6. Fizikai réteg Az OSI ill. TCP/IP hivatkozási modellek legalsó rétegével fogunk foglalkozni a következő fejezetben. Ez a réteg definiálja a hálózatok mechanikai, elektromos és időzítési jellemzőit. A tárgyalást az adatátvitel elméleti analízisével fogjuk kezdeni, amiből rögtön kiderül, hogy a természet korlátot szab a csatornákon átvihető adatmennyiségre. A fizikai réteg célja, hogy egy bitfolyamot szállítson az egyik géptől a másikig. A tényleges átvitelhez különféle átviteli közegeket használhatunk fel. Mindegyiknek megvan a maga alkalmazási területe, ill. jellemzői, mint a sávszélesség, késleltetés, stb. A közegeket durva közelítéssel két csoportba oszthatjuk: vezetékes, mint pl. a rézvezeték vagy a fényvezető szál, és vezeték nélküli közegek, mint például a levegőben terjedő rádióhullámok vagy lézer.
6.1. Az adatátvitel elméleti alapjai Információt úgy lehet vezetéken továbbítani, hogy valamilyen fizikai jellemzőt, pl. feszültséget vagy áramerősséget megváltoztatunk rajta. A feszültség vagy áramerősség változását egy egyváltozós időfüggvénnyel írjuk le. Tegyük fel, hogy egy 8 bites bájt formájában kódolt ASCII „b“ karaktert akarunk elküldeni. A továbbítandó bitminta tehát a 01100010. A köv. ábrán látható, hogy időben hogyan változik a feszültség értéke a vonalon a mintának megfelelően:
Minél rövidebb ideig tart egy-egy bitnek megfelelő jel, annál több jelet (bitet) vagyunk képesek egységnyi idő alatt kiküldeni, ami meghatározza az adatátviteli sebességet. Egysége a b/s. Minél több bitet küldünk, annál több feszültségváltozás történik egységnyi idő alatt, s ezt a közegnek át kell tudnia vinnie. A közegek azonban létezik egy ún. sávszélesség (bandwidth) paramétere, mely az átviteli közeg fizikai tulajdonsága és általában a közeg
felépítésétől, vastagságától és hosszúságától függ. A sávszélesség egy időegység alatt átvihető adatmennyiséget, azaz átviteli kapacitást jelent. Egyes esetekben ún. szűrővel korlátozzák az egyes felhasználók rendelkezésre álló sávszélességet, pl. a telefonkábelek sávszélessége akár 1MHz is lehet rövid áthidalt távolságok esetén, költségkímélés okán azonban 3100 Hz-re korlátozták, mely elegendő volt a beszéd analóg módon való átvitelére. A sávszélesség tehát korlátozhatja az adatátviteli sebességet. Minél kisebb a sávszélesség, annál kevesebb feszültségváltozást engedhetünk meg magunknak egységnyi idő alatt, tehát annál kevesebb jelet tudunk továbbítani. Például egy zajmentes 3kHz sávszélességű csatornán nem lehet 6000b/s-nál nagyobb adatsebességet elérni bináris jelek továbbítása esetén.
