Távközlő hálózatok (egyetemi órai jegyzet)
Írták: Nepusz Tamás Nagy András László Előadták: Dr. Henk Tamás (1-6. fejezet) Dr. Cinkler Tibor (7. fejezet) Dr. Csopaki Gyula és Dr. Ziegler Gábor (8. fejezet) BME TTT
Tartalom BEVEZETÉS ......................................................................................................................................................... 5 BEMUTATKOZÁS ................................................................................................................................................. 5 TH OKTATÁSI ANYAGOK ..................................................................................................................................... 5 KÖVETELMÉNYEK ............................................................................................................................................... 6 TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK TÁRGY CÉLKITŰZÉSE .................................................................................................... 6 TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK TÁRGY JELLEGE ............................................................................................................ 6 KAPCSOLÓDÓ TÁRGYAK...................................................................................................................................... 7 A TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK TÁRGY FEJEZETEI ...................................................................................................... 7 1. INFORMÁCIÓKÖZLŐ HÁLÓZATOK FEJLŐDÉSE ................................................................................ 9 1.0. BEVEZETÉS................................................................................................................................................... 9 1.1. ALAPTECHNOLÓGIA FEJLŐDÉSE ................................................................................................................... 9 1.2. HÁLÓZATOK FEJLŐDÉSE VILÁGSZERTE....................................................................................................... 10 1.3. HÁLÓZATOK FEJLŐDÉSE MAGYARORSZÁGON ............................................................................................ 12 1.3.1. A kezdetektől 1938-ig......................................................................................................................... 12 1.3.2. 1945-1990 .......................................................................................................................................... 13 1.3.3. 1990-től napjainkig............................................................................................................................ 13 2. INFORMÁCIÓKÖZLŐ HÁLÓZATOK TECHNOLÓGIÁJÁNAK ÁTTEKINTÉSE............................ 15 2.1. TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK ............................................................................................................................. 15 2.1.1 Keskenysávú TH.................................................................................................................................. 16 2.1.2 Adathálózatok ..................................................................................................................................... 19 2.1.3 Mozgó keskenysávú TH-k.................................................................................................................... 20 2.1.4 Mozgó keskenysávú magánhálózatok ................................................................................................. 21 2.1.5 Műholdas rendszerek .......................................................................................................................... 21 2.1.6 Szélessávú TH-k .................................................................................................................................. 22 2.1.7 Alapvető topológiák ............................................................................................................................ 23 2.1.8 Optikai hálózatok................................................................................................................................ 25 2.1.9 ATM hálózatok.................................................................................................................................... 25 2.1.10 B-ISDN (B: broadband, szélessávú) ................................................................................................. 29 2.1.11 Összefoglalás .................................................................................................................................... 29 2.2 SZÁMÍTÓGÉPHÁLÓZATI TECHNOLÓGIÁK...................................................................................................... 30 2.2.1 Klasszikus IP alapú hálózatok ............................................................................................................ 30 Ethernet .................................................................................................................................................................... 31 FDDI (Fiber Distributed Data Interface, fényszállal szétosztott adat határfelület) ................................................. 31 DQDB (Distributed Queue Dual Bus, kettős sín elosztott várakozási sorral) .......................................................... 31 SMDS (Switched Multimegabit Data Service, kapcsolt több megabites adatátviteli szolgáltatás) ........................... 32
2.2.2 QoS IP hálózatok ................................................................................................................................ 32 MPLS (Multi Protocol Label Switching, többprotokollos címkekapcsolt hálózatok) ................................................ 32 IntServ (IS, Integrated Services IP Network, integrált szolgáltatású IP hálózat)...................................................... 32
2.2.3 Mobil, mozgó IP hálózat..................................................................................................................... 33 2.2.3.1 Földfelszíni hálózatok ...................................................................................................................... 34 Bluetooth .................................................................................................................................................................. 35
2.2.3.2 Műholdas mozgó SzH-k ................................................................................................................... 36 Teledesic................................................................................................................................................................... 36
2.2.4 Konklúziók .......................................................................................................................................... 36 3. HÁLÓZATOK FELÉPÍTÉSÉNEK ELVEI ................................................................................................. 37 3.1 HÁLÓZATOK ÖSSZEKAPCSOLÁSA ................................................................................................................ 37 3.2 HÁLÓZATOK ELEMEI ................................................................................................................................... 38 3.3 HÁLÓZATOK OSZTÁLYOZÁSA ...................................................................................................................... 39 3.4 HÁLÓZATOK FUNKCIONÁLIS MODELLJE ...................................................................................................... 39 4. JELÁTVITELI ÉS FORGALMI KÖVETELMÉNYEK ............................................................................ 41 4.1. BESZÉDÁTVITELI KÖVETELMÉNYEK ........................................................................................................... 41 4.2. ANALÓG BESZÉDÁTVITEL FORGALMI JELLEMZÉSE ..................................................................................... 42 4.3. DIGITALIZÁLT BESZÉD................................................................................................................................ 43
2
4.4. DIGITÁLIS CSOMAGKAPCSOLT HÁLÓZATOK KÖVETELMÉNYEI.................................................................... 46 4.4.1. Jelforrások jellemzése........................................................................................................................ 46 4.4.2. QoS jellemzése ................................................................................................................................... 46 4.4.3. forgalmi vagy szolgáltatási osztályok ................................................................................................ 46 4.5. FORGALMI JELLEMZÉS ADATJELEK ESETÉN ................................................................................................ 47 5. FIZIKAI RÉTEG ............................................................................................................................................ 49 5.1. 2 ÉS 4 HUZALOS ÁTVITEL ........................................................................................................................... 49 5.1.1. Végig négyhuzalos átvitel .................................................................................................................. 49 5.1.2. Kéthuzalos és négyhuzalos szakaszok illesztése................................................................................. 49 5.2. DIGITÁLIS JELÁTVITEL ANALÓG KÖZEGEN ................................................................................................. 56 5.2.1 Blokksémák ......................................................................................................................................... 56 5.2.2 Keskeny és szélessávú csatorna .......................................................................................................... 57 5.3. VEZETÉKES ÁTVITEL, FÉMVEZETÉK ........................................................................................................... 57 5.4. OPTIKAI VEZETÉK....................................................................................................................................... 58 5.5. VEZETÉK NÉLKÜLI ÁTVITEL ....................................................................................................................... 61 5.6. VEZETÉKES ÉS VEZETÉK NÉLKÜLI MEGOLDÁSOK ÖSSZEHASONLÍTÁSA ...................................................... 63 6. ÁTVITELI ÉS KAPCSOLÁSI RÉTEG........................................................................................................ 64 6.1. FORGALOMIRÁNYÍTÁS................................................................................................................................ 64 6.2. FORGALOMSŰRÍTÉS .................................................................................................................................... 65 6.2.1. Bérelt hálózat..................................................................................................................................... 65 6.2.2. Kapcsolt hálózat, nagy forgalmi igény .............................................................................................. 65 6.2.3. Kapcsolt hálózat, kis forgalmi igény.................................................................................................. 66 6.3. FORGALOMIRÁNYÍTÁSI ELVEK ................................................................................................................... 66 6.4. TORLÓDÁSVÉDELEM .................................................................................................................................. 69 6.4.1. Torlódásvédelmi módszerek............................................................................................................... 69 Hálózati réteg összeköttetéses –e?............................................................................................................... 70 7. TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATI TECHNOLÓGIÁK........................................................................................... 71 7.1. PCM/PDH ................................................................................................................................................. 71 7.2 KAPCSOLÁSI ELVEK..................................................................................................................................... 73 7.2.1 Térkapcsolás (space switch) ............................................................................................................... 73 7.2.2 Időkapcsolás (time switch).................................................................................................................. 75 7.3 ISDN (I NTEGRATED SERVICES DIGITAL NETWORK) ................................................................................... 75 7.4 HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKÁK ........................................................................................................................... 77 7.4.1 Beszédsávi modem .............................................................................................................................. 77 7.4.2. xDSL .................................................................................................................................................. 77 7.4.3. Cable Modem..................................................................................................................................... 79 7.4.4. PowerLine (áramellátó hálózat) ........................................................................................................ 80 7.4.5 Ethernet (802.3x) ................................................................................................................................ 80 7.5. SDH/SONET ............................................................................................................................................. 80 7.6. ATM .......................................................................................................................................................... 84 Az ATM jellemzői:........................................................................................................................................ 85 ATM cella: ................................................................................................................................................... 86 Felépítés: ..................................................................................................................................................... 86 Rétegek: ....................................................................................................................................................... 87 Összeköttetés forgalmi leírói: ...................................................................................................................... 88 Útvonalválasztás ATM hálózatban .............................................................................................................. 91 Ilesztési rétegek............................................................................................................................................ 91 IP over ATM ................................................................................................................................................ 92 7.7. OPTIKAI HÁLÓZATOK ................................................................................................................................. 93 7.7.1. Fényvezető szálak .............................................................................................................................. 94 7.7.2. Erősítők.............................................................................................................................................. 94 7.7.3. Hullámcsatolók .................................................................................................................................. 95 7.7.4. Kapcsolók .......................................................................................................................................... 95 7.7.5. Szűrők ................................................................................................................................................ 97 7.7.6. Optikai hálózatok fejlődése................................................................................................................ 97 8. TÁVKÖZLÉSI SZOFTVEREK .................................................................................................................... 99
3
A távközlési szoftverek mindegyikére jellemzőek az alábbi tulajdonságok:................................................. 99 A következőekben az InRes protokoll leírását fogjuk SDL alapon megnézni............................................... 99 A kapcsolatfelépítés (Connection Establishment) folyamata MSC diagramokkal (Message Sequence Chart): ....................................................................................................................................................... 100 Kicsit másként fest a dolog, ha B nem akar A-val kommunikálni:............................................................. 100 2. Information Transfer (adatátvitel)......................................................................................................... 101 3. Disconnect (kapcsolat bontása)............................................................................................................. 101 Jelkezelési stratégia ................................................................................................................................... 103 Process Initiator ........................................................................................................................................ 104 Process Responder..................................................................................................................................... 108 Process Initiator coder .............................................................................................................................. 109 CORBA .......................................................................................................................................................... 110 TÁVKÖZLÉSI SZOFTVEREK RÉSZEI ................................................................................................................... 112 A KÜLÖNFÉLE FDT-K KAPCSOLATA................................................................................................................ 112 ASN.1: ABSTRACT SYNTAX NOTATION, NUMBER ONE .................................................................................. 113 TTCN ............................................................................................................................................................. 113
4
Bevezetés Bemutatkozás Tárgyfelelős, előadó: Dr. Henk Tamás, doc., TTT, I-E348, tel: 463-4188, (
[email protected]) Társelőadók: Dr. Cinkler Tibor, adj., TTT, I-E319 B, tel: 463-1861,
[email protected] Dr. Csopaki Gyula, doc., TTT Tárgy admin, szervezés: Bock Györgyi, asszisztens, TTT, I-E352 (TTT postarekesz), tel: 463-2085,
[email protected]
TTT: Távközlési és Telematikai Tanszék, http://www.ttt.bme.hu (Telematika: telekommunikáció + informatika) Eddig hol találkozhattunk: Mérés laboratórium Idén:
Távközlő hálózatok Beszédinformációs rendszerek Információs rendszerek fejlesztése (részt vesznek az oktatásában) Számítógép laboratórium 6.
Jövő: 2 szakirány, frissítés alatt választható
Kibocsátó tanszék, nagyjából 100 diploma évente (villamosmérnök + informatikus). intenzív ipari, nemzetközi kapcsolatokkal rendelkezik a tanszék részt vesz a doktorandusz képzésben és a kutatásban és fejlesztésben.
Elhelyezkedés: I- B II. emelet, tanszéki központi admin I- E III. emelet, Duna felöli fél, TH admin I -L I. emelet Stoczek II. emelet
TH oktatási anyagok
letölthető jegyzet, 2003-ban 50%-ban kész http://leda.ttt.bme.hu/~cinkler/TavkHal
5
1. adatlap, követelmények 2. hallgatói előadás jegyzetek, elmúlt 2 évből, több változatban online könyv (Dr. Henk Tamás, Dr. Cinkler Tibor szerzők) url: http://www.hte.hu/onlinekonyv.html http://www.hte.hu/onlinebook.html Lajtha György főszeresztő: Távközlő Hálózatok és Informatikai Szolgáltatások, Telecommunication Networks and Information Services Hírközlési és Informatikai Tudományos Egyesület, HTE, 2002 Géher Károly: Híradástechnika /Műszaki könyvkiadó, Bp, 2002/ Tanenbaum: Számítógéphálózatok Hosszú Gábor: Internetes médiakommunikáció, LSI oktatóközpont, 2001
Követelmények
1 nagyzárthelyi lesz a 8. héten, kérdésekre kell válaszolni a lényeget kiemelve 1 pótzárthelyi is lesz valamikor a 10. héten pótlás: vizsgaidőszak első 3 hetében vizsgán aláírás feltétele: minimum 2-es eredmény vizsgák: írásbeli, 6 kérdés kidolgozása, szóbeli kivételes esetben zh, pótzh eredménye a vizsgajegybe nem számít bele általában, kivéve ha az eredmény 5*, ekkor megajánlott jegyet kap a hallgató, illetve ha határesetekben a zh eredménye felé billen a jegy Pontozás: 35 2 45 3 55 4 65 5 75 5*
Távközlő hálózatok tárgy célkitűzése Számítógéphálózatok (SzH): számítógépeket kötnek össze Távközlő hálózatok (TH): távíró, távbeszélő hálózat, ... A kettőt együtt infokommunikációs hálózatoknak (információközlő hálózatoknak) nevezzük. A Távközlő hálózatok alaptárgyra egyrészt az infokommunikációs szakmacsoport épül (ez 4 szakirányt takar, melyből kettőt a Híradástechnikai Tanszék, kettőt a Távközlési és Telematikai Tanszék tart), másrészt általános jellegű ismereteket ad a többi szakirányhoz. A tárgyhoz több labor képzés is kapcsolódik:
alapképzésben a mérés labor (Távközlési és Telematikai Tanszék) az infokommunikációs szakmacsoport szakirányain a 3 féléves szakirány labor és a programozott mérések önálló labor témák
Távközlő hálózatok tárgy jellege A tárgy alapvetően leíró jellegű, cél az okszerű összefüggések bemutatása, valamint egyfajta szemléletmód kialakítása és lexikális tudás átadása. Ezen felül bemutatja az ipari alkalmazásokat, a szolgáltatásokat, a gazdaságosság szempontjait és a jogi szabályozás kérdéseit is. Sok új fogalom lesz, ezeket több (kettő vagy négy) nyelven is tudni kell: a távközlő hálózatok szakmai zsargonjában szereplő magyar, illetve angol (vagy angolos) elnevezéseket, illetve a számítógéphálózatok szakmai zsargonjában szereplő magyar / angol / angolos megfelelőket is. Az előadások látogatása emiatt nagyon ajánlott. Az anyag 60%-a diszciplína, a maradék 40%-a pedig technológiai ismeretek. A tárgyalásmód egy hasonlaton keresztül világítható meg. Például a fizikai törvények tárgyalásmódjánál alapvetően kétféle megközelítés létezik: az elméleti fizika, amely a fizikai törvényeket deduktív módon
6
alkalmazza a fizikai valóságra, valamint a kísérleti fizika, amely a fizikai valóságban megfigyelt jelenségekből induktív módon alkot fizikai törvényeket:
fizikai törvények
kísérleti fizika: indukció
elméleti fizika: dedukció
fizikai valóság fizikai valóság
Ugyanez az információközlő hálózatokra a következőképpen néz ki:
hálózatok felépítésének elvei
technológia orientált tárgyalás
diszciplináris tárgyalás
hálózati technológiák
A Számítógéphálózatok tárgy tárgyalásmódja inkább diszciplináris volt (OSI modell stb.), a Távközlő hálózatok tárgy pedig vegyes tárgyalásmódot fog követni: 1. technológiai áttekintés 2. elvek tárgyalása 3. néhány technikai megvalósítás részletezése
Kapcsolódó tárgyak
Számítógéphálózatok Információelmélet Tömegkiszolgálás Beszédinformációs rendszerek Operációs rendszerek Formális nyelvek Fizika
A Távközlő hálózatok tárgy fejezetei
7
0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Bevezetés (ez van most) Információközlő hálózatok fejlődése Technológiai áttekintés Hálózatok felépítésének elvei Jelátviteli követelmények Fizikai átvitel Átviteli és kapcsolási réteg Távközlési technológiák esettanulmányai Távközlési szoftverek
8
1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.0. Bevezetés SzH: Számítógép hálózat (Computer Network) TH: Távközlő hálózat (Telecommunication Network) A kettőt együtt hívjuk információközlő hálózatnak (Infocommunication Network, a továbbiakban csak "hálózat", innen ered az amerikai IT technology elnevezés is) Egyszerű hálózati modell:
A hálózati modell kétfajta építőelemből áll: végberendezésből (terminal equipment) és csomópontból (node). TH-ban a végberendezés tipikusan a távbeszélő készülék (telephone equipment), a csomópont pedig a távbeszélő kapcsoló központ (telephone switching exchange). SzH-ban a végberendezés általában a számítógép (computer), a csomópont pedig az útválasztó (router). A végberendezésekben és a csomópontokban általában számítástechnikai igény merülhet fel (Boolealgebra, memória), tehát egyfajta intelligencia megvalósítására van szükség. A hagyományos esetekben a telefon nem intelligens, de a számítógép, a switch és a router "intelligens", a switch és a router közül pedig tipikusan a switch az "intelligensebb".
1.1. Alaptechnológia fejlődése
Kezdetben: elektromechanikus technológia (jelfogó, relay (relé)). Ezzel mind a memóriát, mind a Boole-algebrát meg lehetett valósítani ( "jelfogó logika") Elektroncső, tranzisztor: nagyon megbízhatatlanok voltak, az elektroncső ráadásul viszonylag rövid élettartammal rendelkezett (ez a két megoldás nem is igazán volt jelentős) Mikroprocesszor. Ez a ma használt technológia. A vonalméret jelenleg kb. 120 nm körül van, és csökken (laborszinten már 70 nm), de lassan elérjük a technológia határait más utakat kell majd keresni, pl nanotechnológia (amíg a mikrotechnológia a Maxwell-egyenletekkel dolgozott, a nanotechnológia már a Schrödinger-egyenlettel). Ennek megvalósulása ipari szinten kb. 2010-re várható.
Hosszú távú, nagy kapacitású memória megvalósítása: kezdetben Morse papírtekerccsel, majd lyukszalaggal, lyukkártyával, és így tovább egészen a ma használatos tárolási módokig.
9
Átviteli utak: kezdetben légvezeték, majd sodrott érpár vagy érnégyes, aztán koaxiális vezeték, optikai vezető (iparban az ezen elérhető maximális sebesség 1 Tb/s, laborban kb. 50 Tb/s, az elméleti maximum 200 Tb/s). Ezekkel párhuzamosan alakult ki a rádiós átvitel.
1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Szabadalmak: Samuel Morse David Hughes Graham Bell Edison és Puskás Tivadar Almon Strowger
1837 1854 1876 1878 1889
kézi távíró, Morse ABC távgépíró távbeszélő kézi kapcsolású központ automata központ
Az egyes technológiákat használók száma világszerte:
1600 1400
Millió darab
1200 Telefon fővonal Mozgótelefon
1000 800
ISDN vonal KábelTV előfizető Internet felhasználó
600 400 200 0 1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
A világ távközlési trendjei Forrás: European Information Technology Observatory, 2002 (http://www.eito.com) Az egyes technológiákat használók száma Európában:
10
450 400
Millió darab
350
Telefon fővonal
300
Mozgótelefon
250
ISDN vonal KábelTV előfizető
200
Internet felhasználó GPRS felhasználó WLAN felhasználó
150 100 50 0 1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
Nyugat-Európa távközlési trendjei Általában az összes technológia fejlődését egy tipikus fejlődési görbével ("életgörbe") jellemezhetjük: Az életgörbe kezdetben egy exponenciális, majd egy lineáris szakaszból áll, ezek után telítésbe kerül (itt tart ma pl. a vezetékes távközlő hálózat), majd exponenciálisan lecsökken. A görbe eleje a logisztikai görbéhez hasonlít, amely differenciálegyenlete
dL Lt k Lt , ahol k a maximális populáció, α pedig a meredekség. dt k Lt
k , ahol m értékét a kezdeti 1 m e t k feltételből kapjuk meg: a logisztikai görbére teljesül, hogy L0 . 1 m A differenciálegyenletet megoldva kapjuk, hogy
Ny-Eu. mozgótelefon ellátottsága
Logisztikai görbe
450 400
Millió darab
350 300 250 200 150 100 50 0 1997
1998
1999
2000
2001
A logisztikai görbe
11
2002
2003
2004
Mozgó távközlő hálózatok esetében például t=0-t 1991-re kell választani (GSM megjelenésének időpontja), ekkor pedig m=600, k=415, L(0) kb. 0,7 és alfa=0,75.
1000 főre eső fővonalak száma
A távközlő hálózatok elterjedtségét a távbeszélő fővonalak számával lehet lemérni, és ez az egy főre jutó GDP függvényében nagyjából lineáris:
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0
10000
20000
30000
GDP/fő (USD)
40000
Argentína Brazília Dánia Norvégia Nagy Britannia Finnország Japán Franciaország Kína Magyarország Németország Világ Olaszország Oroszország Románia Spanyolország Svédország USA
A telefonvonalak száma különböző országokban a GDP függvényében (2001) A távközlő hálózatok fejlődésében 2000-től kezdődő recesszió az USA-ban főként a tőzsdei hatások miatt (a mozgó távközlés gyors fejlődése és a ".com companies" jelenség miatt túlfutott a tőzsde. A ".com company"-k olyan kis cégek, amelyek a netes technológiák megjelenésével az Interneten keresztül próbáltak gyorsan meggazdagodni, de nem jött be a számításuk), Európában pedig a tőke kivonása miatt következett be. A tőke kivonása az UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) rendszer bevezetésére vezethető vissza. AzUMTS egy 100 kbit/s-2 Mbit/s sebességű, valójában IP alapú SzH rendszer (ahol esetleg a gerinchálózat ATM), ahol az ATM+IP telepítése már folyik, a tisztán IP jellegű megoldást most szabványosítják. A távközlő szolgáltatók a technológiához a koncessziós díjat árverésen határozták meg, és ezek az összegek igen magasak lettek (pl. Németországban 49,7 milliárd, Olaszországban 12,5 milliárd, az Egyesült Királyságban 38,2 milliárd euró). Ezeket a pénzeket a hagyományos távközlésből kellett kivonni, a bankok pedig nem adtak kölcsönt a távközlő szolgáltatóknak.
1.3. Hálózatok fejlődése Magyarországon 3 időszakot tekintünk:
a kezdetektől 1938-ig 1945-1990 között 1990-től napjainking
Mindhárom időszakban megvizsgáljuk a szolgáltatás, az ipar és a kutatás-fejlesztés helyzetét is.
1.3.1. A kezdetektől 1938-ig Szolgáltatás:
12
név Morse Bell Edison-Puskás
szabadalom 1837 1876 1877
első megvalósítás 1844 1877 1878
első megvalósítás Mo-n 1846 1881 1881
Mindezek mellett itt volt még a gyakorlatilag csak Magyarországon megtalálható telefonhírmondó, 1893-tól (gyakorlatilag vezetékes rádió). 1938-ban a lefedettség 10%-os volt, ez megfelelt az európai átlagnak Ipar: Tungsram gyár (orosz exportra gyártott), ITT (budapesti gyáruk: Standard, tudtak automata távbeszélő központot gyártani, ilyen gyárból összesen 12 volt), Siemens, Philips, stb. Kutatás-fejlesztés: Tungsram, BME
1.3.2. 1945-1990 Szolgáltatás: nem fejlődött mennyiségileg, és minőségileg se nagyon (1-2 digitális központ). Ennek oka a politikában keresendő: Nyugatról embargó volt érvényes az országra (így a távközléshez szükséges berendezéseket csak kis tételben lehetett behozni), Keletről pedig nem tartották fontosnak a távközlés fejlesztését (helyette pl. nehézipar) Ipar: államosítás miatt elszakadt a technológiai szinttől (1990-re 10-15 éves lemaradást sikerült összeszedni), de volumenben jelentős volt. Főként a KGST piacra termeltek (pl. Videoton gyár) Kutatás-fejlesztés: BME (Bay Zoltán, Kozma László) kutatóintézetek (MTA-KFKI (Központi Fizikai Kutatóintézet), MTA-SzTAKI (Számítástudományi és Automatizálási Kutatóintézet), TKI (Távközlési Kutatóintézet)
1.3.3. 1990-től napjainkig nyilvános hálózat: bárhol, bármikor, bárki számára elérhető, ha megfizeti magánhálózat: intézmények számára, belső forgalomra térítésmentes kapcsolt hálózat: ki kell választani, hogy kit hívok (billentyűzés + kapcsolatfelépítő folyamat) bérelt hálózat: hosszú távú bérleti díj van, kötött, hogy kit hívhatok vele, de a kapcsolat állandóan fennáll, nem kell felépíteni szolgáltatás+ipar: többé-kevésbé megszűnik az embargó, de a KGST is az ipar összeomlik, közben a szolgáltatás dinamikusan fejlődik. Privatizáció, monopol koncessziós helyzet (ld. Matáv), távközlési törvény megalkotása dereguláció: eddig a Magyar Posta foglalkozott az összes távközlési feladattal, ebből most több kisebb szervezetet csináltak: Matáv, Antenna Hungária, Magyar Posta Rt., Hírközlési főfelügyelet, minisztériumi képviselet, érdekképviselet. Ezek közül csak a Matávot privatizálták, mivel a lefedettséget 10%-ról fel kellett hozni 40%-ra (kb. 3 millió új fővonal). Ez 6 év alatt történt meg (19921998). A befektetés megtérülésére általában szintén 6 évet szánnak, de itt az 1992-2002-es időszakban gondolkoztak, ezért erre az időre a Matáv monopóliumot kapott a kapcsolt nyilvános beszédátvitelre (a helyi körzetek nagy részére+a helyközi hálózatokra+a nemzetközi hívásokra), de bérelt/magán beszédátvitelre és adatforgalomra nem. rendszerválasztó tender: a Matáv pályázatot írt ki a berendezések szállítására, a pályázat nyertesének Magyarországra ipart is kell telepítenie. Így jött be a Siemens és az Ericsson, később pedig bejött a Nokia, Motorola stb. súlypont: hardverről áttevődik a szoftverre, így kialakulnak a szoftverházak. Új szolgáltatások:
13
VoIP (voice over IP, beszédátvitel IP felett) A Pantel vezette be, de a késleltetését 200 ms-ra, a csomagvesztést pedig 1%-ra le kellett rontania a Matáv monopóliuma miatt. Az 1%-os csomagvesztés nem olyan zavaró, de a 200 ms-os késleltetés miatt mindenféle visszhangok is bejönnek, és ez nagyon zavaró. Így a VoIP igazából csak a nemzetközi mozgó távhívásoknál volt csak versenyképes. A Pannon GSM bevezette a +0-t, amivel nemzetközi hívásokra a Pantel hálózatát lehetett használni, erre a Matáv is kénytelen volt lejjebb venni a nemzetközi hívások árait (cserébe viszont növelte az előfizetési díjat) NIIF (Nemzeti Informatikai Infrastruktúra Felügyelet): kb. 1980-tól létezik, jelenleg az akadémiai hálózatok között VoIP megoldást tervez CATV: kábeltévé mobilszolgáltatás: kezdetben (1991) vala az NMT (Nordic Mobile Telecom), ez egy kb. 450 MHz-en működő, analóg mobil rendszer, Európában körülbelül 11, egymással totálisan inkompatibilis NMT rendszer volt Az NMT helyett megjelent a GSM (digitális, 900 vagy 1800 MHz-en): 140 ország, 470 szolgáltató, Magyarországon kb. 1993-ban jelent meg, oligopol koncesszióval (előbb 2, majd 3 cég)
14
2. Információközlő hálózatok technológiájának áttekintése A hálózatokat az információtípusok (üzenet (SMS, email, MMS, távirat stb.), (pár)beszéd, (tömörített) videó, adat) továbbítására hozták létre. Egy adott fajta információtípust elsősorban a neki megfelelő hálózaton lehet továbbítani (például párbeszédet telefonon, SMS-t mobiltelefonon stb.), ezt hívjuk elsődleges felhasználásnak, de bizonyos esetekben egy információtípust egy másik információtípusnak szánt hálózaton is továbbíthatunk (pl. adatot telefonvonalon, modem segítségével). Ha egy hálózat több információtípus elsődleges továbbítására is felhasználható, akkor integrált hálózatnak nevezzük, és az általa nyújtott szolgáltatást integrált szolgáltatásnak.
2.1. Távközlő hálózatok
Egy távközlő hálózat hierarchikus felépítésű. A legalsó szinten az előfizetők (subscriber) állnak, az előfizetők helyi központokhoz (local exchange) kapcsolódnak, a helyi központok primer központokhoz (primary exchange, ehhez társítható a körzetszám fogalma), a primer központok pedig szekunder központokhoz (secondary exchange). A hierarchia elméletileg folytatható lenne még tovább, de nincs rá szükség. A hierarchiában megkülönböztetünk úgynevezett hálózati síkokat: a primer és szekunder központok közötti hálózatot gerinchálózatnak, a primer és a helyi központok közötti hálózatot törzshálózatnak vagy központközi hálózatnak, a helyi és az előfizetői központok közötti hálózatot pedig hozzáférői hálózatnak nevezzük. Megkülönböztetünk keskenysávú és szélessávú távközlő hálózatokat. Keskenysávú, ha a TH analóg, vagy a sebesség 2 Mbit/s-nál (rögzített hozzáférői hálózat esetén), illetve mozgó hozzáférői hálózat esetén 64 kbit/s-nál kisebb hozzáférői és 140 Mbit/s-nál kisebb törzshálózati sebesség esetén.
