Távközlő hálózatok (egyetemi órai jegyzet)

Távközlő hálózatok (egyetemi órai jegyzet)

Írták: Dóbé Péter Groll Bálint Henrik Nagy András László Nepusz Tamás

Lakat Máté Varga Edina

Szerkesztették és kiegészítették: Kovács Benedek Ludányi Zoltán

A tárgyat előadták: Dr. Henk Tamás (1-6. fejezet) Dr. Cinkler Tibor (7. fejezet) Dr. Csopaki Gyula és Dr. Ziegler Gábor (8. fejezet) E jegyzetet lektorálták: Dr. Henk Tamás Dr. Cinkler Tibor BME TTT BME, Műszaki Informatika szak, 2003.

Tartalomjegyzék TARTALOMJEGYZÉK................................................................................................................................. 0 0. BEVEZETÉS ............................................................................................................................................... 1 0.1. A TTT TANSZÉK ..................................................................................................................................... 1 TTT = Távközlési és Telematikai tanszék .............................................................................................................. 1 A tanszék elhelyezkedése ....................................................................................................................................... 1 A tanszék szerepe az egyetemi oktatásban.............................................................................................................. 1 Oktatás-képzés a műszaki informatikus hallgatók számára: ................................................................................... 1

0.2. TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK (TH) ................................................................................................................. 2 Előadók, elérhetőségeik: ......................................................................................................................................... 2 TH oktatási segédanyagok: ..................................................................................................................................... 2 Magyar nyelvű irodalom:........................................................................................................................................ 2 TH követelmények:................................................................................................................................................. 2 TH célkitűzése: ....................................................................................................................................................... 3 Tárgy jellege: .......................................................................................................................................................... 3 A tárgy felépítése .................................................................................................................................................... 4 Kapcsolódó tárgyak: ............................................................................................................................................... 5

1. INFORMÁCIÓKÖZLŐ HÁLÓZATOK FEJLŐDÉSE .......................................................................... 7 1.0. BEVEZETÉS.............................................................................................................................................. 7 Az egyszerű hálózati modell................................................................................................................................... 7

1.1. ALAPTECHNOLÓGIÁK FEJLŐDÉSE ............................................................................................................ 8 Az intelligencia megvalósításának lehetőségei ....................................................................................................... 8 Hosszútávú, nagy kapacitású memóriák ................................................................................................................. 8 Átviteli utak ............................................................................................................................................................ 8

1.2. HÁLÓZATOK FEJLŐDÉSE VILÁGSZERTE.................................................................................................... 9 1.2.1. Elektronikus hálózatok fejlődése ..................................................................................................... 9 Mai helyzet világszerte ........................................................................................................................................... 9 Mai helyzet Nyugat-Európában ............................................................................................................................ 10

1.2.2. Modellezés – logisztikai görbe....................................................................................................... 11 1.2.3. Gazdasági hatások......................................................................................................................... 13 1.2.4. Fejlődés – recesszió:...................................................................................................................... 14 Tőzsdei hatások (USA) ......................................................................................................................................... 14 Tőke kivonás hatása (EU, lásd később) ................................................................................................................ 14 A két hatás eredménye .......................................................................................................................................... 14

1.3. TH FEJLŐDÉSE MAGYARORSZÁGON ...................................................................................................... 15 1.3.1. 1938-ig........................................................................................................................................... 15 Szolgáltatás........................................................................................................................................................... 15 Ipar........................................................................................................................................................................ 15 Kutatás és fejlesztés .............................................................................................................................................. 15

1.3.2. 1945-90.......................................................................................................................................... 16 Szolgáltatás........................................................................................................................................................... 16 Ipar........................................................................................................................................................................ 16 Kutatás és fejlesztés .............................................................................................................................................. 16

1.3.3. 1990-től.......................................................................................................................................... 17 Bevezetés – elnevezések ....................................................................................................................................... 17 Ipar – eleinte ......................................................................................................................................................... 17 Szolgáltatás........................................................................................................................................................... 17 Ipar – folytatás ...................................................................................................................................................... 18 Kutatás és fejlesztés .............................................................................................................................................. 18

2. IH TECHNOLÓGIAI ÁTTEKINTÉS..................................................................................................... 21 2.0. BEVEZETÉS............................................................................................................................................ 21 2.1 TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK ......................................................................................................................... 22 2.1.0. Bevezetés – hálózati síkok.............................................................................................................. 22 2.1.1. Keskenysávú távközlő hálózatok.................................................................................................... 23

Távíró hálózat ....................................................................................................................................................... 23 Távgépíró hálózat ................................................................................................................................................. 23 Távbeszélő hálózat................................................................................................................................................ 24

2.1.2. Nyalábolási technikák.................................................................................................................... 25 A nyalábolás ......................................................................................................................................................... 25 FDM hierarchiák................................................................................................................................................... 26 TDM hierarchiák .................................................................................................................................................. 26 A PDH hierarchia ................................................................................................................................................. 27 Európai hierarchia:................................................................................................................................................ 27 Amerikai (transzatlanti) hierarchia ....................................................................................................................... 27 Kétirányú átvitel ................................................................................................................................................... 28 Az órajel előállítása .............................................................................................................................................. 28 Egy tipikus felépítés, a kodek helye...................................................................................................................... 29 A pleziokron tulajdonság – sebességkiegyenlítés ................................................................................................. 30 Leágaztatás ........................................................................................................................................................... 31

2.1.3. Keskenysávú adathálózatok ........................................................................................................... 33 Példa: X.25 (PPSDN, Public Packet Switched Data Network) ............................................................................. 33 Adathálózatok további lehetőségei: ...................................................................................................................... 33 Másodlagos adatátvitel ......................................................................................................................................... 34 ISDN..................................................................................................................................................................... 34

2.1.4. Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok ......................................................................................... 36 Földfelszíni rendszerek generációi........................................................................................................................ 36 1G ......................................................................................................................................................................... 36 2G – GSM (Global System for Mobile communications)..................................................................................... 36 2.5G – GPRS (General Packet Radio System)...................................................................................................... 37 Magánhálózatok.................................................................................................................................................... 38 Műholdas rendszerek ............................................................................................................................................ 38

2.1.5. Szélessávú távközlő hálózatok ....................................................................................................... 39 SONET/SDH ........................................................................................................................................................ 39 Technológiai háttér – optikai kábel....................................................................................................................... 39 Sebességek, szintek............................................................................................................................................... 39 A szinkron tulajdonság ......................................................................................................................................... 40 Leágaztatás, rendezők........................................................................................................................................... 40 Megbízhatóság, skálázhatóság .............................................................................................................................. 42 SDH és PDH topológia ......................................................................................................................................... 43 Történeti kiegészítő: ............................................................................................................................................. 44 Optikai hálózatok.................................................................................................................................................. 45 ATM hálózatok..................................................................................................................................................... 45 B-ISDN hálózatok ................................................................................................................................................ 48 IP alapú hálózatok................................................................................................................................................. 48 ATM alkalmazások............................................................................................................................................... 48 Egyéb szélessávú hálózatok.................................................................................................................................. 50 FR (Frame Relay) ................................................................................................................................................. 50 DTM (Dynamic synchronous Transfer Mode)...................................................................................................... 50 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop/Line) ............................................................................................. 50 IP/PPP over ATM ................................................................................................................................................. 51

2.1.6. Technológiai összefoglalás – technológiai rétegek ....................................................................... 52 Réteges modellek.................................................................................................................................................. 52 TH technológiák ................................................................................................................................................... 52

2.2. SZÁMÍTÓGÉP HÁLÓZATOK ..................................................................................................................... 53 2.2.0. Bevezető: IP, TCP, UDP ............................................................................................................... 53 Hálózati réteg: IP (Internet Protocol).................................................................................................................... 53 Szállítási réteg....................................................................................................................................................... 53

2.2.1. Klasszikus IP alapú hálózatok ....................................................................................................... 54 Ethernet................................................................................................................................................................. 54 PPP (Point-to-Point Protocol) ............................................................................................................................... 54 Vezérjeles sín, gyűrű (Token bus, Token ring)..................................................................................................... 54 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)............................................................................................................... 54 FDDI-II................................................................................................................................................................. 55 DQDB (Distributed Queue Dual Bus) .................................................................................................................. 55 SMDS (Switched Multimegabit Data Service) ..................................................................................................... 55 Tehát tartósan életképesnek bizonyultak............................................................................................................... 55

2.2.2. QoS IP hálózatok ........................................................................................................................... 56 MPLS (MultiProtocol Label Switching)............................................................................................................... 56 IntServ, IS (Integrated Sevices (IP network)) ....................................................................................................... 57 DiffServ, DS (Differenciated Sevices (IP network))............................................................................................. 57

VoIP (Voice over IP) ............................................................................................................................................ 58

2.2.3. Mobil, mozgó IP hálózatok ............................................................................................................ 60 Földfelszíni mozgó IP hálózatok........................................................................................................................... 60 GPRS (General Packet Radio System) ................................................................................................................. 60 EDGE ................................................................................................................................................................... 60 UMTS ................................................................................................................................................................... 60 WLAN-ok............................................................................................................................................................. 61 Kiépített hálózatok................................................................................................................................................ 61 Alkalmi („ad hoc”) hálózatok ............................................................................................................................... 61 Műholdas mozgó IP hálózatok.............................................................................................................................. 63 Teledesic............................................................................................................................................................... 63

2.2.4. Összefoglalás ................................................................................................................................. 64 3. HÁLÓZATOK FELÉPÍTÉSÉNEK ELVEI............................................................................................ 65 3.1. HÁLÓZATOK ÖSSZEKAPCSOLÁSA........................................................................................................... 65 Szolgáltatások és hálózatok .................................................................................................................................. 65 Összekapcsolások ................................................................................................................................................. 65

3.2. HÁLÓZATOK ELEMEI ............................................................................................................................. 68 Elemek .................................................................................................................................................................. 68 A csomópontok lehetséges funkciói ..................................................................................................................... 69 A hálózati réteg funkciói....................................................................................................................................... 69

3.3. HÁLÓZATOK OSZTÁLYOZÁSA ................................................................................................................ 70 Felépítés szerint .................................................................................................................................................... 70

3.4. HÁLÓZATOK FUNKCIONÁLIS MODELLJE ................................................................................................ 71 Rétegek a hálózat részei szerint ............................................................................................................................ 71 Rétegek adatcsere egységi szerint......................................................................................................................... 71 Rétegek funkció szerint ........................................................................................................................................ 72 Hierarchikusan együttműködő hálózatok funkcionális modellje .......................................................................... 73 Tanulságok............................................................................................................................................................ 73

4. JELÁTVITELI ÉS FORGALMI KÖVETELMÉNYEK....................................................................... 75 Jelforrás jellemzői................................................................................................................................................. 75

4.1. BESZÉDÁTVITELI KÖVETELMÉNYEK ...................................................................................................... 76 A cél...................................................................................................................................................................... 76 Sávszélesség ......................................................................................................................................................... 76 Csillapítás ............................................................................................................................................................. 76 Csillapítási ingadozás ........................................................................................................................................... 76 Jel/zaj viszony....................................................................................................................................................... 76 Késleltetés............................................................................................................................................................. 77 Késleltetési ingadozás........................................................................................................................................... 77 Fázistolás .............................................................................................................................................................. 77 Frekvencia eltolási hiba ........................................................................................................................................ 77 Multiplikatív frekvencia hiba................................................................................................................................ 78 Nemlineáris torzítás .............................................................................................................................................. 78

