Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 1

En presentation över ämnet: "Multimedie- och kommunikationssystem, lektion 1"— Presentationens avskrift:

1

2 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.

3 Kursmaterial Kurslitteratur: Forouzan, ”Data communications and networking”, 3:e utgåvan eller senare. Kursens Moodle-plats, som nås via . Där kommer följande att finnas: ”Quizzar” (automaträttade kapitelprov, kräver 70% rätt per prov). Se under ”utvärderingar”. Lektionsplanering Föreläsningsslides för MKS-kursen och Datornätverk-kursen Labbkompendium Övningstentor med formelblad M.m.

4 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.

5 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).

6 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).

7 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 Moodle). Salstentamen. Fyra laborationstillfällen a 3 timmar.

8 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 C, TCP/IP-nätverk. (Distans och campus) Datateknik AV, Simulering av kommunikationssystem. (Distans och campus) Kurser inom distribuerade system och nätverkssäkerhet *) Överlappar till stor del med Multimedie- och kommunikationssystem och kan inte ingå i samma examen.

9 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. Radiosystem: vågutbredningsmodeller, trådlösa nätverk, cellulära system. 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.

10 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)

11 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.

12 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. Play-tjänster, torrents, osv

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

14 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 Bitfel NACK Flödesstyrning Buffert Handskakning ACK Modulation Demodulation Elektrisk representation

15 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 WPAN 100 m Building Local area Networks (LAN) 1 km Campus Example: Ethernet, IEEE WLAN Metropolitan Area Networks (MAN) 10 km City Example: Ethernet, ATM, FDDI, IEEE 100 km Country Continent 1000 km Wide Area Networks (WAN) 10,000 km Planet Example: The Internet. The Public Service Telephone Network (PSTN)

16 Tänk på ett tal mellan 0 och 31

17 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

18 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.

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

20 Chapter 2 Network Models

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

22 Figure 5.14: Common protocols

23 Figure 2.17 The OSI seven layer model

24 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

25 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

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

27 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.

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

29 Gammal tentamensuppgift
En kommunikationssystem använder en protokollhierarki bestående av n lager eller skikt. Tillämpningen generarerar meddelanden av längd M bytes. På vart och ett av de n lagren läggs en h byte lång header till meddelandet. Genomströmningshastigheten (the throughput) för den logiska länk som kommunikationen sker över är för tillfället R bit/s inklusive all overhead. Ange ett uttryck för kommunikationslänkens s.k. goodput, dvs mängden nyttoinformation (payload) per tidsenhet, mätt i bit/s.

30 Adresser till min dator
Fysisk MAC-adress, 48 bitar: E2-4F-54-04 Publik IP-adress, 32 bitar: Privat NAT-IP-adress (Network Address Translation): IP-subnetmask: 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: Portnumret är default 80. Många datorer i världen har DNS-alias ”www”. URL till ftp-fil på min dator: 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:

31 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.

32 Figure Physical layer

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

34 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)

35 Figure Data link layer

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

37 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.

38 Figure 2.7 Node-to-node delivery

39 Figure 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.

40 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

41 Figure Network layer

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

43 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.

44 Figure 2.10 Source-to-destination delivery

45 Figure 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.

46 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

47 Figure 2.12 Transport layer

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

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

50 Figure Example 3

51 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.

52 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.)

53 Figure 2.15 Application layer

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

55 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

56 Figure 2.16 Summary of duties

57 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

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

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

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

61 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.

62 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

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

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

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

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

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

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

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

70 MAN - Metropolitan Area Network (Stadsnät)
Public city network

71 WAN – Wide Area Network (nationellt eller globalt nätverk)

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

73 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.

74 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)

75 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)

76

77 Figure 1.18 a) Unicast communication modes

78 Figure 1.18 b) Broadcasting c) Multicasting

79 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.)

80 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.

81 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.

82 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.

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

84 Delay och jitter vid paketförmedling

85 Example 1.2: Propagation delay

86 Answer

87 Exempel 1.3: Behov av buffert-minne

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

89 Example 1.1

90 Answer