15
2.1.1 Keskenysávú TH
távíró hálózat: a távíró kézi kapcsolású, tárol-és-továbbít elvű üzenetkapcsolást valósít meg, ahol az egyes csomópontokban torlódások léphetnek fel, ilyenkor a torlódó üzeneteket sorra el kell tárolni (pl. fiókban :)), majd egyesével továbbítani távgépíró hálózat: távíró továbbfejlesztése, írógépszerű billentyűzettel és lyukszalagra lyukasztható kimenettel. Később megoldották azt is, hogy a távgépíró hálózatban a kommunikáló felek között egy áramkörkapcsolás jöjjön létre, ezzel megspórolták azt, hogy a csomópontokban kézzel kelljen továbbítani az üzeneteket, kétirányú lett a kommunikáció, és megjelent a hívás fogalma is (mivel mindig ki kellett jelölni, hogy hova kérik az áramkörkapcsolást). Tehát a távgépíró hálózat egyaránt tudott üzenetkapcsolt és áramkörkapcsolt módon működni, utóbbi esetben nem az üzenetek, hanem a hívások torlódhattak. távközlő hálózat: kétirányú beszédátvitelre született, feltétel volt az érthetőség 0,3 kHz és 3,4 kHz között kell átvinni a jelet, a sávszélesség 3,1 kHz, de a nyalábolás miatt kellett biztonsági védősávot is hagyni, ezért 4 kHz-es sávval kell számolni. A távközlő hálózatok sokáig tisztán analóg módon működtek, ma már egyre inkább digitális, de a hozzáférés még mindig teljesen analóg a helyi központokban beszédkodekeket (tipikusan PCM elvű) kellett telepíteni. Ezzel a 4 kHz-es jelet 8 kHz-en mintavételezzük, majd 8 biten kódoljuk 64 kbit/sec sebesség kb. 64 kHz sávszélesség kell hozzá. Ez 16-szoros romlás, de mégis megéri, mert a digitális technika gazdaságosabb (pl. nem kell beállítani, szemben mondjuk az analóg szűrőkkel, amiket "hangolni" kell), kicsi a fogyasztás, kicsi a méret, megbízható (legalábbis mostanában már igen :))), a nyalábolás és a kapcsolás együtt elvégezhető
Nyalábolási technikák: Tegyük fel, hogy egy helyi központba 10000 vonal fut be. Ezeket valószínűleg úgysem használják egyszerre, ezért a helyi központokból elég 1000 kimenő vonalat fenntartani, de még mindig nagyon költséges lenne a központok között 1000 kábelt kihúzni, ezért multiplexálást alkalmaznak. A multiplexálás történhet frekvenciaosztással (Frequency Division Multiplexing), időosztással (Time Division Multiplexing), térosztással (Space Division Multiplexing, ez sokkal triviálisabb, mint ahogy a nevéből gondolná az ember: annyi az egész, hogy van 1000 vezetékünk, és ezt egyetlen kábelbe fogom össze ==> nem 1000 vezetéknek kell árkot ásni, csak egy kábelnek) vagy kódosztással. A nyalábolást mindig hierarchikus módon csináljuk. Pl ha 1000 vonalat multiplexálunk egy kábelre, akkor az első szinten 100 db 10 bemenetű multiplexert használunk, a második szinten 10 db 10 bemenetűt, a harmadik szinten pedig egyetlen 10 bemenetűt (az első szinten a primer, a másodikon a szekunder, a harmadikon a tercier multiplexerek vannak). Ennek a módszernek az előnye az, hogy csak szabvány multiplexereket lehet kapni, és ha mondjuk 4741 vonalat akarok egymásra multiplexálni, akkor biztos, hogy az én kedvemért senki nem fog 4741 bemenetű mulitplexert legyártani, így viszont szabvány 10 bemenetű multiplexerekkel megoldható az egész. Az időmultiplexálás hierarchikus megvalósítására két szabvány rendszerekben a PDH, szélessávú rendszerekben pedig a SONET/SDH.
ismeretes:
keskenysávú
A PDH-t (Plesiochron Digital Hierarchy, pleziokron = majdnem egyidejű, vö. szinkron, aszinkron) 1967-ben fejlesztették ki a Bell Laboratóriumban. Európai hierarchia szintek Hierarchias 0 zint
E1
E2
E3
16
E4
E5
Névleges 0.064 seb. (Mb/s)
2
8
34
140
565
Beszédcsat 1 . száma
30
120
480
1920
7680
Átviteli közeg: 0
E1
E2
E3
E4
E5
szimmetrikus kábel koaxális kábel rádiós összeköttetés fénykábel
Leggyakrabban az E4 szintig használják a hierarchiát, mert az E5 szint már csak fénykábellel vagy rádiós összeköttetéssel valósítható meg, koaxkábellel nem. Amerikában mások a hierarchia szintek (mivel ott korábban volt ez a technológia), viszont lassabbak az átviteli sebességel (ugyanezen okból, ugyanis ők még nem használtak optikai kábelt): Hierarchia szint Névleges seb. (Mb/s) Beszédcsat. száma
0
T1
T2
T3
T4
0.064
1.5
6
45
274
1
24
96
672
4032
A PDH hierarchiában az órajelgenerálásra általában kvarcoszcillátorokat használnak. A kvarcoszcillátor „kényelmes” frekvenciája: f0=5 MHz, ebből osztással/szorzással, összeadással vagy kivonással állítják elő a többi szükséges frekvenciát. Összeadásnál és kivonásnál összeszorozzák a két megfelelő szinuszt, majd a keletkező kimenetet szűrik, szorzásnál és osztásnál pedig egy fáziszárt hurkot (phase locked loop) használnak:
40 MHz
VCO
5 MHz kvarc oszcillátor
U fázisdetektor
/8
A fenti kapcsolás pl. a frekvenciát nyolccal szorozza. Az ábrán „VCO”-val jelölt egység egy feszültségvezérelt oszcillátor (Voltage Controlled Oscillator). A PDH hierarchia vázlatosan a következőképpen néz ki:
17
1 1 Forgalomkoncentrátor 103 105
kapcsoló
primer MPX
szekunder MPX ….. stb.
(A PCM kodek kezdetben a kapcsoló és a primer multiplexerek között (illetve tulajdonképpen a primer multiplexerekben) volt. Amikor a kapcsolók is digitálissá váltak, a PCM kodekek átkerültek a kapcsolók 3 bemenetére, majd a forgalomkoncentrátorok bemeneteire (de így már 10 helyett 105 kodekre van szükség!). Körülbelül itt tart ma a világ, elvileg el lehetne helyezni a kodekeket közvetlenül az előfizetőknél is, de ez ma még az ISDN-t kivéve nem jellemző) 5
3
A forgalomkoncentrátor bemenetére kötött 10 vonalat 10 nagyságrendűre „tömörítjük” annak 3 felismerésével, hogy az összes vonal nincs egyszerre kihasználva. A 10 vonal forgalomirányítását egy kapcsoló segítségével végezzük el, a kapcsoló kimenetén lévő vonalakat pedig négy szinten multiplexáljuk. A multiplexerek bemenetén az egyes szinteken lévő beszédcsatornák számából meghatározható (ld. az előző két táblázatot az európai és amerikai hierarchia szintekről), pl. az európai hierarchia szinteken az első szinten 30 bemenetű, a többi szinten pedig 4 bemenetű multiplexerek vannak. Az egyes fokozatok között az órajelek nem szinkronizáltak egymással, csak az első szint és a kapcsoló órajele szinkronizált, néha pedig egy primer multiplexer egy másik földrajzi helyen lévő szekunder multiplexerre csatlakozik. Ennek oka, hogy a PDH hierarchia nagy részét képező koaxiális kábelek késleltetése igen ingadozó, ezért eleve lehetetlen tökéletes szinkront megvalósítani. A szinkron hiánya miatt az egyes szinteken a sebesség nem pontosan négyszereződik, hanem valamivel nagyobb szorzó jelenik meg. Ez az egyes multiplexerek órajelei között fennálló csúszásokból adódik: ha egy multiplexer bemenetén lévő jelek órajelének frekvenciáját 1 ± ε-nal jelöljük (ε a frekvenciaingadozás mértéke), akkor a multiplexernek legalább 1 + ε frekvencián kell működnie, hogy semmiképpen ne történjen bitvesztés. A multiplexer órajelének is van egy kis ingadozása, ezért 1 + ε helyett az 1 + ε …1 + 2ε intervallummal kell számolni, ez az, ami szorzódik (pl. négyszereződik), így a kimeneten 4 + 4ε … 4 + 8ε frekvencia jelenik meg, ami nem pont a bemeneti 1 + ε négyszerese. A sebességingadozások hatásainak kikompenzálására az adatfolyamba lassabb adatáramlás esetén töltőbiteket kell beiktatni (ezt hívják bitbeékelésnek, stuffing-nak (európai elnevezés) vagy justification-nek (USA elnevezés)). A töltőbitek vevőoldali azonosításához jelzőbitekre is szükség van, a vevő a jelzőbitek alapján megkeresi a töltőbiteket, és kiveszi őket az adatfolyamból. Tehát egy MPX fokozaton át kell vinni a következőeket:
magát a jelet a töltőbiteket a jelzőbiteket a keretszinkronizációs jeleket a hibajelző kódoláshoz (CRC) szükséges biteket esetleg további jelzéseket és szolgálati üzeneteket (erre pl. az 1. fokozatban +2 jelzőcsatorna van elkülönítve)
18
Az első fokozatban nincs sebességkiegyenlítés (még nincs rá szükség). A PDH elvileg nyalábolási technika, de a kapcsolás összefonódik a nyalábolással. Ennek a hierarchiának a nagy hátránya:
Bp.
140 Mbps
Győr
Herceghalom (2 Mbps)
Amint látható, ha pl. a Budapest és Győr közötti 140 Mbps-es vonalról szeretnénk útközben Herceghalom felé egy 2 Mbps-es vonalat leágaztatni, akkor ahhoz az E4-es hierarchiaszintről vissza kell bontatunk E3-ra, kivenni a számunkra szükséges 2 Mbps-t, majd újból visszaépíteni az E4-es szintet.
2.1.2 Adathálózatok Kezdetben volt a PCSDN (Public Circuit Switched Data Network: nyilvános áramkörkapcsolt adathálózat), amely PDH technológián alapult, és n*64 kbps átvitelére volt alkalmas. Ez igazából az áramkörkapcsolás miatt alkalmatlan az adattovábbításra, hiszen az adatjel általában „csomósodik” (burst), tehát az idő nagy részében a vonal kihasználatlanul áll, és esetleg ezzel feleslegesen blokkol egy útvonalat, például az alábbi helyzetben:
Itt a vastaggal jelölt útvonal blokkolja a szaggatottal jelöltet. Ezért adatforgalom esetén érdemesebb csomagkapcsolást alkalmazni, így csak akkor keletkeznek adatcsomagok, ha tényleges adatforgalmazás van, és az útvonalak nem blokkolódnak feleslegesen (viszont cserébe a csomópontokban fellépő torlódásokkal kell majd foglalkoznunk). Sok csomagkapcsolt rendszerben a valóságos áramkör mintájára egy virtuális áramkör épül fel a hívó és a hívott fél között, tehát ilyen esetben is szükség lehet a hívásra, az erőforrásfoglalásra és a bontásra. (Az IP-ben például nincs látszólagos áramkör, de az IP előtti X.25-ben van) X.25: virtuális áramkörkapcsolás fémvezetéken, rossz minőség minden csomópontban szükség volt hibajavításra és áramlásvezérlésre, ez jelentősen lassította a rendszert. A hozzáférői hálózaton az X.25 16 kbps-t, a gerinchálózaton 64 kbps sebességet biztosított a HDLC protokoll egy módosított változatával (HDLC Link Access Procedure-Balanced (kapcsolatelérési eljárás kiegyenlítése): HDLC LAP-B).
19
PPSDN (Public Packet Switched Data Network): olyasmi, mint a PCSDN, csak megengedi a csomagkapcsolást (virtuális áramkörök) ISDN (Integrated Services Digital Network): az első olyan megoldás, amely tisztán digitális módon tud adatot továbbítani. Az analóg alkalmazásoknál tulajdonképpen egy olyan rendszert (a telefonhálózatot) használtunk adatátvitelre, amit nem erre terveztek (másodlagos adatátvitel):
forrás
modem adó
modem vevő
PCM kodek
cél
PCM kodek
A modemek 2,4-33,6 kbps adatátviteli sebességet biztosítottak. Látható, hogy mind A/D, mind D/A konverzió két-két helyen történik (egy-egy a kodekben, egy-egy pedig a modemben), holott a rendszer majdnem teljesen digitális (a forrástól a kapcsolóig, illetve a kapcsolótól a célig terjedő szakaszokat kivéve). Az ISDN ezt a problémát oldja meg úgy, hogy a teljes előfizetői hurkot digitálissá teszi. Az ISDN egyszerre alkalmas adat, beszéd és videó átvitelére. Az adatcsatornáknak két alapfajtája van: B: basic (alap) csatorna. Valós áramkörkapcsolt alapú átvitelt biztosít PCM kodekkel a PDH hierarchián, 64 kbps sebességgel D: data (adat) csatorna. X.25 szerű protokollal rendelkezik (HDLC Link Access Procedure for the D channel HDLC LAP-D), 16 kbps átviteli sebességgel, ebből az adatok részére 9.6 kbps használható. Az ISDN alapkiépítésben 2 db B és 1 db D csatorna van, ezzel a teljes átviteli sebesség 2x64 + 16 =144 kbps (a két B csatorna összefogható egyetlen, 128 kbps sebességű csatornának is). Mivel a sebességek különböznek, ezért az ISDN-ben alkalmazott kapcsolási technikát Multirate Switching-nek (többsebességű kapcsolás) nevezzük. Létezik még egy 30B+1D kiépítés is (elvileg tetszőleges n*B+D kiépítés lehetséges lenne, de a különböző n-ek miatt bonyolult lenne a kapcsolás, ezért n-nek csak 2-t vagy 30-at engednek meg). Igazából a többsebességű kapcsolás még nincs is rendesen megoldva, tehát még nem piacképes a termék (lehetséges stádiumok egy terméknél: alapkutatás alkalmazott kutatás fejlesztés termék piacképes termék)
2.1.3 Mozgó keskenysávú TH-k Első generációs (analóg) rendszerek: ilyen volt pl. az NMT (Nordic Mobile Telecom). Cellás rendszerű, azaz a lefedett területet az adótornyok cellákra osztják (egy ilyen cella közepén található maga az adótorony). A cellák között kisebb átfedések lehetnek, emiatt az egymáshoz közeli adótornyok frekvenciája nem lehet azonos (persze ugyanaz a frekvencia nagyobb távolságban már ismét kiosztható). Cellahatárokon az egyes adótornyok között handover (átadás) történik: az egyik adótorony átadja a mozgó készüléket a másik adótoronynak. A cellás rendszer előnye, hogy ilyenkor végberendezésenként kisebb kisugárzott teljesítmény is elég (kisebb egészségkárosító hatás, kisebb akkumulátor).
20
átadási zónák
adótornyok
Második generációs (digitális) rendszerek: a végberendezés is digitális, tehát maga a kodek is a végberendezésben van (pl. GSM kodek). A beszédkodek sebessége kb. 13 kbps, és a beszédcsatornák adatátvitelre is alkalmasak (9,6 kbps vagy 14 kbps). Több csatorna is összekapcsolató (High Speed Circuit Switched Data, HSCSD), ezzel az adatátviteli sebesség n*14 kbps-re növelhető (n ≤ 4, mivel ha n>4, akkor n*14>64, tehát az adatot nem tudjuk átvinni a PDH gerinchálón). Nyújtott szolgáltatások: SMS (Short Message Service), MMS (Multimedia Service), WAP (Wireless Application Protocol). 2,5. generáció: GPRS (General Packet Radio System: általános csomagalapú rádiórendszer). Itt a GSM továbbfejlesztésével a gerinchálózatban kettéválasztják a jelet, és az adatokat egy IP alaú csomagkapcsolt hálózaton továbbítják (a beszéd marad a PDH alapú áramkörkapcsolt hálózaton). Ezzel az adatátvitel olcsóbb lett, de a sebesség nem nőtt meg (a közhiedelemmel ellentétben).
2.1.4 Mozgó keskenysávú magánhálózatok Elsősorban a készenléti szolgálatoknál (tűzoltóság, rendőrség, mentők, katasztrófavédelem) fordul elő. Két fajtája létezik: a GSM Pro (Ericsson) és a Tetra (Motorola, Nokia). Jellemzőik: Kisebb hívásblokkolás Hívásprioritások Diszpécser szolgálat Szelektív hívás (híváscsoportok) Nagyobb megbízhatóság Nagyobb adatbiztonság TETRA (Terrestrial European Trunked Radio, földfelszíni európai trönkölt rádió) Mikor világméretű lett a hálózat, akkor az E betű jelentése European-ről Enhanced-re változott. TETRAPOL (POL: police): a francia rendőrséget szerelték fel először ezzel GSM Pro (Westel): polgári alkalmazása is van, például szállítmányozó vállalatoknál használják
2.1.5 Műholdas rendszerek A műholdas rendszerek is mozgó hálózatok megvalósítására alkalmasak, azonban az eddigi megvalósításokkal ellentétben mindenütt le tud fedni (pl. Magyarországot 1800 MHz-es hálózattal
21
lehetetlen lenne földfelszíni módon lefedni az árnyékolások miatt, de műholddal le lehet). Két rendszerről érdemes tudni (igazából egyik sem lett még piacképes): Iridium: eredetileg 77 műholddal biztosították volna a teljes földgolyó lefedettségét (innen az elnevezés: az irídiumnak 77 a tömegszáma), ezt később lecsökkentették 66-ra, de az elnevezés maradt (mert jól hangzott ). A műholdak 750 km magasan lettek volna, és 2,4 kbps sebességre lett volna képes. Később ezt is módosították 9,6-ra, de még ez is kevés volt a piacképességhez Global Star: 48 műhold, 1500 km-es magasság (így kevesebb műhold kellett a lefedéshez), 64 kbps sebesség
2.1.6 Szélessávú TH-k Ez alatt a Sonet/SDH hálózatot (Sonet: Synchronous Optical Network (USA), ANSI szabvány; SDH: Synchronous Digital Hierarchy, CCITT és ITU-T szabvány). Ennek megjelenését az optikai kábel felfedezése tette lehetővé (a ’70-es évek végén). Az optikai kábel jellemzői: széles sáv -9 -3 -5 kedvező hibaarány (10 , összehasonlításképpen a rádióé 10 , a koaxé 10 ). Ennek elsősorban az az oka, hogy nincs áthallás nagyon tiszta üveg kell hozzá a késleltetése közel állandó (emiatt lehetett szinkron hierarchiát csinálni, szemben a PDH-val) a ’80-as évek közepétől a ’90-es évek elejéig „technológiai burjánzás”, nagyjából 2000-re tisztult le a kép A Sonet megjelenése a ’80-as évek közepére tehető. Sonet szintek SDH szintek Névl. átviteli sebesség (Mbps) Nyalábolt beszédcsat. (USA) Nyalábolt beszédcsat. (Európa) Átviteli közeg
STS-1
STS-3 STS-12 STM-1 STM-4 52 155 622 672 2016 7680 1920 7680 földfelszíni és műholdas rádió optikai kábel
STS-48 STM-16 2500 30720 30720
STS-192 STM-64 10000 122880 122880
A koaxiális kábel nem használható átviteli közegként a késleltetés állandó ingadozása miatt. Az STS192, illetve STM-64 már annyira „határeset”, hogy általában gazdaságosabb több STS-48-at, illetve STM-16-ot használni helyettük. A szinkron működés megvalósításához egy mesteroszcillátort használnak, a többi oszcillátor ehhez szinkronizálódik. Így csak az egyes körzetek határán kell sebességillesztést végezni (pl. Matáv – Pantel között). Az egyes multiplexer szinteken a sebességszorzódás pontos, mivel nem kell órajelcsúszásokkal számolni. Ebből kiindulva egy rész kiemeléséhez egyszerű bontás/nyalábolás kell (vö. a PDH-nál vett Bp.-Herceghalom-Győr példával), ezt egy ADM (Add-Drop Multiplexer) végzi el. Megjelent egy új hálózati eszköz is, amit vezérelhető digitális rendezőnek neveznek. Ez egy hálózatmenedzser vezérlő, bizonyos tekintetben hasonlít a kapcsolóhoz, de nem a hívó fél, hanem a hálózatadminisztrátor vezérli (kb. havonta, amikor a forgalom annyira megváltozik, hogy érdemes átrendezni az erőforrásokat). A jelölése is más, mint a kapcsolóé (a bemeneti és kimeneti vonalak száma természetesen megegyezik):
22
Vezérelhető digitális rendezővel az alábbihoz hasonló dolgokat is meg lehet oldani:
A fenti konstrukcióban bármelyik vonalat bármelyikkel össze lehet kötni (akár egy oldalsót a fentivel stb.). Szoftverrel vezérelt, bonyolult a megvalósítása. A körzethatárokon a sebességillesztést egy speciális multiplexerrel lehet elvégezni:
STM-x Ex
SDH
STM-64
STM-x: x<64 értékekkel az SDH hierarchiaszintek Ex: PDH európai hierarchiaszintjei Tx: PDH amerikai hierarchiaszintjei
MPX Tx ATM IP Megjegyzés: az SDH egy transzparens transzporthálózat (átlátszó szállítóhálózat), időosztásos nyalábolást használ, a legalsó PDH szint nem átlátszó, a többi igen. Magyarországon 1992-től a PDH jelent meg (a koaxkábellel egyidőben), 1995-től pedig az SDH.
2.1.7 Alapvető topológiák
PDH-nál (alapvetően pont-pont összeköttetés): kettős csillag és gyűrű struktúra együttese, ez egy szövevényes, de nem teljes hálózatot eredményez.
23
szekunder központ
primer központ
SDH-nál: kettős gyűrű ADM multiplexer
DXC vezérlő
A két metszéspont a megbízhatóság érdekében van
szintén SDH-nál: öngyógyító gyűrű (self healing ring)
24
ha például itt van egy szakadás, akkor az SDH automatikusan visszahurkol
Felmerül a kérdés, hogy SDH-ban miért van gyűrű, és PDH-ban miért nincs. A válasz igen egyszerű: a gyűrű struktúra pazarolja a sávszélességet, és a PDH-hoz képest az SDH-ban annyi plusz sebességhez jutunk, hogy ez nem okoz problémát
2.1.8 Optikai hálózatok Az ilyen hálózatok lényeges tulajdonsága, hogy a csomópont is lehet optikai (ez nyilván nem jelenti azt, hogy a csomópontok szükségképpen optikaik is). Ezeknél a hálózatoknál alapvetően időosztásos (TDM; 10Gb/s) és hullámosztásos multiplexelést alkalmaznak. A WDM esetében ma ipari méretekben kb. 160 hullámhosszt képesek kezelni, így 120000 x 160 = 20 millió csatornát tudunk átvinni, az elérhető sebesség 1,6Tb/s. Megjegyzés: a hullámhosszosztás gyakorlatilag ugyanaz, mint a frekvenciaosztás, mindössze annyi történt, hogy a fizikusok és informatikusok eltérő szemléletmódjából adódóan az előbbiek hullámhosszokkal foglalkoznak, míg utóbbiak inkább a frekvenciával. DWDM (Dense Wave Division Multiplexing, sűrű hullámosztásos multiplexelés): akkor hívuk így a WDM-et, ha a nyalábolt hullámhosszak száma meghaladja a tízet. Megjegyzés: a technológiai fejlődés során eleinte a térosztásos, majd a frekvenciaosztásos multiplexelést használták, utána jött az időosztásos, majd legvégül az idő- és frekvenciaosztásos (vagyis hullámosztásos) együtt. Az optikai hálózatokban van egy úgynevezett OXC (optical cross control, vezérelhető rendező).
2.1.9 ATM hálózatok ATM: Asynchronous Transfer Mode, aszinkron átviteli eljárás Ezekben a hálózatokban már fénykábelt használnak. Az adatokat az átvitelhez kicsi, azonos méretű csomagokra, úgynevezett ATM-cellákra bontják. Egy ilyen cella mérete 53 bájt, ebből 48 bájt a hasznos teher és 5 bájt a fejléc. A bitek szinkron módon terjednek, mégis aszinkron átviteli eljárásról beszélünk. Ez azért van, mert nem minden átküldött cella hordoz hasznos információt (magyarul vannak üres cellák). Emiatt azt mondjuk, hogy az adatforrás burst-ös (börsztös). Miért jó nekünk ez? Mert így az adó és a vevő könnyen szinkronban tartható.
25
torlódás lehet, ezért itt van egy tároló
Adatforrás ATM MPX Adatforrás kevesebb üres cella
vannak üres cellák
ATM-kapcsoló (ATM switch) Látszólagos áramkört épít ki egy adó és egy vevő között. Egy párhoz mindig ugyanaz az útvonal tartozik.
látszólagos útvonal
adó vevő
Az ATM switch a következő feladatokat valósítja meg:
CAC (Call Admission Control): ezzel történik meg a hívás engedélyezése erőforrásfoglalás rendszabás (policing): a hálózat méri a bejövő forgalmat (sebességet), ha a forrás túllépi a szerződésben rögzített értékeket, akkor megbünteti. Ez például úgy történik, hogy a sebességet túllépő cellákat alacsonyabb proritásúvá teszi, és ha megtelik a tároló a kapcsolóban, akkor ezek a cellák hullanak ki először díjszabás (accounting)
Az ATM kapcsolók egyik fontos tulajdonsága a sebesség granularitás, ami azt jelenti, hogy a sebesség finom skálán hangolható. Rendezés Az ezt megvalósító berendezés az ATM DXC, amelyet a hálómenedzser vezérel (tipikusan csak ritkán van szükség beavatkozásra). A felsorolt technológiák közül a rendezés és nyalábolás terjedt el, a kapcsolók nem annyira.
26
Bevezethetjük a virtuális áramkör (virtual circuit, virtual channel, VC) fogalmát, amik látszólagos útvonalakat alkotnak (virtual path, VP). Egy VP-t legfeljebb 4096 VC alkot. Ezek segítségével hatékonyabb kapcsolás illetve rendezés valósítható meg, illetve ezzel a szemléletmóddal javul a hálózat menedzselhetősége.
VC-k
VP
VC-k
A fentiekből adódóan nyilván lehetne beszélni VC és VP kapcsolóról és rendezőről (ez elvileg ugye négy lehetőség), ezek közül azonban mégis csak kettő terjedt el inkább, ezek a VP rendező (VPX), illetve a VC kapcsoló (ha nem kell kapcsolni, mint például bérelt vonalak esetén, akkor VC kapcsoló helyett is VC rendezőt használnak VCX) Megjegyzés: míg az X.25-ben minden csomópontban volt hibajavítás és torlódásszabályozás, addig az ATM-ben nem igazán van egyik se (torlódásszabályozás azért van valamennyire, de lényegesen kevesebb erőforrást foglal le) ATM bemenetek lehetnek: nyers ATM-cellák (nincs keretezve), ekkor a sebesség 25Mb/s illetve 155Mb/s PDH, Sonet, SDH keretezésű jelek, ezek sebessége nx64kb/s-tól 2,5Gb/s-ig LAN, 25 Mb/s FDDI, 100 Mb/s ADSL-nél is alkalmazzák, illetve rádiós interfészeknél Az első ATM szabványt 1988-ban a CCITT jelenttette meg. Először 155 Mb/s volt az elérhető sebesség, ez lett később 600 Mb/s, majd 2,5Gb/s. Az ATM QoS-t (quality of service) is garantál, persze nyilván csak statisztikusan (megmondja a csomagvesztés, késleltetés, késleltetés-ingadozás valószínűségét, illetve várható értékét) Alkalmazás:
gerinchálózatok, EU
27
34 Mb/s
144 Mb/s 622 Mb/s
4. szintű PDH multiplexer
SDH STM-4
Amennyiben tudjuk, hogy a 2 PDH-nak általában 2-2 bemenete aktív:
34 Mb/s
140 Mb/s
4. szintű PDH multiplexer
ATM MPX
155 Mb/s
SDH STM-1
a kettő egy berendezés (ATM berendezés SDH keretezéssel dobja ki az adatot
UMTS: két fajtája: az egyik az IP over ATM, ennek kész a szabványa, a másik az all IP (teljes IP), ez még szabványosítás alatt van FR (Frame Relay, kerettovábbítás): USA-ban 1.5Mb/s és 45Mb/s. MATÁV telepített kerettovábbításos rendszert nyilvános bérelt hálózat céljára nx64kb/s sebességgel. DTM (Dynamic Synchronous Transfer Mode): 1990 környékén csinálták, alapvetően PDH/SDH ötletekre épít, szinkron időréseket használ, egy-egy időréshez viszont dinamikusan változtatható a sebesség (börsztönként) ADSL (Asynchronous Digital Subscriber Loop)
28
PCM kodek
távb. készülék
sávszűrő
TH
sávszűrő
Digital Subscriber Line Access Multiplexer
gép
ADSL végberendezés
sávszűrő
sávszűrő
DSLAM
IP hálózat
A hálózat fontos jellemzője, hogy a feltöltési és letöltési sebesség eltér, előbbié általában 16800kb/s, míg az utóbbié 0,1-8Mb/s között mozog. Ma Magyarországon az alapcsomaghoz a feltöltési sebesség 64kb/s, a letöltési 384kb/s. ADSL egyik tipikus megvalósítása a PPP over ATM (point-to-point protocol over ATM), amelynek jellemzője a sebesség granularitás, vagyis, hogy a sávszélesség finom lépésekben hangolható.
2.1.10 B-ISDN (B: broadband, szélessávú) Innentől a régi ISDN-t N-ISDN-nek (N: narrowband, keskenysávú) hívták, persze megmaradt a régi ISDN elnevezés is, hogy teljes legyen a káosz. A B-ISDN-t a CCITT szabványosította 1990 körül. Eleinte úgy tűnt, hogy ennek a hálózatnak az alapja az ATM lesz, aztán ez nem valósult meg, helyette IP alapú lett a hálózat. Ennek valószínűleg az a legfőbb oka, hogy ma az IP útvonalválasztó maximális sebessége 10Gb/s körül van SDH (vagy optikai) keretezésű bemeneteken, ez simán veri az ATM 2,5Gb/s-át. Másrészt az IP technológia jóval hamarabb és gyorsabban terjedt el (többek között a WWW-nek nevezett alkalmazási területe miatt).
2.1.11 Összefoglalás Technológiai rétegek TH-kban Réteges modelleknél alapvetően kétfajta megközelítés van, az egyik a funkcionális (pl. OSI, ez tükrözi a SZH-ok szemléletmódját), a másik a technológiai (TH-s megközelítés). Például: SDH rétegre épül egy PDH, arra pedig egy beszédszolgáltatás, illetve egy IP típusú szolgáltatás. Az OSI rétegeknél tárgyaltak (SZGH) alapján itt is lehet beszélni szolgálatokról, amiket egy alsóbb réteg nyújt a felette levőnek, a különböző rétegekben az adott rétegnek megfelelően példul szükség lehet
29
újrakeretezésre, stb. Az SDH réteg segítségével megvalósítható a rendezés és skálázhatóság (több felhasználó, nagyobb sebességtartomány, nagy területi lefedés), a PDH-val a kapcsolás. Egy másik lehetőség, hogy az SDH és PDH réteg közé beveszünk egy ATM réteget is, ez biztosítja a megfeleő rugalmasságot, vagy például az SDH réteg alá tehetünk egy optikai hálózati réteget. Menedzselhetőség Gerinchálózatoknál ez nagyon fontos szempont. A menedzselhetőséget az ATM, az SDH és az optikai hálózat támogatja megfelelően. Nyilván menedzselésre akkor van szükség, ha hirtelen meghibásodás történik, vagy ha a forgalmi statisztika régóra nem akar változni. TH technológiáknál fontos szerepe van a szolgáltatás minőségének, illetve az ehhez kapcsolódó díjszabásnak. Távközlő hálózatok lehetnek valós vagy látszólagos áramkör alapúak.
alkalmazói: egyszerű végberendezés, kevés alkalmazás
hálózati: itt van az intelligencia
fizikai
A hálózattól szinte független, hogy a felhasználók hogyan viselkednek. Azért csak szinte, mert nyilván a forgalmi statisztikákat befolyásolja a felhasználók viselkedése.