6.2. Vezetékes átviteli közegek 6.2.1 Sodrott érpár A legtöbb hálózati alkalmazás esetén on-line összeköttetésre van szükség, ami azt jelenti, hogy az adatok jelentős késleltetés nélkül kerülnek átvitelre, az átviteli időt pl. milisekundumokban mérhető. A manapság legelterjedtebb átviteli közeg a sodrott vagy csavart érpár (twisted pair). A sodrott érpár két szigetelt rézhuzalból áll, melyek kb. 0,5mm vastagságúak. A rézhuzalok spirálszerűen egymás köré vannak tekerve. A két eret azért sodorják össze, hogy csökkentsék a kettő közötti elektromágneses kölcsönhatást (zavarást). A sodrott érpárt leggyakrabban a távbeszélőrendszerekben használják. Szinte majdnem minden telefonkészüléket sodrott érpár köt össze a telefonközponttal. A sodrott érpár akár több kilométeres szakaszon is erősítés nélkül lehet használni. Amikor hosszabb távolságon keresztül több sodrott érpár fut egymás mellett, akkor a sodrott érpárokat kötegbe fogják, és ezt a köteget mechanikai védelemmel látják el. A sodrott érpár alkalmas mind analóg, mind digitális jelátvitelre. A vezeték sávszélessége a vastagságától és az áthidalt távolságtól függ, de sok esetben néhány Mb/s sebességet is el lehet velük érni pár kilométeres távolságon belül. A sodrott érpárnak számos változata van, de a számítógép-hálózatok szempontjából ezek közül csak kettőnek van jelentősége. A 3-as kategóriájú sodrott érpár két finoman egymás köré tekert, szigetelt vezetékből áll. Általában négy ilyen érpárt fognak össze egy műanyag köpennyel, ami védi és egyben tartja a nyolc vezetéket. 1988 körül vezették be a fejlettebb 5-ös kategóriájú sodrott érpárokat. Ezek hasonlók a 3-as kategóriájú érpárokhoz, de több sodrás van bennük ugyanakkora hosszon, amely kevesebb áthatást és nagyobb távolságokon jobb minőségű jelet eredményez, így ezek jobban alkalmasak a nagysebességű számítógépes kommunikációra. A mostanában feltörekvő két kategória a 6-os (250MHz) és a 7-es (600 MHz) nagyobb sávszélességen képesek kezelni a jeleket (szemben a 3-as 16 MHzes és 5-ös 100 MHz-es sávszélességével).
Az itt bemutatott kábeltípusokat nevezik UTP-nek (Unshielded Twisted Pair – árnyékolatlan sodrott érpár), hogy megkülönböztessék őket azoktól a vastag és jóval drágább árnyékolt sodrott érpáros kábelektől, STP-től (Shielded Twisted Pair – árnyékolt sodrott érpár), melyeket majdnem sehol sem bizonyultak népszerűnek. Az FTP (Foiled Twisted Pair) kábel az előző kettő közötti átmenet, mely a négy érpár körül egy közös árnyékolást tartalmaz.
6.2.2 Koaxiális kábel Elsősorban régebben széles körben használt közeg a koaxiális kábel (coaxial cable), amit a kedvelői egyszerűen csak “koax”-nak hívnak. Jó árnyékolással rendelkezik, nagyobb sebességgel, nagyobb távolságot lehet vele áthidalni. A koaxiális kábel közepén tömöt rézhuzalmag van, amelyet szigetelő vesz körül. A szigetelő körül sűrű szövésű hálóból álló vezető található. A külső vezetőt mechanikai védelmet is biztosító műanyag burkolattal vonják be. Szerkezetét a köv. ábra mutatja:
A koaxiális kábel kialakítása és árnyékolása a nagy sávszélesség és a kiváló zajérzéketlenség jó kombinációját adja. Az elérhető sávszélesség függ a kábel minőségétől és hosszától. A mai kábelek sávszélessége közel 1GHz. A koaxiális kábeleket gyakran használták telefonrendszeren belüli nagy távolságokat áthidaló vonalakon, de ezeket azóta már lecsrélték fényvezető szálakra. A koaxot még mindig széleskörben alkalmazzák a kábeltelevíziózásban.