4.2. ANALÓG BESZÉDÁTVITEL FORGALMI JELLEMZÉSE ................................................................................ 80 4.3. DIGITALIZÁLT BESZÉDÁTVITEL ............................................................................................................. 81 4.3.1. Beszédkódolók típusai.................................................................................................................... 82 Hullámforma kódolók........................................................................................................................................... 82 Vokóderek ............................................................................................................................................................ 82 Hibrid beszédkódolók ........................................................................................................................................... 82

4.3.2. Beszédkódolók jellemzői ................................................................................................................ 83 Bitsebesség ........................................................................................................................................................... 83 Szubjektív beszédminőség .................................................................................................................................... 83 Késleltetés............................................................................................................................................................. 83 Érzékenység bithibára........................................................................................................................................... 83 Bonyolultság – komplexitás.................................................................................................................................. 84 Kvantálási zaj........................................................................................................................................................ 84 Átlátszóság – transzparencia................................................................................................................................. 85 Választható bitsebesség ........................................................................................................................................ 85

4.3.3. Beszédkódoló ajánlások................................................................................................................. 86 4.4. KÖVETELMÉNYEK DIGITÁLIS CSOMAGKAPCSOLT HÁLÓZATOKBAN ....................................................... 87 Jelforrások jellemzése........................................................................................................................................... 87 Minőség jellemzése – QoS paraméterek ............................................................................................................... 87 Forgalmi és szolgáltatási osztályok....................................................................................................................... 87 Forgalmi jellemzés adatjelnél ............................................................................................................................... 88

5. FIZIKAI RÉTEG ...................................................................................................................................... 91 5.1. 2/4 HUZALOS ÁTALAKÍTÁS .................................................................................................................... 91 5.1.1. Az átvitel ........................................................................................................................................ 91 Szimplex átvitel .................................................................................................................................................... 91 Duplex átvitel ....................................................................................................................................................... 91 A hibrid áramkör................................................................................................................................................... 92 A hálózat............................................................................................................................................................... 93

5.1.2. A visszhang .................................................................................................................................... 94 Visszhangcsökkentés ............................................................................................................................................ 94 Visszhangzár......................................................................................................................................................... 95 Visszhang törlő ..................................................................................................................................................... 95

5.2. DIGITÁLIS JELÁTVITEL ANALÓG CSATORNÁN ........................................................................................ 96 5.2.1. Egyenáramú komponens átvitele ................................................................................................... 96 Megoldások a DC komponens átvitelére .............................................................................................................. 96 5.2.2. Modulálás ................................................................................................................................................... 97 Szélessávú átvitel.................................................................................................................................................. 98 Keskenysávú átvitel .............................................................................................................................................. 98

5.3. FÉMVEZETÉKES ÁTVITEL ....................................................................................................................... 99 5.4. ÁTVITELI KÖZEGEK ............................................................................................................................. 100 5.4.1. Optikai vezetők ............................................................................................................................ 103 Csillapítás ........................................................................................................................................................... 103 A vezeték deformálódása.................................................................................................................................... 104 Ugrás törésmutatójú szál..................................................................................................................................... 105 Torzítások: módusdiszperzió és kiküszöbölése................................................................................................... 106 Kromatikus diszperzió SM típusú szálnál........................................................................................................... 107

5.4.2. Vezeték nélküli átvitel .................................................................................................................. 108 Elhalkulás ........................................................................................................................................................... 108 Élettani hatások................................................................................................................................................... 108 A vezetékes és vezeték nélküli átvitel összehasonlítása...................................................................................... 109

6. ÁTVITELI ÉS KAPCSOLÁSI RÉTEG ................................................................................................ 111 Elvek a hálózati funkciókhoz.............................................................................................................................. 111

6.1 FORGALOMIRÁNYÍTÁS.......................................................................................................................... 112 A forgalomirányítás elemei................................................................................................................................. 112

6.2 FORGALOMSŰRÍTÉS .............................................................................................................................. 113 Bérelt hálózat...................................................................................................................................................... 113 Kapcsolt hálózat nagy forgalom esetén............................................................................................................... 113 Kapcsolt hálózat kis forgalom esetén.................................................................................................................. 114

6.3 A FORGALOMIRÁNYÍTÁS ELVEI ............................................................................................................ 115 Hierarchikus forgalomirányítás........................................................................................................................... 115

6.4. TORLÓDÁSVÉDELEM ........................................................................................................................... 118 Torlódásvédelmi és QoS biztosítási módszerek.................................................................................................. 118 Összefoglalás ...................................................................................................................................................... 119

7. TH TECHNOLÓGIÁK........................................................................................................................... 121 7.1. PDH HÁLÓZATOK: PDH + PCM......................................................................................................... 121 7.1.1. PCM alapok................................................................................................................................. 121 7.1.2. E1 Nyalábolás.............................................................................................................................. 122 7.1.3. E2 Nyalábolás.............................................................................................................................. 123 7.1.4. E1 szinkronizálás......................................................................................................................... 124 7.1.5. PDH előnyök és hátrányok .......................................................................................................... 124 Hátrányok ........................................................................................................................................................... 124 Előnyök............................................................................................................................................................... 124

7.1.6. Kapcsolás PDH hálózatokban ..................................................................................................... 125 Térkapcsolás kapcsolómátrixszal........................................................................................................................ 125 Térkapcsolás többfokozatú kapcsolóval ............................................................................................................. 126 Térkapcsolás blokkolással .................................................................................................................................. 127 Időkapcsolás ....................................................................................................................................................... 127 Időkapcsolás + térkapcsolás................................................................................................................................ 127

7.2. ISDN................................................................................................................................................... 128 Az ISDN referencia modell ................................................................................................................................ 128

7.2.1. Az S-busz működése ..................................................................................................................... 129 Vonali kódolás.................................................................................................................................................... 129

Sebességek.......................................................................................................................................................... 129 S-busz kiépítések ................................................................................................................................................ 129 Keretszervezés .................................................................................................................................................... 130 Jelzésrendszer ..................................................................................................................................................... 130

7.3. HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKÁK ................................................................................................................... 132 Beszédsávi modem ............................................................................................................................................. 132 xDSL (Digital Subscriber Line).......................................................................................................................... 132 Az ADSL működése ........................................................................................................................................... 132 Az ADSL Protokoll szintű elemzése................................................................................................................... 133 Kábelmodemek ................................................................................................................................................... 134 FTTx technikák................................................................................................................................................... 134 PowerLine........................................................................................................................................................... 134 Ethernet............................................................................................................................................................... 134 Mobil hálózat...................................................................................................................................................... 134

7.4. SDH / SONET .................................................................................................................................... 135 7.4.1. Bevezetés...................................................................................................................................... 135 PDH .................................................................................................................................................................... 135 A szabvány ......................................................................................................................................................... 135 Topológia............................................................................................................................................................ 136

7.4.2. Az SDH nyalábolási hierarchia ................................................................................................... 137 7.4.3. SDH adategységek....................................................................................................................... 138 Bevezetés ............................................................................................................................................................ 138 Az STM-1-es keret.............................................................................................................................................. 139 E4-es PDH folyam továbbítása STM-1-en keresztül .......................................................................................... 144 ATM és IP átvitele.............................................................................................................................................. 144 Hátrányok ........................................................................................................................................................... 144 Multiservice Switching ....................................................................................................................................... 144 Nagyobb sebességek: VC összefűzés (Concatenation) ....................................................................................... 144

7.5. ATM (ASYNCHRONOS TRANSFER MODE)........................................................................................... 145 Bevezetés................................................................................................................................................ 145 7.5.1. Az ATM jellemzői......................................................................................................................... 146 Jellemzői............................................................................................................................................................. 146

7.5.2. Az ATM műszaki alapjai .............................................................................................................. 146 Aszinkronitás ...................................................................................................................................................... 146

7.5.3. Az ATM cella ............................................................................................................................... 147 7.5.4. A B-ISDN referencia modell ........................................................................................................ 149 Az ATM réteg..................................................................................................................................................... 149 A cella irányítása ................................................................................................................................................ 150 Az összeköttetés forgalmi leírói (forgalom menedzsment)................................................................................. 150 Forgalom menedzsment funkciók....................................................................................................................... 151 Útvonalválasztás ATM hálózatban ..................................................................................................................... 152 ATM illesztési réteg: AAL ................................................................................................................................. 152

7.5.5. IP over ATM ................................................................................................................................ 154 Protokoll beágyazás, RFC 1483.......................................................................................................................... 154 Classical IP Over ATM: RFC 1577, RFC 2225.................................................................................................. 154 LANE v1............................................................................................................................................................. 154 MPLS (Multiprotocol Label Switching) ............................................................................................................. 154 További lehetőségek ........................................................................................................................................... 155

7.6. OPTIKAI HÁLÓZATOK .......................................................................................................................... 156 7.6.1. Eszközök ...................................................................................................................................... 156 Az optikai szál .................................................................................................................................................... 156 Erősítők............................................................................................................................................................... 157 Csatolás (iránycsatolók)...................................................................................................................................... 158 Kapcsolók, rendezők........................................................................................................................................... 158 Szűrők................................................................................................................................................................. 160

7.6.2. Az optikai hálózatok fejlődése ..................................................................................................... 161 Új irányzatok ...................................................................................................................................................... 162

8. TÁVKÖZLÉSI SZOFTVEREK............................................................................................................. 163 8.1. JELLEMZŐK ......................................................................................................................................... 163 8.2. AZ SDL............................................................................................................................................... 164 8.2.1. Az InRes blokkjai ......................................................................................................................... 164 Kapcsolat-felépítés.............................................................................................................................................. 165 Adatátvitel (Information Transfer)...................................................................................................................... 165 Kapcsolat bontása (Disconnect).......................................................................................................................... 165

8.2.2. Az InRes, mint rendszer, blokk és processz .................................................................................. 167 8.2.3. A processzek leírása .................................................................................................................... 169 Process Initiator .................................................................................................................................................. 170 Process Responder .............................................................................................................................................. 172 Process Coder_ini (Process Initiator Coder) ....................................................................................................... 173

8.3. CORBA .............................................................................................................................................. 174 A CORBA architektúrája.................................................................................................................................... 174 ORB Core feladatai............................................................................................................................................. 174 ORB services ...................................................................................................................................................... 174 IDL ..................................................................................................................................................................... 175 DII (Dynamic Invocation Interface).................................................................................................................... 175 Interface Repository............................................................................................................................................ 175 Object Adapter.................................................................................................................................................... 175 Szkeleton a szerver oldalon ................................................................................................................................ 175 Implementation Repository................................................................................................................................. 175

8.4. ASN.1, TTCN..................................................................................................................................... 176 8.4.1. TÁVKÖZLÉSI SZOFTVEREK RÉSZEI .................................................................................................... 176 8.4.2. A különféle FDT-k kapcsolata ..................................................................................................... 177 8.4.3. ASN.1 (ABSTRACT SYNTAX NOTATION, NUMBER ONE) ................................................................. 178 8.4.4. TTCN............................................................................................................................................... 179

0. Bevezetés

0.1. A TTT tanszék

0. Bevezetés 0.1. A TTT tanszék TTT = Távközlési és Telematikai tanszék Telematika = Telekommunikáció + Informatika. A telematika a telekommunikáció és az informatika konvergenciájának eredménye. (A konvergencia az információs társadalom egy fontos fogalma, különböző tudományágak egymáshoz való közeledését, azok egybefonódását írja le. Ezek a területek egyre közelebb kerülnek egymáshoz, a köztük lévő határvonalak elmosódnak, egymás fejlődésére hatással vannak.)