2.2 Számítógéphálózati technológiák 2.2.1 Klasszikus IP alapú hálózatok Alapvetően az IP illetve TCP/IP technológiákon alapuló protokoll családokkal foglalkozunk. IP réteg a hálózati rétegnek felel meg, így az általa megvalósított legfontosabb szolgáltatások a forgalomirányítás és a datagram (adatcsomag) típusú átvitel. A forgalomirányítást útvonalválasztó valósítja meg, ez tipikusan egy IPv4 (vagy IPv6). Az IPv6-ot most akarják bevezetni, ez az IPv4-től abban várhatóan abban különbözik majd, hogy bővítik a címtartományt, valamint foglalkoznak a mobilitás és biztonsg kérdéseivel is. A szállítási rétegnek a TCP (transmission control protocol, átvitel szabályozó protokoll) illetve UDP (user datagram protocol, felhasználói adatcsomag protokoll) protokollok felelnek meg. Pontosabban a TCP-nek hálózati és szállítási rétegbeli funkciója is van, így foglalkozik valamennyi torlódásvezérléssel (adaptív viselkedést tud így megvalósítani), forgalomirányítással, hibajavítással, valamint a csomagokat is sorrendezi. Olyan alkalmazásoknál, mikor néhány csomag elvesztése még nem okoz problémát, viszont a késleltetés alacsony értéken tartása lényeges szempont, ott TCP helyett UDP-t szoktak használni. Az UDP alkalmas valós idejű átvitelre. Az UDP egy tipikus alkalmazása a beszédátvitel. megjegyzés: ha például UDP és TCP csomagok ütköznek, ilyenkor a TCP csomagok kiszorulnak, így javul mindkét szolgáltatás minősége, hiszen kevesebb ütközés fog bekövetkezni Túlnyomórészt azért TCP-t használunk. Ezekben a hálózatokban nincs kiforrott méretezési módszer.
30
intelligens végberendezés, sokrétű alkalmazások hálózati réteg: egyszerű
fizikai
Ethernet 10 Mb/s (eleinte) 100 Mb/s (később) 1 Gb/s 10 Gb/s
vastag koax vékony koax csavart érpár
LAN
MAN (a többi nem)
Ethernetet alkalmaznak például PPP-nél, vezérjeles sínnél és vezérjeles gyűrűnél. A sín sebessége 1,5 Mb/s (illeszkedik az amerikai PCM sebességhez), illetve 10 Mb/s, a gyűrűé 1,4 Mb/s illetve 16Mb/s.
FDDI (Fiber Distributed Data Interface, fényszállal szétosztott adat határfelület) Az ilyen hálózatok kötött topológiával rendelkeznek, emiatt nem igazán jól skálázhatók. A topológia egy öngyógyító kettős gyűrű. (hasonló az SDH-hoz, csak ott van digitális rendező, itt ez kicsit nehézkesebb). LAN-okban és MAN-okban is használható, bár inkább az utóbbiakban szokták. Pl. : BME 1990-95, ELTE, Közgáz Sebessége 100 Mb/s. Az FDDI II. olyan szinkron megoldás, ami lehetővé teszi a PCM keretek továbbítását is. Nem terjedt el.
DQDB (Distributed Queue Dual Bus, kettős sín elosztott várakozási sorral) adó
...
45 Mb/s MAN
A hálózatnak nincs központi intelligenciája, van egy szellemes algoritmus, ami biztosítja, hogy olyan kerüljön sorra, aki már régen adott, valamint gátolja a kiéhezést is. A rendszer nem skálázható.
31
SMDS (Switched Multimegabit Data Service, kapcsolt több megabites adatátviteli szolgáltatás) Sebessége 45 Mb/s, kapcsolók beiktatásával képes több DQDB hálózat összekapcsolására, valamint a technológia segítségével VPN-ek (Virtual Private Network, virtuális magánhálózat) is kialakíthatóak.
2.2.2 QoS IP hálózatok MPLS (Multi Protocol Label Switching, többprotokollos címkekapcsolt hálózatok) Ez is egy gerinchálózati technológia, támogatja a menedzselhetőséget is (esetleg a minőséget is). Elsősorban az USA.ban terjedt el. Az alapötlet onnan jön, hogy egy adó és vevő között a csomagok általában kb. ugyanarra mennek, nem túl gyakori az útvonalváltás. Felmerül a kérdés, hogy miért kell minden útválasztóban a teljes címet kiértékelni (voltaképpen eredetileg sem kell a teljes címet megnézni, hiszen a hierarchikus felépítés miatt elegendő a cím egy adott részének vizsgálata is), hiszen rendelhetünk ezekhez az útvonalakhoz címkéket, és ekkor az útvonalválasztóknak csak ezt kell nézni. Így a látszólagos útvonalak (VP, virtual path) helyett létrejönnek a címkekapcsolt útvonalak (label switched path). Az MPLS technológia dinamikus útvonalkezelést valósít meg periodikus lekérdezések segítségével. Ezt a lekérdezést például az RSVP (Resource ReserVation Protocol; erőforrás foglaló protokoll) protokoll végezheti. Ezt a protokollt az IETF dolgozta ki 1997-ben. A periodikus lekérdezés időköze 30 másodperc körül változik véletlenszerűen. Elvileg az MPLS (nevéből adódóan) többprotokollos lenne, de ez inkább csak szándék maradt. Az MPLS eredeti célkitűzése (1992 körül) az volt, hogy gyorsabbak legyenek az útvonalválasztók. Ez ma már nem cél. A másik fontos szempont a menedzselhetőség, erre a címkekapcsolt útvonalak bevezetése nagyon jó volt. Az útvonalakat nem csak az RSVP, hanem maga a hálózat is megváltoztathatja. A harmadik fontos dolog, hogy erőforrások foglalhatók az útvonalakra, a negyedik pedig az, hogy az MPLS technológia (pontosabban a címkekapcsolt útvonalak) segítségével meg lehet valósítani VPN-eket (virtuális magánhálózat). megjegyzés: fejlődési trend: valós áramkör látszólagos áramkör dinamikus útvonalak adatcsomag alapú; a látszólagos áramkör és a dinamikus útvonalak között van a TH és SZH határa
IntServ (IS, Integrated Services IP Network, integrált szolgáltatású IP hálózat) Ezt a szabványt is az IETF dolgozta ki. Minden TCP, UDP porthoz tartozó útvonalat külön-külön hívásengedélyez a hálózat. Az azonos hostokhoz tartozó útvonalakból folyamokat alkot, ezekre lehet erőforrásokat foglalni. Az egyik lehetséges protokoll az RSVP. Igény szerint a technológia képes QoS-t (például átlagos késleltetés, késleltetés-ingadozás, csomagvesztés mértéke adott értékű) illetve adott sebességet biztosítani. A technológia hátránya, hogy minden csomóponthoz erőforrást foglal, így nagyobb hálózat nem hozható létre, vagyis a rendszer nem skálázható. Emiatt leginkább LAN létrehozására használják. DiffServ (DS, Differentiated Services IP Network, megkülönböztetett szolgálataású IP hálózat)
32
Ez a hálózat igyekszik kiküszöbölni az IS hátrányát, ennek persze ára van. A szabvány bevezeti a DS tartomány, vagy domain fogalmát. Egy ilyen tartománynak kétfajta csomópontja van: belső illetve határ csomópont. Az előbbieket BCs-nek rövidítjük, az utóbbiakat HCsnek. A belső csomopóntokon a forgalom nagyobb, a határ csomópontokon pedig kisebb. A határcsomópontok feladata a hívásengedélyezés (CAC, call admission control; úgy engedélyezi a hívást, hogy közben szerződést is köt a feltételekről) és a rendszabás (policing; ez ellenőrzi, hogy megvalósulnak a szerződés feltételei). Az információkat elosztott, központosított módon tároljuk. A központosított információtárolás egy úgynevezett Bandwith Broker (Sávszélesség ügynök) segítségével valósul meg. Ezekben a csomópontokban történik meg az osztályba sorolás is. Például egy IPv4 fejlécében van egy ToS (type of service, szolgálatás típusa) érték, és ennek segítségével elvégezhető a besorolás. A belső csomópontok prioritást kezelnek. Kevesebb munkájuk van, mint a határ csomópontoknak. Persze több DS tartomány együttműködhet egymással. A DS tartomány gerinchálózati megoldás, például egy üzemeltetőnek lehet egy. Egy tipikus példa IS LAN és DS tartomány gerinchálózatnak. A technológiához már vannak mintahálózatok, de egyenlőre a jövője még kérdéses.
VoIP (Voice over IP, beszédátvitel Internet felett) A technológiához sokféle megoldás létezik, de szabványszinten leginkább kettő van. Az egyik az ITUT ajánlása (pontosabban ajánlás családja) a H.323, a másik pedig az IETF szabványa, a SIP (Session Initiation Protocol, viszonylétesítő protokoll). A SIP kidolgozása folyamatban van, de még nincs meg a teljes berendezéskészlet. Várhatóan az UMTS-ben ezt fogják használni. H.323 ajánlás család ISDN-szerű jelzésrendszert használ. Van beléptetés (CAC). A használt berendezések a következők: átjáró (gateway): ez valósítja meg a hívásengedélyezést. Tartalmaz egy kb. 10 kb/s-os kodeket is, mivel az átjáró egy analóg távbeszélóő készülékhez csatlakozik. Az átjáró végzi továbbá a 2/4 huzalos átalakítást is. A jitter csökkentésére van egy tároló (jitter buffer), ennek köszönhetően a késleltetés ingadozás mértéke csökken, viszont járulékos hatásként megnő a késleltetés. A tipikus késleltetés 50 ms körüli tartományvezérlő (gatekeeper): tartományonként egy ilyen van, itt központosított információk tárolódnak az egyes átjárókban végzett hívásengedélyezésekről. Több tartomány esetén van egy központosított vezérlő ezek kezelésére Multimedia Control Unit (MCU, multimédia vezérlő egység): tartományonként egy ilyen van. Ezeknek a berendezéseknek a tervezésekor a nehézséget az adja, hogy figyelembe kell venni, hogy itt folyamatosan változik a sávszélesség, míg a beszédnél adott volt. Ehhez az ajánláshoz már létezik akadémiai hálózat, magánhálózat, illetve a kormányzat és az önkormányzatok közötti kommunikációhoz is használják. Tehát ez már gyártásban van, és folyamatosan telepítik. A multimédia megvalósítása azonban a fent említett probléma miatt inkább csak ajánlásban van, gyakorlatban még nincs.
2.2.3 Mobil, mozgó IP hálózat Ezen belül is két csoportot különbözetünk meg, a földfelszíni illetve a műholdas mobil hálózatokat.
33
2.2.3.1 Földfelszíni hálózatok GPRS: erről elvileg már volt szó a GSM-nél EDGE Enhanced Datarate GSM Evolution Technology, megnövelt adatsebességű GSM technológia): A technológia GSM alapú (ez persze a nevéből is adódik), annyi a különbség, hogy megnövelik a modulációs állapotok számát (8PSK), ennek köszönhetően megnő a sebesség, mégpedig 100 km/hnál lassabban mozgó hálózatok esetén 384 kb/s-ra, 250 km/h-nál lassabbak esetén pedig 144 kb/s-ra. A modulációs állapotok számának növelése persze negatív következménnyel is jár. Romlik ugyanis a jel-zaj viszony, így csökken a hatótávolság. (Bázisállomástól távolabb nem lehet ezt a technológiát használni, át kell térni vagy GPRSre vagy HSCDN-re) UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, egyetemes mozgó távközlő rendszer): A rendszer egy hatékonyabb hozzáférést valósít meg, a WCDMA-t (Wideband Code Division Multiple Access, szélessávú kódosztásos hozzáférés). A használt frekvenciasáv 1950 MHz körüli (Európában). megjegyzés: kódosztás: A felhasználókhoz kódokat rendelünk, pontosabban spektrumokat.
hasznos sáv
1. felhasználó
2. felhasználó
Az ábrán látszik, hogy a felhasználók spektrumai átfednek. A kódolási technika megkülönbözteti az egyes felhasználókat. A vevő oldalon tudják, hogy az egyes felhasználók hogyan kódolnak, így egyértelmű a visszaállítás. A technológia keskenysávú zavarjelre nem ézékeny. Az UMTS-sel a sebesség 250 km/h-nál lassabban mozgó hálózatok esetén 384 kb/s, sétáló tempónál pedig 2 Mb/s, ráadásul a hatósugár sem csökken, nem úgy, mint az EDGE-nél. WLAN (Wireless LAN, vezeték nélküli LAN) A WLAN-okra dolgozta ki az IEEE a 802.11x-es szabvány családot 1997-ben. Két alapvető fajtája van, az egyik a kiépített hálózat, a másik pedig az alkalmi hálózat. Kiépített hálózatok:
34
hol USA Európa
teljesítmény 1W 100 mW
frekvenciasávok (milyen frekvencia körül) 0,9 GHz 2,4 GHz 5,5 GHz 0,4 GHz 2,4 GHz 5,5 GHz
Ezek a frekvenciasávok úgynevezett ISM sávok (industry, scientific, medical; ipari, tudományos, orvosi), és nem engedélykötelesek. Egy mikrosütő például 2,4 GHz-es sávban működik. Ha egy WLAN ilyen sávban működik, akkor a mikrosütő zavarhatja. Ezért úgy kell egy WLAN-t megcsinálni, hogy ez mégse okozzon problémát. Ezért frekvenciaugratást, álvéletlen szétkent spektrumot alkalmaznak. A 802.11b szabvány vonatkozik a 2,4 GHz-es sávra. Ezzel ma a fizikai rétegben 11Mb/s, míg a hálózati rétegben 5,5 Mb/s sebesség valósítható meg. A 802.11a szabvány az 5,5 Ghz-es sávval foglalkozik, itt a fizikai rétegben 55 Mb/s, míga hálózati rétegben 32 Mb/s a megvalósítható sebesség. Az alkalmi (ad hoc) hálózatokban minden végberendezés egyben útválasztó is. Ezeknek a hálózatoknak a fejlődése a haditechnikai alkalmazásokból indult (például tankok harctéri mozgatásához lenne jó egy ilyen hálózat). A berendezések között van egy Master, a többi Slave. Igény, hogy a rendszer akkor is tovább működjön, ha a Master megsemmisül (például kilövik azt a tankot). Ilyenkor a Slave-ek közül egy új Master választódik ki. Az IEEE-n –n kívül az ITU-T illetve ETSI is dolgozott ki egy szabványt a WLAN-okra. Ez a HiperLAN (HIgh PErformance Radio LAN, nagy teljesítőképességű rádió LAN). Először a HiperLAN érte el a nagy sebességű tartományt, csak aztán az IEEE 802.11a, azonban a 802.11b eddigre már nagyon elterjedt, és ez segítette a 11a-t, így ma a HiperLAN gyártás szinten nem igazán van. Kiegészítés: GSM és ISM frekvenciák
GSM 900 MHz: GSM 1800 MHz: ISM 2,4 GHz: ISM 5,5 GHz:
mozgó állomások 890-915 MHz 1710-1785 MHz 2400-2483,5 MHz 5725-5850 MHz
bázisállomások 935-960 MHz 1805-1880 MHz
Bluetooth Bluetooth = „a kékfogú”. Skandináv kezdeményezés, PC + fejhallgató / nyomtató / kisebb számítógép / mozgó készülék vezeték nélküli összekapcsolására találták ki. Az ISM 2,4 GHz-es sávjában működik, tehát WLAN eszközökkel zavarják egymást (1 m-en belül). A hatósugár alapértelmezésben 10 m, de megnövelhető 100-ra is. Maximálisan 8 Bluetooth egységből hálózat (az ún. piconet) építhető ki. Ennek jellemzői: automatikusan keres mestert a résztvevő egységek között lehet „parkoló szolga” is (tehát olyan, amelyik csak a szinkron fenntartására szolgál, de az adatforgalomban nem vesz részt) maximális névleges sebessége 1 Mbps A piconetek is összeköthetőek, ilyenkor beszélünk szétszórt hálózatról (scatternet). Az összekötést ilyen esetben az ún. átjárók (gateway) végzik. Mind a piconet, mind a scatternet ad-hoc (alkalmi) hálózat.
35
2.2.3.2 Műholdas mozgó SzH-k Teledesic 1990-ben alapították a Teledesic Corporation-t (Craig McCaw, Bill Gates), terveik szerint 800 műholdból alkottak volna globális mozgó számítógéphálózatot, ez azonban megmaradt a terv szintjén, több okból: drága sok ideig tartana fellőni a rádiócsillagászok panaszkodtak, hogy a műholdak leárnyékolnák a világűrt A mai elképzelés szerint csak 30 műholdra lenne szükség, de magasabbra kéne őket fellőni (kb. 1500 km), a tervek szerint ez 2005-re készülne el. A feltöltés 128 kbps-100 Mbps közötti sebességgel zajlana, a letöltés pedig 720 Mbps-sel. Felhasználható lenne például a repülésben és a hajózásban is, de nagy hátránya, hogy az UMTS sokkal kisebb áron jobb sebességet biztosít.
2.2.4 Konklúziók A technológiák három csoportra oszthatóak: klasszikus IP alapú hálózatok (pl. Ethernet, lassan „kifutja” magát), ez a legérettebb technológia mozgó IP alapú hálózatok, itt sok fejlődés várható még, de azért „érettebb” technológiának tekinthető QoS IP alapú hálózatok: éretlen technológia Az egyes technológiák általában rétegekben épülnek egymásra, pl: beszéd adat UDP TCP IP MPLS optikai hálózat
Itt az optikai hálózat kivételével mindegyik SzH technológia.
36
3. Hálózatok felépítésének elvei 3.1 Hálózatok összekapcsolása A hálózatoknál kétfajta szolgáltatási típus létezik: hordozó szolgáltatás (bearer service): a hálózatban nincs végberendezés, átlátszó alkalmazású. Pl: 64 kbps átlátszó adatátvitel távszolgáltatás (teleservice): van végberendezés. Pl: távbeszélő szolgáltatás A hálózatok összekapcsolásánál az összekapcsolt hálózatok szolgáltatásait tekintve kétféle összekapcsolás lehetséges: egyenrangúan együttműködő hálózatok: két távszolgáltatás vagy két hordozó között jön létre, és a következőképpen ábrázolható:
V1
1.
2.
E
V2
V1 – végberendezés az 1. hálózatban, V2 – végberendezés a 2. hálózatban E – TH-ban együttműködtető egység (interworking unit), SzH-ban átjáró (gateway).
V1
A két hálózatban az összekötés oka kétféle lehet: egyrészt a technológiai eltérés (pl. ha az 1. egy távbeszélő szolgáltató, a 2. pedig egy mobilszolgáltató hálózata) vagy az igazgatási eltérés (pl. ha az 1. a Matáv, a 2. a Vivendi hálózata: elvileg mindkettő távbeszélő szolgáltató, mégis illeszteni kell őket). Előfordulhat, hogy mind technológiai, mind igazgatási eltérés van (pl. Matáv-Westel) hierarchikusan együttműködő hálózatok: hordozó szolgáltatás és távszolgáltatás között. A következőképpen ábrázolható:
1.
1. E
V1
E 2.
Látható, hogy mindkét végberendezés az 1. hálózatban (a távszolgáltató hálózatban) található, csak a köztük lévő úton szerepel egy hordozó szolgáltatást nyújtó hálózat (a 2. hálózat) is. A kettő között értelemszerűen ismét illesztésre van szükség az együttműködtető egység használatával. Az 1. és 2. hálózat üzemeltetője lehet más, de elsősorban a technológiájuk különbözik (pl. PDH és SDH hálózatok: SDH-ban soha nincs végberendezés). Elfajult esetben az 1. hálózat el is tűnhet, ilyenkor V1 helyből az együttműködtető egységhez csatlakozik (például ilyen a modemezés: a végberendezés a számítógép, az együttműködtető egység a modem, a 2. hálózat pedig a telefonhálózat). Hierarchikusan együttműködő hálózatok előfordulhatnak még például a távközlő hálózatok digitalizálásánál vagy az IPv4 és IPv6 hálózatok illesztésénél is.
37
Komplikáltabb példa: másodlagos adatátvitel V1/5 – Matáv/Vivendi ügyfél végb.-e V1 2 és 3. – Matáv PDH/SDH hálózat 4. – Vivendi hálózat I12 és I45 – modemek
Matáv
és
Vivendi
ügyfél
között:
V1
I12
I45 2.
2. E23
E24
4.
E32 3.
MATÁV hálózata
Vivendi hálózata
3.2 Hálózatok elemei A „hálózat” fogalmát több különböző rétegben is értelmezhetjük: a fizikai rétegben beszélünk a fizikai hálózatról, a hálózati rétegben pedig a fogalmi vagy logikai hálózatról. A kettő között az a különbség, hogy a logikai hálózat kizárólag a hálózati elemeket és a köztük lévő összeköttetéseket tünteti fel, de nem foglalkozik azzal, hogy pl. a kábelek merrefelé mennek. Pl. képzeljünk el egy olyan hálózatot, amelyben négy berendezés van összekötve az összes lehetséges módon (egy négyzet négy oldala + a két átló). Ez a logikai hálózat, de ennek lehetséges egy olyan fizikai megvalósítása, ahol a négyzetnek csak a négy oldala mentén ásunk árkokat, és az átlókhoz tartozó vezetékeket is ezekben az árkokban vezetjük el. Hálózati elemek lehetnek: csomópontok (node), ezen belül vannak speciális bemeneti és kimeneti csomópontok útszakaszok (link), ezen belül egyirányú (szimplex) és kétirányú (duplex) útszakaszok hálózati végberendezések (network termination), ezen belül: végberendezések (terminal unit), együttműködtető egységek (interworking unit, IWU) és illesztő egységek (adaptor unit). hálózati csatlakozópontok (interface), azaz a végberendezést és a hálózatot összekötő pontok, például az alábbi ábrán a nyíllal jelölt helyen:
hozzáférői hálózat
törzshálózat
V
hálózati csatlakozópont A csomópontoknak létezik még két speciális fajtája: a határcsomópont (edge node, hozzá csatlakozik a végberendezés) és a belső csomópont (core node, hozzá nem csatlakozik végberendezés). Csomópontok lehetséges funkciói: jeltárolás jel törlése (pl. csomag eldobása) jel átalakítása (pl. másolás, vagy valamiféle konverzió)
38
továbbküldés egyetlen kimeneti útra (egyesadásos, unicast csomópont) továbbküldés több kimeneti útra (többesadásos, multicast csomópont) továbbküldés az összes kimeneti útra (szórt adásos, broadcast csomópont)
A hálózati réteg funkciói: forgalomirányítás torlódásszabályozás (ennek módját a forgalom jellemzői döntik el, pl. UDP/IP esetben nincs, TCP/IP esetben sebességszabályozás és ismétlés a végberendezések között, QoS IP-ben dinamikus útvonal alapú vagy hívásengedélyezéses (CAC: Call Admission Control)) A hálózati réteg lehet összeköttetéses (pl. távbeszélő hálózatban valós, ATM-ben látszólagos, MPLSben dinamikus útvonalválasztással) vagy összeköttetésmentes (IP).
3.3 Hálózatok osztályozása Hálózati réteg felépítése szerint az alábbi osztályozás lehetséges:
Elektronikus hírközlő hálózatok Műsorközlő hálózatok nincs forgalomirányítás szórt adásos csomópontok Műsorszóró Műsor hálózatok szétosztó hálózatok Itt is van analóg és digitális (központi stúdióból több adóhoz vagy több kábelfejhez) Van analóg és digitális
Információközlő hálózatok van forgalomirányítás Műsorelosztó hálózatok Hagyományos és interaktív kábeltévé (ebben az esetben másodlagos forg.irányítás)
Távközlő hálózatok Áramkörös torlódásvezérlés. Keskenysávú és szélessávú változata létezik
Számítógép hálózatok Áramkörmentes torlódásvezérlés. Klasszikus IP, QoS IP, mozgó IP alapú SzH-k
3.4 Hálózatok funkcionális modellje OSI-szerű modell, a rétegek háromféle szempont szerint különíthetőek el: hálózat részei szerint adatcsere egység szerint funkció szerint Hálózat részei szerint: 1-2. rétegek: a szomszédos csomópontok között, hálózatvégződés és határcsomópont között, illesztőegység és végberendezés között 3. réteg: hálózati határcsomópontok között 4-7. réteg: hálózati végződések között Adatcsere egység szerint: 1. réteg: bitalapú kommunikáció 2. réteg: keret alapú kommunikáció 3-7. réteg: csomag alapú kommunikáció Funkció szerint: Az OSI modell hét réteget különít el:
39
7. 6. 5. 4. 3. 2. 1.
Réteg neve Alkalmazási réteg Megjelenítési réteg Viszony réteg Szállítási réteg Hálózati réteg Adatkapcsolati réteg Fizikai réteg
Réteg funkciói távszolgáltatás forráskódolás, titkosítás iránykezelés, forgalomszabályozás forgalomszabályozás, nyalábolás, bontás forgalomirányítás, torlódásvédelem közegmegosztás, forgalomszabályozás, hibakezelés adó/vevő, jelátvitel
Az OSI ajánlást azonban a legtöbb hálózati implementáció nem tartja meg. Az alábbi táblázat mutatja az OSI rétegek megfeleltetését a TH, IH és az Internet hibrid modellekkel: OSI
Internet modell
hibrid IH modell
TH modell Hozzáférői hálózat
Alkalmazási Alkalmazási Megjelenítési
Alkalmazási
Alkalmazási
Viszony Szállítási Szállítási
Fizikai
Hálózati Hálózati
Hálózatelérési
Adatelérési
Fizikai
Fizikai
Átviteli
Fizikai
Szállító törzshálózat
Adatkapcsolati
Hálózati
Kapcsolt törzshálózat
Hálózati
Illesztési
Szállítási
Hierarchikusan együttműködő hálózatok funkcionális modellje A hierarchikusan együttműködő hálózatok funkcionális modelljére több szemlélet is elterjedt, ezeket az alábbi ábra mutatja be: OSI szemlélet (TH megközelítése) Hálózati réteg
Irodalomban elterjedt Kapcsolt törzshálózat tárgy szemlélet
Adatkapcsolati réteg Fizikai réteg
Hálózati réteg Adatkapcsolati réteg
IP MPLS
Kapcsolási réteg
SDH
Átviteli réteg Fizikai réteg
Fizikai réteg
40
4. Jelátviteli és forgalmi követelmények Egy IH jelátviteli és forgalmi követelményeinek analíziséhez a következő fogalmakat kell ismerni:
Az IH-ba bemenő forgalmat vizsgált forgalomnak (foreground traffic) nevezzük. A bemenő forgalom rendelkezik jelforrás jellemzőkkel és forgalmi jellemzőkkel A kijövő forgalmat vett jelnek nevezzük, és ezzel szemben QoS követelményeket támasztunk Mindezek mellett a hálózatban van még további forgalom is, amit háttérforgalomnak (background traffic) nevezünk. A jelforrás jellemzők megadják a hálózatba beadott információ típusát. Ez lehet analóg (pl. pár(beszéd), FDM nyalábolt jel, műsorjel, zenecsatorna, másodlagos adatátvitel vagy akár tápáram (távtáplálás esetén)) vagy digitális (audio+videojelek, adat (adattömbök vagy LAN összeköttetés), TDM jelek, TDM+FDM jelek, CDM jel vagy jelzés (signaling))
Az analízis során a következő kérdésekre keressük a választ:
Új forgalom beléptetésekor a meglévő forgalom minősége szenved-e kárt? (ha igen nem engedélyezzük) Új forgalomra biztosítható-e az eddig fennálló minőség? (ha nem nem engedélyezzük)
4.1. Beszédátviteli követelmények A beszédátvitel során az elsődleges cél az, hogy a mondatok érthetőségének aránya 95-97% legyen. Ez szubjektív mérési módszerekkel mérhető. Ezzel a céllal kb. ekvivalens az, hogy a szótagok érthetőségének aránya kb. 60% legyen (ennyi elég, mert a nyelv elég redundáns, és az agy sokszor „kipótolja” a nem érthető szótagokat). Ennek mérése elég komplikált, ezért helyettesítő módszereket is alkalmaznak, pl. digitális beszédfeldolgozás révén. Tapasztalati úton megállapították, hogy a fenti követelmény akkor még pont teljesül, ha a beszédjel sávszélességét lekorlátozzuk 0,3 és 3,4 kHz közé. Mivel a valódi kommunikáció során a távolság négyzetével arányosan csökken az érzékelt hangteljesítmény, ezért ezt a csökkenést a beszédátviteli rendszerekben is modellezik egy mesterséges, kb. 30-40 dB-es csillapítással. A csillapítás ingadozása sávközépen (1020 Hz) maximum 2 dB lehet, sávszélen akár 15 dB is. A CCITT specifikáció az alábbihoz hasonló „lépcsős” karakterisztikát írja elő:
A jel/zaj viszonynak nem érthető zaj esetén 10-20 dB, érthető zaj (pl. áthallási zaj, visszhang) esetén pedig 25-30 dB-nek kell lennie. Az egyirányú késleltetés nem haladhatja meg a 250 ms-ot, ha van visszhangkezelés (ezt a másodlagos adatátvitel kiiktatja), illetve a 12,5 ms-ot, ha nincs visszhangkezelés (igazából az oda-vissza késleltetés számít, de az egyirányút szokták specifikálni). A késleltetés ingadozás sávközépen a ±30 ms-os, sáv szélén a ±60 ms-os határon belül kell, hogy
41
maradjon, és időben (a t tengely mentén) sem lépheti át a ±30 ms-os határt. A fázistolási karakterisztikának az alábbi ábrához hasonlóan kell kinéznie:
φ0 értéke tetszőleges. A frekvencia eltolási hiba beszédnél maximum 20 Hz lehet, másodlagos adatátvitelnél pedig 7 Hz (mivel a modemeknek a vivőjelet könnyen meg kell találniuk). A frekvencia eltolódás a jel spektrumának az eltolódását jelenti valamelyik irányba. A multiplikatív frekvencia hibának 0,9 és 1,1 között kell maradnia (ez a „nyávogó magnó esete”: a frekvenciák megszorzódnak a multiplikatív frekvencia hibával). A nemlineáris torzítást jellemző Krill-faktor értéke maximum 30% lehet (ezt a faktort úgy kapjuk, hogy a bemenetre szinuszt adunk, és mérjük a kimenő feszültséget, ahol valami „belapult” szinuszt fogunk kapni. Ebben megmérjük a magas harmonikusok teljesítményét és elosztjuk az alap harmonikusok teljesítményével).
