Számítógép hálózatok Bevezetés
Vadász
1
A tárgy célja • A modern hálózati technológiák megértése • A témakörök – – – – –
Alapok és a fizikai réteg A közeg-hozzáférési alréteg Az LLC alréteg A hálózati réteg A hálózati és a magasabb rétegek
• Irodalom, segédletek – www.iit.uni-miskolc.hu/~vadasz/GEIAL204 – Tanembaum: Számítógép-hálózatok, NovotradePrentice Hall, 1992 Vadász
2
Számítógép hálózat • Autonóm gépek (host, gazdagép) összekapcsolva kommunikációs hálózattal (Communication Network) • Az egyik gépen futó alkalmazás üzenetet képes váltani egy másik gép alkalmazásával … • Elosztott rendszer (a hálózattal szemben): – Egyetlen virtuális rendszer, aminek elemei együttműködnek egy feladat megvalósítása érdekében, – Ahol a felhasználónak nem kell azonosítania a gépeket, szolgáltatásokat, nem kell ismernie azok helyét … – Elosztott rendszert lehet hálózaton is megvalósítani …
Vadász
3
1
Hálózatok összetevői • A gazdagépeket összekötő kommunikációs hálózat (Communication Network) elemei – Átviteli vonalak – csatornák (channels) – Kapcsolóelemek • Interface Message Processor (IPM), amivel egy gazdagép egy vonalra kapcsolódik
– Kapcsológépek • Olyan számítógép, ami több átviteli vonalhoz kapcsolódik és feladata (üzenet)csomagok továbbítása, átviteli vonalai közötti irányítása
Vadász
4
A hálózatok két nagy csoportja • Pont- pont közötti kapcsolatokból felépülő – Egy csatornán mindig két csomópont kommunikál – Az (üzenet)csomagokat a csomópontok tárolják és továbbítják a kívánt irányba (store and forward) – Topológiák: csillag, gyűrű, fa, teljes, szabálytalan
Vadász
5
A másik csoport • Üzenetszórásos csatornára épülő hálózat (broadcast channel) – Egyetlen csatornán az összes csomópont osztozik – Egy csomópont által feladott (üzenet)csomagot az összes többi veszi, de a csomagbeli címzésből tudják, kinek szól (a többi eldobja). Címmezőkben a feladó és a címzett címe. Vannak speciális címek (valamennyi gépnek szóló, csoport cím) – Topológiák: sín, gyűrű, műholdas v. rádiós
satellite
Vadász
6
2
Alapfogalmak: rétegezettség • Az egyszerűbb (strukturált) tervezés érdekében a számítógép-hálózati szolgáltatásokat rétegekbe (layers, szintek: levels) szervezik. • Egy réteg - jól definiált szolgáltatásokat biztosítva elrejti a nyújtott szolgáltatások megvalósításának részleteit. • Funkcionális elem (entity): az adott réteg funkcióinak megvalósítása • A rétegek között interfész (interface): az alsó réteg által a felsőnek nyújtott elemi műveleteket, szolgálatokat (services) definiálja. Az interfészen keresztül (le és fel) vezérlő információk és adatok adódnak át. Vadász
7
Alapfogalmak: társelemek, protokoll • Társelemek (peer entities) a különböző gépeken egymásnak megfelelő rétegben lévő funkcionális elemek • Virtuális kommunikáció: a társelemek kommunikációja (a való kommunikáció a fizikai rétegben történik) • A kommunikáció szabályait, konvencióit a protokoll (protocol) rögzíti
Vadász
8
Hálózati architektúra • Rétegek és protokollok halmaza • Elegendő információ az implementáláshoz Nem része sem az implementáció, sem az interfészek specifikációja (ezek tervezői döntések a konkrét implementációk során)
Társelemek
A gazdagép 3. réteg 2. réteg
B gazdagép
Virt. komm. Funkcionális Funkcionális a rétegprotokoll elem elem szerint interfész
1. réteg Fizikai közeg
Vadász
Valóságos komm.
9
3
Szabványosítás, testületek • Miért kell szabványosítás? • International Standards Organisation www.iso.ch • International Telecommunications Union www.itu.int – ITU-T (CCIT): Telecomm. standardisations sector
• Internet Engineering Task Force www.ietf.org
Vadász
10
Az ISO OSI referencia modell • Open System Interconnection: nyílt rendszerek összekapcsolása • Hivatkozási (referencia modell): – Megadja a rétegek ajánlott számát és – a rétegek funkcióit. – Nem határoz meg (konkrét) protokollokat, interfészeket, de a – hivatkozási modell ismeretében protokollokat alkothatunk.
Vadász
11
Az ISO-OSI rétegek kialakítása • A kialakítási szempontok ezek voltak: – A rétegek különböző absztrakciós szinteket képviseljenek és – jól definiált feladatokat hajtsanak végre. – A feladatok megválasztása során szabványokat teremtsenek. – Minimális információcsere legyen a rétegek között. – A rétegek száma ne legyen túl sok (egyszerűség), de elég sok, hogy egy rétegbe kevés feladat kerüljön.