A tanszék elhelyezkedése - IB II. emelet; - IE III. emelet, Duna felöli rész - IL I. emelet - St II. emelet; weblap: http://www.ttt.bme.hu

A tanszék szerepe az egyetemi oktatásban A tanszék alapjában véve kibocsátó tanszék, ami azt takarja, hogy a felsőbbévesek oktatásában nagyobb súllyal vesz részt. Nagyjából 100 diplomát bocsát ki évente, mely összeg fedi az informatikus, és a villamosmérnöki diplomákat is. A tanszék intenzív ipari, és nemzetközi kapcsolatokkal rendelkezik.

Oktatás-képzés a műszaki informatikus hallgatók számára: Eddig: - Mérés labor Most: - Távközlő hálózatok - Beszédinformációs rendszerek (Gordos Géza és munkacsoportja) - Információs rendszerek fejlesztése (Magyar G.) - Számítógép laboratórium Jövő: - két informatikus szakirány, melyek frissítés alatt állnak - választható tárgyak - doktorandusz képzés - kutatás, fejlesztés

1

0. Bevezetés

0.2. Távközlő hálózatok

0.2. Távközlő hálózatok (TH) Előadók, elérhetőségeik: Dr. Henk Tamás, docens: tárgyfelelős, előadó: TTT, IE348, tel.: 463-4188, ([email protected]) Cinkler Tibor, adjunktus: társelőadó, a TH honlap rendszergazdája: TTT, IE319, tel.: 463-1861, [email protected] Dr. Csopaki Gyula, docens: társelőadó: TTT Bock Györgyi, asszisztens, a tárgy adminisztrátora TTT, IE352 (a TTT postarekeszek is itt találhatók), tel.: 463-2085, [email protected]

TH oktatási segédanyagok: -

-

honlap: http://leda.ttt.bme.hu/~cinkler/TavkHal adatlap követelmények hallgatói jegyzetek 2 évre visszamenőleg, több verzióban online könyv bizonyos részletei (szerző: Cinkler, Henk)

Magyar nyelvű irodalom: Ezen könyvek az I épület könyvtárában megtalálhatóak! - Online könyv, főszerkesztő Lajtha György: Távközlő Hálózatok és Informatikai szolgáltatások (Telecommunication Networks and Informatics Services) kiadó: Hírközlési és Informatikai Tudományos Egyesület, HTE, 2002 http://www.hte.hu/onlinekonyv.html http://www.hte.hu/onlinebook.html - Géher Károly főszerk.: Híradástechnika - Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 2000 - Andrew S. Tanenbaum: Számítógép-hálózatok, Panem Könyvkiadó, Budapest, 1999 - Hosszú Gábor: Internetes médiakommunikáció, LSI oktatóközpont, Budapest, 2001 - Dárdai Árpád: Mobil távközlés, mobil Internet, Mobil Ismeret, Budapest, 2002

TH követelmények: Az aláírás feltétele a legalább kettes zh eredmény. A tanszék honlapján mintakérdések találhatóak a felkészülés segítésére. ZH: 1. NagyZH – 8. hét: 1 lapnak 2 oldalán, kijelölt helyen kell megválaszolni a kérdéseket, a lényeget kiemelve. 1. PótZH – 10. hét. Pótlás: a vizsgaidőszak első 3 hetében, vizsgaalkalmakkor. Számonkérés stílusát ábrába öntve (a piramisok szélessége jelentse a tudásmennyiséget, pl. négyes osztályzat követelményét a hármaséhoz hasonlítva: az okszerű összefüggéseket jobban kell ismerni, különböző anyagrészek közti összefüggés is követelmény, és lexikai tudás is több szükséges.)

2

0. Bevezetés


Vizsgák típusa: Írásbeli vizsgára kell számítani, kivételes esetben szóbelire kerülhet a sor. Alapvetően 6 kérdést kell kidolgozni, a Zárthelyi és a Pótzárthelyi eredménye néhány kivétellel nem számít bele a vizsgajegybe. Ezen kivételek: - 5* zárthelyi írása esetén általában megajánlott 5 jár az illetőnek - ponthatáron számít a zárthelyi eredménye.

TH célkitűzése: Számítógép hálózat: (ezentúl SzH): számítógépek összekötésére szolgáló hálózat. Távközlő hálózat (ezentúl TH): távíró-, távbeszélő hálózat, és ezekből kifejlődő hálózatok. A kettő együtt: infokommunikációs hálózat, vagy információközlő hálózat (ezentúl TH). Az alaptárgy felhasználható az infokommunikációs szakmacsoport 4 szakirányában, illetőleg általános ismeretet ad a többi szakiránynak. A tárgyhoz laborképzés is kapcsolódik, ennek az alapképzésben a Mérés labor a képviselője, illetőleg az infokommunikációs szakirányban szakirányos laborok formájában ölt testet, mely 3 félévnyi programozott mérést, szimulációt tartalmaz.

Tárgy jellege: -

-

leíró jellegű okszerű összefüggéseket keres szemlélet kialakítása + lexika ipar, szolgáltatás, gazdaságosság, kutatás, fejlesztés, és a jogi szabályozás szempontjai is megjelennek a tárgyban sok új fogalom! 2 vagy 4 nyelven: a fogalom TH-os megnevezése magyarul, angolosan, angolul, illetve a fogalom SzH-os megnevezése. Pl.: telefon (angolos) = távbeszélő (magyar), mobil telekommunikáció (angolos) = mozgó távközlés (magyar) előadás látogatása ezért melegen ajánlott 60% diszciplína, 40% technológiai ismeretek

3

0. Bevezetés


A tárgy felépítése Álljon itt egy hasonlat a fizika területéről, mely két különböző tárgyalásmódot szemléltet:

Eszerint, mikor kísérleteket végzünk, és a tapasztalatok alapján állítunk fel a fizikai törvényeket, akkor az indukció módszerét alkalmazzuk; amennyiben pedig a fizikai törvényeink felhasználásával magyarázzuk meg egy fizikai eszköz működését, akkor a dedukció módszerét alkalmazzuk. Példaként lehet említeni a kísérleti fizikát és a villamosságtant, melyek az indukciót használják, dedukciót használ viszont az elméleti fizika, az elméleti villamosságtan, és az elektronfizika. Lássuk, hogyan adaptálható az ábra az Információközlő hálózatokra:

A technológiaorientált tárgyalásmód az egyes hálózati technológiákat ismerteti, miközben bevezeti az egyes hálózati technológiákban alkalmazott hálózati felépítési elveket; míg a diszciplináris tárgyalásmód a hálózatok felépítési elveit ismerteti, és az elvek alkalmazási példáiként hivatkozik az egyes hálózati technológiákra, vagy az elvek felhasználásával hoz létre újabb hálózati technológiákat. A SzH tárgyalása inkább diszciplináris, pl. OSI modell:

A Távközlő Hálózatok vegyes tárgyalásmódot fog alkalmazni, az alábbi sorrendekkel:

4

0. Bevezetés


Kapcsolódó tárgyak: A legfontosabb: - Számítógép-hálózatok Alaptudás szinten követelmény: - Tömegkiszolgálás - Információelmélet - Operációs rendszerek - (Beszédinformációs rendszerek) - Formális nyelvek - Fizika - Digitális technika

5

6

1. Információközlő hálózatok fejlődése

1.0. Bevezetés

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.0. Bevezetés SzH – Computer Network TH – Telecommunication Network A kettő együtt: információközlő hálózat, vagy egyszerűen hálózat, angolul Infocommunication Network, de ez a szó nem használatos Amerikában, szemben az „IT technology” kifejezéssel.

Az egyszerű hálózati modell

Az ábra elemeinek megnevezése a két hálózati elnevezéssel: TH SzH távbeszélő készülék; számítógép; telephone equipment computer útválasztó; távbeszélő kapcsoló központ, router röviden: kapcsoló; telephone switching exchange, röviden: switch Mindkét elemmel kapcsolatosan általános számítástechnikai igény merülhet fel: - Boole algebra: alapvető feladat - memória. A kettőt együtt az intelligencia szóval jellemezzük. Hagyományosan elmondható, hogy a távbeszélő készülék nem intelligens, viszont a számítógép igen. Ezzel szemben a kapcsoló jóval több intelligenciát tartalmaz, mint egy útválasztó; tehát a SzgH-nál az intelligencia kitolódik a hálózat peremére. A kapcsoló elnevezés az útválasztóval szemben nem jelenti, hogy a kapcsolónak ne lenne útválasztó funkciója.

7

1. Információközlő hálózatok fejlődése

1.1. Alaptechnológiák fejlődése

1.1. Alaptechnológiák fejlődése Az intelligencia megvalósításának lehetőségei A Távközlő hálózatokban az eszközök egyik legfontosabb paramétere a megbízhatóság, ezt mindig szem előtt kellett tartani. Egyes technológiák azért nem terjedtek el széles körben, mert ezt nem garantálták. Elektromechanikus világ: eszköze a jelfogó, relé („relay”), vagy jelfogó logika. Boole algebrát és memóriát ezzel is lehet realizálni, így sorrendi hálózatokat is. Még számítógépet is lehet belőlük építeni (pl.: Kozma László meg is tette.). A központokba építették be, mert a távbeszélő készülékben túl drága lett volna. Elektroncső: nagy meghibásodási arány, nem játszott nagy szerepet. Tranzisztor: jobb, mint a cső, de a megbízhatósággal itt is gondok voltak. Mikroprocesszor: (integrált tranzisztor, vagyis nem egyenként ültetik be) Eleinte itt is voltak bajok a megbízhatósággal, ami a TH-ban nagyon fontos! (A távközlő hálózatok rendszerint még akkor is működnek, amikor más infrastrukturális szolgáltatások már nem. Például egy áramszünet még fejlett országokban sem szokatlan, míg a telefon majdnem mindig rendelkezésre áll. Ez olyannyira igaz, hogy a szerbiai háború alatt egyes falvakban a rádiót a telefonvezetékben folyó árammal működtették.) Jelenleg, mikor mikroprocesszor megbízhatósága már jónak mondható, még mindig meleg tartalékkal dolgoznak, tehát ugyanazt a feladatot 2 processzor végzi. A technológia alapvető paramétere a csíkszélesség, mely jelenleg gyártás szinten kb. 120 nm, laborban kb. 70 nm. Ez a technológia 30 éve exponenciálisan növekszik. Ez vonatkozik az egy lapkára integrálható tranzisztorok számának növekedésére és a vonalszélesség csökkenésére. Mivel a csíkszélesség csökkentése nem mehet minden határon túl, a mikrotechnológia helyét várhatóan a nanotechnológia fogja átvenni. Itt már a molekula belsejében kell vizsgálódni (Schrödinger egyenlet), míg a tranzisztoroknál ez nem szükséges (Maxwell egyenlet). Laboratóriumi körülmények között már ma is intenzíven kísérleteznek a nanotechnológia eszközeivel. Ipari szinten kb. 2010-re várható a nanotechnológia alkalmazása.