4.2. Analóg beszédátvitel forgalmi jellemzése Itt elsősorban a törzshálózat méretezéséről lesz szó, ehhez sok felhasználót kell tekintenünk, és a vizsgálatot kizárólag a forgalmas órákra kell szűkítenünk. A forgalom mennyisége egy nap folyamán a következőképpen néz ki:
forgalom
0h
24 h
(A fenti görbe hétköznapokra jellemző, elsősorban munkahelyekkel sűrűn tűzdelt körzetekre) A forgalmas órákra (ferdén sraffozott terület) az jellemző, hogy a hívások születési és halálozási aránya megegyezik (a görbe felfutó szakaszában több születés van, mint halálozás, a lefutó szakaszban pedig pont fordítva). Ezek szerint ezen a részen a hívások száma stacionárius, tehát modellezhető Poisson-folyamattal. A sok felhasználóra azért van szükség, hogy a forgalmi görbe teteje „kisimuljon”. A forgalom jellemzésére a következő adatokat használjuk:
Hívás gyakoriság: pl. λ=3 1/óra jelentése: 3 hívás óránként
42
Átlagos tartási idő: pl. h=3 perc. A tartási idő exponenciális eloszlású valószínűségi változóval modellezhető Forgalomintenzitás: A=λh. Pl. A=3 1/óra*3 perc=0.05 1/perc*3 perc=0.15. Ez azt jelenti, hogy forgalmas órában a vonal az idő 15%-ában foglalt.
A gyakorlati esetekben ismerjük az előfizetők számát és tudjuk, hogy mekkora blokkolódási valószínűséget szeretnénk elérni (pl. Bh=0.001). Innen a tömegkiszolgálásból ismert Erlang-formula segítségével a kapcsoló mátrix mérete számítható.
4.3. Digitalizált beszéd A TH tantárgyban ez alatt a címszó alatt elsősorban a beszédkodek használatával foglalkozunk. Egy beszédkodek stilizáltan a következőképpen néz ki:
analóg
digitális
Adó rész
digitális
Vevő rész
analóg
kodek
A kodeket el lehet helyezni a helyi központban (ilyen esetben az előfizetői hurok analóg, a törzshálózat pedig digitális) vagy akár a végberendezésben is (teljesen digitális hálózat, pl. mobil távközlésben). A beszédkódolóknak több fajtája is ismeretes: Hullámforma kódolók (waveform coders) Vokóderek (vocoders), azaz szintetikus beszédtömörítők Hibrid kódolók A hullámforma kódolókra jó példa a PCM kódoló, amely kiindul egy sávkorlátolt analóg jelből (pl. a telefonvonalon 0,3-3,4 kHz-re szűrt jelből), majd ezt másodpercenként 8000-szer mintavételezi, aztán kvantálja (kvantálási függvényként kétfélét szoktak használni: Amerikában a μ-törvényűt (μ-law), Európában pedig az A-törvényűt (A-law), majd 8 biten kódolja, ez 64 kbps-es átviteli sebességet jelent. A vokóderek közül az LPC-10-et (Linear Predictive Coding) érdemes ismerni, amely 2,4 kbps-es átviteli sebességgel valósítja meg a jeltovábbítást, azonban a minősége hagy némi kívánnivalót maga után. A vokóderek másik nagy fajtája a formáns beszédkódolók. A hibrid beszédkódolók kompromisszumot jelentenek a sebesség és a minőség között. Hibrid beszédkódolók: CELP: Code Excited Linear Prediction RPE: Regular Pulse Excitation VSELP: Vector-Sum Excited Linear Prediction A beszédkódolók jellemzésére több jellemzőt is használunk: Bitsebesség: ez 2,4 kbps (LPC-10) és 64 kbps (PCM) között széles skálán változhat Szubjektív beszédminőség (Mean Opinion Score, MOS): szubjektív alapon több emberrel „leosztályoztatják” az átvitel minőségét egy 5-ös skálán (1 – rossz (bad), …, 5 – kiváló
43
(excellent)), majd ezeket átlagolják. Az egyes kódolási technikák MOS pontszámai az alábbi ábrán láthatóak:
MOS 5
hullámforma kódolók vokóderek hibrid kódolók
4 3
2 1
2
4
8
16
32
64 kbps
Látható, hogy a hibrid kódolók jobbak mind a hullámforma kódolóknál, mind a vokódereknél, azonban bonyolultabb implementálni őket, tehát kicsi (2-4 kbps) jelátviteli sebesség esetén inkább vokódereket, nagy jelátviteli sebességnél (48-64 kbps) inkább hullámforma kódolókat alkalmaznak, mivel itt a MOS pontszámok különbsége viszonylag kicsi.
Késleltetés: az alkalmazott tömörítési algoritmus komplexitásától függ, PCM-nél 0,125 ms (mivel meg kell várni, amíg egy PCM keret „összeáll”), vokódereknél akár 80 ms is lehet -4 érzékenység bit hibára: PCM-nél a BER (bit error rate) 10 -nél kisebb. A bithiba valószínűsége rádiós összeköttetésnél a legnagyobb, fémvezetéknél már elég jó a helyzet, fényvezetőknél a legjobb. A bithibák hatásának csökkentésére hibajavító kódolásokat érdemes használni (lásd Kódelm. tárgy illetve SZH (FEC, forward error correction)). bonyolultság, komplexitás: több szempont alapján is lehet mérni, ilyen például a MIPS (million instructions per second; millió művelet másodpercenként), a felhasznált memória nagysága, a szükséges tárhely, a megvalósításhoz szükséges költség vagy a teljes fogyasztás mértéke. Utóbbi csökkenthető beszéd detektor (VAD, voice activity detector) alkalmazásával (beszéd és zaj megkülönböztetésére szolgál) kvantálási zaj: a kvantálási torzítást zajjal modellezik. Ennek több forrása is lehet: 1. többszöri kódolás, tandemezés: sok analóg PCM, PCM analóg átalakítás egymást követően. Ilyen akkor történhet például, ha digitális szigetek vannak egy analóg hálózatban (tipikusan akkor volt ez, mikor a meglévő analóg hálózatot elkezdték digitálissá tenni), ezért állandóan oda-vissza kell alakítani a jelet. A 8 bites kvantálás 13 ilyen tandemezést bír ki. A 7 bites PCM (a globális űrtávközlésben használják; itt a sebesség így 8khz*7bit=56kb/s) 10 tandemezést, a 8 khz-es 4 bites ADPCM (adaptív PCM; sebesség nyilván 32 kb/s) 11 tandemezést, a szintén globális űrtávközlésben használt 3,5 bites ADPCM pedig 7 tandemezést bír. (Azért volt jelentett problémát, hogy ezek a technológiák kevesebb tandemezésre alkalmasak, mert mire megjelentek, akkorra már „digitálisabb” volt a hálózat, és nem volt szükség annyi oda-vissza kódolásra) megjegyzés: az USA-ban
5 7 bit a PCM, mivel ott nem föggetetlen csatornán megy a 6
jelzés, hanem minden hatodik keretben lelopják a nyolcadik bitet jelzésnek. Európában a 30 beszédcsatorna mellett van 2 jelzéscsatorna. 2. átkódolás: erre akkor van szükség, ha például Európából egy GSM hálózatról akarunk küldeni az USA-ba vezetékes hálózatra
44
EU GSM (itt a legvacakabb a minőség)
A/GSM GSM/PCMA
PCMµ/A ADPCM/ PCMµ
PCMA/ADPCM
PCMµ/ADPCM
ADPCM/PCMA
PCMA/PCMµ ez még EU
|
óceán
|
Amerika
átlátszóság, transzparencia: a beszédkodek beszédátvitelre optimalizált. Kérdés hogy mennyire transzparensek az egyes kódolók függetlenül attól, hogy mit kell átvinni. A hullámforma kódolók (PCM, ADPCM) eléggé transzparensek (nem teljesen, kis jelszinteket finomabban kvantálják, mint a nagyokat), a vokóderek egyáltalán nem transzparensek (olyan szinten vannak a beszédre optimalizálva), valamint a hibrid kodekek sem transzparensek. (Például a GSM-nél a kodek a végberendezésben van , ott az adatjel ki tudja kerülni, nincs szükség transzparens kódolóra) változtatható bitsebesség: ez megvalósítható adaptív jelforrással, vagy a hálózat és jelforrás együttes optimalizálásával (szabványok most készülnek, de még nincs megoldva)
1972 és 1998 között 21-féle beszédkódoló ajánlás készült el. Az alábbi táblázatban áttekintünk ezek közül néhány fontosabbat a fent felsorolt szempontok némelyikének tükrében. ajánlás
év
ITU-G711 ITU-G721 ITU-G728
1972 1984 1992
GSM-FR (full 1989 rate), ETSI ajánlás GSM-EFR 1995 (enhanced full rate), ETSI ajánlás ITU-G729 1995
US Government
1977
típus, elv
bitsebesség (kbit/s) PCM 64 ADPCM 32 LD-CELP, low 16 delay code excited linear prediction LTP-RPE, long 13 term predictive RPE ACELP, adaptive 13 CELP
CSA-CELP 8 (conjugate structure algebraic CELP) LPC-10 2,4
45
MOS
késleltetés
4,3 4,0 4,0
0,125 0,125 0,625
bonyolultság (MIPS) 0,34 14 33
3,7
20
2,5
4,0
20
15
4,0
15
20
2,2
22,5
?
4.4. Digitális csomagkapcsolt hálózatok követelményei 4.4.1. Jelforrások jellemzése Alapvetően vannak börsztlökettel rendelkező Börsztlökettel rendelkező források az alábbiak:
források,
valamint
adatjelek.
videofon: sebessége 64 kb/s – 2 Mb/s video konferencia: 5 Mb/s digitális TV: 20-50 Mb/s MPEG 1: 1,5 Mb/s MPEG 2: 10 Mb/s
Jelforrásokat több szinten lehet jellemezni: hívás szint, látszólagos áramkör esetén löket szint: vizsgálni lehet a maximális sebességet ( v max ), átlagos sebességet v max , értéke 1 v átlag és 200 között mozog, beszédjel és CBR (constant bit rate) esetén 1, tömörített videóknál és VBR-nél (varyng bit rate) közelítheti meg a 200-as értéket), valamint a löket maximális hosszát ( t max , értéke 0,25 és 300 msec között mozog). Érdemes megjegyezni, hogy nem csak az egyes forgalmak, hanem a gerinchálózati aggregált forgalom is csomós. csomag szint: csomag hosszát lehet vizsgálni bit szint: BR (bit rate) vizsgálata ( v átlag ), a csomósodás mértékét (burstiness, börsztösség; ez a
4.4.2. QoS jellemzése T késleltetés (packet delay (PD); ATM-nél cell delay (CD)) ∆T késleltetés-ingadozás (PDV, PD variation) A fenti két érték egyébként átváltható egymásba, ha egyiket növelem, a másik csökken. Például ha a vevőbe rakok egy tárolót, akkor a késleltetés ingadozása csökken, de a késleltetés nő. csomagvesztés aránya (packet loss ratio (PLR)) téves csomagkézbesítési arány (Packet missInsection Ration (PIR)): ez akkor van, ha a csomag fejléce megsérül hibaarány (bit error ratio (rate? nem tudom, az előbb rate volt, de kb. ugyanaz) (BER))
4.4.3. forgalmi vagy szolgáltatási osztályok információ típusa késleltetés érzékenység
beszéd tömörített videó érzékeny
adat nem érzékeny
bitsebesség
állandó
változó
46
min. sebesség igény van nincs
sebesség
maximális sebesség
adat
videó
CBR beszéd f
4.5. Forgalmi jellemzés adatjelek esetén A forgalmi jellemzés történhet hívásszinten, burst szinten, adatszinten vagy akár bitszinten is. A beszédjelnél a forgalmas órákban megfelelően sok vonal adataira volt szükségünk ahhoz, hogy a jel átlag körüli ingadozásai kicsik legyenek a jelhez képest, adatforgalomnál az adat börsztössége miatt a jel mindig nagyon ingadozik, tehát ebből következően pl. TCP hálózatot sokkal nehezebb méretezni. A TCP egy másik érdekes jellegzetességéhez tekintsük az alábbi hálózatot:
pufferelés (tmax: max. sorhossz)
Lassú összeköttetés
R
szerverek
(rmax: max. sebesség)
R
kliensek
A bal oldali routerhez két szerver, a jobb oldalihoz két kliens csatlakozik, az egyik kliens az egyik szerver, a másik kliens a másik szerver szolgáltatásait használja. Az ideális az lenne, ha a fenti lassú összeköttetés sávszélességén fele-fele arányban osztoznának, azonban ehelyett egy érdekes „rángatózó” viselkedés tapasztalható:
47
rmax rmax/2
ideális
tényleges
Ráadásul a jelenség kaotikus jellegű, azaz bizonyos helyzetekben rmax vagy tmax kis mértékű változtatása is nagy jelalakváltozást jelenthet (és így akár periodikus, de szabálytalan jelalakok is előfordulhatnak). A kaotikus viselkedés egyébkétn akár bizonyos nemlineáris harmadfokú differenciálegyenletek esetén is jelentkezik.
48
5. Fizikai réteg 5.1. 2 és 4 huzalos átvitel Mint arról már volt szó, a jelátvitelnek két módja is ismeretes: a 2 és a 4 huzalos. Kéthuzalos esetben az oda- és a visszairányú jelek is egy vezetékpáron haladnak, míg négyhuzalos esetben mindkét irány szét van választva. Az előfizetői oldalon mindenképpen meg kell oldani a szétválasztást, hiszen az adási irányú jeleket a mikrofontól kapjuk, a vételi irányú jeleket viszont a hallgatóba kell továbbítani.
5.1.1. Végig négyhuzalos átvitel Ez a legegyszerűbb eset, ennek az áramköri vázlata a következő:
A mikrofon és a hallgató ellenállását a köztes hurok impedanciájához kell igazítani, ezt a mikrofon és a hangszóró membránjának változtatásával lehet elérni. A vonali transzformátorok szerepe a nagyfeszültség elleni védelem (pl. ha belecsapna a villám a vezetékbe), az impedancia illesztés (különben visszhang keletkezne) és a zavarjel csökkentés. Ugyanezt az áramkört meg kell csinálni „visszafelé” is, így jön ki a négy vezeték. (Megjegyzés: a Magyarországon érvényes jogszabályok szerint telekhatárt átlépő távközlésre szolgáló áramkört csak távközlési szolgáltató csinálhat)
5.1.2. Kéthuzalos és négyhuzalos szakaszok illesztése A jel átvitele során általában kéthuzalos és négyhuzalos szakaszok váltogatják egymást, ezeket egy speciális áramköri elem (a hibrid áramkör) segítségével illeszteni kell. Ennek vázlata a következő:
49
Fontos, hogy az ábrán R1-gyel jelölt ellenállások tényleges ellenállása a valóságban is megegyezzen, különben különböző átszivárgások lépnek fel (lásd lejjebb). A villa alakú szétválasztást, illetve összeillesztést a hibrid áramkörrel úgy lehet megvalósítani, ha nem egy generátort alkalmazunk, hanem kettőt, két egymás melletti oldalon:
A fenti ábrán világosszürkével rajzolt nyilak irányába menő jel a megfelelő ellenállásokon disszipálódik, így érhető el a tényleges villa alakú kapcsolás (tehát egy oda-vissza irányú vezetékpár jelének egyetlen vezetékben való összesűrítése). A hibrid áramkör rajzjele:
Ennek felhasználásával egy teljes átviteli szakasz a következőképpen néz ki:
50
Amint látható, az összes hibriden feleződik a jel teljesítménye (az ábrán csak a balról jobbra haladó jel útján fellépő feleződéseket jelöltük be). Nagyon fontos az impedanciák kiegyenlítése, pl. ha a bal oldali hibridre egy Z0 lezárást teszünk, akkor az erősítő szakaszon az erősítők bemeneti és kimeneti ellenállását is Z0-ra kell választani csak úgy, mint az erősítő szakasz hibridjeinek lezárását. A központközi hálózati szakaszt úgy konstruálják meg, hogy annak erősítése 0 dB-re jöjjön ki, azaz minden vezetékdarab csillapítását szakaszonként egy megfelelő erősítővel kikompenzálják egészen addig, amíg a kívánt vezetékhosszúság ki nem adódik. A központközi szakaszon természetesen kapcsolás is történhet, ahogy ez az ábrán jelölve is van. Probléma: tökéletes hibridet sajnos nem lehet csinálni, a szemközti oldalak között ugyanis mindig van egy kis átszivárgás (kb. 25 dB), valamint a szomszédos oldalak közti átvitelnél is gyengül a jel (3 dB):
Az átszivárgás oka az, hogy a két oldalra tett impedanciák soha nem egyeznek pontosan. Az átszivárgó jel az ellenirányú úton elindul visszafelé, emiatt pedig a beszélő a füléhez tartott hallgatón keresztül hallja saját magát, ezt hívjuk önhangnak. Ez a jelenség valójában hasznos, hiszen a beszélő így tudja a saját hangerejét kontrollálni (ha nem hallaná magát, előbb-utóbb önkéntelenül átváltana kiabálásba). A probléma akkor jelentkezik, amikor az átviteli úton távolabb lévő hibridekről verődik vissza a hang, ezt a késleltetések miatt a beszélő visszhangként érzékeli. A visszhang másik forrása az, ha egy vezetékdarabot nem a hullámimpedanciájával zárjuk le, ilyenkor a vezetékben is visszaverődik a hang, de ez nem okoz akkora problémát, mint a hibridekről visszaverődő hang. Tapasztalati úton meghatározták, hogy ha a visszhang késleltetés •=10 ms, akkor a szükséges visszhangcsillapítás: av=11 dB. 30 ms-nál már 23 dB, 50 ms-nál pedig 31 dB a csillapítás mértéke. A terjedési késleltetés számítására egy egyszerű példa: l=150 km-es hozzáférői szakasz esetén v=250 000 km/s terjedési sebességgel számolva a késleltetés:
l v
h
150 0,6ms 250 10 3
Ez azt jelenti, hogy ebben az esetben a visszhang mértéke elhanyagolható (0,6 ms < 10 ms). A terjedési sebesség azért kisebb, mint a fénysebesség, mert a vezetékben az elektromágneses jel lassabban terjed, mint mondjuk szabad levegőn. Ha l=20 000 km-es gerinchálózati szakasszal számolunk (egy ekkora szakasz a fél Föld megkerülésére elegendő), akkor a késleltetés:
h
2 10 4 80ms 25 10 4
51
Ebben az esetben a visszhang már komoly problémát jelent (80 ms > 50 ms), hiszen túl nagy csillapítást (>31 dB) kellene alkalmazni a visszhang elnyomásához. Ilyenkor speciális visszhangelnyomó technikákat kell majd használni. Tekintsünk egy átlagos erősítési szakaszt az átviteli úton, az átszivárgások figyelembe vételével:
A két hibridnek az átszivárgásoknál külön-külön van egy 25 dB-es csillapítási tényezője, ez együtt 50 dB-t ad, tehát a hurokban keletkező visszhang önmagában nem zavaró. De ha valamelyik oldali vezeték leszakad, akkor a hibrid áramkörök kiegyenlítése megszűnik, és így a 25 dB-es csillapítás lemegy 7 dB-re, ami már problémákat okoz. Visszhangcsökkentés lehetséges módjai:
A központközi szakaszt nem 0 dB-re méretezem, hanem mondjuk 5 dB-re. Ezzel túl nagy visszhangkompenzációt nem lehet elérni a jel-zaj viszony romlása miatt. Visszhang zár (ld. lejjebb) Visszhangtörlő (ld. lejjebb) Végig négyhuzalos átvitel (Space Division Multiplexing alkalmazásával) Végig négyhuzalos átvitel (Frequency Division Multiplexing alkalmazásával) Time Division Multiplexing (adatátvitelre ugyan alkalmas, de beszédátvitelre túl nagy távolságok esetén nem, mert ilyenkor a vezeték késleltetésére rárakódik az egy időkeret összeállításához szükséges időmennyiség is, és ez már zavaró lehet) Code Division Multiplexing (ilyen csak elvileg lehetne, de a gyakorlatban Henk még nem látott ilyet)
A visszhang zár vázlata az alábbi:
52
Ennek működése: ha a felső vonalon van beszédjel, akkor azt egy VAD (Voice Activity Detector, beszédaktivitás detektor) érzékeli, és a másik oldalon a beszélgetést letekeri 0 dB-re. Természetesen ugyanezt meg kell csinálni fordított szereposztással is, de ezt az ábrán külön nem rajzoltuk fel. Ez csak akkor alkalmazható, ha a két beszélgetőpartner „kulturáltan” beszélget, és nem vágnak egymás szavába, mert ha mindketten egyszerre beszélnek, akkor a két VAD mindkét vonalat letekeri 0 dB-re, így megszűnik az átvitel. Ezek után nem sokkal a két VAD észreveszi, hogy már nincs átvitel, és visszakapcsolják a beszélgetést, ennek szaggatás az eredménye. Ezért a visszhang zár helyett a visszhangtörlőt (echo canceller) alkalmazzák. Ennek vázlata:
Az ábrán Vt-vel jelölt eszköz a visszhangtörlő. A visszhangtörlő a vett jelből „kiszámolja” a visszhangot (tehát az egész mögötte lévő szakasz késleltetési viszonyait és visszaverődéseit modellezi), majd ezt kivonja az eredeti, visszafelé menő jelből, ezzel csökkentve a visszhangot (azért csak csökkentve, mert a modellezés úgysem pontos). A visszhangtörlőnek egyúttal adaptívnak is kell lennie, tehát mérnie kell az elkövetett hiba mennyiségét és ebből korrigálnia a paramétereit, hogy ha a mögötte lévő szakasz átviteli tényezői megváltoznak (pl. rásüt a nap az egyik vezetékre), akkor ezeket tudja követni. Itt is el kell végezni a visszhangtörlést az ellenkező irányba is. A legdurvább modell szerint a visszhangtörlő egyszerűen egy késleltető, amely a késleltetés mértékét változtatja adaptívan (a valóságban mindenféle szűrőhatások is bejönnek). Adatforgalom (tehát másodlagos adatátvitel) esetén a modemeknek is van saját kiegyenlítőjük, ezért ilyenkor a visszhangtörlőket kikapcsolják, hogy a kétféle kompenzáció ne akadjon össze.
53
Mivel viszünk át? Áttekintés HH
KH
RH
km
300 1
30
URH
µH
m
3
10 100 kHz
300
30
1
10
infravörös mm
3 100 MHz
300
30
1
10
3 100 GHz
300 1
µm 30
látható
3
10 100 THz
0,3 1000
légvezeték szimmetrikus koax cső hullámvezető fém csökken vezetékes vezeték nélküli
optikai dielektikum mobil rádió csatorna 1 GHz
30 GHz
Magyarázat az ábrához:
az ábra logaritmikus léptékű HH: hosszú hullám (többi: közép, rövid, stb.) légvezeték: a felső határ az áthallás miatt annyi (150 kHz) szimmetrikus vezeték: ha az áthallás gondot okoz (több vezeték van egymás mellett), akkor a frekvencia felső határa 600 kHz, ha nincs áthallás (egy vezeték van) a felső határt a csillapítás szabja meg, méghozzá 5 MHz-ben. A bőrhatás miatt a vezető felületén folyik az áram. koaxális kábel: az alsó határt (60 kHz) az áthallás, a felsőt (140 MHz) a csillapítás határozza meg. Van egy külső és egy belső vezető is, a külsőnek lényegesen nagyobb a keresztmetszete, így kisebb az ellenállás. Kis frekvencián nincs bőrhatás, ilyenkor kilép az áram a vezetőből, és áthallás következik be cső hullámvezető, cső tápvonal: nincs belső vezető, mint a koaxnál, csak külső. Belül nagyon gondosan kell megmunkálni, általában ezüstözik belül, valamint nincs belső körgyűrű, így kicsi az ellenállása. Nagy távolságú rendszerekben nem használják, mivel az optikai megoldás olcsóbb. Antennával sugároznak bele. Az alsó frekvencia határ 25 GHz, a felső 80 GHz. optikai: dielektrikumban terjed, mindkét határt a csillapítás határozza meg. Az alsó határ 150 THz, a felső 350 THz. mobil rádió csatorna: alsó határt (70 MHz) az adja, hogy az alatt túl nagy méretű antenna kéne, a felsőt (2 GHz) pedig az, hogy 2 Ghz felett túl sokat
54
számítana már a Doppler-jelenség. A sáv alján jól követi a terepet a rádióhullám, nagyobb frekvenciákon, 2 Ghz környékén viszont szinte ugyanúgy viselkedik mint a fény (szinte egyenes vonalban terjed). Emiatt 900 Mhz-es rádió jellel a völgyekbe is be lehet menni, jól le lehet fedni az országoz, viszont 1800 Mhz-es rádióhullámmal nem lehet országos fedettséget elérni, inkább csak a nagyvárosokra, utakra jó (sík területekre, völgyekre nem). Az 1800 Mhz-es frekvencia sűrű forgalmú helyekre jó (kis cellák, nagyobb forgalom) 1 GHz-es és 30 GHz közötti tartomány: - földfelszíni mikrohullámú rádió ismétlő lánc: ezeknél fontos, hogy az adók (amik egyben persze vevők is) optikailag lássák egymást (sík terepen 3050 km-es távolság). Más frekvencián adunk és veszünk, ehhez az úgynevezett tolófrekvenciát használjuk.
forgási parabolid
erősíteni is kell; hullám itt átszökik ftoló + szűrők alkalmazása
30-50 km
- gerinchálózati megoldás - helyi, hozzáférői hálózatban: - ritkán lakott területeken - új, versenyző szolgáltatók használják 3,5 GHz körül (ez engedélyköteles, fizetni kell érte) - domináns szolgáltató, ha előírt határidőre kell hálózatot telepítenie (MATÁV is használta eleinte, aztán kicserélték vezetékesre; RAS (radio access system) illetve WILL (wireless local loop)) - űrtávközlő műholdak 4-6 GHz tartományban
55
5.2. Digitális jelátvitel analóg közegen Át lehet –e vinni információt 0 Hz frekvencia környékén? Röviden: NEM. Bővebben: fémvezetőnél: 1. távtáplálás (nem lehet információt és ezt is egyszerre átvinni 0 frekvencián) 2. nagyfeszültség védelem (vonali trafó) 3. 50 Hz, 100 Hz, 150 Hz zavarfeszültség 4. koax áthallása (kis frekvencián (~ 60 kHz) nem árnyékol) fényvezetőnél: csak optikai sávban visz át vezeték nélküli átvitelnél: kb. 150 kHz (lehet, hogy csak 80, de lényeg, hogy sok kHz) kell minimum hozzá Digitális jelsorozatnak van nullfrekvenciás (egyenáramú) komponense, ezt a fentiek miatt nem igazán tudjuk átvinni. A probléma kiküszöbölésére a következő módszereket találták ki: fémvezetéknél: a vonali kódolás (sávszélesség-pazarló megoldás) 1. LAN: Manchester-kód, bipoláris NRZ 2. PDH: HDB3 (high density bipolar coding 3 (a 3 arra utal, hogy legfeljebb 3 nulla lehet egymás után)) 3. ISDN (előfizetői szakaszon): HDB3 fémvezetőnél, fényvezetőnél és rádiós összeköttetésnél is használnak modulációt és bitkeverő áramkört. Bitkeverő áramkör az órajelvisszaállítás miatt kell, ugyanis ha sok ugyanolyan bit jönne egymás után, akkor baj lenne. Az áramkört adó oldalon scrambler-nek, vevő oldalon descrambler-nek hívják. Modulációt két esetben is alkalmaznak, egyrészt ha bőven van sávszélesség (pl. fényvezető, lézer oszcillátor), másrészt ha keskenysávú átvitel kell (rádiós átvitel, fémvezetőnél pl. beszédkodek és másodlagos adatátvitel)
5.2.1 Blokksémák analóg jeladó A/D
vonali kódolás
kódoló
vonali jeladó
scrambler
analóg jelvevő
analóg csatorna
digitális csatorna
analóg csatorna
impulzus adó
modulátor
analóg csat. „sávszűrő”
dekódoló
csatorna kiegyenlítő
csat. kiegy.
D/A
vonali vevő
demod.
dön tő
moduláció vivő
vivő
56
óra
5.2.2 Keskeny és szélessávú csatorna Szélessávú: ha c
1 igaz T
Ekkor a csatornát egy aluláteresztő szűrővel modellezhetjük. Egy ideális aluláteresztő szűrő amplitúdó karakterisztikája a 0 és c között egy konstans érték, fáziskarakterisztikája pedig egy egyenes ( ( w)
wt 0 )
Keskenysávú csatorna Kis ismétlés: tudjuk, hogy a Dirac-delta gerjesztés Fourier-transzformáltja 1 (egy sorban kijön a definícióból). Na most, ha egy rendszer bemenetére ezt a gerjesztést adjuk, akkor a kimeneten kapott válasz az impulzusválasz, ami nem más, mint a rendszer átviteli függvényének inverz Fourier-transzformáltja. Ez ilyen keskenysávú csatorna esetében
h(t )
A0 c sin c (t t 0 ) szokott lenni. c (t t 0 )
Gyakorlatban a fáziskarakterisztika nem pozitív meredekségű egyenes, hanem magasabb frekvenciákon jobban nő. (Ilyen karakterisztikáknál nem sértjük az okságot, tehát nem fordul elő olyan, hogy hamarabb van válasz, minthogy gerjesztés lett volna) Modulátor: Mivel a modulátor kimenete egy sávkorlátozott csatornába kerül, ezért már a modulátor kimenetének is sávkorlátozottnak kell lennie, ezért rakunk elé egy aluláteresztő szűrőt. Ahhoz, hogy a mintavételi időpillanatokban ne zavarják egymást az egyes impulzusok, ezért a gerjesztő Dirac-impluzusoknak
T
wc
időpillanatonként kell követniük egymást.
f(t) mintavételi időpillanat
t0
t0
c
5.3. Vezetékes átvitel, fémvezeték Mi is az a hullámellenállás?
57
A félvégtelen vezetékszakasz bemeneti ellenállása véges (az átvezetések miatt), és ezt a véges ellenállást nevezik hullámellenállásnak.