6.2.3 Fényvezető szálak A mai fényvezető szálas technológiával elérhető legnagyobb sávszélesség több mint 50 000Gb/s (50Tb/s). A jelzési sebesség mai kb. 10Gb/s-os gyakorlati felső határa abból ered, hogy képtelenek vagyunk gyorsabban átalakítani a villamos jeleket optikai jelekké és vissza, bár laboratóriumi körülmények között megközelítették a 100Gb/s-ot. Hogyan is működik a fényvezető szálon történő adatátvitel? A fényvezető szálas adatátviteli rendszernek három fő komponense van: a fényforrás, az átviteli közeg és a fényérzékelő detektor. A fényimpulzus megléte szokás szerint a logikai 1 bitet jelenti, míg az impulzus hiánya a logikai 0 bitet. Az átviteli közeg egy rendkívül vékony üvegszál. Ha a detektorba fény jut, akkor a detektor villamos jelet állít elő. Ha az üvegszál egyik végére fényforrást, a másik végére pedig detektort teszünk, akkor egy olyan egyirányú adatátviteli rendszert kapunk, amely villamos jeleket fogad, átalakítja azokat fényimpulzusokká, továbbítja a fényimpulzusokat, majd a kábel másik végén a fényimpulzusokat visszalakítja villamos jelekké. Az üvegszálban a fény teljes visszaverődéssel terjed tovább az üveg faláról, s akár több kilométert is megtehet gyakorlatilag veszteség nélkül. Egyszerre sok, különböző szögben visszaverődő fénysugár halad az üvegszálban, az ilyen szálat többmódusú szálnak nevezik.
Ha az üvegszál átmérőjét néhány fényhullámhossznyira lecsökkentjük, akkor a fény visszaverődés nélkül, egyenes vonal mentén terjed a vezetékben. Az ilyen üvegszálat egymódusú szálnak nevezik. Az egymódusú szálak jóval drágábbak, viszont nagyobb távolságok áthidalására használhatók. A fényvezető kábel a fonott árnyékolástól eltekintve hasonlít a koaxiális kábelre. Az ábra oldalnézetben mutat egy fényvezető szálat.
Középen található az üvegmag, amiben a fény terjed. Többmódusú szál esetén a mag 50 mikron átmérőjű, azaz kb. olyan vastag, mint egy emberi hajszál. Egymódusú szál esetén a mag 8-10 mikron átmérőjű. Az üvegmagot olyan üvegköpeny veszi körül, amelynek törésmutatója kisebb, mint a magé, így a fénysugár a magon belül marad. A szálat kívülről műanyag védőburkolattal látják el a köpeny védelme érdekében. A fényvezető kábelben általában több szálat fognak össze, és azokat egy műanyag csőbe helyezve védik a külső behatásoktól. A szárazföldi fénykábeleket általában egy méter mélyre fektetik, ahol gyakran okoznak kárt a markológépek. A tengeri kábeleket a partok közelében vízi eke segítségével beszántják a tengerfenék alá, míg a mélyebb vizekben egyszerűen csak leengedik a kábeleket a tengerfenékre, ahol a halászhajók és a cápák időnként megtépázzák őket. A fényvezető szálakat kétféleképpen szokták egymáshoz csatlakoztatni. A fényvezető szál végeit megfelelő csatlakozókkal látják el, és ezeket dugjuk össze. A csatlakozók 10-20% veszteséget okoznak. A másik megoldás a szálak összehegesztése. A hegesztett szál majdnem olyan jó, mint egy gyárilag húzott szál, de azért itt is van némi csillapítás, főleg ha nem illeszkedik pontosan a két szál tengelye. Mindkét csatlakozási módszernél van egy kis visszaverődés, mellyel megállapítható az illesztések helye, távolsága. A fényimpulzusok előállítására kétféle fényforrást használnak: az egyik a LED (Light Emitting Diode), a másik pedig a félvezető lézer. Az optikai kommunikáció három hullámhossz-tartományt használ, amelyek középpontjai a 0,85, 1,3 és 1,55 mikrométernél vannak, itt ugyanis legkisebb a szálak csillapítása, vesztesége. A fényvezető szál másik végén egy fotodióda található, amely elektromos impulzusokat állít elő, ha fény esik rá. A fotodióda tipikus késleltetése 1 ns körül van, ez
korlátozza az adatsebességet 1 Gb/s-ra. Ezen kívül a beérkező fénysugárnak elegendő energiával kell rendelkeznie, hogy detektálni lehessen. A fényvezető szál előnye a sávszélesség mellett a kis csillapítás, ill. hogy nem érzékeny az áramimpulzusokra, az elektromágneses zavarásokra, korrodáló környezetre. A telefontársaságok rendkívüli módon kedvelik a fényvezető szálakat, mégpedig két dolog miatt: vékonyak és pehelykönnyűek. A fényvezető szálból nem szivárog el fény, így megcsapolni is nehéz. Ez kiváló védelmet jelent a potenciális lehallgatók ellen. Ha túlságosan meghajlítják őket, megsérülhetnek. A fényvezetős átvitel természeténél fogva egyirányú, a kétirányú kommunikációhoz vagy két szálra vagy egy szálon két frekvenciasávra van szükség.