Hosszútávú, nagy kapacitású memóriák - Morse: papírtekercs - lyukszalag, lyukkártya - ...és így tovább egészen a ma használatos tárolási módokig (Lásd: operációs rendszerek.)

Átviteli utak -

légvezeték: kb. 10 b/s sodort érpár, sodort ér-négyes rádiós átvitel koaxiális vezeték optikai vezető: az igazi áttörés, az utóbbi 30-40 év eredménye. Egy időben jelent meg a mikrotechnológiával, mivel mind az optikai szál, mind a mikrotechnológia fontos alap pillére az anyagtisztaság. Előnye, hogy nagy távolságok, akár 100 km is áthidalható vele. Az optikai vezető sávszélessége jelenleg kb. 1 Tb/s (ipari), kb. 50 Tb/s (labor). Elvi határ: kb. 200 Tb/s (a vezeték tulajdonsága), ezt jelenleg: a lassú végberendezések miatt nem lehet kihasználni.

8

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2.1. Elektronikus hálózatok fejlődése

1.2. Hálózatok fejlődése világszerte

1.2. Hálózatok fejlődése világszerte 1.2.1. Elektronikus hálózatok fejlődése

Ebben az elnevezésben benne foglaltatnak az elektromechanikus hálózatok is. Néhány szabadalom: 1837: Samuel Morse – kézi távíró, Morse ABC 1854: David Hughes – távgépíró 1876: Graham Bell – távbeszélő 1878: Edison, Puskás Tivadar – kézi kapcsolású kapcsoló központ 1889: Almon Strowger – automata kapcsoló (Megjegyzés: ez az ember egy temetkezési vállalkozó volt, és azért találta fel az automata kapcsolóközpontot, mert egy konkurens temetkezési vállalat vezetőjének felesége ült a kézi kapcsolású központban, így mindig saját férjét kapcsolta haláleset alkalmával.) Az AT&T (American Telegraph and Telephone) monopólium (Bell nyomán) spontán alakult ki, majd a monopólium ellenes törvények értelmében később kötelezték, hogy az Amerikán kívül használt készülékek gyártását Amerikán kívülre helyezze. Így jött létre az ITT (International Telegraph and Telephone), amely főleg Európában gyártott. Ez volt az első lépés a monopol helyzet megszűntetésére Amerikában, amely egyúttal nagy lökést adott az európai fejlődésnek. A II. Világháború alatt Európa lerombolta felépített értékeit, a háború a szakemberek kivándorlásával vagy eltűnésével járt, a gyárak és a berendezések jelentős mértékben elpusztultak. Így ismét az USA-ra helyeződött a hangsúly a távközlés fejlesztésében (tranzisztor, tárolt programú vezérlés, PDH, SDH). Az amerikai dominancia 1980-ig nagyon jelentős volt, és még most is Amerikáé a vezető szerep, de bizonyos területeken (pl. mobil távközlés, ATM, ISDN) Európa előrébb jár. Az 1980-as évek közepén az AT&T-t 7 részre szabdalták („Bell Baby”-k) – egy per miatt – és ma már nem gyárt semmit. A gyártást a Lucent, majd az Avaya vette át.

Mai helyzet világszerte 1600 1400

Millió darab

1200 Telefon fővonal Mozgótelefon ISDN vonal KábelTV előfizető Internet felhasználó

1000 800 600 400 200 0 1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Forrás: European Information Technology Observatory, 2002, EITO; http://www.eito.com Ami fontos az ábrából: - vezetékes és mobil metszéspont hol van (2001) - mobil nagyon gyors felfutású - vezetékes telítődő. Ami érdekes: az emberek 20%-a használ telefont, 50% soha nem is látott.

9

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2.1. Elektronikus hálózatok fejlődése


Mai helyzet Nyugat-Európában 450 400

Millió darab

350

Telefon fővonal

300

Mozgótelefon ISDN vonal

250

KábelTV előfizető Internet felhasználó GPRS felhasználó

200 150

WLAN felhasználó

100 50 0 1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

Amit érdemes megfigyelni, hogy Európában megcserélődött az ISDN és a CaTV szerepe. Ezzel kapcsolatosan két dolgot említünk meg. Az USA-ban régebben a CaTV nem nyújthatott távközlési szolgáltatást és fordítva. Az ISDN (Integrated Services Digital Network): Európában terjedt el, mivel európai találmány.

10

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2.2. Modellezés


1.2.2. Modellezés – logisztikai görbe

Általában a technológiai, társadalmi és természeti képződmények fejlődését egy tipikus fejlődési görbével („életgörbe”) jellemezhetjük. Egy tipikus fejlődési görbe a következő módon néz ki:

Jellemzi a kezdeti exponenciálisan növekvő szakasz, aztán a lineárisan növekvő szakasz, majd a lassú telítődés következik (itt tart például ma a vezetékes távközlő hálózat), és végül az elkerülhetetlen hanyatlás következik. Mindez modellezhető a logisztikai görbével. Ez egy analitikus függvény, melynek vannak szabad paraméterei, így a konkrét problémához illeszthető. A függvény a következő differenciálegyenletnek tesz eleget:

dL(t )    L(t )  k  L(t ) dt k ,

ahol t az idő és L(t) a terjedelem,  a meredekségi tényező és k a maximális populáció. Az összefüggésben az L(t) tényező a meredekség kezdeti növekedését fejezi ki, amikor egyre több felhasználónak érdemes igénybe venni a szolgáltatást, mert egyre több felhasználóval lehet kommunikálni. A [k - L(t)] tényező másrészről a telítődést fejezi ki, amikor a meredekség csökken, mert az L(t) értéke közeledik a maximális populációhoz.

A differenciálegyenlet megoldása:

L(t ) 

k 1  m  e  t

, ahol: m a kezdeti feltétel, meghatározása a következő egyenletből lehetséges:

L(0) 

k 1 m .

11

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2.2. Modellezés


Az Európai mozgó távközlésre illesztve a görbét, a következő paraméter-értékek adódnak: (t=0 időpontnak az 1991-es GSM helyzetet véve) k = 415 [millió]; m = 600; L(0) = 0,7; = 0,75/év. Az eredeti, és az illesztett görbe viszonyát mutatja a következő ábra: Ny-Eu. mozgótelefon ellátottsága

Logisztikai görbe

450 400

Millió darab

350 300 250 200 150 100 50 0 1997

1998

1999

2000

12

2001

2002

2003

2004

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2.3. Gazdasági hatások


1.2.3. Gazdasági hatások

1000 főre eső fővonalak száma

A mostani helyzet: a távközlő hálózatok elterjedtségét a távbeszélő fővonalak számával lehet lemérni. Ez az egy főre jutó GDP függvényében közelíthető lineáris regressziós egyenessel, amely átmegy az origón:

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 függőleges tengely dimenziója 1000 főre jutó telefonvonalak száma, amit más néven penetrációnak, elterjedtségnek neveznek. Vízszintesen az egy főre jutó GDP-t ábrázoltuk. Az ábra jelentése, hogy minél nagyobb egy ország nettó összterméke, annál fejlettebbek a távközlő hálózatai. Magyarország a görbe fölött van, ez kedvező helyzet. A fejlődést 2 tényező szabályozza: - az alaptechnológiák hogyan fejlődnek - a fizetőképes kereslet hogyan fejlődik. A fizetőképes keresletet kétféleképpen is elemeztük: - hogyan fut fel 1 új szolgáltatás, pl.: mozgó távközlés - egy olyan szolgáltatás, ami már jól bevált hosszú évek alatt, milyen struktúrát vesz fel a fizetőképes kereslet függvényében.

13

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2.4. Fejlődés – recesszió


1.2.4. Fejlődés – recesszió:

Minden gazdasági folyamatra jellemző, hogy a fejlődést időnként recesszió töri meg. Az információközlő hálózatok recessziója 2000 környékén kezdődött, és két oka van.

Tőzsdei hatások (USA) A mozgó távközlés gyors fejlődése miatt (kb. 10 év alatt utolérte a vezetékest) a tőzsde túlfutotta magát, a papírérték jobban ment fel, mint ahogy azt a fejlődés később igazolta volna. (Magyarul túlértékelték a fejlődés sebességét.) Az emberek hitelből élnek, a cégek helyzetét a tőzsdén elfoglalt helyük határozzák meg. Az informatika terén a .com („dot com”) társaságokat érdemes megemlíteni, melyek úgy gondolták, hirtelen meg tudnak majd gazdagodni Internetes szolgáltatásokból. Ellenben a mozgó távközlés fejlődése lelassult, a .com társaságok elbuktak, ez visszavetette a fejlődést – az általános kiábrándulás miatt. A 2001. szeptemberi események is fékezték a gazdaságot.

Tőke kivonás hatása (EU, lásd később) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, egyetemes mozgó távközlő rendszer): ez egy ígéretes technológia, mely vagy ATM gerinchálózatra épülő, IP-vel kombinált, vagy tisztán IP-s („all IP”) megoldással 100 kb/s-2 Mb/s-os hozzáférési sebességet garantál (a sebesség az állomás mozgási sebességétől függ). Az ATM+IP telepítése már folyik, a tisztán IP jellegű megoldást most szabványosítják. Ez alapvetően egy számítógépes technológia. Árverésen lehetett az ezzel kapcsolatos koncessziós jogokat megvásárolni az államtól. (Az állam eladta a jogot különféle társaságoknak, esetleg időleges jelleggel.) A koncessziós jogok ára néhány európai országban: Anglia Olaszország Németország

38,2 milliárd euró 12,5 milliárd euró 49,7 milliárd euró

Ezek a pénzösszegek hatalmasak, összemérhetőek Magyarország éves jövedelmével. A cégek hitelt vettek volna fel ezen összegek kifizetésére, de a bankok nem hiteleztek, mert nem látták, hogy a befektetés megtérülne, így végül a pénzt a távközlésből vonták el. Ez a lépés túl korainak bizonyult, hiszen még nem volt érett az UMTS, nem volt rá olyan igény, hogy ez a befektetés megtérüljön. (Alapvetően politikai hiba.) Meg kell említeni, hogy Japánban már működik az UMTS-nek megfelelő 3. generációs (3G) rendszer, a Deutsche Telecom T-Mobil vállalata pedig éppen most helyezte üzembe az UMTS rendszert.

A két hatás eredménye Az az előny, amit Európa szerzett a GSM révén Amerikával szemben, szertefoszlott. (Az előny abból származott, hogy amerikai mozgó távközlésre vonatkozó szabvány nem bizonyult olyan sikeresnek, mint a GSM.) Mindkét földrészen sok termelő egységet leépítettek vagy bezártak, összességében kb. 50%-os leépítésre került sor. Szerencsére Magyarországot nem érintette jelentősen ez a válság; nálunk nem voltak nagy mértékű leépítések, ugyanis a Magyarországra telepített intelligens termelő egységek (szoftverház, regionális tudásközpont, fejlesztés, kutató labor) világviszonylatban tekintve költség-hatékonyak. A GSM fejlődése nálunk 2000 óta is töretlen.

