium FDM = Frequency Division Multiplex = frekvens- delning (Flera frekvenskanaler) TDM = Time Division Multiplex = Tidsdelning. (Cykliskt återkommande tidluckor i en ram) Statistisk multiplex. (Paket- förmedling.)

Krets- och paketförmedling Kretskoppling Exempel: Telefonnätet. ISDN=Integrated Service Digital Network, Ursprunglig GSM. Förbindelseorienterat. Frekvensdelnings- (FDMA) eller tidsdelningsmultiplex (TDMA). + Bra för realtidskommunikation dvs synkrona tjänster, t.ex. telefonsamtal och videokonferenser. + Konstant tidsfördröjning. .- Låg datahastighet (bit per sekund) för varje användare. - Begränsat antal samtidiga användare (kanaler). Övriga får upptaget eller spärr. - Det tar tid att koppla upp. - Oanvänd kapacitet mellan dataöverföringar. Paketförmedling Exempel: Internet (IP) X.25 ATM LAN, WLAN Mobilsystemens GPRS-tjänst. Förbindelsefritt (IP) eller förbindelseorienterat (X.25, frame relay och ATM) Statistisk multiplex. + Bra för asynkrona tjänster, t.ex. för filöverföring och e-post. + Hög maximal datahastighet + Effektivt utnyttjande av kapaciteten. + Det blir aldrig upptaget. - Tidsfördröjningen blir lång och datahastigheten låg vid många användare.

Kategorisering av tjänster och protokoll Connection oriented = uppkopplade eller fasta Connectionless = förbindelsefri. Varje meddelande kan gå olika väg, och komma fram i olika ordningsföljd. Reliable = tillförlitliga Kvitterade T.ex. TCP, Telnet, FTP T.ex. E-post, rekommederade brev. Unreliable Okvitterade Datagram T.ex. IP och UDP T.ex. ATM, telefoni.

Quality of Service (QoS) är viktigt vid distribution av multimedia via datornätverk. Kvalitetsmått (service quality measures): Datahastighet (bit rate) Felsannolikhet (bit error rate, block error rate) Tidsfördröjning (delay) Jitter (=delay variation) Med tekniker för garanterad QoS kan man bl.a. göra så att paketförmedlande nät får liknande egenskaper som kretskopplade nät, och därmed kan användas för realtidstjänster.

Fig 1.22b) Buffert för att bekämpa jitter (=delay variation)

Delay och jitter vid paketförmedling

Example 1.2: Propagation delay

Answer

Hit hann vi på lektionen. Får ta resten om någon vecka.

Exempel 1.3: Behov av buffert-minne

Blockfelssannolikhet och bitfelssannolikhet där PB är blockfelssannolikhet, N är antal databitar per block och P är bitfelssannolikhet (Bit Error Rate, BER).

Example 1.1

Answer