• Így lett 7 réteg az ISO modellben. Vadász
OSI referencia
12
4
Az ajánlott 7 réteg 7: Alkalmazási réteg (Application Layer) – fájl átvitel, mail, virtuális terminál 6: Megjelenítési (Presentation Layer) – kód konverzió, titkosítás, tömörítés (adatformátum kezelés) 5: Viszonyréteg (Session Layer) (megjegyezhető nevek használatát engedjék)
4: Szállítási réteg (Transport Layer) (megbízható end-to-end kapcsolat biztosítsunk nagy hálózaton)
3: Hálózati réteg (Network Layer) – útvonal kiválasztás 2: Adatkapcsolási réteg (Data Link Layer) – adategységek továbbítása, hiba ellenőrzés, behatárolás, javítás (biztosítsa a hálózati médium elérését)
1: Fizikai réteg (Physical Layer) – fizikai közeghez kapcsolódik (vigye át az adatokat bitenként) Vadász
13
1. A fizikai réteg: bitfolyam • A bitek kommunikációs csatornán való áthaladásáért felelős Kérdés, funkció
Válasz, módszer
Az átviteli közeg
Fémes vezető, üveg, vezetéknélküli
Kapcsolódás típus
P-2-P, P-2-MP
Fizikai topológia
Sín, gyűrű, csillag stb.
Bit szinkronizáció
Aszinkron, szinkron
Sávszélesség, kódolás, modulálás
Alapsávú, szélessávú átvitel Vadász
14
2. Az adatkapcsolati réteg: keretek • Keretképzés, hibakezelés, adatfolyam vezérlés és szükség esetén csatornamegosztás Alréteg
LLC
DLL MAC
Funkció
Módszer
Keretképzés, behatárolás
Beszúrásos, érvénytelen kódos stb.
Kapcsolatok
Adatfolyam kontrol, hiba kontrol
Logikai topológia
Sín, gyűrű
Csatorna megosztás
Versengő, ütközéses, statikus
Címzés
Fizikai címek (MAC címek) Vadász
15
5
3. A hálózati réteg: csomagok • Forrás- és célállomás közötti útvonal meghatározása
NETWORK
Funkciók
Módszerek
Címzések
IP címek
Kapcsolás
Csomagkapcsolás (esetleg vonal kapcsolás)
Útvonal felfedezés
Distance Vector, Link State
Útvonal választás
Statikus, dinamikus Vadász
16
4. Szállítási réteg: datagramm, szegmens • A viszonyrétegtől kapott üzenetek tördelése-összeállítása (szükség esetén), hibamentes továbbítás valódi forrás-cél társelemhez Funkciók Módszerek
TRANSPORT
Cím-név feloldás
A szolgáltatáskérő szerinti
Címterek
Kapcsolat azonosító, tranzakció azonosító
Szegmensképzés
Tördelés és visszaállítás
Kapcsolati szolgáltatás
Szegmens sorszámozás, hiba kontrol, forrás-cél flow control
Vadász
17
5. Viszonyréteg: üzenetek • Felhasználói viszonyok szervezése, ezen belül – Párbeszédek szervezése (szimplex, fél duplex, vagy duplex), – ülés adminisztráció (megjegyezhető nevek használatával kapcsolat megvalósítás: login, kapcsolat azonosítás, a szolgáltatás azonosítása, kapcsolatvesztés felismerés, végül kapcsolat bontás), – Tényleges adatátvitel, – Szinkronizációs pontok kezelése és retranszmittálás.
Vadász
18
6
6. Megjelenítési réteg: üzenetek • Az átviendő információ átalakításával (transfer syntax) foglalkozik – – – –
Kódkonverziókat végez, Bit/bájt sorrendeket alakít át Karakter kód átalakítást, Fájl formátum átalakításokat végez.
– Végezhet még titkosítási/megfejtési átalakításokat, illetve – tömörítést/visszaállítást is.
Vadász
19
7. Alkalmazási réteg: üzenetek • Üzenetváltási felületet biztosít a felhasználói processzeknek, alkalmazásoknak, • Ismert protokollokat használhat – – – – –
Szolgáltatások hirdetése szolgáltatás, Fájl- és nyomtatószolgáltatás, Kommunikációs szolgáltatások, Directory szolgáltatások, Egységes terminál protokoll: távoli géphasználati szolgáltatás, – X11 protokoll: grafikus megjelenítés és beavatkozás közvetítés szolgáltatás – Stb. Vadász
20
Ismételjük az alapfogalmakat • Protokoll – Szabályok halmaza, melyek két szeparált elem (entitás) közötti adatcserét szabályozzák (2 elem társalgásához ua. a "nyelvet" használni!) Ebben konvenciók a kommunikáció tárgyáról, az időzítésekről (sebesség, sorrendiség stb.), hogyanjáról stb. A protokolloknak van szintaxisa, szemantikája – Protokoll a társ-entitások között (peer-entities) van!
• Interfész – Két réteg között. Leírja az alsó réteg által nyújtott szolgálatokat, az ezek kéréséhez szükséges adatokat és vezérlő információkat, a szolgálatok eredményét adó információkat, ezek "hogyanját" is. Vadász
21
7
Ismételjük az alapfogalmakat • Referencia modell – A rétegek ajánlott számát, a rétegek funkcióit adja meg, de nem határoz meg konkrét protokollokat és interfészeket!
• Hálózati architektúra – Rétegek és protokollok halmaza, ami már elég információ az implementáláshoz. Maga az implementáció azonban nem része, még az interfészek specifikációja sem!
Vadász
22
OSI modellen alapuló architektúra
Vadász
23
OSI modellre alapozott protokollverem Application Presentation Session Transport Network
Data
DU
A
Data
ADU
P
A
Data
PDU
S P
A
Data
SDU
T S P
A
Data
TDU
N T S P
A
Data
Csomag
N T S P
A
Data
Data Link
D
D
Keret
Physical
10110011100101111011110101010
Bitek
Vadász
24
8
Más referencia modellek … • A DoD (Department of Defense) modell
Application Layer
Data
Host-to-Host (Transport) Internetwork Layer (IP) Network Access (Lan, WAN techn.)