átvezetések
...
félvégtelen vezetékdarab modellje
Egy félvégtelen vezetékbe benézek és
Z 0 ellenállást látok. Ekkor az alábbi kapcsolás segítségével el
tudom érni, hogy ne legyen reflexió, ne legyen visszhang:
Z0 Z0
Ha nem egy félvégtelen vezetékem van, hanem valamilyen l hosszúságú, akkor megtehetjük azt, hogy ugyanezt a módszert alkalmazom, valamint a vezeték mögé berakok még egy Z 0 ellenállást. Ezzel a módszerrel „becsapjuk” a hullámot, azt hiszi, hogy végtelen a szakasz.
Z0 Z0
Z0
Ha azonban a vezetékbe benézve valamilyen
Z 0 ellenállást látunk, de elé és mögé ettől eltérő Z1 és
Z2 ellenállásokat teszünk, akkor nem történik meg az illesztődés, és többszörös visszhang keletkezik.
5.4. Optikai vezeték
Az optikai vezetéknél az alábbi problémákkal kell szembenéznünk:
Csillapítás kézben tartása Hajlított vezeték esetén miért nem lép ki az elektromágneses hullám a vezetékből? Torzítás
58
Ezekre a problémákra a következő válaszokat adhatjuk: 1. Csillapítás kézben tartása Az üvegszál és műanyag szál csillapítása a hullámhossz függvényében az alábbi ábrán látható módon néz ki:
7
csillapítás (dB/km)
6 5 4 3 2 1 0
0,6 0,7 0,8 0,9
1
1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9
2
hullámhossz (mikrométer) Üveg
Műanyag
Szennyezett üveg
Nem teljesen tiszta üvegnél az ábrán látható csúcsok is kialakulnak. Eredetileg (amikor még nagyon nem tudták tisztítani az üveget) még csak az első csúcsig használták ki a sávszélességet, aztán a másodikig, harmadikig... Ebből alakultak ki az üvegszálon használt sávok (ld. az ábrán a ferdén sraffozott sávokat): az I. ablak 0.85 μm-nél, a II. ablak 1.3-nál, a III. ablak 1.55-nél található. Műanyagnál nagyobb a csillapítás és kisebb a sávszélesség, de kevesebbe kerül, ezért rövidebb távolságokra ezt alkalmazzák (pl. hozzáférői hálózatban). Optikai kábelben a kábel két végén a jeladásra LED-et vagy lézerdiódát használhatunk. Ezek főbb jellemzőit az alábbi táblázatban foglalhatjuk össze: Jellemzők Melyik ablakban mehet? Élettartam Ár Maximális modulációs sebesség
LED Mindegyikben 6 10 óra Olcsóbb 100 Mb/s
Lézerdióda Csak II. és III. ablakban 5 10 óra Drágább 10 Gb/s
A LED kibocsátott spektruma a hullámhossz skálán kb. 30-100 nm (azaz a frekvencia skálán 10-30 THz) szélesen „terül el” nagyjából a normális eloszláshoz hasonló módon, így egy ablakot jól ki tud tölteni. Ezzel szemben a lézerdióda spektruma csak 0,5-5 nm (0,15-1,5 THz) széles, és három sávot tartalmaz (egyet középen, egyet-egyet pedig balra, illetve jobbra), amelyre a LED spektrumához hasonló burkológörbe illeszthető. 2. Hajlított vezeték esetén miért nem lép ki az elektromágneses hullám a vezetékből? A fény sűrűbb közegben lassabban, ritkább közegben gyorsabban halad, különböző sűrűségű közegek határán pedig megtörik (és egy része visszaverődik). Ennek oka az, hogy mivel a sűrűbb közegben lassabban tud haladni, ezért „igyekszik” olyan tört utat választani, hogy a lehető legrövidebb idő alatt tudjon eljutni a forrásától a célig, tehát arra törekszik, hogy minél kevesebb időt töltsön el a sűrűbb közegben. A beesési merőlegessel bezárt szögeket α1-gyel és α2-vel jelöljük, és érvényes rájuk a törési törvény:
59
n2
α2sin α1 α1
n1
1
sin 2
n1 n2
n1 és n2 a két közeg úgynevezett törésmutatója. Létezik egy olyan határszög (αh), melynél nagyobb beesési szögekre a fény már nem lép ki a közegből, hanem teljes mértékben visszaverődik. αh=α1 esetén a fény a közeghatárral párhuzamosan halad tovább. Műanyag kábelek esetén megfigyelhető a behatolási jelenség is (ugyanúgy, mint a koaxnál): a fény kis mértékben behatol a műanyag közegbe, majd visszakanyarodik. A behatolási mélység függ a törésmutatók különbségétől és a hullámhossztól. Az optikai szálak legegyszerűbb megvalósítása az ugrás törésmutatójú (Step Index, SI) szál, amely a következőképpen néz ki: Köpeny, n21,485 d1=50-200 μm μm d2=100-1000
Mag, n11,5 Köpeny, n21,485
Az ábra nem méretarányos: a köpeny sokkal vastagabb a magnál, mint ahogy a feltüntetett méretek is jelzik. A különböző törésmutatókat nagyon kis mennyiségű ötvözéssel, szennyezéssel érik el. Ekkor ha megvilágítjuk a szálat, akkor a fény a köpenybe ugyan behatolhat, de onnan visszakanyarodik. Egy határig még a hajlítást is elviseli, de nyilvánvalóan itt is vannak korlátok: meredekebb beesési szögnél a fény jobban behatol a köpenybe, és jobban meghajlított kábelnél könnyebben kiléphet. 3. Torzítások Mind fémvezetéknél (Z0 lezárással), mind fényvezetéknél igaz az alábbi összefüggés:
H ( j ) e d ( m ) I j ( ) I Tehát a vezetékeknél exponenciális a csillapodás! A késleltetést a fázis deriválásával kapjuk. A fázis a fenti képlet alapján •(•)I, ezt kell deriválnunk:
β(ω)
1
n1 c
megoldások
2
n2 c
ω Az ábrán φ helyett •(•)–t ábrázoltuk, hiszen úgyis egyenes arányosság van a kettő között. A hullámegyenlet megoldásával végtelen sok megoldást kapunk: ha a frekvencia nagy és a hullámhossz kicsi, akkor olyan, mintha csak a magban terjedne a hullám, ha viszont a frekvencia kicsi és a
60
hullámhossz nagy, akkor meg olyan, mintha csak a köpenyben, persze ezen két szélső eset között végtelen sok átmenet van. Ezeket a megoldásokat hívják módusoknak. Hasonlat: mereven megfogott és kifeszített húrt pengetéssel rezgésbe hozunk, a pengetés helyétől függően többféle rezgés alakulhat ki:
Középen pengetett húr
Negyedénél és háromnegyedénél pengetett húr
Egy beadott jel több móduson is megoldást ad (tehát több módus viszi a jelet), ebből következően többféle késleltetése lesz (mivel az ábrán ha függőlegesen behúzunk egy vivőfrekvenciát, ott a módusgörbéknek különböző a meredeksége, tehát a fázis deriváltak is különbözőek lesznek), tehát a jel időben „szétkenődik”: A módusszerkezet a vezeték szerkezetétől függ, éppen ezért nem igazán jó a fentebb ismertetett Step Index kábel. Helyette kétféle másik kábelt alkalmaznak:
Graded Index (GI, folyamatosan változó törésmutatójú szál) Ennek a törésmutatója az alábbi ábra szerint néz ki (a függőleges tengelyen a kábel közepétől való távolságot, a vízszintesen a törésmutatót mértük fel): r
r
n(r)
SI szál törésmutatója
n(r)
GI szál törésmutatója
Kiszámolták, hogy ha a cosinus hiperbolicus függvény szerint igazítjuk be a törésmutatókat, akkor a módusok késleltetése állandó lesz, de nyilván ennek elég bonyolult a gyártása. Single Mode (SM, egymódusú szál) Ez egy SI típusú szál, csak úgy méretezzük, hogy az üzemi frekvencián csak az alapmódus adjon megoldást, a többi módust magasabb frekvenciákra toljuk fel. Ekkor a köpeny 1.5-0.005 törésmutatójú, a mag 1.5 törésmutatójú, a köpeny átmérője 50-100 μm, a magé pedig 5-10 μm, tehát az egész sokkal vékonyabb, mint az SM szál, és sokkal pontosabban kell kialakítani a törésmutatókat is.
A távolság és az elérhető sávszélesség mindhárom kábelnél fordított arányosságban áll egymással, tehát a szorzatuk állandó. Ez a szorzat SI kábelnél 10-100 MHz*km, GI kábelnél 0.5-1.5 GHz*km, SM szálnál pedig több, mint 100 GHz*km. Tehát nagyobb távolságokra csak kisebb sávszélesség alkalmazható.
5.5. Vezeték nélküli átvitel A vezeték nélküli átvitelnél elsősorban a fading (elhalkulás) problémájával kell majd szembenéznünk. A vezeték nélküli átvitel vázlata a következő:
61
Adó, magassága ha
Vevő, magassága hb Föld
A jel terjedése történhet egyenes vonalban (szaggatott vonal), de akár visszaverődés segítségével is eljuthat a vevőhöz (pontozott vonal). A fogadó állomásnál a jelek különböző fázisban lehetnek, összeadódhatnak, kivonódhatnak, ez problémákat okoz. Ha a fading hatásától eltekintünk, akkor a teljesítmény a távolság négyzetével arányosan csökken (ez sajnos csak az űrben igaz ):
vett jel teljesítménye
Jelteljesítmény fading nélkül
távolság
Emlékezzünk rá, hogy a teljesítmény vezetékes átvitel esetén exponenciális csökkenést mutatott! Ha a fading-et is figyelembe vesszük, akkor a jelteljesítmény
c
1 1 és c 2 4 közt fog ingadozni: 2 r r
jelteljesítmény
Jelteljesítmény fading-gel
távolság
Pl 900 MHz-es GSM jel, hA=50 m, hV=1.5 m. Ebben az esetben úgy kell méretezni, hogy a maximális jelteljesítményt is még elviseljük, de a kisebbeket is meghalljuk. Az emberi testben is van egy behatolási mélység, így a fejünkhöz tartott telefon esetében a rádióhullám kb. 1 cm-re behatol a fejünkbe. Ennek egy következménye a hőhatásban nyilvánul meg, de lehetnek élettani hatásai is (még
62
nem bizonyított, mert túlságosan új hozzá a technológia). De nyilvánvalóan nem véletlen, hogy akik naponta több, mint egy órát használnak mobiltelefont (pl. szakmabeliek), azok általában fülhallgatóval használják, elővigyázatosságból.
5.6. Vezetékes és vezeték nélküli megoldások összehasonlítása
Frekvencia: vezetékesnél nem probléma, vezeték nélkülinél gazdálkodni kell velük Telepíthetőség: vezeték nélküli gyorsan telepíthető (pl. katasztrófák esetén), a vezetékes csak lassan Ár: a vezetékes olcsóbb, a vezeték nélküli drágább Táplálás: vezeték nélkülinél problémásabb, vezetékes átvitelnél távtáplálás is megoldható, hiszen a tápáramot is vihetjük vezetéken (pl. otthoni telefonkészülékek a központból kapják a tápáramot) Jel/zaj viszony: rádiós átvitelnél rosszabb, plusz még bejön a fading hatása is Hibaráta (BER, Bit Error Rate): a jel-zaj viszonnyal van összefüggésben, ezért rádiósnál 10 3 -7 , vezetékesnél 10 . Ennek érdekes következménye az, hogy ha TCP-t viszünk rádiós átvitellel, akkor a gyakori csomagvesztések miatt a TCP azt fogja hinni, hogy torlódás van, és ez elég rendesen megkavarhatja a hálózat működését Sávszélesség: rádiósnál szűkebb (az optikai kábelt nehéz túlszárnyalni )
63
6. Átviteli és kapcsolási réteg Ebben a rétegben a megvalósításra kerülő fő hálózati funkciók:
Kapcsolás (kapcsolási réteg, hálózati réteg) Rendezés (átviteli réteg, hálózati réteg) Nyalábolás (átviteli réteg)
Az eddig megismert elvek (CDM, SDM, TDM, FDM) közül bármelyik használható bármelyik hálózati funkció megvalósításához.
6.1. Forgalomirányítás
A forgalomirányítást a hálózatokban a kapcsolók és rendezők végzik. Ezek tipikus megvalósítása: kapcsolómező, switching fabric 1 . . . . . . n
1 . . . . . . n
vezérlő
bemenő jel (felhasználótól vagy a jelző hálózatból)
A kapcsoló és a rendező n bemeneti vonalat képez le valamilyen rendszer szerint n kimeneti vonalra. A vonalak közti kapcsolásokat egy vezérlőegység határozza meg, a vezérlőegység a bemenő jelét pedig kapcsoló esetén a felhasználótól kapja (pl. ha egy hívást kezdeményezek, akkor a vezérlő automatikusan megpróbál kapcsolatot létesíteni a hívott fél készüléke felé), rendező esetén pedig végső soron a hálózatmenedzsertől, de az információ a jelző hálózaton keresztül érkezik. Kapcsoló esetén a vezérlő megvalósítása történhet jelfogós, huzalozott vagy tárolt programvezérlésű logikával is. A kapcsolómező megvalósítása lehet analóg és digitális is. Nyugat-Németországban még ma is több 10 millió kapcsoló működik analóg módon. A vezérlő és kapcsoló megvalósítása teljesen független egymástól
idők (gyakoriság)
kapcsoló, switch gyakori, pl. 10 percenként
idők (gyorsaság)
gyors (valós időben), pl. µs - ms
64
digitális rendező, DXC ritka, pl. havonta (ha a forgalom tendenciája változik) nem gyors (nem kell annyira valós időben), pl. sec (esetleg
áramkörök száma
vezérlés hálózat részek
lassabb is) sok, pl. 30 ezer (egy hálómenedzser egyszerre ennyit kapcsol) előfizető hálómenedzser jelhálózat (jelet átvivő hálózat) jelhálózat jelzéshálózat (kevésbé távközlős menedzselő hálózat (SZH-nál szemlélettel hívhatjuk menedzselő protokoll) erőforrásfoglaló protokollnak) 1 (1 felhasználó egyet használ)
6.2. Forgalomsűrítés 6.2.1. Bérelt hálózat Szó sincs forgalomsűrítésről, mert ugyanolyan forgalmi igény van mindenhol. Bérelt hálózatot akkor érdemes használni, ha: nagy a forgalmi igény rögzített felhasználó párok vannak (bárki rendelhet bérelt vonalat; pl. ha állandóan egy rögzített szerverrel akarunk kommunikálni, akkor érdemes lehet)
0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl
0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl
beállítás, pl. ki kivel kommunikál (bérleti szerződés alapján)
0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl
hálózatmenedzser
6.2.2. Kapcsolt hálózat, nagy forgalmi igény Amennyiben nem rögzített felhasználó párok vannak, de nagy a forgalomigényünk, akkor ilyen kapcsolt hálózatot érdemes használni. Itt sincs forgalomsűrítés illetve hívásblokkolás. (Gerinchálózatban pont annyi vezeték van, mint a hozzáférőiben)
65
0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl
0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl
0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl 0,8 Erl
ez nyilván a forgalmas órákban levő terhelés
6.2.3. Kapcsolt hálózat, kis forgalmi igény Ilyet (nyilván a nevéből is adódik) akkor érdemes használni, ha változó felhasználó párok vannak, akik kis forgalmi igénnyel rendelkeznek. Itt már van forgalomsűrítés és hívásblokkolás. (Elvileg a kapcsolót is meg lehet úgy csinálni, hogy blokkoljon, de erről ebben a tárgyban nem lesz szó)
0,1 Erl 0,1 Erl 0,1 Erl 0,1 Erl
összevont forgalomkoncentrátor és kapcsoló (az ábrán nincs részletezve)
hosszú átlagban
rövidebb átlagban
0,2 Erl (0,1) (0,3) 0,2 Erl (0,3) (0,1)
0,1 Erl 0,1 Erl 0,1 Erl 0,1 Erl
törzshálózatot 0,3 Erl-ra vagy nagyobbra kell tervezni, nem 0,2-re, hogy a blokkolási valószínűség kicsi legyen
6.3. Forgalomirányítási elvek Forgalomirányítás a hálózat egészére nézve a csomópontok útválasztó forgalomirányítási elv kiválasztását több tényező is befolyásolja, ilyen például a: csomópontok száma hálózat topológiája csomópontok, átviteli utak megbízhatósága forgalmi statisztika becsülhetősége speciális szolgáltatási követelmények (például mobilitás, többesadás) komplexitás gazdaságos megvalósítás
66
képessége.
A
Például a TH-nál sok csomópont van, a topológia nem ritkás (például az internethez képest), a csomópontok és átviteli utak megbízhatósága nagy, a forgalmi statisztika magasabb szinten becsülhető, ugyanakkor például az internetnél bár sok csomópont van, azonban a topológia ritkás, a csomópontok és átviteli utak nem megbízhatók, a forgalmi statisztika nem becsülhető. Mobilitás felmerülhet szempontként. Nyilván a két esetben eltérő forgalomirányítási elveket érdemes használni. Megkülönböztetünk egyenrangú (demokratikus) és hierarchikus forgalomirányítást. Előbbinél minden csomópont egyenértékű, míg utóbbinál vannak kitüntetett csomópontok. Az egyenrangú forgalomirányítás lehet központosított vagy elosztott, vagy más szempontból nézve lehet statikus és dinamikus. Statikus forgalomirányításnál előre kiválasztott útvonalak vannak, ha egy csomópont meghibásodik, akkor közbe kell avatkozni. Dinamikus forgalomirányításnál forgalomfüggő útvonalak vannak, ennek kialakításához persze folyamatosan mérni kell a forgalmat. Hierarchikus forgalomirányítás:
hierarchikus fa
Ilyen forgalomirányítást akkor érdemes használni, ha nagy a csomópontok száma (5-200), hiszen ekkor olyan nagy lenne már az útválasztó tábla mérete, hogy nem lehetne hatékonyan kezelni. A hierarchikus forgalomirányítás közvetlen elv. Egyik problémája a megbízhatóság, hiszen egy kitüntetett csomópont meghibásodása komoly gondot okozhat. Erre a problémára több megoldási lehetőség is van:
kettős fa
67
tandem csomópont
haránt útvonalak: pl. a fenti ábrán a szaggatott vonal
hierarchikus gyűrűk
A megbízhatóságtól függetlenül problémát okoz, hogy a magasabb hierarchia szinten levő csomópontok terhelése túl nagy. Nincs értelme minden forgalmat felvezetni, ezért be szoktak iktatni tandem csomópontokat is (a kettős gyűrű ábráján fel van tüntetve egy lehetséges tandem csomópont) Hierarchikus fát nem építjük tetszőleges méretűre, csonkoljuk a fát a gyökér felől.
egyenrangú (szekunder sík) hierarchikus (primer sík)
Az interneten és a távközlő hálózatokban is vegyes forgalomirányítást alkalmaznak. Magyarországon 10 szekunder és 30 primer csomópont van. A szekunder csomópontok teljes hálót alkotnak (és PDH technológiát használnak). Az USA-ban 200 szekunder és kb. 10000 primer
68
csomópont van. A 200 szekunder csomópont ott is teljes hálót alkot (ez
200 =19900 összeköttetést 2
jelent). Az USA-ban ráadásul kezelni kell több időzónát, változó forgalmakat. Ma a hálózatuk már teljesen dinamikus. (A hálózatuk egyébként valamikor 5 szintes volt, mára kétszintű lett) Az IP hálózat általában 2-3 domainből áll. Ha hierarchikus a hálózat, akkor a címzés (TH-nál számozás) ehhez igazodik.
6.4. Torlódásvédelem A hálózat teljesítőképességét egy úgynevezett átbocsátási görbével (throughput) lehet jellemezni. Az alábbi ábránál feltételezzük, hogy van forgalomsűrítés.
kiszolgált forgalom
ha nincs forgalomsűrítés, akkor ez menne a végtelenig ideális átbocsátás görbe
0,5
ide kell tervezni a munkapontot (0,3 Erl)
szabályozott útválasztás, jelzés, egyéb forgalom miatt
pl. dinamikus: háló telítődik, állandó útvonalkeresés (minden foglalt) összeomlik 0,5
1
szabályozatlan
1,5
2
felajánlott forgalom
Általában kis forgalomnál dinamikus, nagyobb forgalomnál statikus forgalomirányítást érdemes használni. A hálózati terhelést 0,3 Erl környékére kell tervezni (tehát a hálózat munkapontjának ezen a környéken kell lennie). Rendkívüli események bekövetkezésekor a hálózat nem omlik össze, ha a görbe jól meg van fogva (csak a blokkolási valószínűség nő meg)
6.4.1. Torlódásvédelmi módszerek
forgalomirányítás módja befolyásolja forgalom kezelés 1. forgalom rendszabás 2. forgalom osztályozása (például beszéd, adat)
69
3. sebesség szabályozása 4. forgalom kiiktatása (összefügg a rendszabással) erőforráskezelés 1. túlméretezés 2. erőforrásfoglalás: nem megy beléptetés nélkül, valamilyen összeköttetést ki kell építeni. (valós, látszólagos áramkör, dinamikus útvonal, elsőbbségkezelés) Összeköttetés megvalósítása minden OSI rétegben lehetséges.
Ha tudjuk becsülni a forgalmi statisztikát akkor erőforrást foglalunk, ha nem, akkor túl kell méretezni a hálózatot. Az erőforráskezelés pénzbe kerül.
Hálózati réteg összeköttetéses –e? megnevezés
valós áramkör
összeköttetés
összeköttetéses
áramkör csomag
áramkör alapú nem csomag csomag alapú alapú PDH, SDH, optika X. 25, ATM
technológiai példa
látszólagos áramkör
dinamikus útvonal
adatcsomag alapú nincs összeköttetés
70
áramkör mentes
MPLS, QoS IP
IP
7. Távközlő hálózati technológiák 7.1. PCM/PDH A PCM a Pulse Coded Modulation (impulzuskódolt moduláció) rövidítése. Mivel általában csak lineáris kódolók állnak rendelkezésünkre, az emberi hallás viszont fokozottan érzékeny a kis amplitúdójú jelekre (a nagy amplitúdójú jelekre pedig kevésbé), ezért nemlineáris kódolást kellene alkalmaznunk. A megoldást az jelenti, hogy a kódolni kívánt jelet először egy speciális karakterisztikájú szűrőn (a kompresszoron) engedjük át, majd a jelet lineárisan kódoljuk, végül pedig a túloldalon ugyanennek a szűrőnek az inverzével (az expanderrel) visszaállítjuk az eredeti jelet. A kompresszorra kétféle karakterisztika használatos: az A-törvényű (A-law) és a μ-törvényű (μ – law). Az előbbi Európára, az utóbbi az USA-ra jellemző. Az A-törvényű karakterisztika ±4096 mV közti értékeket kódol 8 bitre az alábbi algoritmus szerint: A 8 bites minta felépítése: Polaritás 1 biten
Szegmens kódolása 3 biten
Lineáris kódolás 4 biten
A polaritás 0 esetén pozitív, 1 esetén negatív feszültséget jelent. A szegmens 3 bitje segítségével a 04096 mV intervallumot nyolc részre osztjuk: Feszültség (mV) 2048-4096 1024-2048 512-1024 256-512 128-256 64-128 32-64 0-32
Szegmens bitek 111 110 101 100 011 010 001 000
Az egyes szegmenseken belül 4 bites lineáris kódolást valósítunk meg. Látható, hogy az utolsó két szakasz gyakorlatilag már teljesen lineáris (mivel mindkettő 32 mV-ot kódol). Mint tudjuk, a beszédet 300 Hz és 3,4 kHz között fogjuk átvinni, a mintavételezési tétel szerint ehhez 3,4*2=6,8 kHz-re van szükség, ehhez hozzájön némi védősáv is, és így kiszámítható, hogy másodpercenként 8000 mintára van szükség, minden mintát 8 biten kódolunk, tehát egy PCM kódolású csatorna bitsebessége 64 kbps. Példa: 1970 mV kódolása: pozitív, tehát a polaritás bit 0. 1024<1970<2048, tehát a fenti táblázat szerint a szegmens bitek értéke 110 lesz. Az 1024-2048 közti szakaszt egyenletes kvantálással 16 részre kell felosztanunk, egy rész hossza így 64 lesz. 1970-1024=946, 946/64=14.72, ez felfelé kerekítve 15, ezért a maradék négy biten 1111 lesz: 1970=01101111 (Cinkler Tibor szerint ez 14, tehát 01101110, de nem értem, hogy miért, ha valaki tudja, javítsa ki nyugodtan! :( ) A PDH a pleziokron digitális hierarchia rövidítése, erről már volt szó. Itt az E1 szinten 2048 kbps a bitsebesség, amit 30 PCM beszédcsatorna és 2 PCM jelzéscsatorna összefogásával kapunk. TDM-et alkalmazunk, tehát egy időrés 32 részre oszlik. Az első időrés egy keretszinkron jelet visz (Frame Alignment Word, FAW), majd jön 15 beszédcsatorna, a 16. időrésen kontrollbitek mennek, a fennmaradó maradék 15 időrésen pedig újabb 15 beszédcsatorna van: FAW
15 db beszédcsatorna
kontrollbitek
15 db beszédcsatorna
A keretidő 125 μs. Két E1 keretet összefogva kapunk egy blokkot, így a blokkidő 250 μs. Egy blokkon belül elég a keretszinkronnak a 2-es bitjét figyelni, a keretszinkron alakja ugyanis x0011011 a keret
71
első felében, a blokk második felében pedig ugyanez, csak a 2. bit 0 helyett 1 (az x pedig don’t care bitet jelöl). 16 blokkot összefogva kapunk egy multikeretet, ennek ideje 2 ms. Egy multikeret első keretének a 16. időrése tartalmazza a multikeret szinkron bitet, a többi bit az összes keret 16. időrésében a csatornák szinkronizációs információinak átvitelére szolgál. E2 szinten 8448 kbps van, ez nem pont négyszerese az E1 szint sebességének a különböző rátartások miatt. Itt már a biteket rakosgatjuk át az egyes csatornákról ciklikusan, tehát nem tartjuk be a PCM 8 bites ciklusát. A keret elején 10 bit fejléc, majd 4x50 bit adat van (a 4-es szorzó a 4 bemeneti csatorna miatt jött be), majd egy 4 bites kontrollmező, aztán 4x52 bit adat, megint egy 4 bites kontrollmező, 4x52 adat, 4 kontrollbit, 4 töltőbit és még 4x51 bit adat: Fejléc
4x50 bit adat
Kontroll
4x52 bit adat
Kontroll
4x52 bit adat
Kontroll
Töltő
4x51 bit adat
Tehát egy E2 keret egy csatornáról 205 bitet visz (50+52+52+51), plusz még esetleg egyet a töltőbitek között. A kontrollbitek arra szolgálnak, hogy megmondják, hogy vannak-e töltőbitek. Az első csatornára a kontrollbit blokkok első bitjei adják ezt meg (a többire értelemszerűen a többi bit), ez 1, ha használni akarjuk a töltőbitet, és 0, ha nem. A kontrollbit blokkok az adó oldalon azonosan vannak feltöltve, az átviteli hibák miatt többségi döntést alkalmazunk a vevő oldalon: ha az egy csatornára vonatkozó három bit (pl. az első csatorna esetén az első, második, harmadik kontrollbit blokkok első bitje) közül több 1-es van, mint 0, akkor alkalmazzuk a töltőbitet. Ha elcsúszna egy bit, akkor a teljes szinkront elveszítenénk a PCM keretek szintjén, ezért alkalmazzuk ezt a háromszoros redundanciát. (Megjegyzés: az órajelzések elcsúszásainak értékére E1-E2 között ±50 ppm (parts per million, -6 olyasmi, mint a százalék, csak 10 -nak felel meg), E2 után ±30 ppm engedélyezett.) Kiszámíthatjuk, hogy mennyi a minimális és maximális bitsebesség az E2 keretek esetén. Minimális nyilvánvalóan akkor lesz, ha egyik csatornához sincsenek töltőbitek: E2 E2 f min 205 f ker et 205
8448 kbit / s 2042.26 kbit / s 848 bit
Itt a 848 bit az E2 keret hosszát jelöli (és a bit itt nem mértékegység, tehát nem kell vele „egyszerűsíteni”, valójában a számlálóban 1/s a mértékegység). Hasonlóan a maximális bitsebesség akkor jön ki, ha mindegyik csatornán vannak töltőbitek: E2 E2 f min 206 f ker et 206
8448 kbit / s 2052.22 kbit / s 848 bit
Az E2 keretek névleges sebessége 2048 kbit/s, ez közelebb van a 2052.22-höz, mivel a keretek kb. 58%-ában használjuk a +1 biteket. E3-E4-en ugyanez a megoldás megy, csak több kontrollbit van csatornánként. FAW használata E1 szinten szinkronizálásra Ez az alábbi állapotgépes modellel írható le (a folytonos élek azt jelenti, hogy az adott állapotban a szinkronnak megfelelő FAW-t kaptunk, a szaggatott élek pedig azt, hogy a szinkronnak nem megfelelő FAW-t találtunk, ezt főleg a FAW második (B2) bitje dönti el):
72
K
B D
A
S
Az állapotgép körkörös működésű, és két kitüntetett állapota van. A „K” (Keresés) állapotban akkor vagyunk, ha nincs meg a szikron, az „S” (Szinkron) állapotban pedig akkor, ha megvan. Amint látható, K-ból S-be akkor juthatunk, ha két keretben zsinórban a megfelelő FAW-t kaptuk. Ezt utánzás elleni védelemnek hívják, jele δ. Itt δ =2, mivel két megfelelő FAW szükséges a szinkron megtalálásához. Ez megakadályozza, hogy egy keretszinkronhoz hasonló bitsorozat miatt komplettül eltévedjünk a szinkronban. Az „S” állapotból a „K” állapotba két segédállapoton keresztül juthatunk vissza, mégpedig csak abban az esetben, ha egymás után háromszor nem találtuk a szinkront (ha közben mégis megtaláltuk volna, akkor visszaugrunk „S”-be). Ez a kiesés elleni védelem, jele α, itt α =3. Az európai és az USA PDH között több különbség van, pl. a PCM karakterisztikánál az egyik midraiser (tehát középen, a 0-nál egy emelkedő él van), a másik mid-step (tehát középen, a 0-nál vízszintes szakasz van), mások a kompander karakterisztikák és a bitsebességek is. További hátrányok: nincs szinkron, szintenként újra kell keretezni, és nehéz a leágaztatás (ld. a "dobozos" ábrát az összevont jegyzetben).