6.3. Vezeték nélküli átviteli közegek 6.3.1 Az elektromágneses spektrum Az elektromágneses hullámok a szabad térben (sőt még vákuumban is) tovaterjednek. Létezésüket elsőként J. C. Maxwell angol fizikus ismerte fel 1865-ben, majd később, 1887ben H. Hertz német fizikus elsőként állított elő és figyelt meg ilyen hullámokat. Az elektromágneses hullám másodpercenkénti rezgésszámát frekvenciának (f) nevezzük. A frekvencia mértékegysége H. Hertz tiszteletére a Hertz (Hz). Két egymást követő hullámcsúcs (vagy hullámvölgy) közötti távolságot hullámhossznak hívjuk, és a görög λ (lambda) betűvel jelöljük. Ha egy elektronikus áramkörhöz, mely ilyen elektromágneses hullámokat állít elő, egy megfelelő méretű antennát csatlakoztatunk, akkor az elektromágnese hullámokat szét lehet úgy szórni, hogy nagyobb távolságokba is venni lehessen őket. A vákuumban minden elektromágneses hullám a frekvenciájától függetlenül, ugyanazzal a sebességgel terjed. Ezt a sebességet fénysebességnek (c) hívjuk, értéke 3x108 m/s. Rézben és üvegszálban ez a sebesség a kétharmadára csökken. A fénysebesség egyben a végső sebességhatár is, semmilyen tárgy vagy jel nem képes ennél gyorsabban haladni. Az f, λ és a c között a következő összefüggés áll fenn: λf = c . Mivel a c konstans, az f ismeretében meghatározhtajuk a λ-t, és fordítva. Például egy 1 MHz-es hullám hullámhossza kb. 300m, míg egy 1 cm hullámhosszú hullám frekvenciája 30GHz. Az elektromágneses spektrumot a köv. ábrán láthatjuk. A rádióhullám, a mikrohullám, az infravörös hullám és a látható fény a spektrumnak az a része, mely különböző modulációk lévén alkalmasak információtovábbításra.
Általános érvényű, hogy magasabb frekvenciákon több információt tudunk egységnyi idő alatt továbbítani, ezért szeretik annyira a hálózatos szakemberek a fényvezető szálakat.
6.3.2 Rádiófrekvenciás átvitel A rádióhullámok egyszerűen előállíthatók, nagy távolságra jutnak el, és könnyen áthatolnak az épületek falain, így széles körben használják ezeket mind kültéri, mind beltéri alkalmazásokban. A rádióhullámok minden irányba terjednek, így az adót és vevőt nem kell fizikailag precízen egymáshoz illeszteni. A rádióhullámok terjedési tulajdonságai frekvenciafüggők. Alacsony frekvencián a rádióhullámok minden akadályon áthatolnak, viszont a teljesítményük a forrástól távolodva erősen – a levegőben nagyjából 1/r3 szerint – csökken. A nagyfrekvenciás rádióhullámok egyenes vonal mentén terjednek, és a tárgyakról visszaverődnek. Az eső elnyeli a nagyfrekvenciás hullámokat, a villamos motorok és más nagyteljesítményű berendezések nagyon széles frekvenciatartományban zavarják a rádióhullámokat.
a) AM rádió jelek terjedése követi a Föld felszínét, b) FM rádió és TV hullámok visszaverődnek az ionoszféráról Mivel a rádióhullámok nagyon messzire eljutnak, ezért komoly problémát jelent a felhasználók közötti interferencia. Emiatt minden országban szigorúan engedélyhez kötik a rádióadóval ellátott eszközök használatát. Országos és nemzetközi egyezmények szabályozák, hogy ki milyen frekvenciát használhat. A kormányok adják ki a frekvenciasávokat az AM és FM rádiók, TV-k és mobiltelefonok számára, valamint a rendőrség, hajózás, hadsereg és más, egymással versengő felhasználók számára. Átjutnak az épületek falain, ezért tudjuk a zsebrádiót a lakásunkban használni. Adatkommunikációra kevésbé alkalmasak, mert viszonylag kicsi a sávszélességük.