MAC-H
TCP-H
Data
IP-H
TCP-H
Data
IP-H
TCP-H
Data
Vadász
25
Szolgálatok (services) • Az OSI modell egyes rétegeinek feladata, hogy jól definiált szolgálatokat nyújtson a fölötte lévő rétegnek. • Szolgálat elérési pont (SAP: Service Access Point) fogalma: – A szolgálatok ezeken keresztül érhetők el. – Minden SAP egyedi azonosító címmel rendelkezik
Vadász
26
Az általános modell • Pl.: N+1. rétegbeli funkcionális elem egy interfész adatelemet (IDU: Interface Data Unit) küld a SAP - on keresztül az N. rétegbeli funkcionális elemnek. IDU N+1. réteg
ICI
Az N. réteg elemei N-PDU-kat cserélnek N. rétegbeli protokolljaikban. SDU-t esetleg szétdarabolva, fejrésszel ellátva keletkezik P-NDU.
SDU SAP
interfész N. réteg
Header ICI
SDU
SDU
SDU: szolgálati adatelem PDU: protokoll adatelem
N-PDU Vadász
ICI: interfész-vezérlő információ 27
9
A szolgálatok típusai • Összeköttetés alapú szolgálat (connection oriented) – – – –
összeköttetés felépítés, használat, lebontás. Két variáns:
Æ Sorrendhelyes kapcsolat.
• üzenetsorozat (üzenethatárok megmaradnak), • bájt-sorozat (nincsenek üzenethatárok).
Vadász
28
A szolgálatok típusai • Összeköttetés mentes szolgálat (connectionless service) – Az üzenetek (üzenet darabok) cél és feladó címet tartalmaznak, – egymástól függetlenül továbbítják őket. – Eredmény: Æ Nem sorrendhelyes kapcsolat.
• Mindkettő lehet nyugtázott (megbízható), vagy nyugtázatlan (megbízhatatlan) Vadász
29
Szolgálat-primitívek • Valamely szolgálatot primitívek, azaz műveletek halmazával írhatunk le. • Az OSI modellben 4 primitív osztály: – Kérés (request): egy funkcionális elem valamely tevékenység végrehajtását kéri. – Bejelentés (indication): egy funkcionális elemet informálni kell egy eseményről. – Válasz (response): egy funkcionális elem válaszolni akar egy eseményre. – Megerősítés (confirm): egy funkcionális elemet informálni kell a kérésről. Vadász
30
10
Szolgálat-primitív példák • Megerősítetlen (nyugtázás nélküli) szolgálat: csak kérés- bejelentés, válasz- bejelentés (ábra) – Kérés: felső réteg kérése az alsó felé valamiért – Bejelentés: alsó réteg bejelentéssel értesül a kérésről (hogy kérés történt : kérés Æ bejelentés) – Válasz: a másik felső réteg válaszol – Bejelentés: a felső réteg a válaszról bejelentéssel értesül (válasz Æ bejelentés)
• Megerősített szolgálat: kérés, bejelentés, válasz, megerősítés (ábra) Vadász
Megerősítetlen (nyugtázás nélküli) szolgálat A hoszt
31
Megerősített (nyugtázott) szolgálat
B hoszt
A hoszt
Kérés n+1-ből n-be
B hoszt
Kérés n+1-ből n-be
Bejelentés n-ből n+1-be
Bejelentés n-ből n+1-be
Kérés n+1-ből n-be Bejelentés n-ből n+1-be
Bejelentés n-ből n+1-be
Megerősítés n-ből n+1-be
Kérés n+1-ből n-be
idő
Válasz n+1-ből n-be
idő
Vadász
32
Egy "hétköznapi" példa … • Milli nénit telefonon teára hívom…. Megerősített összeköttetés létesítés megerősítetlen adat-továbbítással és összeköttetés bontással [Tanenbaum, p.44] • Jelölések: C.K: Connect.Kérés C.B: Connect.Bejelentés C.V: Connect.Válasz C.M: Connect.Megerősítés D.K: Data.Kérés D.B: Data.Bejelentés DC.K: Disconnect.Kérés DC.B: Disconnect.Bejelentés Vadász
33
11
Milli nénit teára hívom 1. C.K: Tárcsázok … 2. C.B: Kicsöng a telefon … 3. C.V: Milli felveszi … 4. C.M: A csöngés abbamarad 5. D.K: Hívom teára … 6. D.B: Milli hallja … 7. D.K: Mondja, eljön 8. D.B: Hallom … 9. DC.K: Leteszem a kagylót 10. DC.B: Hallja, letettem Vadász
34
A fizikai réteg - alapfogalmak • Átviteli mód – Alapsávú: az adatjeleket diszkrét elektromos v. fényimpulzus formájában viszik át. Lehet jeltorzulás. A csatornakapacitást egyetlen adatjel továbbítására használják. • Pl. 4 feszültségszint: 4 jelzés • 4 fényintenzitás: 4 jelzés stb.