7.2 Kapcsolási elvek Régebben rotary, cross-bar központok (ezek analógok), ma főként digitálisak.
7.2.1 Térkapcsolás (space switch) Az ábrán egy 4x4-es térkapcsoló látható, a bemenő vonalak vízszintesek, kimenőek függőlegesek, ezeket négyzetrács szerűen egymásra rakjuk, és a megfelelő kereszteződésekben lévő keresztpontokkal lehet egymáshoz kapcsolni a vonalakat:
73
Hátrány: a szükséges keresztpontok száma N*(N-1) (mivel egy vonalat önmagához nem kapcsolunk), azaz a kapcsoló méretével négyzetesen nő. Ez többféleképpen javítható:
forgalomkoncentrálással, mondjuk 10000 bemenő vonalhoz 3000 kimenő (erről már volt szó). az N bemenő csatornát n-es csoportokra osztjuk és n*k-as kapcsolómátrixokra adjuk, ez az első fokozat. A második fokozatban k db kapcsolómátrixot helyezünk el, minden mátrix N/n bemenetű és ugyanennyi kimenetű, és az első fokozatban minden mátrix k db kimenete a második fokozat kapcsolói közül az összesre csatlakozik. Végül a harmadik fokozaton veszünk megint N/n db k*n-es kapcsolómátrixot, és a második fokozat k kapcsolómátrixának mindegyikét a harmadik fokozat kapcsolómátrixaira adjuk. A struktúra szimmetrikus, és N-ből N-be kapcsol. Előnye, hogy kevesebb kapcsolópont kell:
N N N N N nk k nk 2 Nk k n n n n n 1. fokozat
2. fokozat
2
3. fokozat
Kiszámítható, hogy N=128 esetben így optimálisan 7680 kapcsolópont kell 16256 helyett, ez még nem olyan látványos csökkenés, de pl. N=8192 esetben 510096 elég a 4.2 millió helyett! k=(n+1)+(n+1)+1=2n-1 esetén a kapcsoló belső ütközésektől mentes. Ekkor a középső fokozaton közel 2x akkora az elemek mérete, mint a szélsőkön. Ezt visszahelyettesítve
N 2 N ( 2 n 1) ( 2 n 1) n
2
kapcsolópontot kapunk, de n megválasztása még
mindig kérdéses. Tegyük fel, hogy N , ezen feltétel mellett N szerint deriváljuk a fenti kifejezést és egyenlítjük 0-val. Ebből kijBön, hogy akkor kapjuk a legkevesebb keresztpontot, ha
n
N 2 , tehát a keresztpontok száma minimum 4 N 2 N 1 . Ez már nem N -tel, 2 1,5
hanem csak N -tel arányos függvény. Tekintsünk egy három szintes kapcsolómátrixot, itt az útvonalak két részre oszthatóak. Az utak első fele az első fokozattól a másodikig, a második fele a második fokozattól a harmadikig tart. Legyen q annak a valószínűsége, hogy egy út szabad, és legyen k a középső szint elemeinek száma. Ekkor: B P (összes belső út foglalt ) P(1 út foglalt ) (1 q ) a blokkolódás 2 valószínűsége (q azért van, mert egy út két részből áll). Tegyük fel, hogy azt akarjuk, hogy a blokkolódás valószínűsége valami nagyon kicsi, de 0-tól különböző legyen. Ha feltételezzük, hogy a bemenetek kihasználtsága 10%, és a blokkolódás valószínűségét 0.002-nek választjuk, akkor felírható, hogy a fentebb leírt három szintes kapcsolómátrixban N függvényében n és k hogyan alakul: N n k k, ha B=0 128 8 5 15 8192 64 15 127 k
74
2 k
Tehát k drámaian csökkenthető, ha egy kis blokkolási valószínűséget megengedünk.
7.2.2 Időkapcsolás (time switch) Fogunk egy bemenő keretet, szétszedjük csatornákra: A
B
C
D
A
C
Ezt egy digitális kapcsolóval át lehet pakolni pl így: B
D
Ennek így még nem sok értelme van, de ha ezt térkapcsolással együtt csináljuk, akkor a keretek részeit nem csak ugyanazon kereten belül, hanem más keretekbe is pakolhatjuk: A
B
C
D
E
F
G
H
Idő- és térkapcsoló
F
C
A
H
B
E
D
G
Lehet többfokozatú (pl. TST - Time Space Time, STS - Space Time Space) kapcsolókat is csinálni.
7.3 ISDN (Integrated Services Digital Network) Rengeteg szolgáltatás az ISDN-ben alkalmazott 7-es jelzésrendszer segítségével vált elérhetővé. A teljesség igénye nélkül ezek közül néhány például a hívásátadás, visszaadás, a hívott fél fizet szolgáltatás, a konferenciabeszélgetés, a hívásátirányítás, a feltételes hívásátirányítás, stb. Azonban az ISDN keskenysávú technológia (legalábbis az N-ISDN, amiről most szó van, csak általában az N-et nem szokták kitenni), mivel a meglévő hozzáférői hálózatot használja. Ez a sávszélesség manapság már nem megfelelő. Ugyanakkor ez a hátrány egyben előny is, hiszen azzal, hogy a már megépített hozzáférői hálózatra épül, nincs szükség egy új, rendkívül drága hozzáférői hálózat kialakítására. További előny, hogy mindjárt két vonalat is kap a felhasználó, valamint az adatokat képes végig digitálisan küldeni. Az ISDN hálózat úgy épül fel, hogy van egy hálózati végződés, és ehhez kapcsolódhatnak az egyes eszközök, például S sínen keresztül egy digitális végberendezés (TE1, terminal equipment 1), 2a/b vonalon keresztül a hagyományos analóg távbeszélő készülék (TE2) (például két telefon, vagy egy telefon és egy fax), egy RS232, vagy egy USB eszköz (egyébként az USB 10Mb/s sebességet tudna, de ez az ISDN átviteli szakasz sebességkorlátja miatt nem valósul meg) Az ISDN referencia modell a következőképpen néz ki:
S interfész TE1
TE2
4
T NT2
4
U NT1
2
LT
4
ET
TA
(TE: terminal equipment, NT: network termination, LT: line termination, ET: exchange termination, TA: terminal adapter) Az S interfészen a sebesség 192 kb/s, az NT1 és LT között 160 kb/s (itt egyébként 2 bináris szintet egy négyszint szimbólummá fognak össze (2B1Q)). A felhasználókhoz közelebbi részen azért
75
nagyobb a sebesség, mert ott van a többszörös hozzáférést biztosító rész, kezelni kell az ütközéseket, és a keretszervezéssel is foglalkozni kell. S sínen (buszon) módosított AMI (Alternated Mark Inversion, felváltott előjelváltás) kódolást alkalmaznak. Az AMI kódolás lényege, hogy nullára nulla feszültséget ad ki, egyre pedig váltogatja a paritást (+ és – érték között). A módosított AMI annyiban tér el, hogy ha egy a bemenet, akkor ad ki nulla feszültséget, és nulla bemenet esetén váltogatja a paritást. Az ISDN alap hozzáférése (BRA, basic rate access) a 2B+D, ennek sebessége 192 kb/s, ebből hasznos 2*64 kb/s + 16 kb/s = 144 kb/s. A fennmaradó többlet sebesség (48 kb/s) keretszervezésre, és a többszörös ütközés kezelésére szolgál. Ha a hálózati végberendezésből kiinduló busz hossza legfeljebb 200 méter, akkor 100 ohm-os lezáró ellenállást alkalmazva, a buszra legfeljebb 8 végberendezést lehet rakni. Amennyiben négy végberendezés is elég, akkor egy 100 ohm-os lezáró ellenállás segítségével 500 méteres hossz is megvalósítható, annak azonban teljesülnie kell, hogy a végberendezések egymástól 25 méter távolságban kell hogy legyenek, az S busztól pedig 10 méterre (nyilván a legközelebbi). Ha egyetlen végberendezés is elegendő, akkor akár 1000 méteres távolság is megvalósítható. Ha a busz hossza 500 és 1000 méter között van, akkor arra elhelyezhető legfeljebb négy, egymástól 25-50 méter távolságban levő végberendezés. A S buszon menő keret a következőképpen néz ki: NT (network terminal, hálózati végződés) TE irányban: F
L
B1 8
E
D
A
FA
M
B2 8
E
D
M
B1 8
E
D
S
B2 8
E
D
L
(F: keretszinkron bit, B1/B2: 2B+D-ből az egyik B, D: 2B+D-ből a D, E:echo, A: aktiválás) Látható, hogy B1-ből és B2-ből keretenként 16 bit megy, D-ből 4 bit, ezért figyelembe véve, hogy egy keret hossza 250 μs, adódik a B-kre a 64 kb/s, míg D-re a 16 kb/s sebesség. A keret elejének megállapításához nem csak az F bit kell, hanem az L bit utána és előtte (előző keret végén). Az új keretet egyébként szabálysértéssel jelzik. TE NT irányban: F
L
B1 8
L
D
L
FA
L
B2 8
L
D
L
B1 8
L
D
L
B2 8
L
D
L
Ha az echo bitek üresek (összesen négy ilyen van), akkor a végberendezés két bit késleltetéssel küldhet keretet. Ha a végberendezés észreveszi, hogy az echo bitek nem neki szólnak, akkor be kell fejeznie az adást. Ez az ötlete a többszörös hozzáférésnek. A központok között az SS7 (signalling system 7) és a CCS7 (common channel signalling 7) jelzéseket használják, míg a végberendezések és a hálózat között a DSS 1-et (digital subscriber signalling, digitális előfizetői jelzés). ISDN-nel a végberendezéstől a hozzánk legközelebb levő kapcsoló központot a következőképpen érjük el:
76
PSTN
bérelt vonal
ISDN közp.
csomagkapocsolt
központok között a távbeszélő és adat vonalak szétválnak Az eddig tárgyalt keskenysávú ISDN technológiát N-ISDN-nek is szokták hívni. Az ITU-T azonban ezt követően kidolgozott egy szélessávú szabványt is, ezt B-ISDN-nek hívják (B: broadband). Ehhez persze új hozzáférői hálózat kellett. A B-ISDN ajánlásában az ajánlott technológia az ATM. A primér, vagy elsődleges hozzáférés (PRA, primary rate access) 30B+2D-ből áll, és itt a D is 64 kb/s sebességű. A keretszervezés ennél ugyanaz, mint a PDH-nál az E1 szakaszon. Ilyen hozzáférésnél egy ISDN alközpontot kötnek be. A sodort érpár paramétereitől függően különböző lehet az ISDN központ és a végberendezés távolsága (4 és 13 km között). Ha a huzal átmérője 0,4 mm, akkor a távolság 4 kilométer lehet, ha az átmérő 0,6 mm, akkor 6 kilométer lehet a táv, ha 0,8 mm az átmérő, akkor pedig 13 kilométer.
7.4 Hozzáférési technikák 7.4.1 Beszédsávi modem Az első ilyen technikai beszédsávi modem („dial-up service”): fő korlátja az, hogy beszédsávi (300 és 3400 Hz közötti frekvencia). Sok kapcsolóközponton haladunk keresztül, míg a kívánt csomópontig elérünk. Mindkét végén a távbeszélő vonalat használja. A V.34. 33,6 kb/s sebességű, míg a ma egyeduralkodóvá vált V. 90. 56 kb/s sebességgel rendelkezik (ez persze nem a hasznos sebesség).
7.4.2. xDSL A második hozzáférési technika az xDSL (x: lehet sok minden): gyakorlatilag ez a beszédsávon kívüli modem, sebessége lényegesen nagyobb, mint az ISDN-nek. Fajtái: 1. ISDL: ez az ISDN 2. HDSL (high datarate DSL): sebessége mindkét irányban (fel és letöltés) 2 Mb/s, az elérhető távolság 5 km (12 ismétlőkkel). Megvalósításához két érpár szükséges (4 ér). 3. HDSL2: ugyanaz, mint a HDSL, de ehhez egyetlen érpár is elegendő 4. ADSL (asymmetric DSL): különbözik a lefele és felfele irányú sebesség (max. 8 Mb/s illetve 768 kb/s, Magyarországon lefele is csak max. 1,5 Mb/s, és persze a feltöltés sebessége is kisebb (az alacsonyabb sebességnek egyrészt gazdasági stratégiai okai vannak, másrészt a sodort érpár minősége). Az áthidalható távolság legfeljebb 3,6 km, a megvalósításhoz egy érpár szükséges. 5. ADSL2: a távolság itt már 4 km 6. RADSL (rate adaptive DSL): dinamikusan tudja állítani a sebességet, távolság 6 km. 7. SDSL (symmetric DSL): 768-768 kb/s sebesség, 4 km távolság 8. VDSL (very high date rate DSL): 52 Mb/s illetve 1,5 Mb/s sebesség, távolság 300 m, 1 érpár szükséges hozzá
77
Az ADSL működése egy ábrával szemléltetve: 4,3125 kHZ
beszéd f Az ITU-T specifikálta a DSL technológiákat, a legújabb szabvány a G.992.x. Kétféle kódolási technikát alkalmaznak, az egyik a CAP (channel access protocol), a másik a DMT (discrete multi tone). Utóbbi az elterjedtebb. A DMT alcsatornákat definiál, méghozzá 256 darab 4,3125 kHz-es csatornát. Ezzel a sávszélesség 1,1 MHz körüli (ADSL 2-nél 2,2 MHz). Az alcsatornák közül az első hat biztosítja a hagyományos távbeszélő forgalom (PSTN) lebonyolítását, 32 alcsatorna a felfele, 218 pedig a lefele menő forgalmat. Az olyan frekvenciákat, amik nem felelnek meg valamilyen okból, azokat kihagyjuk (minden alcsatornán mérik az átvitel minőségét (bithiba, …), és ez alapján történik egyes csatornák kihagyása). Ha 1-1 frekvenciasáv használhatatlanná válik, akkor a sebesség 32 kb/s-os granularitással romlik. Az áthallás komoly problémát okoz (valaki használ egy csatornát, ez lehet, hogy zavarja egy másik felhasználó csatornáját). FDM (frekvenciák szétosztása) és TDM (mindkét irányú használat) technológiát is alkalmaznak. Az átvitel során a keret 1-1 mezője 1-1 csatorna bitjének felel meg (emiatt adó oldalon egy soros párhuzamos, míg vevő oldalon egy párhuzamos soros átalakítás kell). 68 keretenként van egy szinkron keret. A 69 keretet együtt szuper keretnek hívják. Az átvitel javítása érdekében redundanciát teszünk az információba, ez a FEC (forward error correction).
távb. végb. sz.gép
DSL modem
sodort érpár
D S L A M
PSTN
ATM
(DSLAM: DSL access multiplexer) Például a Matáv is ATM-mel továbbít.
78
TCP/IP
(UDP)
IP PPP
RFC1661
PPPoAA5 (PPP over ATM adaptation layer 5)
PPPoEthernet (RRC 2516) Bridged Ethernet (RFC 2684) AAL5 ATM
fizikai (mivel az authentikáció, valamint a felhasználói sávszélesség ellenőrzése IP-nél nem megoldható, ezért van alatta sok minden)
7.4.3. Cable Modem 200-400e
szétosztó csomópont
IP IP / SDH ATM WDM
helyi (regionális) kábel fej állomás
27 Mb/s le, 2 Mb/s fel
20-40e háztartás 500-1000
PSTN optikai
réz (koax)
(ez egy HFC hálózat (hibrid fiber coax)) A technológia úgy lett kialakítva, hogy fentről lefele könnyen megy az információ, lentről felfele viszont jóval problémásabb a dolog (ma már folyik a kétirányúsítás, helyes kis dobozokat szerelnek fel mindenhol). A megvalósításhoz frekvenciaosztásos megoldást használnak. DOCSIS (data over cable service interface specification): Lefele 64-es illetve 256-os QAM-et használnak, a frekvenciatartomány 54 (Európában 88) és 860 MHz közötti, amin 6 Mb/s-os (vagy 8-as) csatornákat alakítanak ki. Felfele 16-os QAM-et (ritkább) vagy QPSK-t használnak, a tartomány 5 és 42 (Európában 65) MHz közötti. 200-3200 kHz-es csatornákat definiálnak. Néha időosztást is alkalmaznak (amennyiben nem, úgy 1-1 felhasználó 1-1 csatornát kap meg felfele). Nyilván a felhasználók számának növekedésével egy felhasználóra egyre kevesebb feltöltési sebesség jut. A probléma egy lehetséges megoldása, hogy a csomópontokat egyre közelebb viszik a felhasználóhoz, így egy csomópontra kevesebb felhasználó jut. Arra, hogy meddig vigyék ki az üvegszálat. Erre több megoldási javaslat is van, például fiber to the curve, to the cabinet, to the building, to the basement, to the office, to the home, „last mile” (utolsó
79
mérföld) (de van vezeték nélküli megoldás is, ez a radio in the loop). Mondjuk ez már nem mérföld, inkább 100 vagy 10 m problámája. A fényvezető tehát egyre közelebb kerül az otthonokhoz, kérdés, hogy utána mit használjanak.
7.4.4. PowerLine (áramellátó hálózat) Osztott közeget valósít meg. Segítségével igen nagy sebességek is elérhetők. A németeknél és Kanadában ugyan használják, azonban kompatibilitási okok miatt nem igazán terjedt el.
7.4.5 Ethernet (802.3x) 10-100 Mb/s (sőt manapság 1 Gb/s, 10 Gb/s) sebesség. A technológia nagyon olcsó, azonban komoly gondot okoz az adatbiztonság. Mindenesetre ígéretes megoldás. További technológiák még (ezekről már volt szó, és az eddigieknál több nem kell) a GPRS, a Bluetooth, a HSCSD, az EDGE illetve a WLAN.
7.5. SDH/SONET Egy hálózat építésekor alapvetően háromféle szempontot kell szem előtt tartanunk: a hozzáférést (tudunk-e hozzáférést biztosítani a felhasználóinknak a kiépített hálózathoz), a tartalmat (tudunk-e megfelelő tartalmat szolgáltatni a hálózaton keresztül) és a gerinchálózatot (van-e elegendően nagy gerinchálózatunk a forgalom bonyolítására):
Hozzáférés
Tartalom
Gerinchálózat
Körülbelül 10 éve a legjobb befektetésnek tűnt, ha a cégek nagy gerinchálózatokat építenek ki, de kiderült, hogy a forgalom nem töltötte ki elég gyorsan ezeket a hálózatokat. Jelenleg gerinchálózat van elég, de a hozzáférés gyakran munkahelyekre korlátozódik, a háztartásokban csak kis sávszélesség van. A gerinchálózatokban gyakorlatilag az SDH/SONET az egyeduralkodó. Emlékeztetőül felidéznénk az egyes PDH sebességeket: 64 kbps
E1 (2048 kbps) T1 (1544 kbps)
E2 (E1x4) T2 (6312 kbps)
80
E3 (E2x4) T3 (T2x5) T3 (T2x7)
E4 (E3x4) T4 (T3x4) T4 (T3x6)
E5 (E4x4) T5 (T4x4)
Európa Japán USA
Az európai PDH hierarchiákban az E5 sebességet már nem alkalmazzák. Az egyes ágak között az USA T3 és az európai E4, valamint az E1 és a T2 között van átjárás. A SONET/SDH legfőbb jellemzői: Szinkron Digitális Hierarchia Optikai hálózatra alapoz Az SDH gyűrűkre épül, a gyűrűkre helyezzük az Add-Drop Multiplexereket (ADM, leágaztatócsatlakoztató). Gyűrűk összekötésénél jellemzően rendezők (DXC - Digital Cross Connect) vannak. Az ADM-ek egyaránt alkalmasak IP, ATM, PDH forgalom fogadására is. A kétféle elnevezést (SONET és SDH) az indokolja, hogy az eredeti SONET-et az ANSI szabványosította, míg az SDH-t az ETSI, és azért, hogy a kettő együttműködhessen, az ITU-T kialakított egy saját SDH-t, amely mindkét rendszer jellemzőit tartalmazza (ez a SONET/SDH). Az SDH hierarchia az Ex sebességekre épül, azok közvetlenül csatlakoztathatóak a rendszerhez. Ezekre épülnek rá az egyes STM (Synchronous Transport Module) szintek. Az egyes STM szintek alkalmasak még OC (Optical Carrier, ezek a SONET jelek) és STS (Synchronous Transport Signal, az ITU-T féle SDH elnevezés) jelek fogadására is. A PDH és az SDH rendszer tehát az alábbi ábra szerint épül egymásra:
STM-64, ~10 Gbps STM-16 2488 Mbps STM-4 622.08 Mbps STM-1 155 Mbps E4 139.266 kbps T3 44.736 kbps E3 34.768 kbps T2 6.312 kbps E1 2048 kbps T1 1.544 kbps 64 kbps alapjel
OC-192, STS-192 OC-48, STS-48 OC-12, STS-12 OC-3, STS-3 OC-1, STS-1
Az STM, OC, STS szinten melletti számok azt jelentik, hogy hány alapjelet fognak össze azon a szinten. Az E4 jel azonban több szinten és több keretezésen is keresztülhalad, mire bekerülhet egy STM-N szintre. Általában is jellemző, hogy az SDH rendszerhez több szinten keresztül lehet csak csatlakozni, az alábbi ábra mutatja, hogy az egyes szinteken milyen becsatlakozások lehetségesek:
Az E4 jelek (amik helyére éppenséggel kerülhet ATM és IP is, mert azok is ugyanitt lépnek be) először C4 keretekbe szerveződnek (C=Controller), majd ezekből épülnek fel a VC-4-ek (Virtual Container, virtuális konténer), az AU-4-ek (Administration Unit), az AUG-k (Administration Unit Group), végül
81
ezek kerülnek be az STM-N keretekbe. Később látni fogjuk, hogy az AUG-be és a VC-4-be máshonnan származó jelek is becsatlakoznak. Az STM-1 keret keretideje 125 mikroszekundum, és valahogy így néz ki:
Fejrész (9 hosszú, 9 sorból áll)
Rakományrész (261 hosszú, 9 sorból áll)
A hosszúságokat oktetben mérjük, egy oktet 8 bit, tehát a fejrész pl. 9 oktet=72 bit széles. A keretet sorfolytonosan olvassuk ki, tehát először jön 9 oktetnyi fejrész, aztán 261 rakomány, aztán megint 9 fej, megint 261 rakomány… Valahol a rakományrészen belül kezdődik a VC-4, amely ki is lóghat a keretből, ilyenkor az “oldalra” kilógó részek a keret következő sorában folytatódnak, a “lefelé” kilógó részek pedig a következő keretben kapnak helyet:
fejrész
rakományrész
VC-4
A fenti ábrán a pontozott vonalak a sorhatárokat jelölik, a szaggatottan keretezett rész a VC-4, ahol az egyes átkerülő részeket nyilakkal jelöltük. A ferdén sraffozott rész már a következő keretbe fog kerülni. A fejrész első három sora (3*9=27 oktet) az úgynevezett Regeneration Session OverHead (RSOH), ahol a regenerátor szakaszra vonatkozó információk vannak (egy regenerátor szakasz két jelfrissítő között megy). Utána egy sornyi pointer következik, ez mutat a kereten belül a VC-4 kezdetére, majd újabb öt sornyi (45 oktet) szakasz, aminek a neve Multiplex Session OverHead (MSOH). Itt egy teljes multiplexáló szakaszra (két multiplexer közötti részre) vonatkozó információkat tárolunk. Ezzel ki is töltöttük teljesen a fejrészt:
RSOH Pointer
MSOH
A VC-4 elején lévő első oszlop pedig a Path OverHead (POH), ami az útvonalra vonatkozó információkat tárolja. A VC-4 fennmaradó része (260 oszlop, 9 sor) a C-4 keret. Az RSOH első és negyedik oktetje egy rögzített 16 bites mintát ad. Azért hagyunk ki két helyet, mert amikor STS-1-ről STM-1-re váltunk, a három jelet úgy multiplexáljuk össze, hogy ez a két kimaradó mező pont a másik két jelhez fog tartozni (ezért az STS-1 keret csak 9*90 méretű). Mindezek mellett az RSOH-ban a második sor elején van egy speciális B1 oktet is, amelyet úgy képezünk, hogy az első oktet első bitjének, a második oktet első bitjének és a harmadik oktet első bitjének összege megy a B1
82
mező első bitjébe, az első oktet második bitjének, a második oktet második bitjének és a harmadik oktet második bitjének összege a B2 mező második bitjébe stb. Ezt a módszert Bit Interleaved Paritynek (bitátfűzött paritás, BIP-8) hívjuk. A VC-4 elején lévő Path Overhead paritásellenőrző bitjében ugyanezt a módszert követjük, az MSOH-ban viszont nem 8, hanem 24 bit van a paritásra (BIP-24). Az MSOH-ban van egy K1-es és egy K2-es oktet is, amelyek egy önműködő védelmi kapcsolás részeként különböző meghibásodásokat tudnak jelezni. Emlékezzünk rá, hogy a PDH-ban ilyen mechanizmus nem volt! Az RSOH harmadik sorának első, negyedik és hetedik oktetje (D1, D2, D3) egy 3x64 kbps sebességű adatcsatornát képez, az RSOH E1-es mezője és az MSOH E2-es mezője pedig egy-egy 64 kbps sebességű távbeszélő szolgáltatást. Ez arra alkalmas, hogy amikor a gerinchálózatban javításokat végeznek, az aknákban dolgozók tudjanak egymással kommunikálni (az MSOH E2-es mezőjével egy muliplexáló szakaszon belül, az RSOH E1-es mezőjével pedig egy regenerátor szakaszon belül). A bitsebesség az alábbi módon számítható: 9 sor * 270 oszlop * 8 bit/oktet = 155.52 Mbit/s Ebből a hasznos rész hasonló számítás alapján 149.76 Mbit/s. Az SDH csomópontokba folyamatosan érkeznek a VC-4-es keretek, és ezeket egyből áttesszük az STM-1-es keretekbe (pont beleférnek). Mivel a VC-4-es keretek folyamatosan érkeznek, könnyen megeshet, hogy akkor tesszük be őket az STM-1 keretbe, amikor éppen a keretidő kellős közepén vagyunk, ráadásul kisebb órajelcsúszások mindig vannak, ezért a VC-4-es keretek kezdete ide-oda csúszkálhat az STM-1 kereten belül. Ezért van szükség a pointerre az STM-1 keret fejlécében, és az órajelcsúszások miatt időnként szükség van arra is, hogy a pointer értékét lejjebb vagy feljebb léptessük. A szolgáltatók határán mindig szükség van szinkronizációra, mert az egyes szolgáltatók órajelei teljesen függetlenek egymástól (elvileg GPS-szel megoldható lenne a szinkronizáció, de ez nem terjedt el). A szinkronizáció a következőképpen történik: 1. Átállás lassabb sebességről gyorsabb sebességre Ilyenkor a lassabb sebesség miatt kevesebb bitünk van, mint amennyit a másik rendszer vinni tudna, ezért a fejrész után kihagyunk egy akkora részt, mint amekkorával a VC-4-es elcsúszik. Ezt az elcsúszást kell előre jelezni. Ehhez meg kell néznünk, milyen szerkezetű az a pointer rész, ami az STM-1 keret fejrésézben van. Ez 9 oktetből áll az alábbiak szerint (az üres mezők nem lényegesek): H1
H2
H3
H3
H3
Számunkra most a H1 és H2 oktetek lesznek lényegesek, ezek együtt egy 16 bites részt alkotnak, melynek szerkezete az alábbi: NDF
S
S
I
D
I
D
I
D
I
D
I
D
Az NDF rész 4 bit hosszú, és vagy az 1001, vagy a 0110 bitmintát tartalmazza. 1001 esetén aktív a pointer kiigazítás, 0110 esetén inaktív. Az S bitek ismét nem fontosak, azt mutatják, hogy mit hordoz a keret. Mivel a pointert növelnünk kell (mert a VC-4 rész hátrébb csúszik), ezért megnézzük az I (Increment) biteket, és ha mindegyik 1-es, akkor a pointer értékét növeljük hárommal (kompatibilitási okokból: a SONET-ben háromszor kisebb volt a keret, és három SONET kerettel töltünk ki egy VC-4est). A kiigazítás három lépésben történik: 1. A keretben az NDF inaktív (0110), az I bitek alaphelyzetben állnak 2. Az NDF aktív (1001), az I bitek invertálva állnak, a pointer még nincs kiigazítva 3. Az NDF inaktív, az I bitek alaphelyzetben állnak, a pointer ki van igazítva A pointerhez legfeljebb minden negyedik keretben lehet hozzányúlni, másodpercenként 8000 keret jön, ebből 2000-ben tudunk korrigálni, összesen 3 oktetet (24 bit), azaz a sebességeltérés 48 kbit/s lehet.
83
2. Áttérés gyorsabb sebességről lassabbra Ilyenkor több bitünk van, mint amennyit a lassabb rendszer vinni képes, ezért a VC-4 visszafelé csúszik, tehát a pointert csökkenteni kell, ugyanakkor a plusz biteket valahol át kell vinni. Ezt a fejrészben lévő H3 oktetekkel tehetjük meg, egyébként a korrekció ugyanúgy zajlik, mint az előző esetben, csak a D bitet kell figyelni az I helyett. Vizsgán lehetnek számolgatási példák ehhez a témához! Pl: HF: 8000 keret/mp, 4 keretenként lehet változtatni a pointert, 3 oktettel. 16 kbitet kell kikompenzálni, hány keretenként kell igazítani? Az SDH egyik nagy hátránya, hogy alapvetően menedzselt, bérelt vonal jellegű hálózat, tehát ha valakinek vonal kell, akkor odamegy a szolgáltatóhoz, az csinál két klikket, ebből a hálózat keres egy útvonalat és létrehozza, tehát le van foglalva hosszú időre a vonal, még akkor is, ha nincs kihasználva. Új irányzatok az SDH-ban:
Egy keretet vegyes forgalommal is meg lehessen tölteni (multi service switching). Ilyenkor minden egység elé teszünk 4 oktetet, az első kettő megmondja a hosszúságát, a másik kettő pedig CRC-t számol az első kettőre. A kerethatár szinkronizáció a hosszak alapján történik. Vételi oldalon ha az első két oktet összhangban van a CRC-vel, akkor ugrik a következőre a hossz mező alapján.
Összefűzés (concatenation): ha nagyobb sebességet szeretnénk, mint amit az STS-1 keret hasznos része biztosít, akkor összefoghatunk több VC-t. Pl VC-4C azt jelenti, hogy 4 VC-t fogunk össze sebesség 4*150=600 Mbps.