6.3.3 Mikrohullámú átvitel 100 MHz felett a hullámok szinte teljesen egyenes vonalban terjednek, és így jól irányíthatók. Ha a teljes energiát egy szűk nyalábba sűrítjük egy parabola-antenna használatával, akkor jelentősen megnő az áthidalható távolság, de az adó és vevő antennáit nagyon pontosan kell egymás felé irányítani. Ez az irányítottság még azt is lehetővé teszi, hogy több egymás mellett elhelyezett adó interferencia nélkül kommunikáljon több egymás mellett elhelyezett vevővel, minimális távolságtartási szabály betartásával. Mivel a mikrohullámok egyenes vonal mentén terjednek, ezért a földfelszín görbülete problémát jelent abban az esetben, ha az adó és vevő túl messze vannak egymástól. Ezért meghatározott távolságokban ismétlőkre van szükség. Az alacsonyabb frekvenciájú rádióhullámokkal ellentétben a mikrohullámok nem képesek áthatolni az épületek falain. Ráadásul az adóegység hiába fókuszálja jól a mikrohullámú sugarakat, azok a levegőben mindenképpen szóródnak valamennyire. Az egyre növekvő sávszélesség iránti igény az egyre magasabb frekvenciák használatára készteti az üzemeltetőket. A 10 GHz-ig terjedő sávok használata mindennapos.
6.3.4 Infravörös és milliméteres hullámú átvitel A vezeték nélküli infravörös és milliméteres hullámokat elsősorban a kistávolságú adatátvitelben használják előszeretettel. A televíziók, hifi-készülékek távirányítóiban mind infravörös hullámú adóegység található. Az infravörös hullám viszonylag jól irányítható, olcsó és könnyen előállítható. Van azonban egy óriási hátránya: szilárd testeken nem képes áthatolni. Általánosságban elmondhatjuk, hogy minél jobban közeledünk a rádióhullámoktól a látható fény felé, a hullámok annál inkább fényhullámként, és annál kevésbé rádióhullámként viselkednek. Mindezek ellenére előnyökkel is jár az a tény, hogy az infravörös hullámok nem tudnak átmenni a falakon. Az épület egyik szobájában működő infravörös rendszer és a szomszédos szobák rendszerei között nem lép fel interferencia: nem irányíthatjuk a szomszédaink TV-jét a saját távirányítónkkal. Mindezen felül az infravörös rendszerek lehallgatás-biztonsága éppen emiatt jobb a rádiós rendszereknél. A rendszerek üzemeltetéséhez nincsen szükség külön engedélyre. Nagyobb áthidalt távolságokra is használnak infravörös összeköttetést, amikor pl. két épület lokális hálózatát a tetejükre szerelt lézerek segítségével kapcsolják össze. Az ilyen optikai adatátvitel alapvetően egyirányú, így mindkét épületnek külön lézerforrásra és fényérzékelőre van szüksége. Ez a megoldás nagy sávszélességgel rendelkezik és viszonylag olcsó, nem kell engedélyeztetni. A nagyon keskeny lézersugár bizonyos tekintetben hátrányos is. Ahhoz, hogy egy 1 mm széles lézersugarat egy 500 m-re levő 1 mm széles célra irányítsunk, igencsak pontos célzásra lenne szükség. Ezért lencséket alkalmazva egy kicsit szórják a fénysugarat, ill. a vevőnél összegyűjtik őket.