– Szélessávú: jellemző az analóg átvitel. Az adatjeleket vivőhullámokra ültetik, és 3 jellemző (amplitúdó, frekvencia, fázis) valamelyikét változtatva hozzák létre a jelzést (modulálnak). • Pl. 2 amplitudószint + 4 fázisváltozás: 8 jelzés (kombinált moduláció) Vadász
35
A fizikai réteg - alapfogalmak • A csatorna adatátviteli (bitátviteli) sebessége [bps] Átvitt adatmennyiség [bit] idő [sec]
• A csatorna jelzési sebessége (1 másodpercre eső jelzésváltozások száma) [baud] Átvitt jelzés szám [db] idő [sec]
Vadász
36
12
A fizikai réteg - alapfogalmak • Csatorna jelterjedési sebesség [m/sec] Jelterjedés távolsága [m] idő [sec]
• Csatorna sávszélesség – A legmagasabb és legalacsonyabb átvitt frekvenciák különbsége – Egy valóságos csatorna sávkorlátozott … • Teljesítményveszteség miatt (a jel által egy adott frekvencián (Furier együtthatók) szállított energia veszteségei miatt) • Beépített szűrők miatt is lehet … Vadász
37
Maximális adatátviteli sebesség • Zajmentes, sávkorlátozott csatornán elérhető maximális adatátviteli sebesség • Nyquist (1924) bizonyította – Ha tetszőleges jelet H sávszélességű alul-áteresztő szűrőn átengedünk, akkor szűrt jelből másodpercenként 2H-szor mintát véve az eredeti jel teljesen visszaállítható. Ebből: – Max_adatátviteli_sebesség= 2 · H · log2V ahol H: a csatorna sávszélessége V: a jel diszkrét értékeinek száma (jelzések száma). (Azaz V érték log2V bitet hordozhat.) Vadász
38
Zajos sávkorlátozott csatorna • C. Shannon (1948) határozta meg a véletlen (termikus) zajjal terhelt csatornákra az elméleti maximális adatátviteli sebességet (információelméleti megfontolások alapján) • Max_elérhető_adatátvit_seb= H · log2(1+S/N) ahol – H: a csatorna sávszélessége; – S/N: a jel-zaj viszony (signal-to noise ratio) • S: jelteljesítmény; • N: zajteljesítmény,
Vadász
39
13
A jel-zaj viszony – A jel-zaj viszonyt általában decibelben (dB) adják meg, ami S/NdB = 10 log10S/N Azaz
S/N
S/NdB
1
0
10
10
100
20
1000
30
Vadász
40
A Shannon korlát • Zajos sávkorlátozott csatornán a maximális adatátviteli sebesség független a jelszintek (jelzések) számától, a mintavételezési gyakoriságtól … • A gyakorlatban a Shannon korlát megközelítése is nehéz! – Az előző 30 dB-es csatorna tipikus hangátviteli telefonvonal, ezen 9600 bps már elfogadott, és ez is csak V=4 jelszintes (egy jelzés 2 bitet hordozhat) 4800 baudos jelzés-sebességű csatornán érhető el.
• A Shannon korlát információelméleti megfontolásokból származik és érvényességi köre rendkívül széles.
Vadász
41
A fizikai közegek • Az átviteli közegek. Céljuk: a nyers bitfolyam szállítása • Jellemzőik: – – – – –
az elérhető adatátviteli sebesség Az erősítés nélkül áthidalható maximális távolság, a zavarvédettség, megbízhatóság (mechanikai tulajdonságok), üzenetszórásra, pont-pont átvitelre, esetleg mindkettőre való alkalmasság, – ár, költségek.
Vadász
42
14
Az átviteli közeg • Fémes vezetők (elektromos áram) – Sodrott érpár – Koaxiális kábel
• Üveg, műanyag (fényhullámok) – Fiber optic
• Vezeték - nélküli átvitel (elektromágneses hullámok) – mikrohullám, – műholdas stb.
Vadász
43
Sodrott érpár • Elsősorban pont- pont kapcsolatra. • Telefondrót – – – – –
Közeli központig (2-4 Km), modulált átvitel, néhány Mbps (pl E1: 2,048 Mbps), közepes zavarvédettség és megbízhatóság, olcsó megoldás. Vezető Sodrás: nem sodrott Dielectrikum vezetők "antennák"; Ér védő a sodrás csökkenti Fonat védő közöttük az Köpeny interferenciát. Vadász
44
STP • STP (Shielded TP) árnyékolt csavart érpár – Az ér-védő árnyékolás földként használható • Csökkenti az interferenciát és áthallást (jó zavarvédettség, jó megbízhatóság) • Növeli (azonban) a csillapítást.
– Nagy sebességű átvitelnél (pl. Token Ring) – Valamivel drágább – Vastagabb kötegek
Vadász
45
15
UTP • UTP (Unshielded Twisted Pair) árnyékolatlan csavart érpár – Közepes zavarvédettség és megbízhatóság – Valamivel olcsóbb, könnyű szerelni – Tipikus 10BaseT Ethernet kábelezéshez • 4 vezeték, adás és vétel ág, • max 100 m, alapsávú impulzusátvitel
Vadász
46
UTP kategóriák • Category 1: hangátvitel, telefonok • Category 2: adatátvitel, 4Mbps, 1 MHz, régi tokenes LAN • Category 3: hangátvitel, és régebbi 10BaseT (10Mbps, 16 MHz) • Category 4: tipikus a 10BaseT és a tokenes hálózatokban, 20 MHz • Category 5: most ez a kedvelt. Képes 100 Mbps- re (Fast Ethernet), ezért a 100BaseT hálózatban használják. 100 MHz. (3- 4 csavarás- inch) Vadász
47
Koaxiális kábel • Mind pont-pont, mind üzenetszórásra alkalmas • Tipikus TV és LAN alkalmazás. Ethernet üzenetszórásos – 10Base5 – 10Base2
Vastag Ethernet vékony Ethernet
• Felépítés – rézmag, szigetelő dielektrikum, fonott külső vezető, műa. burok
Vadász
48
16
Koaxiális kábelek • Tipikus hullámimpedanciák: – 50 : adat és rádiós kábel – 75 : TV koax, – 93 : ARCNET kábel (Novell)
• Alapsávú átvitel esetén: 10 Mbps (Ethernet): – 500 m: vastag koax, – 187 m: thin koax.