14

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3.1. 1938-ig

1.3. Hálózatok fejlődése Magyarországon

1.3. TH fejlődése Magyarországon Három időszakra bontható a fejlődés, a vizsgálatot a szolgáltatás, az ipar, és a kutatás szempontjaiból végezzük. A szolgáltatás és az ipar fejlettségének összehasonlításánál két összeg összehasonlításáról van szó: - a szolgáltatásnak van egy szükséglete (mennyi készülék kell a szolgáltatás fenntartásához), ami számszerűsíthető - ezt vetjük össze az ipar előállításával.

1.3.1. 1938-ig

Szolgáltatás Lássunk néhány szabadalmat, azok megvalósítását: feltaláló

szabadalom

Morse Bell Edison-Puskás

1837 1876 1877

első megvalósítás (USA) 1844 1877 1878

első magyar megvalósítás 1846 – reformkor vége 1881 – kiegyezés után

A televízió, ill. rádió elődje, a telefonhírmondó 1893-tól üzemelt, csak Magyarországon. Ez a mai kábel-TV előfutárának tekinthető. Hamarabb volt távbeszélő központ Budapesten, mint Bécsben! A telefon elterjedtsége 1938-ban kb. 10% volt, ami a bécsi helyzetnek felel meg, európai összevetésben átlagos.

Ipar A Tungsram orosz birodalmi szükségletekre szállított. ITT (International Telegraph & Telephone, az AT&T érdekeltsége) budapesti gyárat telepített Standard néven, mely világszerte kiemelkedőnek számított, ugyanis még az 1950-es években is összesen 12 olyan gyár volt a világon, mely automata távbeszélő központokat gyártott. A Siemens és a Philips is létrehozott gyárakat Magyarországon.

Kutatás és fejlesztés Tungsram: magyar tulajdonú gyár, BME, PKI (Posta Kisérleti Intézet, Békéssy György).

15

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3.2. 1945-1990


1.3.2. 1945-90

Szolgáltatás Gyakorlatilag nem fejlődött, mennyiségileg megmaradt, minőségileg nem változott (1-2 digitális központ), az elterjedtség megmaradt 10% körüli értéken. A nyugati országok embargóval sújtották Magyarországot, hiszen a fejletlen távközlés hátrányt jelentett a hidegháborúban. Az embargós termékekhez csak kis mennyiségben lehetett hozzáférni, pl. a PCM kodek chip és a pontos oszcillátorok is mind COCOM listán voltak (szovjetbarát országba nem exportálható). Mivel nagy mennyiségben nem lehetett megszerezni ezeket a technológiákat, csak egy kis csapat tartotta a lépést a fejlődéssel. A keleti országok egyébként sem tartották fontosnak a távközlést, tehát még azokat az eszközöket sem alkalmazták a gazdasági fejlettségnek megfelelő mennyiségben, melyek nem voltak embargósak. Számukra a nehézipar fejlesztése volt a lényeg.

Ipar 1945 után az ipart minden téren államosították. Ekkor történt a legendás Standard koncepciós per is, aminek eredményeképpen még Kozma Lászlót is börtönbe zárták. Magyarország elszakadt a nemzetközi technológiától, így 1990-re 10-15 éves lemaradást ért el. Az ipar mértéke ugyanakkor jelentős volt, (pl.: Videoton, BHG) mely a KGST piacra termelt.

Kutatás és fejlesztés BME: kezdetben jelentős (Bay Zoltán, Kozma László), majd a tudományos képzésben a hangsúly áttevődött az MTA-ra (Magyar Tudományos Akadémia) a „műszaki tudomány kandidátusa” és a „műszaki tudomány doktora” tudományos fokozatokért, valamint MTA: kutatóintézeteket hoztak létre, pl.: - KFKI (Központi Fizikai Kutatóintézet) (Simonyi Károly) - SZTAKI (Számítástudományi és Automatizálási Kutatóintézet). Létrehoztak továbbá ipari kutatóintézetet is: TKI (Távközlési Kutatóintézet).

Tehát 1945-től jól fejlődött az ipar, majd bár annak volumene tovább bővült, nagy lemaradás jött létre – főleg a szolgáltatás területén.

16

1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3.3. 1990-től


1.3.3. 1990-től

Bevezetés – elnevezések Nyilvános hálózat: bárhol, bármikor, bárki számára elérhető, ha meg tudja fizetni, akár a fa tetejére is. Magán hálózat: intézmények tartják fent, intézményen belül térítésmentes. Pl.: Műszaki Egyetem belső telefonhálózata. Kapcsolt hálózat esetén mindig valamilyen billentyűzet található a végberendezésen, egy jelzésfolyamat jellemző, mely lebonyolítja a kapcsolatot (felépít, fenntart, lebont; mindez a kapcsolóközponton keresztül). Bérelt hálózat esetén előre meghatározott időre kibérlik a vonalat, megmondják honnan, hova és meddig. Hosszú távú bérleti díj van, nincs szükség a kapcsolat felépítésére. Lehetséges kombinációk: nyilvános kapcsolt, nyilvános bérelt, magán kapcsolt, magán bérelt hálózatok. Például a BME telefonközpontja kapcsolt magán hálózatnak számít.

Ipar – eleinte Megszűnt az embargó, de ugyanakkor a KGST is. Összeomlott a magyar távközlő ipar (150.000 emberből maradt 20.000). A szakemberek átáramlottak a szolgáltatói szférába.

Szolgáltatás A szolgáltatás dinamikusan fejlődni kezdett, az emberek és az épületek az iparból a szolgáltatói szférába csoportosultak át. A szolgáltatáshoz tőkére van szükség, ezt a tőkét elő kellett teremteni valahonnan. A megoldás: privatizáció, monopol koncesszió. Eszközök: dereguláció, távközlési törvény módosítása. Dereguláció: kezdetben volt a Magyar Posta, melyet több lépcsőben felszabdaltak, és végül így alakult: MATÁV ANTENNA HUNGÁRIA MAGYAR POSTA RT. - HIF (Hírközlési Főfelügyelet, a szabályozás gyakorlati kérdéseivel foglalkozik) - minisztériumi képviselet - érdekképviseletek. A Matávot privatizálták, így tudták a tőkét előteremteni ahhoz, hogy a kb. 10%-os elterjedtséget 40%-ra fejlesszék. Hatalmas beruházás volt szükséges: gerinchálózatok, végpontok, kapcsolóközpontok, automatizálás kisebb központokban is, digitalizálás. Ez monopol helyzet nélkül nem térülhetett volna meg. A lemaradás behozásához 6 évre volt szükség, 1992-98-ig megtörtént a kívánt fejlődés, ugyanakkor a befektetés megtérülése is újabb 6 évet vett igénybe. (Tehát a Matáv monopóliuma 1992-2002-ig tartott.) A Matávon eleinte kb. fele-fele arányban osztozott a Deutsche Telecom és az Ameritech (Bell Baby), majd a Deutsche Telecom megvásárolta az Ameritech részét is, de az állam továbbra is rendelkezik 15%-kal. (Sőt, az állam ún. „aranyrészvényt” birtokol, ami a névértéknél több jogot biztosít számára.) A monopol koncesszió hatásköre: minden rögzített állomású kapcsolt, nyilvános beszédátvitel a helyi körzetek nagy részére, a helyközi összeköttetések teljes egészére és a nemzetközi összeköttetések mindegyikére. Így versenyszférában maradt a magán célú hálózat, a nyilvános bérelt beszédátvitel, a mozgó távközlés és az adatátvitel.

Korszerű szolgáltatások: VoIP (Voice Over IP, IP feletti beszédhang átvitel):

17



Magyarországon a PanTel próbálkozott meg vele, de felmerült a kérdés, hogy sérti-e ezzel a Matáv monopóliumát. A megoldást az jelentette, hogy a szolgáltatás minőségét mesterségesen le kellett rontani (a HIF döntése), hogy megfeleljen a következő paramétereknek: késleltetés 200 ms – sokat kell várni beszéd közben csomagvesztés 1% – ez nem okoz komolyabb gondot az érthetőségben a késleltetés miatt azonban visszhangelnyomást kell alkalmazni. Az eredmény az lett, hogy kizárólag a nemzetközi mozgó távhívások terén lett létjogosultsága, pl. PannonGSM +0. (Természetesen a MATÁV ezt látva megemelte az előfizetési díjakat, és ezáltal biztosította a versenyképességét a nemzetközi hívások terén.) NIIF (Nemzeti Információs Infrastruktúra Fejlesztési program): 1980 óta létezik, a világ élvonalában van ez a hálózat. Ez egy akadémiai IP hálózat, mely intenzíven fejlődik. Meg kell említeni, hogy VoIP is tervbe van véve. Az állam közvetlenül finanszírozza. (www.niif.hu) CaTV: A kábeltelevízió szolgáltatók rossz szemmel nézték, hogy míg a Matáv szolgáltathat kábeltelevíziós szolgáltatást, ők nem szállhatnak be a távközlésbe. Ennek hatására döntést hoztak, melynek értelmében a Matáv csak korlátozásokkal szállhatott be a CaTV üzletágba.

Mozgó távközlés: Jelentős mértékben informatikai feladat is: - a hívás információkat 5 évig tárolni kell - számlázás valós időben, pl. Domino rendszer - SMS (Short Message Service, rövid szöveges üzenet szolgáltatás) üzemeltető rendszer. NMT (Nordic Mobile Telecommunication system): Magyarországon 1991 környékére tehető, analóg rendszer, 450Mhz-en. Európában nagyjából 11-féle rendszer működött, melyek inkompatibilisek voltak. GSM (Global System for Mobile Telecommunications, digitális mozgó távközlés világszerte): 170 országban üzemel, 470 szolgáltató, 900 illetve 1800 MHz-en. 1993-tól Magyarországon oligopól koncesszió: ma 3 cég uralja a mozgó távközlést. Magyarország élvonalbelinek számít a GSM szempontjából, például MMS (Multimedia Message Service, multimédia üzenet szolgáltatás – Westel).

Ipar – folytatás A technológiai lemaradást is be kell hozni, át kell térni az elektromechanikus kapcsolóközpontokról a programvezérelt központokra. Kiépült az arányos ipar. Rendszerválasztó tender, 1992: A Matáv pályázatot írt ki a berendezések szállítására: aki nyert, annak Magyarországon ipart kellett telepítenie a szerződésbeli kötelezettsége végett. 2 nyertes lett, a Siemens és az Ericsson. Ugyan a BHG (Budapesti Híradástechnikai Gyár, az államosított Standard gyár utóda) is pályázott, de nem nyert, így ez a vállalat halálát jelentette. A nyerteseken kívül egyéb cégek is telepítettek ipart, pl.: Nokia, Motorola. Így a magyar ipar ismét fejlődésnek indult. A középvállalati réteg gyakorlatilag hiányzik, ugyanakkor a távközlésben a HW gyártásról a hangsúly áttevődött a SW gyártásra (szoftver házak), hiszen pl. a hívás adatok tárolása komoly informatikai probléma, nem is beszélve arról, hogy kellő adatbiztonságot kell garantálni.