7.6. ATM A hálózatokat két alapvető csoportra osztjuk, számítógép és távbeszélő hálózatokra. Számítógép hálózatokat általában kiterjedésük alapján szoktuk osztályozni, beszélünk LAN-ról, MAN-ról, WAN-ról, GAN-ról (illetve lehet még PAN-ról is beszélni (personal area network)). Az ilyen hálózatokban sokfajta összeköttetés lehet. Az N-ISDN technológia a meglévő infrastruktúrára épít, ez előny is és hátrány is egyben (de erről már volt szó). Ezzel szemben a B-ISDN technológia célja egy szélessávú, integrált szolgáltatású digitális technológia megvalósítása, ami összefogja az eddigi technológiákat (áramkörkapcsolt és csomagkapcsolt rendszereket is összefog). Az áramkörkapcsolás előnye, hogy állandó áramkör illetve erőforrások vannak, így lehet QoS-t biztosítani, ugyanakkor viszont rossz a kihasználtsága. Csomagkapcsolt rendszerekben viszont a kihasználtság jó, azonban nincs QoS. A két megoldás összekapcsolása a látszólagos áramkörök kialakításának ötlete, kiegészítve azzal, hogy az információt adategységekben, úgynevezett cellákban küldjük.
84
Hatékony erőforrás kihasználás
IP
bonyolultság
QoS
SDH
Az ATM jellemzői:
B-ISDN ajánlott átvitele cella (csomagkapcsolás és rögzített csomaghossz) gyors kapcsolás (ehhez hardveres megoldás, valamint a rögzített cellaméret kellett) virtuális (látszólagos) áramkör szükséglet szerinti erőforrás foglalás tetszőleges QoS
bps
Merev keret és foglalás (pl. SDH) ATM átlag forgalom t
Műszaki alapok: Az ATM nevében is benne van, hogy aszinkron. Mit is jelent ez? A szinkronitás kétféle lehet, bit szintű (a hálózat elemei ugyanahhoz az órához vannak szinkronizálva) és keretszervezés szintű (ha nyalábolás után a keretben elfoglalt pozíció alapján egyértelműen adott, hogy az az adat melyik csatornához tartozik (mert például a nyalábolt keretben az adatok úgy vannak, hogy először az 1-es, utána 2-es csatornáról jövők), akkor szinkron a keretszervezés. Ez a megoldás kis alapegységeknél hasznos, azonban ha a források sebessége időben jelentősen ingadozik, akkor a szinkronitás nem az igazi, ilyenkor egy kis fejrészt szoktak az adatok elé rakni pluszban). Az ATM a keretszervezés szempontjából aszinkron.
85
ATM cella: Nézzük, mik a változó és rögzített hosszú cellák előnyei és hátrányai. Rögzített cellák könnyen kezelhetőek, viszont adatveszteség lehet (cella hossznál lényegesen rövidebb, vagy egy picit hosszabb adatot küldünk, előbbinél 1 cella kell, de az kihasználatlan, utóbbinál 2 kell, és a második kihasználatlan). A változó cellaméret ugyanakkor sokkal nehezebben kezelhető. Megfontolást igényel ugyanakkor a cella mérete is. Kis cellák (32 oktet) esetében a késleltetésingadozás kicsi, a nem teljesen kitöltött cellák miatti adatveszteség kisebb, ugyanakkor az adat méretéhez képest a fejrész mérete jelentős. Nagy cellák (64 oktet) esetében nagyobb a késleltetásingadozás, ugyanakkor a fejrész mérete az adat méretéhez képest elhanyagolható. Az ATM cella mérete 53 oktet lett (5 oktet fejrész + a 32 és 64 oktet átlaga, vagyis 48 o.). Felépítés: GFC (4 bit) VPI (+4 bit) VCI (+4 bit)
VPI (4 bit +) VCI (4 bit +) VCI (+8 bit +) PT (3 bit) HEC (8 bit)
CLP
rakomány (48 oktet)
A fenti ábra a UNI felület ATM cellájának felel meg (user to network interface), a hálózat belső részein GFC nem kell, így ezt a 4 bitet is a VPI kapja meg. GFC (generic flow control, általános forgalomszabályozás): 4 bit. Ha egy interface-en keresztül több felhasználó, vagy 1 felhasználó, de több alkalmazásal küld, akkor az ezen az interface-en keresztül kommunikáló csoportot ez a GFC azonosítja (ez arra jó, hogy felügyelni lehessen, hogy ne legyen túl nagy 1-1 csoport átvitele). Azonban ezt ritkán használják, általában 0000 az értéke. VPI (virtual path identifier, virtuális út azonosító): 8 bit, azt jelöli, hogy melyik VP-hez tartozik a cella. VCI (virtual channel identifier, viruális csatorna azonosító): 16 bit, az azonosítja, hogy egy adott csoporton belül melyik konkrét összeköttetésről van szó. Itt (ATM-nél) tehát csak 28 bit van fejrészre, míg az IPv4-nél 32 bit is kevés volt. Ez úgy lehet, hogy a VP és VC azonosítóknak csak lokális jelentése van, így a címkék újrahasznosíthatóak. Így már elég ennyi bit is. (Ha címezni szeretnének ATM-ben, akkor általában az E.164-et használják (hasonlít a távbeszélő hálózatos megoldáshoz), a cím eleje a nemzetközileg fontos rész (ország azonosítása), utána jön a szolgáltató illetve szolgáltatás azonosítása, majd a konkrét előfizető azonosítása. Utóbbi kettőt az országon belül fontos rész.) PT (payload type): 3 bit, üzenet típusát definiálja. Ez lehet fontos információ, control illetve management információ. A torlódásbit is itt van (ha a rendszerben valahol torlódás van, akkor onnan minden irányban üzeneteket küldenek úgy, hogy ezt a bitet beállítják).
86
OAM (operation and maintenance, üzemeltetés és fenntartás) funkciók biztosításához külön összeköttetés van a két csomópont között. A jelzés csatorna VCI-je 5. CLP (cell loss priority, cellavesztési prioritás): 1 bit, azt jelzi, hogy az adott cella elveszíthető –e (1, ha igen). A QoS biztosításához lefoglalás (ezt a forgalmi szerződés tartalmazza) és ellenőrzés (felhasználó betartja –e a szerződést). Ha felhasználó többet küld, akkor a küldeményeiben a CLP bit egyre lesz állítva. HEC (header error control): az x x x 1 generátorpolinommal az első 32 bitre számol maradékot, az beírja ide. A megoldás egy bit hibát tud javítani, egynél többet javítani nem tud, de nagy valószínűséggel észleli. 8
2
A keretszinkron megtalálásához bitenkénti csúszóablakot használnak, ha az ablakban az első 32 bitből a fenti módon képzett maradék megegyezik az utána levő nyolc bittel, akkor nagy valószínűség szerint megvan a keret. Baj az, hogy a felhasználói részben is lehet ilyen sorozat. Erre megoldás, hogy többet nézünk előre, megnézzük, hogy 48 bájttal arrébb is jó –e a fejrész, ezt megcsináljuk δszor. Ha ennyit előre nézve is jó volt a fejrész, akkor az úgynevezett előszinkron részből állapotból a szinkron állapotba, innen a kezdeti keresés állapotba úgy jutunk vissza, ha kiesünk a szinkronból, és α ideig nem találjuk meg újra (a keresés állapotból úgy jutunk az előszinkron állapotba, ha jó a HEC, mikor először megnézzük, vissza akkor, ha előrenézve, nem lesz δ-szor jó a fejrész). SDH-nál α=7, δ=6, az ATM celláknál α=7 és δ=9.
keresés HEC α !HEC
előszinkron
δ
szinkron
Tétlen cellákat (idle cell) is szoktak küldeni, ezek csak a cellahatárok megtalálására kellenek.
Rétegek: management
C 4.
rétegek menedzsmentje
user
magasabb rétegek AAL
3. ATM 2.
fizikai
1. OSI fiz. (user: felhasználói sík (hasznos info), C: control sík, management: egészet összefogó management, rétegek menedzsmentjénél ATM specifikus dolgok (fejrész első 4 sora, VP, VC, forgalom menedzsment))
87
AAL (ATM adaptation layer): magasabb rétegeket illeszti az ATM-hez. Hibajavító funkció ebben a rétegben, illetve a magasabb rétegekben van, az ATM réteg csak a fejrészt javítja. A fizikai rétegben az ATM több hálózati technológiára is épülhet, például SDH-ra (pl. a VC4-ekbe lehet ATM cellákat pakolni, nagyobb sebességet több VC4 összefogásával lehet elérni, ehhez soros párhuzamos átalakítás kell adásnál, és fordítva). ATM réteg: VC kapcsoló
VP
VP rendező
Így két csomópont között az adat többféleképpen is mehet, például egy VP-n keresztül, vagy két VP-n keresztül, ahol a két VP között egy VC-n megy (az első VP kimenetéből a másik VP bemenetéhez megy). Általában a VC-k esetében kapcsolót, míg a VP-k esetben rendezőt szoktak használni. (A VP-VC megoldás kétszintű, hasonlít az SDH-hoz). Persze nem érdemes mindenhova csövet kihúzni (nincs statisztikus multiplexelés a csöveknél, ugyanúgy, mint az SDH-nál). Egy csomópont bemenete és kimenete is egy hármassal írható le (port, VPI, VCI).
Összeköttetés forgalmi leírói:
Forrás forgalmi leírói: o PCR (peak cell rate, csúcs cellasebesség): mértékegysége 1 (cella) /s o SCR (sustainable cell rate, fenntartható cellasebesség): kb. átlag, de nem teljesen az (átlag: összes cella / összes idő, ezt pedig kisebb időintervallumokra számolják) o MBS (maximum burst size, legnagyobb börszt méret): PCR sebességgel max. hány cella vihető át (ha több puffert használunk, akkor nagyobb börsztöt bírunk el) o MFS (maximum frame size, legnagyobb keretméret): mekkora a legnagyobb együttesen kezelt keret (ATM-ben újraküldik az egész keretet, ha egy cella sérül, ezért lényeges; IP-ben csak a csomagot küldik újra). Ha kiesik egy cella a keret vételekor, akkor az azután jövő cellákat eldobáljuk, úgyis újra jön az egész keret. Ha például jön három csomag és torlódás van, akkor nem érdemes mindegyikből eldobálni cellákat, mert akkor mindegyik keretét újra kell küldeni, hanem az egyik celláit kell eldobálni.
88
o
MCR (minimum cell rate): kérünk egy fix kapacitást, ha vannak szabad erőforrások, akkor persze lehet gyorsabb az átvitel, de egy minimum sebességet garantálnia kell a rendszernek
CDVT (cell delay variation time) konformancia definíció: azt mondja meg, hogy hogyan ellenőrizzük, hogy teljesülnek –e a szerződében foglalt feltételek (például lyukas vödör egy gyakran használt technika az ellenőrzésre)
megjegyzés: az illesztési rétegben jelezzük a keret elejét, közepét, végét (ahol a közepe rész elmaradhat, ha csak 2 cellás a keret, illetve ha csak 1 cellás, akkor single segment message-nek hívjuk), rendre a BOM (beginning of message), COM (continuation of message), EOM (end of message) jelzésekkel. A forrás típusai: CBR (constant bit rate): például PCR-rel jellemezhető rt-VBR (real time variable bit rate): PCR, SCR, MBS jellemzi. Nem engedünk meg nagy késleltetést (ha túl nagy lenne a börszt mérete, akkor lehetne nagyobb késleltetés, ezért kell az MBS). ABR (available bit rate, rendelkezésre álló bitsebesség): szabad kapacitások kihasználása. MCR, PCR jellemzi, laza késleltetés-korlátok, de nem engedjük meg az adatvesztés adott érték feletti mértékét. Ehhez RM (resource management) cellákat küldözgetünk, ebbe kerül bele, hogy mennyi a szabad kapacitás (végigmegy az adott útvonalon, és közben belekerül a legkisebb szabad kapacitás értéke (tehát amennyije mindenkinek van)). A probléma az, hogy nagyon nagy hurkok esetén ennek a cellának a körbefutási ideje igen nagy lehet (pufferekkel lehet segíteni a problémán, ATM-ben kis puffereket használnak, hogy ne legyen nagy a késleltetés ). A fentiek miatt az ABR inkább kis távolságokon működik jól (például ATM alapú LAN). UBR (unspecified bit rate, specifikálatlan bitsebesség): nincsenek elvárásaink (hasonló az IP-hez, ott sincsenek elvárások, ha nem megy, akkor a TCP gondoskodik az újraküldésről). PCR-rel jellemezhető. Best effort alapú átvitelhez hasonló. GFR (garantied frame rate): PCR, MCR, MBS, MFS jellemzi. QoS
kialkudandó o peak-to-peak CDV (peak-to-peak cell delay variation) o max. CTD (maximum cell transmission delay) o CLR (cell loss ratio): cellát vesztünk, ha meghibásodik a fejrész, ha a puffer túlcsordul, vagy ha a cella eltéved (ritka).
fix késleltetés
p-to-p CDV
t
max. CTD
nem kialkudandó (hálózat adottságaitól függenek) o CER (cell error ratio) o SECBR (severely errored cell block ratio): milyen gyakran történik legalább m hiba egy cellában o CMR (cell misinsertion ratio): milyen gyakran kapunk olyan cellát, amit nem nekünk küldtek.
89
Forgalom management funkciók: CAC (connection admission control (mondjuk volt már call admission control is néhány hete, nem tudom melyik a jó)): összeköttetés engedélyezésének szabályozására szolgál. Feedback controls (például ilyen volt az RM cellák küldözgetése) UPC (usage parameter control): megszegik –e a forgalmi szerződést. Ezt szokták lyukas vödörrel ellenőrizni. server
S
token tár, konstans időnkánt generálódik toekn
T token tár
akkor küld a szerver tovább, ha kellő számú token felgyülemlett
SCR, PCR ellenőrizhető ezzel. A tokentár mérete meghatározza az egyszerre elfogadható börszt méretét. CLP control (cell loss priority control): erre két módszer is van, az egyik az, hogyha a küszöbértéket túlléptük, akkor csak nem eldobható cellát engedünk be a pufferbe, a másik pedig az, hogy nincs küszöbérték, ha megtelt pufferbe nem eldobható cella jön, akkor kliökünk egy eldobhatót. traffic shaping (forgalom formázás):
90
bps
ezek miatt sokkal nagyobb sávszélesség kellene nyomjuk szét időben a csúcsokat, PCR lényegesen kisebb
t
Ezt úgy lehet elérni, hogy a server elé egy puffert rakunk, és ebbe megy bele a beérkező forgalom. Melléhatásként viszont megnő a késleltetés. Csak akkor és olyan mértékben formázhatunk, ahogy a forgalom eltűri. NRM (network resource management): hálózati erőforrások konfigurálása, méretezése, átkonfigurálása tartozik ide (például a VP rendszer kialakítása (hálózat üzemeltetője alakítja ki)) FD (frame discard, keret eldobása): egész keretet dobjuk el, ha annak egyetlen egységét is eldobtuk.
Útvonalválasztás ATM hálózatban PNNI (private network node interface, magánhálózati csomópont interfész) segítségével valósul meg. Jól sikerült, ezt jelzi, hogy QoS IP valamint (nagy kiterjedésű) optikai hálózatokhoz is innen vettek ötleteket. Azt definiálja, hogy magán csomópont hogyan csatlakozhat a hálózathoz, valamint tartalmaz interfész specifikációt és útvonalválasztási keretrendszert is. Az egész ötlete az, hogy a hálózatot osszuk fel kis részekre, peer group-okra. Minden csomópont ismeri a saját alhálózatát, ezen belül megtalálja a célpontot. Ha érkezik egy igény a csomóponthoz, akkor megnézi, hogy a saját csoportjában van –e, ha igen, akkor elküldi oda. Amennyiben a célpont nincs a csoportban, akkor szól a csoportvezetőnek, aki ismeri a hálózat topológiáját (hogy mi merre van; hasonló ahhoz, hogyha Ausztriába akarunk menni, akkor nyugat fele indulunk el), így meg tudja mondani, hogy melyik szomszédos csomópontban van. Oda küld egy control csomagot, amire válaszképp az ottani csoportvezető visszaküldi a célcsomópont pontos helyét. Ez a dolog persze működik több hierarchia szinten is (és tényleg olyan, mint mikor a turista keres valamit: először ország (naprandszer, bolygó, kontinens), aztán város, aztán utca, …).
Ilesztési rétegek Négy darab van, ezek az AAL1, AAL2, AAL3/4 és az AAL5. Az AAL1 állandó bitsebességű csatornákat kezel, az AAL 5 az AAL3/4 helyett egy egyszerűsített illesztési réteg, IP-t és LAN-t képes emulálni, alkalmas FR és jelzésrendszer kezelésére is. Az mAAL (mini cell AAL illetve mobile AAL) beépült az AAL2-be. Van AAL0 is, ez a cella 48 oktetes rakomány részéhez biztosít közvetlen hozzáférést.
91
Az ATM a következő területeken egyeduralkodó: 3G mobil hálózatok (picit lejjebb erről még részletesebben is), pl. UMTS szállító hálózata ADSL IP gerinchálózata (az ATM megvalósítás előnye, hogy minden jelentős központ között kialakítható egy-egy cső, valamint esetleg védelmi út is; a sok IP kapcsoló viszont sok pénzt és sok késleltetést jelentene 3G mobil hálózatoknál a rádiós interfész szűk és drága, a sávszélesség növeléséhez csökken a cellaméret. A feladat az, hogy kis késleltetéssel, hatékonyan valósítuk meg kis információkátvitelét. Erre több lehetőség is van. Az egyik, hogy minden információhoz külön cellát rendelünk, ekkor azonban minden cellában csak 8 oktet információ kerül. Másik megoldás, hogy bevárunk több információt ugyanonnan, és ha összegyűlt egy cellányi, akkor azokat együtt küldjük el. Ennek problémája a nagy késleltetés, ugyanakkor viszont a kihasználtság jó. A harmadik megoldás a legideálisabb, ez azt csinálja, hogy több különböző összeköttetés információit összefogja, és ezeket küldi el együtt. Ehhez persze nyilván kell tartani, hogy melyik információ hova tartozik. Ehhez kis fejrészeket rendelünk minden kis információhoz (cellában sok kicsi cellácska). Ez a megoldás az AAL2 lényege. AAL5 (SEAL, simple and efficient adaptation layer): az IP csomagokra egy 8 oktetes fejrészt rak, 16
ebből 2 oktet a hossz (így a maximális hossz 2 bit lehet), 4 oktet a CRC hibajavító kód. Az IP csomagot a PAD bitek segítségével n*48 oktetre egészíti ki.
IP over ATM
protokoll beágyazás: RFC 1483 szabvány specifikálja, alagutakat definiál (PVC, permanent virtual channel, állandó virtuális csatorna) CLIP (over ATM) (classical IP over ATM): RFC 1577 illetve 2225 (továbbfejlesztett változat) szabvényok specifikálják. LIS-eket (logical IP subnet) definiál, valamint címfeloldási táblákat alkalmaz. Lényege a következő: tegyük fel, hogy A1 A2-vel szeretne kommunikálni, ekkor A1 megnézi, hogy megvan –e neki A2 IP címéhez tartozó ATM cím, amennyiben igen, akkor tud vele kommunikálni, ha viszont nem, akkor A1 megkeresi a legközelebbi name servert, ahol fut az ARP protokoll (address resolution protocol), majd elküldi neki A2 IP címét, amire visszakapja az ehhez az IP-hez tartozó ATM címet. Természetesen alkalmaznak helyi cacheket is, vagyis ha például A1 megtudta az ARP servertől,hogy mi A2 ATM címe, azt utána eltárolhatja a saját cache-ében, így a következő alkalommal könnyedén előkeresheti. LANE: nem csak IP, hanem tetszőleges LAN forgalom átvitelére is alkalmas (LAN emulálással, ezt jelzi a LANE név is). Segítségével Ethernet szegmens csatlakoztatásához nem kell plusz hardver. Ahhoz, hogy a dolog működjön, minden kliensen futnia kell a LEC-nek (LAN emulation client), valamint a szerveren futnia kell a LES-nek (LAN emulation server). A LES tartalmaz BUS-t (broadcast and unknown server), ami elküldi minden kliensnek az információt, függetlenül attól, hogy melyik kliens küldte (a BUS a megoldás egy hatékony megvalósítása, az információ többszörözését a lehető legkésőbb csinálja meg) MPOA (multi protocol over ATM) LANE v2 MPLS (multi protocol label switching): Az IP mindig a legrövidebb úton küld, ez azonban olyankor is problémához vezethet (mármint ahhoz, hogy az IP nem tudja elküldeni a csomagot), amikor más útválasztással a dolog megoldható lenne. Erre példa az alábbi ábra.
92
ha ez bedugul, akkor az IP nem tud küldeni (pedig körbe lehetne)
innen küldünk
ide akarunk küldeni
Az MPLS lényege tehát az, hogy ATM hardveren dolgozunk, de a szoftvert lecseréljük IP útvonalválasztásra és az LDP protokollra. Az LDP protokoll az útvonal mentén felcímkézi, hogy mely szakaszon mely összeköttetéshez melyik cím tartozik. Az MPLS –ben „felhők” vannak, aminek a szélein LER-ek (label edge router), a belsejében LSR-ek (label switching router) vannak. Ha egy IP session egy ilyen felhő peremére ér, akkor az ottani LER eldönti az útvonalat, beállítja a címkéket, az LSR-ek pedig csak a címke alapján irányítanak.
LER
LSR
Az LER-ek össze vannak kötve egymással, azonban emiatt az összeköttetések száma nagyon sok lehet, és elképzelhető, hogy nem elég a címkék száma. A problémára egy lehetséges megoldás a címke utak összefogása (VC merge). Persze arra nagyon oda kell figyelni, hogy az egyes IP csomagokhoz tartozó részeket egymás után küldjük el. Az MPLS technológiát elvileg bármilyen meglévő technológiára rá lehet ültetni, azonban mégis az egyetlen megvalósítás az ATM.
7.7. Optikai hálózatok Az optikai hálózatoknak több generációja is kialakult már:
Első generációs optikai hálózatok: csak a jelátvitel optikai, a csomópontok és a jelgenerátorok elektronikus elven működnek (ilyen például az SDH, ATM, FDDI) Második generációs optikai hálózatok: a teljes jelút optikai elven működik. Ilyen pl. Magyarországon a hullámhosszosztásos elven működő (WDM) akadémiai hálózat. Harmadik generációs optikai hálózatok: az egész hálózat kontrollsíkja (pl. a kapcsolók) optikai elven működik. Gyakorlatban ilyen még nincs megvalósítva, de erre tart a világ.
93
A továbbiakban ismertetjük az optikai hálózatokat felépítő egyes alkotóelemeket.
7.7.1. Fényvezető szálak Az optikai hálózatokban a vezetéket fényvezető szálnak nevezzük, melynek csillapítása hullámhosszfüggő. Ide be kéne rakni azt a szép ábrát, amit erről csináltam még a Henkes részben :) A csillapítási ablakokat számozzák (I., II. és III. ablak). Kezdetben a technológia csak a 850 nm körüli hullámhosszakon tudott jelet adni (I. ablak), újabban tetszőleges hullámhosszon meg tudják ezt csinálni, így mindhárom ablakot kihasználják (1300, ill. 1500 nm), mert a II. és III. ablaknak kisebb a csillapítása. A csúcs az 1300 és 1500 nm közt a szennyezőanyagok miatt van, a mai elképzelés szerint ezt előbb-utóbb teljesen el akarják tüntetni, hogy a két ablak összeolvadjon. Az ITU-T definiálta a hullámhossz rácsot: a központi hullámhossz 1547 nm-en indul, ezt nevezik 1. csatornának, a többi csatorna ezt min. 50 GHz-enként követi, egészen 1559 nm-ig, így max. 32 csatornát tudunk kialakítani (felső sáv). A csatornák tovább folytatódnak a másik oldalon is, 1534-1546 nm-ig van a 33-64. csatorna (alsó sáv). Ezek mind a III. ablakban vannak. A csatornákat általánosságban is (tehát ettől a hullámhossz rácstól eltekintve) 100, 50, 25 vagy 12.5 GHz-enként helyezik el egymás mellett. Magyarországon az MHIT kiírt egy tendert egy hullámhosszosztásos akadémiai optikai hálózat kialakítására, ez 2001. őszén meg is történt. 13+3 csomópont van (3 Budapesten), az egész hálózat összhossza 2000 km, három nagy gyűrűből áll, amelyek Bp-en találkoznak. 24 hullámhosszat használnak, az egyes csatornák közti távolság 100 GHz. Ez a magyar akadémiai WDM hálózat, létrehozásakor a világon az egyik legjobb ilyen hálózat volt, és még most is megállja a versenyt. A G.652 az ITU-T által definiált, Magyarországon legelterjedtebb fényvezető szál. Ez hagyományos egymódosú fényvezető szál, csak sajnos jelentős diszperziója van a III. ablakban :( A diszperzió leküzdésére hagyományos fényvezető szálakat és kompenzáló szakaszokat illesztenek egymás után, a kompenzáló szakaszt úgy alakítják ki, hogy negatív diszperziója van, és ezzel pont kioltja a fényvezető szál diszperzióját: Fényvezető szál
Komp.
Fényvezető szál
Komp.
Fényvezető szál
A fenti ábra nem méretarányos!!! További javítási lehetőség, ha a jelen alkalmazunk egy olyan előtorzítást, amellyel pont kikompenzáljuk a szakasz torzítását.
7.7.2. Erősítők Most már lehet tisztán fénytartományban erősíteni, nem kell átkonvertálni elektromos tartományba, de régebben ez volt a bevett gyakorlat. A tisztán fénytartományban működő erősítőkből két fajta fontos:
3+
EDFA: erbium (Er ) ionnal adalékolt fényvezető szálas erősítő, jellemzően 1-3 m hosszú, erbiummal adalékolt fényvezető szál, amelynek a bemenetére egy pumpáló jelet is küldünk (pl. a 980 nm-es tartományon), ezzel gerjesztjük a szálban az elektronokat. Az elektronok magasabb pályára ugranak fel, majd amikor jön egy foton, akkor ezzel a fotonnal koherens fotont bocsájtanak ki, miközben visszatérnek az alappályájukra. Ezzel több 10 dB-t is lehet erősíteni, viszont sajnos zajt is generál. Az EDFA erősítési karakterisztikája általában lefedi valamelyik ablakot. Ha nagyobb szélességben szeretnénk erősíteni, akkor olyan földfémeket is adalékolni kell, amelyek az erbiumhoz képest eltolt erősítési karakterisztikákkal rendelkeznek, majd több ilyen EDFA-t sorba kötve elérhetjük a kívánt hatást. SOA (Semiconductor Optical Amplifier): félvezetős optikai erősítő. Ugyan kisebb az erősítése és nagyobb zajt generál, mint az EDFA, de nagyon gyorsan kapcsolgatható ki-be, tehát kapcsolási feladatok ellátására is alkalmas.
94
7.7.3. Hullámcsatolók Ha két fényvezetőt egymáshoz elég közel és elég hosszan vezetünk (néhány mm), akkor az egyik szálon bemenő jel egy része átcsatolódik a másik szálra (ez a közel lévő szakasz hosszának és távolságának (az ábrán d és l) variálásával hangolható), így pl. el lehet érni, hogy ha csak az egyik szálra adunk jelet, akkor mindkét kimeneten megjelenik ugyanez a jel, mondjuk 3-3 dB csillapítással. A szétcsatolt jel egyik ágát elektromossá alakítva különböző csatornaparamétereket (pl. bithiba) tudunk mérni:
d
l
7.7.4. Kapcsolók A legegyszerűbb kapcsoló megvalósításnál a jelet kétfelé (vagy többfelé) osztjuk, majd mindkét ágra egy-egy SOA-t illesztünk be. A kapcsolóban tulajdonképpen a SOA-kat vezéreljük: mindig azt kapcsoljuk be, amerre a jelet tovább akarjuk küldeni, és a többit kikapcsoljuk. Ennél kicsit trükkösebb az elektrooptikai kapcsoló. Ez olyan anyagból készül (pl. LiNbO3: lítiumniobát), amelynek változtatható a törésmutatója (pl. feszültség hatására), így a törésmutató megváltoztatásán keresztül érhető el a kapcsoló hatás. Piezoelektromos kapcsolókban olyan kristályt használnak, amely nagyfeszültség hatására megváltoztatja a méretét, illetve fordítva (nyomásra feszültséget generál). Ezzel például egy hullámcsatoló d és l paraméterét lehet variálni, ezzel változtatva a kapcsolás mértékét. Az egyik legígéretesebb megoldás a MEMS (Micro ElectroMechanical Systems – mikro elektromechanikai rendszer) alapú kapcsoló. Ez elektronikus vezérléssel, de mechanikus elven (tükrökkel) kapcsolja a fényt. Van belőle két és háromdimenziós verzió is. Kétdimenziós esetben fognak egy kis lapkát, és erre tükröket helyeznek el. A tükör szöge feszültség hatására változtatható. Például egy 2x3-as kapcsoló, amely 2 bemeneti vonalat 3 kimenetire tud kapcsolni:
A fenti ábrán a ferde vastag vonalak a tükrök, a bemeneti vonalak a kapcsolóba a bal szélén jönnek be, a kimeneti vonalak pedig az alsó felén távoznak. A tükröket el lehet fordítani úgy, hogy ne álljanak
95
a fény útjába, ily módon be lehet velük állítani, hogy melyik bemeneti csatorna melyik kimenetre csatlakozzon. Például ha az első sorban a második, a második sorban a harmadik tükröt rakjuk a fény útjába és a többit elfordítjuk (vagy belesüllyesztjük a lapkába), akkor az első bemeneti vonal a második kimenetire, a második bemeneti vonal a harmadik kimenetire fog csatlakozni. A 2D MEMS kapcsolónak azonban nagy hátránya, hogy a tükrök száma a vonalak számával négyzetesen arányos (ha ugyanannyi bemenő vonalat kapcsolunk ugyanannyi kimenőre). Ezt a hátrányt küszöböli ki a 3D MEMS kapcsoló. Itt a tükrök egy speciális keretben vannak, ami segítségével mind a vízszintes, mind a függőleges tengelyük körül foroghatnak:
tükör
A felfüggesztés a külső kereten lévő két tengelydarab segítségével történik. A 3D MEMS kapcsolóban a bemeneten eleve mátrix alakban jönnek be a csatornák, a kimeneten pedig mátrix alakban mennek ki. A bemenet és a kimenet között két tükörmátrix helyezkedik el az alábbi ábra szerint:
Az ábrán a vastag vonalak a két tükörmátrixot jelölik. Ezek megfelelő beállításával egy bemeneti csatorna tetszőleges másik kimenetre kapcsolható, és a tükrök száma a csatornák függvényében lineáris (mivel kétszer annyi tükör kell, mint amennyi csatorna). Hátrány, hogy a tükrök pozicionálásának nagyon pontosnak kell lennie. A MEMS-ek közös hátránya, hogy mozgó alkatrészek vannak bennük, amik előbb-utóbb tönkremennek. Még egy kapcsolási lehetőség a bubble switch (buborékkapcsoló) alkalmazása. Ezek kapilláris csövekből épülnek fel, amelyeket folyadék tölt ki. A cső közepén egy elektróda helyezkedik el, ha erre áramot kapcsolunk, akkor felmelegíti a folyadékot a kapilláriscső belsejében, és ezzel egy buborékot képez a csőben. Ilyenkor a buborék miatt a cső törésmutatója megváltozik, és visszaveri a fényt, míg alaphelyzetben átengedi:
Lezárás a cső végén
elektróda
Ha az elektróda nincs bekapcsolva, a fény visszaverődik a csőről a folytonos nyíllal jelzett útvonalon. Ha azonban buborékot képezünk a csőben, a törésmutató megváltozik, és a fény át tud haladni a
96
csövön, amit a szaggatott vonal jelez. Ezzel a módszerrel kétfelé tudunk kapcsolni, ha többfelé szeretnénk, akkor egyszerűen újabb csöveket kell a megfelelő helyeken a fény útjába tenni.