• Moduláltan: kb 150 Mbps, 100 Km távolságig – Kábeltelevízió használja a moduláltat • műsorszórás • Számítógép kapcsolat Vadász
49
Koax kábel • A koax kábel (1 ponton földelni) jó zavarvédettségű, jó megbízhatóságú. • Közepesen drága (a thin E olcsóbb, mint az UTP). • Üzenetszórásos csatorna (bus) kialakítás koax kábelen: – egyetlen tápvonal, a végén hullámimpedanciával lezárni. – Nagyimpedanciás csatlakozások (transciever: adó-vevő), feszültségfigyelés, áramgenerátoros hajtás. – T dugó, vagy rászúrható, „vámpír” csatlakozás (működés közben is)
BNC csatlakozó és adapter Vadász
50
Optikai kábel • „Hajszálvékony” üveg (szilikát) szál, fényhullámokat "vezet" • Kiváló zavarvédettség, jó megbízhatóság. • 100 Mbps- 2000 Mbps szinte természetes, de már demonstráltak 4 Gbps- t10 km távolságon • Tipikusan pont- pont kapcsolatokra. • Magas költségek (csatlakozások, toldások, adók/vevők). – Csatlakozók: FC
SC
Vadász
ST
51
17
Az optikai kábel • „Hajszálvékony” üveg (szilikát) szál.
2-125 µm
– Mag (magasabb törésmutató), magátmérő: 2-125 µm (tipikus: 62,5 µm) – alacsonyabb törésmutató kívül (clad) (tipikus átm: 125 µm).
Laser/light
Cladding
Üveg mag (core)
Beesési szög
Visszaverődési szög
Speciális védőburkolat Vadász
52
Fénykábelek • A fény a „kritikus szög” alatt visszaverődik, fölötte: elnyelődik • Látható fény frekvencia: közel 108 MHz: potenciálisan óriási sávszélesség! • A fényhullámhossz és a magátmérő viszonyától függően lehet – Multimódusú (Non Axial), vagy – Monomódusú (Single; Axial) üvegszálas kábel.
Vadász
53
Multimódusú szál • Magátmérő > fényhullámhossz – A fény a határfelületeken visszaverődve halad, – a különböző hullámhosszú fényhullámok különböző időben érkeznek (modal dispersion). – Szokásosan az adó: LED (Light Emitting Diode), vörös látható (hullámhossz: 850 nm), a vevő fotodióda/tranzisztor. – Áthidalható < 10 Km, opt. Ethernet 2 Km, FDDI – Adatátviteli sebesség: < 1 Gbps (eszközfüggően több is).
Vadász
54
18
Monomódusú (axial) szál • Magátmérő = fény hullámhossz – hullámőrző tulajdonság: a fény „elhajlik” a szállal. – Az adó félvezető lézer, infravörös 1300 nm hullámhossz, – kisebb csillapítás, nagyobb áthidalható távolság, kb. 100 Km. – Gyors, az adatátviteli sebesség < 10 Gbps (eszközfüggően több is lehet).
Vadász
55
Vezetéknélküli átvitel 102 Hz 103 104 105 Csavart érpár Telefonszolgálat
106 107
108
1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016
109
Coaxális kábel FM rádio és TV AM rádio
Optical fiber
Földi mikrohullámú Satellite
Infravörös
Rádio
Ultraviola Látható
Microhullám
•Elektromágneses hullámok terjedése a "levegőben" (nem kell fizikai összeköttetés) •Nagy távolságokra is Vadász
56
URH rádió • Kis távolságú, alacsony sebességű mobil összeköttetés a bázis állomás és a terminálok között. • Kielégítő rendelkezésre állás, időjárás és pozíciófüggő bit-hiba arány. Radio field of coverage of base station
F2
= Base station = User computer/terminal
F1 F2
F1
F3 BS
F3
F2
BS
F3
F2 F3
F1
F1 F2
F1, F2, F3 = Frequencies used in cell
Vadász
57
19
Földi mikrohullámú • Közepes, vagy nagy távolság áthidalása (költséges kábel helyett), • stabil állomások között, ahol van „mikrohullámú rálátás”. Nagy sebesség, időjárásfüggő.
föld földi állomás közötti direkt vonal Mikrohullámú adó/vevő torony
Két földi állomás között távolság kb. ≈ 50 km Vadász
58
Távközlési műholdak • Mikrohullámú átvitel (nagytávolságú számítógép hálózatokhoz is) földi állomás és műholdak között. • nagy sebesség (bár időjárásfüggés: az eső elnyel) van, gond a magas terjedési késleltetés. • Transzponder: bizonyos spektrumot figyelnek, erősítenek és visszaadnak (interferenciaelkerülés miatt más spektrumon, különböző polarizációval). Nemzetközi egyezmények a frekvenciasávokra. Geostacionárius műholdak kb. 36000 Km magasságban: – 250-300 msec késleltetést is okozhatnak. – Három műhold az egész földet "lefedheti".