Kutatás és fejlesztés A 90-es években a hangsúly visszakerült a BME-re, ahová az új felsőoktatási törvénnyel visszahelyezték a tudományos képzést az MTA-tól Ph.D. (Doctor of Philosophy) képzés formájában. - az ipari TKI (Távközlési Kutatóintézet) leépült, amikor az ipar tönkrement; számos kutatója a BME-n tanít - MTA kutatóintézetei: KFKI (Központi Fizikai Kutatóintézet): kivált belőle a Számítástechnikai Rt., ma rendszerintegrátorként prosperál (http://www.kfki.com/hu/csoport/index_tortenet.php) SZTAKI (Számítástechnikai és Automatizálási Kutató Intézet) ma is színvonalasan prosperál (http://www.sztaki.hu/).

18



Regionális központok, fejlesztő, kutató laboratóriumok jöttek létre, mert a magyar szürkeállományra megérte építeni: - regionális mérnöki központok - SW házak - kompetencia központok feladatok támogatására (Compaq) - innovációs központok: Deutsche Telecom T-Systems RIC (www.t-system-ric.com) - fejlesztőintézetek - kutató labor. Példaként lehet említeni az Ericsson kutató-fejlesztő intézetét Lágymányoson, valamint jelentős a Nokia és a Siemens laboratóriuma Budapesten, vagy akár a Deutsche Telecom T-Systems RIC is felhozható példának egy tipikus fejlesztő csapatra (kb. 30 fő). (RIC = Regional Innovation Centre) A recesszió ellenére tovább folyik a kutatás és fejlesztés.

19

20

2. Technológiai áttekintés

2.0. Bevezetés

2. IH technológiai áttekintés 2.0. Bevezetés Miért építsünk hálózatokat? Különböző információ típusok átvitelére: - üzenet (SMS, MMS, e-mail, távirat) - (pár)beszéd - (tömörített) videó - adat. Eleinte egy adott információtípushoz fejlesztették a hálózatokat, arra pedig a szolgáltatást. Egy adott hálózatot azonban másfaja információk továbbítására is használhatunk, pl. távbeszélő hálózaton modem segítségével adatot lehet átvinni: ezt másodlagos felhasználásnak nevezzük. Ez a szemlélet nagyjából 100 éven keresztül volt meghatározó. Ezután a hálózatokat többféle információtípus együttes átvitelére tervezték. Egy ilyen integrált hálózat többféle információt is átvihet. Ilyen például az ISDN technológia, mely integrált szolgáltatásokat nyújt.

21

2. Technológiai áttekintés 2.1.0. Hálózati síkok


2.1 Távközlő hálózatok 2.1.0. Bevezetés – hálózati síkok

A távközlő hálózatok felépítése hierarchikus. Régebben több rétegig is felment, manapság az ábrán látható hierarchia van alkalmazásban, mivel a digitális technológiával így gazdaságos hálózatot építeni. - gerinchálózat: szekunder és primer központok között - hozzáférői hálózat: előfizetők és a helyi központok között - központ-közi hálózat vagy törzshálózat: helyi központok + primer + szekunder között (Előfizető = subscriber; primer/szekunder központ = primary/secundary exchange.)

Sávszélesség alapján a hálózatokat két csoportba oszthatjuk: a hálózat típusa keskenysávú szélessávú

rögzített hozzáférés 2 Mb/s-ig 2 Mb/s-tól

mozgó hozzáférés 64 kb/s-ig 64 kb/s-tól

22

törzshálózat 140 Mb/s-ig 140 Mb/s-tól

2. Technológiai áttekintés 2.1.1. Keskenysávú hálózatok


2.1.1. Keskenysávú távközlő hálózatok

Távíró hálózat

-

információ típusa: üzenet a papírtekercs eltárolható a csomópontokban útválasztást kellett megoldani probléma: a csomópontokban lévő ütközés következik be, ha ketten azonos vonalat kívánnak használni egyszerre, ezt hívjuk üzenet szintű ütközésnek

A megoldást az üzenetkapcsolás tárol és továbbít (store and forward) elv szolgáltatta: ütközés esetén az egyik üzenetet eltették a fiókba, majd később továbbították, ezáltal létrejött az első üzenetkapcsolt hálózat. A rendszer teljes mértékben kézi kapcsolású volt, az útvonal-irányítást is kézzel végezték. (Útvonalirányításra már itt is szükség volt, mivel egy üzenet természetesen több úton is eljuthatott a címzetthez.)

Távgépíró hálózat - adó: egyszerű lyukszalag olvasó berendezés - vevő: írógépszerű eszköz, lyukszalagra dolgozott (távgépíró) Kezdetben kézi üzenetkapcsolást, később valós áramkörkapcsolást alkalmaztak. Az áramkörkapcsoláshoz fel kell építeni egy áramkört, ehhez tárcsázni kellett, így megjelent a hívás fogalma. A tárcsázás kézi módú volt, és valós áramkörkapcsolt hálózat jött létre. Minden előfizetőnek külön távírószáma volt.

23

2. Technológiai áttekintés 2.1.1. Keskenysávú hálózatok


Hátrányok: - ütközés léphetett fel hívás szinten (hívástorlódás) - így romlott a hálózat kihasználtsága.

Előnyök: - gyorsabb átvitel vált lehetővé - kétirányú kapcsolat: „párbeszédre” is jó - a minőség javult, a kihasználhatóság romlott. Ez a továbbiakban is jellemző lesz: a minőség és a kihasználtság egymásnak ellentmondó követelményeket támaszt a hálózattal szemben. Itt jelenik meg a „fairness” fogalma is, miszerint az egyenlő hozzáférési esély biztosítása mellett kell jó kihasználtságot elérni.

Távbeszélő hálózat Alapvetően kétirányú beszédátvitelre született, ahol egyetlen szempontként az érthetőség szerepel. (Az például nem szempont, hogy felismerhető legyen a beszélgető partner személye is, vagy akár csak a neme). Ehhez a 0,3-3,4 kHz-es frekvenciasávot kell továbbítani, bár az emberi beszéd ennél nagyobb, 6-7 kHz-ig terjedő sávval rendelkezik. (A fül sávszélessége pedig még ennél is nagyobb: 15-20 kHz-ig is kiterjed.) A lefoglalt tartomány tehát f = 3,1 kHz. Ezt védősávval egészítették ki a nyalábolás miatt, így csatornánként f = 4 kHz-es sávszélesség adódott. A kapcsolóközpont lehet: - analóg módon megvalósított - digitális; melyhez a jel digitalizálása szükséges. Mivel általában a hozzáférői hálózat analóg, és a törzshálózat digitális, így a PCM beszéd kodek a helyi központban található. Ezzel szemben a GSM és ISDN hálózatok esetén a hozzáférői hálózat is digitális, a PCM kodek kitolódik a végberendezésbe. (Ez régebben túl drága lett volna.) A PCM kodek: A beszédhang mintavétele f = 4 kHz, emiatt f = 8 kHz-cel kell mintavételezni. Minden minta 8 biten kvantálódik, így adódik a 64 kb/s-os átviteli sebességigény. Az 1 kb/s átviteléhez szükséges sávszélesség gyakorlatilag nagyjából 1 kHz (bár elméletileg elég lenne 500 Hz is), így adódik az átvitelhez szükséges 64 kHz. Miért jó az a pazarlás, hogy az eredeti, analóg 4 kHz-es sávszélességű jel helyett a digitális, 64 kHz sávszélességű jelet továbbítjuk, azaz 16-szoros romlást érünk el? Mert így alkalmazhatóvá válik a digitális technika. A digitális technika előnyei: - gazdaságos gyártás: nem kell beállítani, hangolni - kicsi a fogyasztás - ma már jó a megbízhatóság - amikor nyaláboljuk a jelet bizonyos mértéig a kapcsolás és nyalábolás kombinálható (együtt elvégezhető). ...és hátrányai: - a beszéd kodek késleltetése további megoldandó probléma - ezen felül természetesen a sávszélesség növekedése is előnytelen.

24

2. Technológiai áttekintés 2.1.2. Nyalábolási technikák


2.1.2. Nyalábolási technikák

Alapvető nyalábolási technológia a multiplex hierarchiák (nyalábolási rangsorok) alkalmazása. Hálózatok tervezésében két elvet kell egyszerre alkalmazni: - a demokratikus (egyenrangú) elvet, hiszen alapértelmezésben a felhasználókat egyenrangúként kell kezelni - a hierarchikus (rangsor szerinti) elvet, mivel ez nagy mennyiségű felhasználó kiszolgálása esetén nélkülözhetetlen.

A nyalábolás Nyalábolásnál azt használjuk ki, hogy az átviteli közeg sávszélessége nagyobb, mint amit egy csatorna igényel.

Az ábrán látható példában a helyi központba 100.000 vonal fut be, de mivel igen kicsi a valószínűsége, hogy egy időben 1000-nél több vonalra legyen szükség, így a két központ között elég ennyit fenntartani. Ennek a hálózatnak a forgalmi kihasználtsága nagyobb, mint a hozzáférői hálózaté, de sávszélességének kihasználása még mindig nem elég nagy. A két központ közötti vonalon úgynevezett forgalomsűrítés jön létre. A központközi vezetékek számának csökkentésére a vezeték többszörös kihasználása, a nyalábolás („multiplexálás”) jelenti a megoldást. Alapvető nyalábolási módszerek: - SDM: (Space Division Multiplex, térosztású nyalábolás): egyszerűen vezetékeket összefogunk egy kábelbe - FDM (Frequency Division Multiplex, frekvencia osztású nyalábolás) - TDM (Time Division Multiplex, időosztású nyalábolás) - CDM (Code Division Multiplex, kódosztású nyalábolás). Az ábrán sűrűn szaggatott vonallal jelzett hívás lebonyolítása a következő három lépésre tagolható: - a hívás engedélyezése (CAC, Call Admission Control), vagy más néven beléptetés - erőforrások lefoglalása (mindkét kapcsolóban és a központközi hálózaton is szükség van a 4 kHz-es sávszélesség biztosítására, így valós áramkörkapcsolást kell alkalmazni) - bontás. Mivel a multiplexerek transzparensek a rendszer szempontjából, nyalábolt esetben is jellemző ez a folyamat. A multiplexerek esetleg annyiban térhetnek el a fenti megoldástól, hogy néhol multiplexálási zajok jelentkezhetnek, ami az ábra felső részén ábrázolt rendszerben nem volt jellemző. A rendszer a demokratikus elvet követi.

25



Általában – mivel nagy mennyiségű felhasználót kell összekapcsolni, és biztosítani kell a rendszer skálázhatóságát – multiplex hierarchiát alkalmaznak: az I. jelenti a primer, a II. a szekunder, III. a tercier multiplexereket.

Előnyei: - különböző feladatokra azonos (szabványos) építőelemeket lehet használni - skálázható, területileg szétosztható, így gazdaságosabb megoldás: nem kell minden előfizetőhöz hosszú kábelt kihúzni, lehetővé válik a fokozatos begyűjtés. (Pl. a Műegyetemen a D épületben van az egyetemi központ, míg Ch és I épületekben van kihelyezett fokozat.)