6.4. Kommunikációs műholdak Az 1950-es években olyan kommunikációs rendszereket próbáltak kialakítani, amelyekben a fémborítású meteorológiai léggömbök verték volna vissza a jeleket. Sajnos a vett jelek túl gyengék voltak ahhoz, hogy a rendszert a gyakorlatban is használni lehetett volna. Valamivel később az amerikai haditengerészet felfedezte, hogy az égen van egy álló gömb – a Hold -, amit a léggömbök helyett használhatnak. A Holdról visszaverődő jelekre alapozva megépítettek egy ténylegesen is működőképes rendszert a hajók és a part közötti kommunikáció számára.
A kommunikációs műholdak, mint mesterséges holdak, néhány olyan tulajdonsággal rendelkeznek, melyek vonzóvá teszi őket több alkalmazás számára is. A műholdak jó néhány transponderrel (ismétlővel) rendelkeznek, amelyek közül mindegyik a spektrum egy részét figyeli, felerősíti a bejövő jelet, és azután egy másik frekvencián küldi vissza, ezzel kerülve el a bejövő jellel való interferenciát. A lefelé irányuló nyalábok általában szélesek, beteríthetik a földfelszín jelentős részét. Az így lefedett területet a műhold lábnyomának (footprint) hívják.
6.4.1 Geoszinkron műholdak A kb. 36000 km magasságban keringő műhold mozdulatlannak tűnik az égen, mivel keringési ideje megegyezik a Föld tengelye körüli körbefordulási idejével, azaz 24h-val. Az ilyen műholdakat nevezzük geostacionáris (Geostationary Earth Orbit - GEO) műholdaknak. Amennyiben az interferenciának elejét szeretnénk venni, legalább 2 fok távolságra kell a műholdakat egymástól elhelyezni az egyenlítő síkjában. Tehát legfeljebb 180 műhold lenne elhelyezhető, de ezek mindegyike több transzpondert, frekvenciát és polarizációt is használhat. A modern műholdak elég nagyok is lehetnek, a súlyuk 4000kg-ig terjed, és több kilowatt elektromos teljesítményt is felvehetnek a napelemeikből. A Nap, a Hold és a Föld tömegvonzása hajlamos elmozdítani a műholdakat a kijelölt helyükről, de ezt a hatást kis fedélzeti rakétahajtóművekkel ellensúlyozzák. Ezt a finomhangolási tevékenységet nevezzük pozicionálásnak. Azonban amikor a hajtóművek üzemanyaga kb. 10 év után kifogy, a műhold tehetetlenül sodródni, billegni kezd, és ezért ki kell kapcsolni. Egy idő után a pálya instabillá válik, majd a műhold belép a légkörbe, és ott elég, vagy esetleg a felszínre zuhan. A kommunikációs műholdak sok tulajdonságukban radikálisan különböznek a felszíni kétpontos kapcsolatoktól. Először is, a GEO-műholdaknál a hosszú oda-vissza út annak ellenére jelentős késleltetést jelent, hogy a jelek fénysebességgel terjednek. A küldőtől a végcélig az átviteli idő 250 és 300 ms között mozog a felhasználó és a földi állomás távolságától függően. Az összehasonlítás kedvéért: a földi mikrohullámú kapcsolatok terjedési késleltetése nagyjából 3µs/km, a koaxilális kábelek és fényvezető szálak késleltetése kb. 5µs/km. A műholdak egy másik fontos tulajdonsága az, hogy természetüknél fogva adatszóró közegként viselkednek. A transzponder lábnyomán belül nem kerül többe néhány ezer állomásnak küldeni egy adást, mint egyetlen egynek. Ez a tulajdonság néhány alkalmazásban nagyon hasznos, pl. népszerű weblapokat juttat el egy nagy területen szétszórt nagyszámú számítógépnek. A biztonság és bizalmasság szemszögéből nézve viszont a műholdas rendszerek katasztrofálisak: mindenki minden adást hallhat. A titkosítás létfontosságú, amennyiben biztonságos átvitelt kell megvalósítanunk.