Vadász
59
Műhold frekvenciák • Optimális az 1- 10 GHz. – Alatta atmoszférikus zajok, elektromos eszközök zajai; – Fölötte erős atmoszférikus csillapítás.
• C band 4/6 GHz – "fölfelé" (uplink) – "lefelé" (downlink)
5.925 - 6.425 GHz 3.7 - 4.2 GHz
• KU band 12/14 GHz (nagyobb trasponder érzékenységet kíván) – uplink – downlink
14 - 14.5 GHz 11.7 - 12.2 GHz Vadász
60
20
Lézeres optikai • Kistávolságú, stabil telepítésű (pl. épületek között), • nagy sávszélesség, • időjárásfüggő.
Vadász
61
A közeg kiválasztásának tényezői • Sávszélesség és adatátviteli sebesség: a szükségletünknek megfelelőt válasszuk • Távolság: figyelembe venni, milyen távolságot hidalhatunk át. Figyelembe kell venni a késleltetést is! • Minőség: tolerálhatók bizonyos hibák, vagy sem (zavarvédettség, megbízhatóság) • Üzenetszórásra való alkalmasság • Költség: a közeg és az eszközök különböző költségűek Vadász
62
Hasonlítsunk össze Földi rádiós
Lézeres
Mikrohull
Műholdas
16 Kbps
10 Mbps
100 Mbps
500 MHz, több 500 Mbps
10-50 Km
1-2 Km
100 Km
kontinensre
3 µs/km
-
3 µs/km
250-300 msec
Megbízhatóság
közepes
jó
jó
Kiváló
Üzenetszórás
alkalmas
Pont-pont
Pont-pont
alkalmas
Adatátv. sebesség Áthidalható táv. Késleltetés Zavarvédettség
Ár Vadász
63
21
Alapfogalmak – átviteli mód • Átviteli mód – Alapsávú: az adatjeleket diszkrét elektromos v. fényimpulzus formájában viszik át. A csatornakapacitást egyetlen adatjel továbbítására használják. A bitfolyamot kódolni kell. – Szélessávú: jellemző az analóg átvitel. Az adatjeleket vivőhullámokra ültetik, és 3 jellemző (amplitúdó, frekvencia, fázis) valamelyikét változtatva hozzák létre a jelzést: modulálnak.
Vadász
64
Alapsávú impulzusátvitel: jelkódolás Egyszerű bináris jelkódolás – bináris értékekhez a jelszintek (feszültség vagy áram): pl. 1: 1 V; 0: 0 V – Probléma szinkronizálás, ha csupa 0 jön (nincs jelváltozás). – Ezen segíthet pl. a Manchester kódolás
Vadász
65
Manchester kódolás • A Manchester- k ódolás – Minden bitperiódus 2 részre oszlik, mindig van átmenet: • 1: magas-alacsony, • 0: alacsony-magas átmenet.
– Hátránya: kétszeres sávszélesség igény (fele olyan széles impulzusok).
• Különbségi Manchester kódolás (a M kódolás variánsa) – 1: a bitidő elején hiányzó átmenet, – 0: a bitidő elején jelenlévő átmenet és a – bitidő közepén mindig van átmenet! Vadász
66
22
Példa 3 különböző jelkódolásra
A bitidő közepén: 1: È; 0: Ç
1: bitidő elején hiányzó, 0: bitidő elején meglévő, és közepén mindig! Vadász
67
Jelek modulálása • Ilyen kell pl. analóg távbeszélőrendszeren való digitális jelátvitelhez – A távbeszélőrendszer: nyilvános kapcsolt hálózat → az egész világot behálózó (analóg) kapcsolt-vonali hálózat
• Gond a digitális jelek analóg kapcsolt- vonali továbbítása. Modem (modulátor- demodulátor) kell. Feladata: – kapcsolat felépítés és bontás (mint a telefon) • tárcsázás, • sávon belüli jelzés DTMF jelek
– a digitális bitfolyam modulált vivőjellé alakítása (és Vadász 68 vissza).
Digitális bitfolyam modulált vivőjellé alakítása • Modulációs módszerek. A szinuszos vivőhullámon – amplitúdó moduláció: a vivőjel amplitúdóját változtatják; – frekvencia moduláció: a vivőjel frekvenciáját változtatják; – fázis moduláció: a vivőjel fázisát változtatják. – És kombinált.
Vadász
69
23
A moduláció formái
Vadász
70
Kombinált amplitúdó és fázis moduláció
• 30 fokos fázisváltások, ezekből 8-hoz egy, négyhez két amplitudó szint: • 16 jelzéskombináció lehet. Ez 4 bit/baud-os technika. • Ez 2400 baud-os vonalon 9600 bps-t biztosít.