FDM hierarchiák Ez egy analóg technológia, mára elavult. (Magyarországon 1990-ig ez volt.) Pl.: 10.000 csatorna nyalábolásához, csatornánként 4 kHz-cel számolva 40 MHz adódik. Mivel hierarchikus felépítésről van szó, minden hierarchiaszinten újabb védősávokat kellett beiktatni, így a számított 40 helyett 60 MHz szükséges a 10.000 beszédcsatorna átviteléhez. Rengeteg szűrő szükséges a rendszerhez, mert minden multiplex és demultiplex művelethez szűrőkre van szükség. (Az analóg berendezések – mint például a szűrő – előállítása igen drága, mivel hangolni kell őket.)

TDM hierarchiák Időosztásos, de szintén sávszélesség növekedést eredményez, vagyis ismét a vezeték beszédsávnál nagyobb sávszélességét használja ki. Például: - PDH: keskenysávú technika. - SONET/SDH: szélessávú technika. (később kerül tárgyalásra).

26


2.1. Távközlő hálózatok PDH A PDH hierarchia

(Plesiochron Digital Hierarchy, pleziokron digitális hierarchia), 1967, Bell Laboratórium. A pleziokron szó jelentése: majdnem egyidejű. Hasonló szavak: - szinkron – egyidejű - aszinkron – nem egyidejű - pleziokron – majdnem egyidejű A PDH valós áramköralapú rendszer. Többféle hierarchia létezik: európai, amerikai, japán (USA variáns) és transz-atlanti.

Európai hierarchia: hierarchia szint névleges sebesség [Mb/s] beszédcsatornák száma

0 0,064 (PCM)

E1

E2

2

8

1

30

4×30 = 120

E3 34 (34>8x4!!!)

E4

E5

140

565

4×120=480 4×480=1920

4×1920 = 7680

szimmetrikus kábel csavart érpár átviteli közeg

koaxiális kábel földfelszíni és műholdas rádió

fénykábel Az E betű az európai rendszerre utal. Koaxiális kábel esetén 50-100 km-es szakaszonként kell jelfrissítőt (regenerátort) használni. Megfigyelhető, hogy az igényelt sávszélesség jobban nő, mint azt a csatornaszám-többszöröződés igényelné. Ez a pleziokron tulajdonság miatt van. A pleziokron rendszerek legnagyobb gerinchálózati sebessége 140 Mb/s, mert koax kábellel ez kivitelezhető, és a PDH gerinchálózatok kiépítésének korában fénykábel még nem létezett, míg a rádiós gerinchálózati megoldás csak kisegítő vagy tartalék jelleggel használták.

Amerikai (transzatlanti) hierarchia hierarchia szint 0 T1 T2 T3 T4 névleges 0.064 1.5 6 45 274 sebesség [Mb/s] 6×672 = beszédcsatornák 1 24 4×24 = 96 7×96 = 672 4032 száma A T betű a „transmission” szóra utal. Koaxiális kábellel csak T3-at lehet átvinni, ezért lett az amerikai gerinchálózat 45 Mb/s-os. T4 csak rádiós átvitellel lenne kivitelezhető. Az Európában használatos rendszer szemmel láthatóan nagyobb sebességű gerinchálózattal működik. A korszerűbb, gyorsabb eszközök tették lehetővé, hogy az európai rendszerben jobban kihasználják a koax kábel adta lehetőségeket, mivel az később került bevezetésre. Ugyanakkor politikai okai is vannak, hogy különbözik a két rendszer: a CCITT-ben (később ITU-T) leszavazták az amerikai rendszert. (De Gaulle: „Európa legyen az európaiaké!”) Így az európai iparnak kellett előállítania a berendezéseket, és nem az amerikaiak öntötték el kész termékekkel a piacot. Ennek köszönhetően nyert teret több ismert európai távközlési nagyvállalat, pl.: Alcatel, Siemens, Nokia, Ericsson. Fontos megjegyezni, hogy az európai és amerikai kodek is eltér egy kicsit. Az elsőt „A-törvényű”-nek, a másodikat „-törvényű”-nek hívják. (Lásd: Györfi, Győri, Vajda: Információelmélet, 81-82. o., 2.3. ábra.)

27


2.1. Távközlő hálózatok PDH

Kétirányú átvitel A teljesség kedvéért meg kell említeni, hogy a nyalábolásnál mindkét irányban történő adatforgalmat külön nyalábolják. Tehát míg a hozzáférői hálózatban elég 1 vezeték pár (2 vezeték) a kétirányú kapcsolathoz, a törzshálózatban irányonként van 1 vezeték pár, így az átvitelhez 2 koax (4 vezeték) szükséges.

A később tárgyalásra kerülő leágaztatást is mindkét irányba el kell végezni.

Az órajel előállítása Az órajel előállításához oszcillátorokat (rezgéskeltőket) kell alkalmazni, melyek szinuszos jelet állítanak elő. A szinuszos jel bementként szolgál egy komparátornak (túlvezérelt erősítő), melynek kimenetén előáll a négyszögjel:

Az oszcillátor lehet többféle, attól függően, hogy milyen elemekből állítják össze: pontosság: - R-C 10-2 - L-C 10-3 - kvarckristály 10-5 - atomi óra 10-10. Amikor a PDH-t készítették, még csak a kvarckristály állt rendelkezésre. A kvarckristály a mechanikai rezgést és az elektromágneses teret képes egymásba átalakítani. A kívánt frekvenciát általában csiszolással állítják be (kb. 5 MHz). A kvarc azonban idővel öregszik, frekvenciája változik. A kristályokat éppen ezért mesterségesen öregbítik még a gyártás során, így egy kristály előállításának átfutási ideje 9 hónapig is eltarthat. Ezen felül üzem közben állandó hőmérsékleten tartják (aláfűtik ún. „kályházó elektronika” segítségével), mivel az állandó hőmérséklet is növeli a kvarc pontosságát. Meg kell említeni, hogy még ez a technológia is embargós volt.

28



Az órajelekkel a következő műveleteket lehet megvalósítani (tranzisztorok segítségével): +, -, ×, ÷. A frekvenciaszorzás megvalósítása PLL (Phase Locked Loop, fáziszárt hurok) áramkörrel történik, amely VCO-ból (Voltage Controlled Oscillator, feszültségvezérelt oszcillátor) és fázisdetektorból épül fel.

Amennyiben fáziskülönbség alakul ki, akkor a fázisdetektor kimenete megváltozik. (Lásd: szabályozástechnika.) A frekvencia itt nyolccal szorzódik, mivel az osztóban a ÷8 művelet lett megvalósítva.

Egy tipikus felépítés, a kodek helye

A jelölt órajelek azonosak, ha azonos számú vonallal vannak megjelölve, például látható, hogy az egymáshoz tartozó hálózati kapcsolók és multiplexerek azonos órajellel vezérelhetőek, hiszen valós fizikai távolságuk kicsi. A forgalomkoncentrátor feladata, hogy kimenetére az aktív előfizetőket kapcsolja. Figyeljük meg, hogy a bemeneten 105 vonal van, a kimeneten pedig csak 103. Erre a forgalmi „tömörítésre” azért van lehetőség, mert nagyon kicsi az esélye, hogy a bemeneti vonalak közül egyszerre több aktív, mint a rendelkezésre álló kimenetek. Lásd: valószínűség-számítás, tömegkiszolgálás. A PCM kodek elhelyezkedése a hierarchiában igen fontos kérdés, mivel utána a teljes hálózat lehet digitális. Központi kérdés, hogy mi az olcsóbb: 10 3 PCM kodek analóg csomagkoncentrátorral, vagy 105 PCM kodek digitális csomagkoncentrátorral? Eleinte a PCM kodeket a kapcsolók és az I. hierarchiaszint (primer központ) közé helyezték, a primer központ bemenetére. Ekkor elég volt órajeleket eljuttatni a I, II, III, IV, hierarchiaszintekre. (Az első multiplexer

29



a kapcsoló elé is elhelyezhető, ha a kodek is előtte van.) Később áttették a kodeket a kapcsolóközpontok és a forgalomkoncentrátorok közé. Ekkor már kombinálták a kapcsolást és a multiplexelést A PCM ezután a forgalomkoncentrátor és az előfizetők közé került, a forgalomkoncentrátorba. Így nagyságrendileg több kodekre van szükség, de a forgalomkoncentrátor is lehet digitális! Egyes rendszereknél, pl. GSM, ISDN természetesen elhelyezhető a beszédkodek az előfizető készülékébe is. A nyalábolás és útvonalválasztás általában többszintű is lehet:

A pleziokron tulajdonság – sebességkiegyenlítés Miért kell sebességkiegyenlítés? Mert szabadonfutó oszcillátorok vannak, az időosztáshoz pedig fázisban és frekvenciában is egyeznie kell a jeleknek. A hierarchiát ábrázoló képen látható, hogy kétféle órajelet jelöltünk. A kétféle jelölés azt szimbolizálja, hogy földrajzilag máshol helyezkednek el a kapcsolóból és primer központból álló egységek , így a távolság miatt nem ugyanaz az órajel jut el hozzájuk. A szürke buborékkal körülvett egység egy szinkron egység (forgalom koncentrátor, kapcsoló, primer központ) elemei földrajzilag közel vannak, ugyanazt az órajelet kapják; a működés szinkron módon történhet. Mivel a II. szintű központoknak különböző földrajzi helyekről érkező, és így különféle órajelű jelek fogadására is késznek kell lenniük (vastag vonallal jelölt becsatlakozások), így történhet meg, hogy nagyobb sebességre van szükség a következő szintű multiplexelt jelnek, mint amit a beszédcsatornák sokszorozódása megkövetelne. (A koaxiális kábelek késleltetése nagyon ingadozó!) Például az E2-E3 szintek között 4-szereződik a beszédcsatornák száma, a szükséges átviteli sebesség pedig több mint 4-szeres lesz (32 Mb/s helyett 34 Mb/s). (Az európai hierarchia szinteken az első szinten 30 bemenetű, a többi szinten pedig 4 bemenetű multiplexerek vannak.)

Látható, hogy a multiplexer minimális órajelét a bemeneten előforduló lehető legnagyobb órajelhez választjuk és még tűrést is hagyunk rá. A nyalábolás után nyert jel „órajelet” viszont – mivel a nyalábolási órajel választja meg – így nem a bemeneti sebességek, hanem a kimeneti sebesség négyszerezéséből adódik. Innen a pleziokron elnevezés, és ez az eredete az átviteli sebesség növekedésének. A megvalósítás rugalmas tárral lehetséges:

30



Ez a tár képes arra, hogy más sebességgel olvassák ki a benne rejlő adatokat, mint amilyennel beírták. Természetesen töltő biteket kell ehhez beszúrni. Ahhoz, hogy a vevő oldal is meg tudja ezeket különböztetni az adatbitektől jelző biteket is át kell vinni. A bit beékelési technológiát angolul „bit stuffing”-nak nevezik, az amerikai irodalomban pedig „justification” néven terjedt el. (Itt tulajdonképpen két órajel van, az egyik a saját, a másik a bemenettel szinkronizált.)