7.7.5. Szűrők A fényszűrőket elvileg megvalósíthatnánk prizmákkal is, de ezt nem szokták csinálni, helyette a következő megoldások állnak a rendelkezésünkre:
Rácsok: a rácsra beeső fénynyaláb hullámhosszak szerint különböző szögben hajlik meg, ezt lehet használni szűrésre. Fényvezető szálba ibolyántúli sugárral lehet kis "vonalakat" gyártani, amelyek törésmutatója más, ezek is használhatóak szűrésre. Kis "rezgőüregeket" is gyárthatnak a szálban, amelybe oda-vissza verődik a fény, és ez egyes hullámhosszokat kiolt, ha az üreg méretét helyesen állítjuk be. Arrayed Waveguide Grading (AWG) - tömbös hullámvezető rács.
Amint látható, a fény egy kis üregbe érkezik be, amelynek több kimeneti nyílása is van. A fény egyszerre megvilágítja az összes kimeneti nyílást, így ugyanaz a fényhullám fog haladni a két üreget összekötő szakaszokon, azonban ezek hossza úgy van beállítva, hogy a szomszédos vezetékek között a hosszkülönbség fix legyen, így amikor a második üregbe beérkeznek ezek a fényhullámok, akkor az összegződéskor a fáziskülönbségek miatt a hullámhosszak bizonyos helyeken kioltják egymást. A szűrt jel ezután például egy patch kábellel lecsatolható (ezt a megoldást alkalmazzák a magyar akadémiai hálózatban), sőt, mivel a kioltások helyfüggőek, ezért többféle szűrt jelet is le tudunk szedni.
7.7.6. Optikai hálózatok fejlődése Kezdetben az optikai kábelekben egyetlen hullámhosszúságú fény ment egy irányba, tehát egyetlen jelet továbbítottak rajta. Később rájöttek, hogy különböző csillapítási ablakban lehet két jelet is küldeni (esetleg az egyik jel lehetett az odairányú, a másik a visszairányú forgalom vivőjele). Utána kialakultak a pont-pont jellegű WDM (hullámhosszosztásos) szakaszok. Ehhez az OADM-et (optikai elven működő Add-Drop Multiplexer) használtál, aztán fellépett az igény, hogy menet közben lehessen konfigurálni, hogy az OADM mely hullámhosszakat emeljen ki és rakjon vissza, így megalkották az ROADM-eket (Reconfigurable, átkonfigurálható OADM). Utána megjelentek a gyűrű alakú WDM szakaszok, amelynek nagy előnye volt, hogy egy csomópontból egy másik csomóponthoz rögtön két úton is lehetett küldeni a jelet, ráadásul a hibák ellen is egyfajta védelmet nyújtott. A következő lépcsőfok a gyűrűk összekötése és a hierarchikus gyűrűk megjelenése volt, végül a szövevényes hálózatok is kialakultak. Jelenleg az országos szintű hálózatok általában gyűrűk (vagy hierarchikus gyűrűk), de pl. egy európai szintű már általában szövevényes. OTN: Optical Transport Network (optikai szállító hálózat) – ez egy nagy kiterjedésű optikai hálózat, amely működése központosított: amikor valaki forgalmazni akar rajta, beszól a központnak, a központ pedig kézben tartja az egész hálózat állapotát (hol, milyen összeköttetések vannak és azokon mely hullámhosszak szabadok), és ebből megállapítja, hogy merre érdemes küldeni az adatot. Ezek után beállítja a rendezőket és az ADM-eket az új útvonalnak megfelelően (pl.: egy ADM-nek ilyenkor
97
le kell szednie az 1. bemenetén lévő 500 nm-es jelet és a 3-as kimenetére továbbadnia). Ezek után engedélyezi az adatforgalmat. Ez mellesleg ITU-T ajánlás is. A következő lépcsőfok: dinamikussá kéne tenni az OTN-t. Az első ilyen kezdeményezés az MPS (Multi Protocol (Lambda) Switching). Ez az IETF elképzelése, és a lényege az, hogy ha egy csomópontban a 1 hullámhosszon veszi be a jelet, akkor azt továbbadhassa egy 2 hullámhosszon is, és ne csak az eredeti 1-en. Ehhez minden csomópontban szét kell szedni a bejövő optikai jelet elektromos csatornákra, azt kapcsolni, és utána újra összerakni optikai jellé. Másik elképzelés: Automatic Switched Optical Network (automatikusan kapcsolt optikai hálózat), ez az ITU-T elképzelése Körülbelül itt tart ma a világ, 2002. őszén Torinóban csináltak egy OTN teszthálózatot. A további fejlődés a többrétegű optikai hálózatok irányába vezet, erre is van már két elképzelés:
GMPLS (Generalized MPLS, általánosított MPLS): IETF elképzelés, nem címkekapcsolásról van benne szó, csak a címkekapcsolás elvéhez hasonló, több különböző technológia egymásra rétegződéséből adódik, az egésznek a kontrollsíkja marad hasonló az MPLS-hez ASTN (Automatic Switched Transport Network): ITU-T elképzelés, itt is általánosításról van szó (nem csak optikai!). Legfelül a Packet Switching Capable (PSC) csomagkapcsolásra alkalmas réteg van, ez aszinkron időosztásos kapcsolást jelent, jellemzően NEM optikai tartományban. Utána az L2SC réteg jön: (Layer 2 Switching Capable), ez el is hagyható, itt lehet egy másik réteg, pl. Ethernet kártyaszámok szintjén kapcsolni. Utána a TDM réteg vagy SDH elven, vagy Digital Wrapper (digitális "csomagoló") csomagokkal (4080 oktetes keretek, amelynek a végén 256 oktet hibajavító kód van, ez a Forward Error Correction, röviden FEC), amelyeket a magasabb rétegek csomagjaival lehet tölteni. A FEC arra jó, hogy a hibajavítás miatt nincs akkora szükség jelregenerálásra, tehát távolabbra tudok forgalmazni. A következő réteg a SC ( switching capable) vagy a WBSC (Waveband Switching Capable), ez nem hullámhosszat, hanem teljes hullámsávot tud kapcsolni. A legalsó réteg az FSC (Fiber Switching Capable), amely az egyes fényvezető szálak kapcsolására alkalmas
A kapcsolási módokban is kialakulóban van két új irányzat: az optikai csomag és az optikai burst alapú kapcsolás irányzata. Optikai burst kapcsolás akkor érdemes, ha egy csomópont rövid ideig forgalmaz egyszerre. Ilyenkor a hálózat peremén elvégezzük a burst-ök összegyűjtését (burst assembly), tehát mindazon adatfolyamokat, amik a hálózaton belül ugyanarra igyekeznek. Nyilván nem gyűjtünk túl sok ideig, mert az késleltetést okozna (tehát gyakorlatilag időrésekre osztjuk az időt, és rés végén mindenképpen küldünk). Amikor összejött egy burst-nyi adat, akkor azt egyszerre küldjük át, de előtte küldünk egy kontrollüzenetet, amellyel ellenőrzünk, hogy a teljes úton van-e elég hullámhosszkapacitás az adott időrésben. Ha nincs, akkor várunk, ha pedig már túl sokáig várnánk, akkor vagy más utat választunk, vagy pufferelünk. Optikai csomagkapcsolásnál csomagokra osztjuk az adatfolyamot, a csomagok fejrésze és adatrésze között mindig hagyunk ki egy kis időt (guard time, "őridő"), ugyanúgy, mint az egymást követő csomagok között. Ezek után kapcsolásnál a bemeneten a teljesítmény kis hányadát leágaztatjuk, elvégezzük rajtuk az optoelektronikus átalakítást, egy elektromos berendezés értelmezi a fejrészt, majd a fejrész alapján vezérli a kapcsolómátrixot úgy, hogy mire az adatrész odaér, a kapcsoló már helyesen legyen beállítva. Általában egy késleltető vonal is be van téve a bemenő vonalakra a leágaztatás után, hogy biztosan be tudjuk állítani a kapcsolót.
98
8. Távközlési szoftverek Előadó: dr. Csopaki Gyula (
[email protected])
A távközlési szoftverek mindegyikére jellemzőek az alábbi tulajdonságok:
Beágyazott rendszerként működnek Igen erős interakció a hardverrel Valós idejű rendszerek, minden pillanatban üzeneteket küldünk és üzenetekre vagy timerekre várunk. A rendszer mindig válaszol az üzenetekre. Ha a válasz nem érkezik meg egy adott tx időn belül, akkor lejár a timer, és újra elküldjük a kérést. Tehát valami mindig történik, vagy üzenet jön, vagy timer, sőt még az ismétlésszámlálók is le vannak korlátozva. Erősen párhuzamos és elosztott működésűek Nagyon precíz és egyértelmű implementáció, amely mindig formális specifikáción alapul (SDL: Specification and Description Language, vagy LOTOS (temporális logikán alapuló, matematikus szagú leírónyelv, ezért a mérnökök nem is szeretik), vagy ESTELLE (kommunikáló kiterjesztett véges automatákon alapul: Communicating Extended Final State Machines. A kiterjesztés itt azt takarja, hogy vannak globális változók, amelyeket az összes automata lát). Igazából az SDL is CEFSM alapú, csak ezt az ITU-T és az ETSI nyomatta, mint atom, és ezért lett szabvány. A LOTOS és ESTELLE ISO szabvány.
Az SDL-ből van grafikus (SDL-GR) és programnyelvi (SDL-PR) változat is. Az SDL-GR nagyon népszerű, de a parserek (elemző programok) az SDL-PR-t tudják csak kezelni, tehát az SDL-GR is SDL-PR-t csinál. Az SDL parserek LL(1) és LR(1) elemzők alapján működnek.
A következőekben az InRes protokoll leírását fogjuk SDL alapon megnézni. A user
B user
Initiator
Response
Medium
99
Kapcsolatorientált információátviteli rendszer A közeg megbízhatatlan Az Initiator és a Response entitás a közeg szolgálati primitívekkel kommunikál a közeggel (Medium) Az A és a B user pedig szolgálati primitíveken keresztül kommunikál az Initiator és Response entitásokkal
A kapcsolatfelépítés (Connection Establishment) folyamata MSC diagramokkal (Message Sequence Chart):
A user
InRes service
IConReq
B user
IConInd
IConConf IConResp
(ICon: Initiator Connect, Req: request, Ind: indication, Resp: válasz, Conf: megerősítés)
Kicsit másként fest a dolog, ha B nem akar A-val kommunikálni:
A user
InRes service
IConReq
B user
IConInd
IDisConf IDisResp
(IDis: Initiator Disconnect) Ez eddig mind szép és jól működik, egészen addig, amíg feltételezhetjük, hogy a B user mindig válaszol. De mi van akkor, ha B nem válaszol, vagy a válasza elveszik valahol? A megoldás az, hogy A-ban az IConReq elküldésekor egyúttal beállítunk egy timert is, és ha ez lejár, akkor újraküldjük a kérést.
A user
timer lejár
timer újraindul
InRes service
B user
IConReq
IConInd
IConReq2
IConInd2
IDisConf IDisResp
100
2. Information Transfer (adatátvitel) A user
InRes service
IDatReq
B user
IDatInd
(IDat: initiator data) Ez volt a sikeres adatátvitel esete. Sikertelen adatátvitelnél a következő zajlik le:
A user
InRes service
B user
IDatReq IDatInd A fenti ábra igazából nem írja le, hogy az InRes service belsejében mi történik, erre majd a későbbiekben fog sor kerülni.
3. Disconnect (kapcsolat bontása) Disconnect esetén a kapcsolat bontását mindig a B user kezdeményezi (ez ugyan nem tükrözi a hagyományos telefon működését, de pl. a telefax pontosan így megy: ott mindig a küldeményt fogadó készülék kezdeményezi a kapcsolat megszakítását.
A user
InRes service
B user
IDatReq IDatInd
Az InRes service-nél az OSI modellhez hasonlóan az Initiator és a Response között PDU-k mennek, amelyek az InRes protokoll szabályainak megfelelő formátumúak. A protokoll SDL leírása során a rendszert hierarchikusan fogjuk szemlélni. Az SDL hierarchia tetején mindig a System entitás áll, amelyet véges sok blokkra osztunk, aztán ezeket újabb blokkokra, majd végül a legalsó szinten lévő elemekhez processzeket rendelünk:
101
Block1
Block3
Block4 … Blockn
Block12 …. Block1m
Viselkedés leírása
Block11
Block2
Strukturális leírás
System
Process1 Process2 … Processm
A legalsó szinten az igazi véges automata elemeket mindig processzek írják le. A processzek szolgálnak, tehát ők írják le a viselkedést (behaviour). Az ábra felső fele a rendszer struktúrájának a leírása. Ezt a blokkhierarchiát általában egymásba ágyazott dobozokkal ábrázolják, ahogy az alábbi ábrán is:
System_InRes block InRes
block St_Ini
ISAP_Ini
RSAP_Res
block St_Res
ISAP1
process Initiator
RSAP1
process Response IPDU
RPDU
process Initiator coder
process Response coder MSAP
MSAP
MSAP1
MSAP1
NSAPr1
NSAPr2
block network
process
process
102
Jelmagyarázatok az ábrához: ISAP=Initiator Service Access Point, RSAP=Response Service Access Point, MSAP=Medium Service Access Point, NSAP=Network Service Access Point, IPDU=Initiator Protocol Data Unit A processzek közti utakat jelutaknak (signal route) nevezzük, ezeken keresztül kommunikálnak egymással. A blokkok közti kommunikáció csatornák (channel) segítségével történik. Ilyen pl. az MSAP1, MSAP2, ISAP1, RSAP1, ISAP_Ini, ISAP_Res. A jelutak nem késleltetnek, a csatornák viszont lehetnek késleltető (delay) és nem késleltető (no-delay) csatornák is. Jelölésben annyi közöttük a különbség, hogy no-delay csatornáknál a nyilak a vonalak végén vannak (mint fent), delay csatornáknál viszont a vonal közben. A processzek nem statikus elemek, bármikor dinamikusan létrehozhatók., mindössze az van meghatározva, hogy egy adott processzből hány darab hozható létre. Így a processzeket általánosan a következőképpen szokták jelölni:
process Initiator (1,1)
A zárójelben levő két szám közül az első arra utal, hogy kezdetben hány ilyen processz van létrehozva, míg a második szám arra, hogy maximum mennyit lehet létrehozni belőle. Az InRes protokollnál az Initiator porcesszből kezdetben egy darab van, és nem is lehet belőle többet létrehozni. Amennyiben a zárójeles értékpár például (0, ) alakú, akkor az azt jelenti, hogy az adott processzből még egy sincs létrehozva, és nincs felső korlát arra nézve, hogy legfeljebb hány ilyen processz hozható létre. Tipikus ilyen processzek a kapcsolóközpontban kelettkező hívások (kezdetben nincs egyetlen kapcsolat se, ahogy jönnek be a híváskérések, nő a kapcsolatok száma, és elvileg bármennyi hívás létrejöhet (persze a gyakorlatban nem jöhet létre tetszőlegesen sok hívás)).
Jelkezelési stratégia bemeneti sor (FIFO)
process p1
process p2
process p3
103
Minden processzhez tartozik egy FIFO bemeneti sor (input queue). A sorhossznak nincs felső határa. A sorba signal és timer kerülhet. A processzek saját maguknak is küldhetnek jeleket.(például timert). Egy processz belsejét szinte mindig kommunikáló kiterjesztett véges állapotú automatának tekintjük.
Process Initiator Magyarázat az ábrához:: CR: connect request, CC: connect confirmation, T:timer ebben a grafikus nyelvben csak az állapotba bementekor kell nyilat rajzolni counter egy számláló, ami azt jelzi, hogy hányszor próbált a protokoll kapcsolatot létrehozni (a kísérletek száma a valós életben általában kettő (egy + egy újrapróba)) T egy timer, ami a protokollban 5 időegységre van állítva (ezt a beállítást a synonym p Duration:=5 paranccsal lehet megtenni). Mikor kiadjuk a set(now+p,T) parancsot, akkor a T timert beállítjuk a jelenlegi időpillanathoz képestr 5 időegységel későbbre (a valós életben a timer beállítása 1s körüli) azokat a jeleket, amikről az ábra nem rendelkezik egy adott állapotban, azokat eldobhatjuk (például ha wait állapotban CR jön) number az átviendő adat sorszáma (ebben a protokollban number értéke 0 illeve 1 lehet) a többi jelölés már korábban meg volt magyarázva (mint például az ICONreq)
104
disconnect
ICONreq
CR
counter:=1
set(now+p,T)
wait
CC
DR
ICONconf
reset(T)
reset(T)
IDISind
number:=1
disconnected
T
counter<4
CR
disconnected
wait
Az ábra folytatása:
105
IDISind
inc(counter)
set(now+p,T)
connected
false
connected
IDATreq(d)
DR
DT(d,number)
IDISind
counter:=1
disconnected
set(now+p,T)
sending
IDATreq(d): Initiator data request, a d paraméter pedig az átviendő adat itt is beállítunk egy timert, ami azt figyeli, hogy az adatküldésünkre (DT) jön –e válasz DR: disconnect request
106
sending
AK(num)
IDATreq(d)
T
reset(T)
num = number positive ACK
number:= succ(number)
connected
negative ACK
counter<4
DT(d,number)
inc(counter)
IDISind
disconnected
set(now+p,T)
sending
succ: rákövetkező érték (tehát ha a lehetséges értékek például 0 és 1, akkor 0 után 1, 1 után 0 jön) AK: acknowledgement, paramétere num, ami azt jelzi, hogy milyen sorszámú üzenetet fogadott el éppen a vevő DT: data transmit, paraméterei, hogy mit és milyen sorszámmal küldünk A rombusz felül save-et jelöl, vagyis azt jelenti, hogy bár az adott állapotban nincs szükségünk arra az üzenetre, de később még szükség lesz, így az üzenetet visszarakjuk a bemeneti sorba
107
Process Responder
connected
disconnected
DT(d,num)
CR
num = succ(number)
false
ICONind IDATind(d)
wait
AK(number)
AK(num)
ICONresp number:=succ (number) number:=0 connected CC
connected
A vízszintes vonalas állapot azt jelöli, hogy menj vissza addig az állapotig, ahonnan jöttél. Tehát jelen esetben egyenértékű azzal, mintha connected-et írtam volna oda mínuszjel helyett.
108
* IDISreq
DR
disconnected
A csillagos állapot azt jelzi, hogy minden állapotra vonatkozik ez a rész Olyat is lehetne, hogy nem * lenne oda írva, hanem *(st1,st2), ez azt jelenti, hogy minden állapotra vonatkozik, kivéve az st1 és st2 Olyan is lehet, hogy az állapotba st1,st2,st4 van beírva, ez azt jelenti, hogy az adott rész st1re, st2-re, st4-re igaz
Process Initiator coder
idle
CR
sdu!id:=CR
DT(d,num)
MDATind(sdu)
sdu!id
sdu!id:=DT sdu!num:=num sdu!data:=d CC CC
AK AK(sdu!num)
DR
other
DR
MDATreq(sdu)
idle
idle
SDU (service data unit): egy id, egy num és egy data részből áll. Az id (identifier) a PDU typusa. A medium rétegen ezeket az SDU-kat visszük át
109
A process initiator coder az MDATreq és MDATind primitíveken keresztül kommunikál a medium réteggel, és a CR, DT, CC, AK, DR PDU-kal kommunikál a felette levő réteggel MDAT: medium data
A többi processz olyan egyszerű, és annyira nem hozna semmi újdonságot, hogy azokat inkább nem is néztük meg. Ismétlés: a távközlő szoftverek tulajdonságai (némi kiegészítéssel a 2. előadás anyaga alapján):
Mindig beágyazott rendszerként működnek (embedded systems) Erős interakció a hardverrel Valós idejű rendszerek, stimulus-response kommunikációt végeznek Matematikai apparatus: CEFSM (Communicating Extended Finite State Machines) Párhuzamos, elosztott rendszerek Precíz implementáció, formális leíró nyelvvel (ebből mi az SDL nyelvvel foglalkoztunk) Mindig nagy méretűek Magas fokú megbízhatóság: “öt-kilences” rendelkezésre állás (99,999%) Moduláris felépítés strukturáltság, hierarchikusság Skálázhatóság (ugyanaz a kód fut a kis helyi központban, mint a nagy nemzetköziben, esetleg pár modul ki van kapcsolva benne vagy ilyesmi) Redundáns elemek (nagy megbízhatóság miatt) Multiprocesszing/multitasking, többszálúság Kihegyezett teljesítményű adatbáziskezelés
Az SDL nyelvű leírásból az implementáció automatizált tool-ok (pl. SDT: SDL Design Tool) segítségével készíthető. Az SDL rokonságban van az UML-lel, csak az UML egy absztrakciós szinttel magasabb, tehát nem olyan részletes modellezést tesz lehetővé. Ugyanakkor lehetséges a kettő közti transzformáció. Mivel a kódot az SDL-ből automatizálva generáljuk, ezért az SDL leírást is tesztelni kell, erre különböző módszerek állnak rendelkezésre (TTCN, ASN.1).
CORBA CORBA=Common Object Request Broker Architecture Az idő rövidsége miatt nincs lehetőség a CORBA részletes ismertetésére, de az érdeklődő kollégáknak íme egy URL: http://www.corba.org/gettingstarted A CORBA architektúrája valahogy így néz ki:
110
Kliens
Interface Repository
Dynamc Invocation Interface (DII)
Szerver
Client IDL Stubs
Static Skeleton
Dynamic Skeleton Interface Implementation Repository
ORB Interface Object Adapter
ORB (Object Request Broker) core ORB1
ORBn
Néhány nem annyira triviális angol szó magyarázata: repository=tárház, invocation=hívás, IDL=Interface Definition Language (interfész definíciós nyelv), stub=csonk, skeleton=csontváz. Az ORB core-ban az ORB1..ORBn szaggatott téglalapok azt hivatottak jelképezni, hogy többféle ORB is létezik. A CORBA egy általános célú objektumorientált szabvány elosztott programok fejlesztésére. A kliens és a szerver objektumok különböző nyelven is készülhetnek, az interfész definíciós nyelv (IDL) az, ami "felülemelkedik" az összes programozási nyelven és egy interfészt biztosít a kliensnek a szerveren működő objektumokhoz. Az ORB core-nak két feladata van:
Biztosítja a kommunikációs kapcsolatot a kliens és a szerver objektumok között egy elosztott környezetben. Ennek a protokollcsaládja a GIOP (General Inter-ORB Protocol). Van még pl. IIOP (Internet Inter-ORB Protocol) is, ami a TCP/IP rendszereken való működést teszi lehetővé. Felismeri és azonosítja a klienskéréseket, ennek megfelelően azonosítja a szerverobjektumokat
Ezen két feladat alapján az ORB egy kicsit hasonlít az RPC-hez (Remote Procedure Call). Az ORB magára vállalja az objektum lokalizációjának kezelését, az objektum implementációjának és belső állapotának a transzparenciáját (átlátszóságát), az objektummal való kommunikáció mechanizmusának kezelését. Az IDL hasonló a C++-hoz, az objektum interfész deklarálását biztosítja, és nyelvfüggetlen deklarációt tesz lehetővé (elvileg a Fortrantól a Java-ig bármilyen nyelvbe lehet ágyazni). DII (Dynamic Invocation Interface): biztosítja azt, hogy ha az objektum rendelkezésre áll, akkor a kliens csonkok kinyerése lehetséges legyen a szerver számára. Interface Repository: futásidejű adatbázis a szerver oldali objektumok IDL definícióiról. Ezeket a DII helyezi el ide, amint azok rendelkezésre állnak. Object Adapter: a szerverobjektumok elindítását, karbantartását támogatja (pl. ha egy Java objektumról van szó, akkor indít egy Java VM-et, ha adatbázisobjektumról, akkor a DBMS-hez fordul stb.). Az ORB felé egy kommunikálható szerverfelületet nyújt.
111
Skeleton: szerveroldali implementációk hívására vonatkozóan különböző statikus és dinamikus információk tárolását nyújtja. Innentől kezdve a jegyzet végéig az anyag elérhető PowerPoint slide-ok formájában Ziegler Gábor weboldalán (az előadás ezen részét ő tartotta): http://leda.ttt.bme.hu/~ziegler/TavkHal A fentebb említett magas fokú megbízhatóság (99,999%, tehát éves szinten 525600 percből 5,256 perc kiesés lehet. Megjegyzés: a Matáv éves árbevétele 122.240 MFt, tehát több, mint 232.572 Ft percenként, azaz öt perc kiesés 1.2 millió Ft-ot jelent) megköveteli azt, hogy a távközlő szoftverek frissítését a rendszer működése közben végzik. Körülbelül olyasmi ez, mintha repülőgépen a levegőben, repülés közben cserélnének motort.
Távközlési szoftverek részei „Only the external behaviour of Open Systems is retained as the standard of behaviour of real Open Systems” (ISO OSI modell, X.200 ITU-T ajánlás), azaz szabad fordításban a nyílt rendszereken csak a külső viselkedést lehet számon kérni, a belső vezérléshez, belső működtetéshez, a belső szoftverekhez senkinek semmi köze. Ami minket érdekelhet, azok a külső szoftverek (gyakorlatilag a protokollok). Mivel a gyártó általában nem engedi megnézni, hogy mi van a berendezésében, ezért a hagyományos „white box” módszert nem lehet alkalmazni a tesztelésnél. A protokollokat három fő szabálykészlet együttese alkotja. Ezek az alábbiak: Szintaktikai szabályok: az üzenetek formátuma. Erre szolgál pl az ASN.1 nyelv (Formal Description Technique, formális leíró technika) Szemantikai szabályok: az üzenetek jelentése (sokszor csak implicit megadással, az időbeli szabályokban elrejtve) Időbeli szabályok: mikor, milyen szituációban milyen üzenetet küldhetünk és kaphatunk, mi az, ami nem megengedett. Ezek megadására szolgálnak az SDL, Estelle, LOTOS nyelvek A köznyelvi („plain text”) megadás nem egyértelmű, de az OSI miatt nem nézhetünk bele a „dobozba”, tehát tesztelésről, hibamentességről meggyőződni elvileg nem lehet. Vezérelhetőségi probléma: a beágyazott rendszer belső interface-eihez nem tudunk közvetlenül hozzáférni, ezért nehéz elérni egy tesztelés során azt a kritikus szituációt, amit tesztelni szeretnénk. Konkrét példa: az UMTS-ben a bázisállomás csatornakiosztását az NBAP protokollon keresztül az RNC (Radio Network Controller) nevű eszköz vezérli. Ha a bázisállomást akarom tesztelni, azt könnyen megtehetem, mert csak az RNC-t kell lecserélnem egy olyan teszteszközre, amelyik a bázisállomást NBAP protokoll szerinti csomagokkal bombázza a tesztelni kívánt szituációknak megfelelően. De mi van akkor, ha az RNC-t szeretném tesztelni? Megfigyelhetőségi probléma: az InRes protokoll tesztelésénél pl. egyszerre három interface-t is kéne figyelnem (az A user, a B user és az InRes service interface-ét), de a gyártó nem enged belenézni az InRes service működésébe, tehát gyakorlatilag csak az A user-t (magamat) és az InRes service A user felőli interface-ét látom. Ezért azt kell mondanom, hogy akkor helyes az InRes működése, ha az IConReq beküldésekor előbb-utóbb az IConConf kijön, de nem tudom ellenőrizni, hogy közben mi van a másik két primitívvel (pl. ennyi erővel akár a Resp előbb is jöhet, mint az Ind).
A különféle FDT-k kapcsolata
112
ASN.1: Abstract Syntax Notation, Number One Formális jelölésmódszer protokollok szintaktikai szabályainak leírására. Van egy absztrakt szintaxisa, ami a protokoll üzenetek struktúrájával és tartalmával foglalkozik. Ezeket egy általános ASN.1 enkóder kódolja át vonalon továbbítható bitfolyammá, így nekünk nem kell az egyes számábrázolási formákkal meg hasonló részletkérdésekkel szórakozni (nem kell újra feltalálni a kereket, tehát újra kitalálni, hogy pl. egy előjeles egész számot milyen kódolással vigyünk át a vonalon), mert azt az ASN.1 enkóder az átviteli (transzfer) szintaxis segítségével elvégzi. Az ASN.1 enkóder akár harmadik féltől is származhat. A transzfer szintaxisban számos kódolási szabály készletet definiálnak (BER, PER, CER/DER, XER, itt az ER: encoding rules, B=Basic, P=Packed, X=XML stb.). Ezek platform független szabványok, szabványos, alaposan letesztelt, újrahasznosítható "enkóder generátorok", így ugyanazon absztrakt szintaxishoz gyakorlatilag bármelyik enkóder generátor használható.
TTCN TTCN: korábban Tree And Tabular Controlled Notation, a 3-as verziótól kezdve Testing And Test Control Notation. Ettől a verziótól kezdve általános célú teszt nyelv. Feladatai:
Teszt gerjesztés küldése A kapott válasz elemzése (opcionális, a tesztelés szempontjából közömbös vagy tetszőleges sorrendű elemek kezelése), esetlegesen alternatív/adaptív tesztek a teszteredményektől függőn Időzítési követelmények ellenőrzése
Mivel az előadáson a TTCN részletesebb ismertetésére nem volt idő, ezért csak a fenti általános jellemzőket kell róla tudni.
113