• 0, 90, 180 és 270 fokos fázisonként (4 db) • két amplitudó szint: ez • 8 lehetséges jelzés. Ez 3 bit/baud-os technika. Vadász
71
Analóg jelek digitális vonalon • A telefóniában a trönkökön digitális átvitel van ... • Viszont az előfizetői hurkok analógok. • Szükséges tehát • kódoló- dekódoló (coder- decoder: codec): ami analóg jeleket digitális bitsorozattá (és vissza) alakítja
Vadász
72
24
Analóg beszédcsatornán digitális adatok • Az analóg beszédcsatorna – 0-4 KHz a sávszélesség, ez (Nyquist szerint) – 8000 minta/sec-kel visszaállítható. Azaz – 125 µsec/minta (125 µsec-enként egy keret), és ezt egy 8 bites (USA-ban 7 bites) számmá konvertálni – PCM (Pulse Code Modulation) a neve – Egy hangcsatorna 2*4K*8 → 64 Kbps sebességű (Amerikában csak 7 bit → ott csak 56 Kbps) Szabványos PCM sebességek
USA, Japán (CCITT, Bell System) T1: 1,544 Mbps → 24 PCM csatorna T2: 6,312 Mbps T3: 44,736 Mbps T4: 274,176 Mbps
Európa (CCITT) E1: 2,048 Mbps : → 30PCM + 2 jelzés csat. E2: 8,848 Mbps E3: 34,304 Mbps E4: 565,148 Mbps
Vadász
73
PCM vivők • A T1 vivő 24 PCM csatornát nyalábol – egy csatornán 7 adat + 1 vezérlőbit, 56 Kbps; – egy keret: 24 * 8 bit + 1 keretképzési bit = 193 bit; – 1 keret (193 bit)/ 125 µsec: 1,544 Mbps
• Az E1 vivő 30 PCM+2 jelzéscsatornát nyalábol – a 125 µsec-os keretbe 32*8 bites minta; – 256 bit / 125 µsec: 2,048 Mbps Szabványos PCM sebességek
USA, Japán (CCITT, Bell System) T1: 1,544 Mbps → 24 PCM csatorna T2: 6,312 Mbps T3: 44,736 Mbps T4: 274,176 Mbps
Európa (CCITT) E1: 2,048 Mbps : → 30PCM + 2 jelzés csat. E2: 8,848 Mbps E3: 34,304 Mbps E4: 565,148 Mbps
Vadász
74
Kódolási rendszerek Hogy lehetne kódolással az átviendő bitek számát csökkenteni? • Különbségi impulzus- modulációval (differential pulse code modulation): az aktuális és a megelőző minta különbségét viszik át • Delta modulációval: csak 1 bittel jelzik, hogy a jel nő, vagy csökken (lemaradhat) • Prediktív kódolással (predictive encoding): előző néhány értékből extrapolálva megjósolják a következő értéket, majd az aktuális és a becsült érték különbségét továbbítják. A dekódoló is ugyanezzel a módszerrel becsül. Vadász
75
25
Alapfogalmak: kommunikációs módok • Három mód ismert: – Szimplex • Csakis egy irányban továbbítják az adatokat …
– Half duplex • Mindkét irányban, de felváltva továbbítják az adatokat • Protokoll kell a „konverzációhoz”
– Full duplex • Szimultán mindkét irányban mehet a forgalom Vadász
76
Kapcsolási technológiák Connection
Circuit Switching
Message Switching
Datagram Virtual Circuit Switching Switching Vadász
77
Vonalkapcsolás • Vonalkapcsolt hálózat – Kapcsolat felépítés (connection) a végpontok között (hátrány: ez időigényes lehet), – a dedikált vonalon kommunikáció a végpontok között (előny: nincs csat. elérési késleltetés, nincs torlódás), – végül kapcsolat bontás. – Impulzusszerű (burst-ös) forgalom esetén nem kedvező (kihasználatlanság léphet fel). – Pl. a nyilvános kapcsolt telefon hálózat ilyen.
Vadász
78
26
Üzenetkapcsolás • Üzenetkapcsolt hálózat – Teljes üzenet feladása megtörténik, – a csomópontok tárolják, majd továbbítják (storeand-forward) az üzenetet. – Nincs korlát az üzenet méretére. – Nagy késleltetés (nem interaktív, nem lehet valós idejű), bár prioritások kialakíthatók, továbbá nagy tárolókapacitás igény a csomópontokon. – A torlódás kontrollálható, jól kihasználja a mediát,
Vadász
79
Csomagkapcsolás • Csomagkapcsolt hálózat – Felülről korlátos méretű csomagokat (packets) állítanak elő az üzenetek feldarabolásával. – A csomópontok között kapcsolaton (link-en) "dinamikusan osztoznak" a csomagok – Korlátos tárolókapacitás igény a csomópontokon, – kisebb késleltetés lehetséges (interaktív kommunikációra is alkalmas). – Nagyobb lehet az átbocsájtó képesség. – Átlapolt működés valószínű (hosszabb üzenet első csomagjait már feldolgozzák, mikor a többit még csak adják).
Vadász
80
Virtuális vonalkapcsolás • Csomagkapcsolás, de – logikai útvonal alakul ki a végpontok között, – a csomagok ugyanazt az útvonalat használják (ezért feladási sorrendjükben érkeznek). – Hasonlít a vonalkapcsoláshoz, de az útvonal nem dedikált (más csomagok is osztoznak egyes linkeken). – A logikai útvonal létesítéséhez kapcsolat felépítés kell!
• Szembesítve a datagram kapcsolással: – ennél minden csomag függetlenül továbbítódik, – sorrend "felborulhat" (rendező protokoll kell), – nem kell kapcsolat felépítés. Vadász
81
27
Virtual Circuit Switching
1.3
1.2 1.1
2.3
2.2 2.1
B
1.1
1.2
1.3
Logikai kapcsolat (logical connection, virtual circuit: VC) létesül két állomás között. A csomagok a VC számmal és a sorszámukkal címkézettek
A
2.3
2.2
C
2.1
virtual circuit #1
B 4
2 A
1 3
5 C
virtual circuit #2 Vadász
82
Datagram Switching
B.3
B.2
B.1
C.3
C.2
C.1
3 B.
2 B.
1 B.
B
A
C.3
B.3
C
C.1
B
B.2 4
2 A
C.2
Minden csomag függetlenül továbbítódik A csomagok a cél címmel és a sorszámukkal címkézettek. Sorrendjük "felborulhat".
C.1
1 B.1
3
C.3
C.2
5 C
Vadász
83
Gyors vonalkapcsolt hálózat: ISDN • ISDN (Integrated Services Digital Network): integrált szolgáltatású digitális hálózat • Kialakítási cél volt: – integrálni a hang és a digitális átviteleket; – a távbeszélőrendszert újratervezni … – ezért
• a CCITT szabványosította (nem az ISO). • 1984- ben jóváhagyták, 1988- ban finomították … • Olyan, mint a vonalkapcsolás, csak nagyon gyorsan épít/bont ... Vadász
84
28
Az ISDN alapgondolata • A digitális bitcső (digital bit pipe), – amin a bitek mindkét irányban folyhatnak … – Külön jelzéscsatorna a kapcsolat menedzselésére, – de ha a kapcsolat felépült, tetszőleges digitális adat (telefon, fax, digitális adat, pl. kép stb.) továbbítható. – A bitcső nyalábolható: időosztásos multiplexeléssel több független csatornát támogat.
Vadász
85
A felépítés 2 vezeték (192 Kbps), fiber
NT: Network Termination
ISDN
Előfizetői végződés (NT)
központ
8 vezetékes ISDN busz, 2 adás, 2 vétel, 4 táp; passzív, max 1 km
T
U
Címezhető ISDN eszközök A címeket az NT osztja ki bekapcsoláskor.
Az NT után lehet ISPBX, ami S referenciapontos eszközöket, pl . LAN-t kapcsolhat ...
Az ISDN bitcsőhöz a "hozzáférést" is az NT intézi. A T interfészhez max 8 TE1 berendezés csatlakozhat.
Vadász
86
A felépítés TE1 ET
LT
REG
U
NT1
TE1
T TA
U,T,S,R: referenciapontok ET: Központvégződés (Exchange Termination) LT: Vonalvégződés (Line Termination) NT1: 1-es hálózatvégződés NT2: 2-es hálózatvégződés TA: Végberendezés illesztő (Terminal Adaptor) TE1: ISDN végberendezés (Terminal Equipment No1) TE2: Nem ISDN végberendezés REG: Regenerátor Vadász
NT2
R
TE2
S TE1
TA
R TE2
87
29
CCITT csatornatípusok A: 4 KHz-es analóg telefoncsatorna B: 64 Kbps PCM csatorna hang és adatátvitelre C: 8 v. 16 Kbps digitális csatorna D: 16 v. 64 Kbps digitális csatorna az átvivő sávon kívüli jelzések számára E: 64 Kbps digitális csatorna az átvivő sávon belüli jelzések számára H: 384 v, 1536 v. 1920 Kbps digitális csatorna
Szabványos kombinációk: 1) Alaphozzáférés: 2 B + 1 D16 2) Primer hozzáférés: USA és Japan: 23 B +1 D64 (~ T1) Európa: 30 B + 1 D64 (~E1)
3) Hibrid: 1 A + 1 C
(gyakorlatilag nem használják) Vadász
88
Gyakorlat • 1. feladat Adatátviteli sebesség – Mekkora jel-zaj viszony lehet egy E1 vivő 50 KHz-es sávszélességű vonalon?
• 2. feladat Kódolás – Vázoljuk a jelváltozásokat a következő bitsorozatnál: 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 • a) bináris, • b) Manchester és • c) különbségi Manchester kódolásnál!
Vadász
89
Gyakorlat • 3. feladat Adatátviteli sebesség – Milyen max jel-zaj viszonyra számíthatunk egy telefonvonal esetén, ha azt PCM csatornán továbbítjuk?
• 4. feladat Adatátviteli sebesség – Egy adatátviteli csatorna sávszélessége 30 MHz, melyen legfeljebb 120 Mbps sebességgel kívánunk adatokat továbbítani. • a) Legalább hány jelet kell tudnunk megkülönböztetni a fizikai közegen ezen max adatátviteli sebesség eléréséhez? • b) Mennyi lehet a maximális jelsebesség a csatornán? • c) Ezen max sebességhez milyen minimális jel-zaj viszonyt kell biztosítani? Vadász 90
30
Gyakorlat • 5. feladat Adatátviteli sebesség – Egy modem működési diagramjának adatpontjai a következő koordinátákkal adott: a) (1,1); (1,-1); (-1, 1); (-1, -1) b) (0, 1); (0, 2)
– Hány bps adatátviteli sebességet érhet el a modem ilyen paraméterekkel 1200 baud-os jelzéssebesség esetén? Milyen modulációt használ a modem?
Vadász
91
Gyakorlat • 6. feladat Vonal és csomagkapcsolás összehasonlítása – X bit üzenet továbbítása vonalkapcsolt, ill. csomagkapcsolt hálózaton történik adott paraméterekkel. Időket keresünk, összehasonlítjuk, melyik a jobb. – A paraméterek, Áramkör felépítési idő jelölések: Vonalkapcsolt hálózat Adatátviteli sebesség Ugrások száma
Csomagkapcsolt hálózat
Ugrásonkénti késleltetés (feldolgozási idő)
s [sec] b [bps] k d [sec]
Csomagméret
p [bit]
Adatátviteli sebesség
b [bps]
– Kérdések: Mekkora lesz a késleltetési idő (az első bit mikor érkezik)? Tk = ? – Mekkora lesz az adatátviteli idő? Tátv = ? Vadász
92
31