Egy multiplex fokozaton tehát át kell vinni minden hierarchiaszinten: - a jelet, ami az információt hordozza - töltő biteket – melyeket a sebességkiegyenlítés céljából szúrtunk be - jelző biteket – megmondja, hogy hova szúrtunk be - jelzés biteket (csak az I. hierarchiaszinten, 30 helyett 32 csatorna van), a kapcsolat átviteléhez szükséges - CRC – hibajavító kód - szolgálati csatorna - keretszinkront (a PDH minden hierarchiaszinten újrakeretez): az összes többi fent felsorolt bit helyét a keretszinkronhoz viszonyítjuk; e nélkül lehetetlen lenne a demultiplexálás. Sebességkiegyenlítésre csak a II. hierarchiaszinttől felfele van szükség, hiszen az I. hierarchiaszint földrajzilag közel van a forrásához (az I. szintig bezárólag szinkron rendszer, csak utána pleziokron), tehát az I. szinten a kapcsolás és multiplexelés összefonódik. Amennyiben a beszédkodek a végberendezésben van (GSM, ISDN), az órajelet a helyi központ adja a végberendezések számára. Meg kell említeni, hogy a PDH alapjában véve multiplex technológia, de kapcsoló funkciót az első PDH szinten elláthat.

Leágaztatás Egy másik fontos hátránya a PDH-nak a leágaztatás nehézsége:

Mivel a rendszer hierarchikus felépítésű, és nem teljesen szinkron, így egy alacsonyabb keret visszanyeréséhez szintről szintre ki kell bontani a kereteket. A töltőbitek miatt minden szinten eltolódhatnak a keretek határai, így minden szinten újra vissza kell nyerni az órajelet! Így például az ábrán látható esetben: - le kell bontani a kereteket: E4  E3  E2 - ki kell cserélni a keret tartalmát - vissza kell építeni az egész keretrendszert.

31



Ez a PDH legnagyobb hátránya. Akkoriban mégiscsak a PDH-t választották, mivel a teljes szinkronra a megoldást az jelentette volna, ha minden központ szinkronban működik, és az átvitel késleltetése állandó. Az órajel problémát egy mesteroszcillátorral és PLL-ekkel akkoriban is meg lehetett volna oldani. A bajt az adat átvitele jelentette, ugyanis a koax kábel késleltetése függ a környezeti hatásoktól, így aztán nem volt érdemes szinkronizálni az oszcillátorokat sem. A szinkron megoldás lehetőségét majd az optikai szál nyújtja.

32

2. Technológiai áttekintés 2.1.3. Keskenysávú adathálózatok


2.1.3. Keskenysávú adathálózatok

Adattovábbítást meg lehet oldani akár áramkör kapcsolt, akár csomagkapcsolt módon. Az első megvalósítás: PCSDN (Public Circuit Switched Data Network, nyilvános célú áramkör kapcsolt adathálózat). Megvalósítható PDH alapon, így n×64 kb/s sebesség valósítható meg.

Az adatjelre jellemző a csomósodás, börsztösség („burst” = löket). A felépített áramkör kihasználtsága így változó, ingadozó. Elmondható, hogy az emberi párbeszéd 30-40%-os kihasználtságot biztosít, és ez az arány az adatnál még rosszabb, így az adatot csomagokra bontva érdemes szállítani.

Csomagkapcsolást használva a csomópontok bemenetén, vagy a csomópontok belsejében, vagy a csomópontok kimenetén csomag szintű ütközés jön létre. Látszólagos áramkör alapú csomagkapcsolás esetén van: - hívásengedélyezés (jelzés) - erőforrás foglalás (csomóponti számítási és tároló kapacitás, valamint útszakasz kapacitás) - bontás. Ugyanakkor másik látszólagos áramkör is létrejöhet ugyanazon útszakaszon, tehát erőforrás foglalás történik, amely a csomópontok és útvonalak kapacitását megosztja az egyes látszólagos áramkörök között. A csomagok mindig ugyanazon az útvonalon haladnak, így kicsi lesz az ingadozás.

IP-nél nincs előzetes útvonal-kiépítés, látszólagos áramkörfoglalás.

Példa: X.25 (PPSDN, Public Packet Switched Data Network) Ez az IP elődjének mondható. - csomag alapú - látszólagos áramkörkapcsolt - a fémvezetékes közeg miatt gyenge minőségű, így minden csomópontba hibajavítást építettek - ugyancsak minden csomópontban volt áramlásvezérlés - sebességek: hozzáférői hálózaton: 16 kb/s gerinc hálózaton: 64 kb/s - második rétegben a HDLC módosított változatát alkalmazták: LAP-B (Link Access Procedure – Balanced, kapcsolat elérési eljárás kiegyenlítéssel). (Lásd: Tanenbaum: 81. o.)

Adathálózatok további lehetőségei: -

bérelt hálózat (leased line, LL) magánhálózat (private network, PN)

33



Másodlagos adatátvitel - elsődleges adatátvitel: arra használják a hálózatot, amire tervezték - másodlagos adatátvitel: beszéd, műsorátvitelre tervezett hálózaton adatot is átviszünk (pl. modemmel). A távbeszélő hálózaton ezzel a technikával 2,4 kb/s-33,6 kb/s sebességű adatátvitelt lehet megvalósítani. Mivel a távbeszélő hálózatban két helyen van PCM kodek, és ezzel együtt sávszűrő, továbbá a kvantálás nem egyenletes és PCM szakasz sebessége 64 kb/s, így adódik ez a kisebb sebesség.

(Ha a vevő a központban van, akkor csak 1 kodeken kell áthaladnia az adatnak, és egy kicsivel gyorsabb sebesség érhető el.)

ISDN (Integrated Services Digital Network, integrált szolgáltatású digitális hálózat.) Kezdetben nem tudták, milyen népszerű lesz, az üzletemberek a rövidítést az „I Still Don't kNow” mondattal jellemezték, majd mikor beindulni látszott, akkor ezt az „I See Dollars Now” mondatra cserélték. Lássunk egy ábrát ezzel kapcsolatban, mely a technológiák piacképességét ábrázolja:

Az ISDN igazán végül nem terjedt el, mert nem volt rá fizetőképes kereslet. A teljes előfizetői hurkot digitálissá teszi, a kodek a végberendezésben található. Többféle információt lehet átvinni rajta: - adat - beszéd - videó. A szabvány többféle csatornát is definiál, de a gyakorlatban két fő csatornaterjedt el: - B csatorna (Basic, alap csatorna): valós áramkör alapú PCM/PDH, 64 kb/s - D csatorna (Data, adat csatorna): X.25 szerű csomag kapcsolt, 16 kb/s sebességű. Mivel jelzést is kell továbbítani, adat továbbítására csak 9,6 kb/s áll rendelkezésre. A D csatorna részére külön protokollt hoztak létre: LAP-D (Link Access Procedure for the D channel). Az alapkiépítés a 2B+D csatornakombináció, ez 2×64 + 16 = 144 kb/s-os hozzáférési sebességet jelent. Az ISDN egyik problémája a többsebességű kapcsolás („multirate switching”) megvalósítása (csak az ajánlásban van, a valóságban nem valósították meg). Miután nem csak 2B+D hozzáférés lehetséges, hanem n×B+D is, így minden n-re meg kellene oldani a kapcsolás, útvonalválasztás problémáját. Végül az n=2-re és n=30-ra valósították meg. n=30 esetben (30B+D) legtöbbször bérelt vonalról van szó, így a kapcsolást nem kell elvégezni. n=2 esetben pedig két B csatornára bontják a kapcsolatot, azokat külön kapcsolják, majd a másik oldalon egyesítik ismét a két csatornát (nem átlátszó módon). A többsebességű kapcsolás problémaköre rengeteg problémát jelent; ha valóban megvalósítanák, nagyon elbonyolítaná a kapcsolóközpontokat.

34


2.1. Távközlő hálózatok ISDN

Levonható a konzekvencia: az áramkörkapcsolás nem hatékony, ha több sebességet kell kapcsolni, így az adatátvitelnél a csomagkapcsolás lesz a célravezető, mert: - az adat csomós (börsztös) - többféle sebességet lehet kapcsolni (majd ATM esetén látható példa). (További részletek: Tanenbaum: 165. o.)

35

2. Technológiai áttekintés 2.1.4. Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok


2.1.4. Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok

Az információ továbbítása vezeték nélkül két átviteli közegen képzelhető el: - földfelszíni rendszerrel - műholdas rendszerrel.

Földfelszíni rendszerek generációi 1G Például NMT (Nordic Mobile Telecommunication system). Ennél a rendszernél analóg volt a hozzáférői hálózat, a terület cellákra van osztva. (A cellás megoldás megmaradt a későbbiekben is.)

Hierarchikus frekvenciaosztás történik: minden szomszédos cellának más a frekvenciája, és a cellákon belül tartózkodó felhasználók is mind különböző frekvenciákat kapnak meg. A frekvenciákat a nem szomszédos cellákban újrahasznosítják. Ha a felhasználó átmegy a cellahatáron, ún. átadást („hand over”) kell véghezvinni, melynek során a készülék felügyeletét az egyik cella központja átveszi a másiktól. Az egy cellán belüli hierarchikus felosztás a következőképpen néz ki:

A hozzáférés elnevezése FDMA (Frequency Division Multiplex Access). A cellás megoldás előnyei: - frekvencia újrahasznosítása - kisebb kisugárzott teljesítmény elég - így kevésbé káros az egészségre - valamint kisebb méretű lehet a készülék (tápellátás biztosítható kisebb teljesítményű áramforrással).

2G – GSM (Global System for Mobile communications) A 90-es évek elején jelent meg. A végberendezés is digitális lett, a kodek a végberendezésben található. Jellemzői: - TDM + FDM hozzáférés - beszédhang sebesség: 13 kb/s. A sebességcsökkenés ára a nagyobb késleltetés. (Azért kell alacsony sebességet tartani, mert a drága rádiós sávszélességgel spórolni kell). Távbeszélő hálózatba áttérve GSM-PCM átkódolás szükséges - adat sebesség: 9,6 vagy 14 kb/s. Az adatjel nem megy át beszédkódolón, mert az adatjel már a végberendezésben kikerüli azt. Több csatorna is összekapcsolható adatátvitel céljából, így n×14 kb/s érhető el, de maximum 56 kb/s, mivel a távbeszélő gerinchálózaton 64kb/sec a határ.

36



Mivel az n×14 kb/s-ot így sikerült egy PCM beszédcsatornába tenni nincs szükség többsebességű kapcsolásra.

Az n×14 kb/s sebességű átvitelnél HSCSD-ről beszélünk (High Speed Circuit Switched Data). Amennyiben viszont n csatornát használunk adatátvitelre, akkor mind az n frekvenciasávot lefoglaljuk. Az adat börsztössége miatt ez pazarlás. A rendszernek különböző szolgáltatásai vannak: - SMS: Short Message Service, rövid szöveges üzenet szolgáltatás - MMS: Multimedia Message Service, multimédia üzenet szolgáltatás - WAP: Wireless Application Protocol, vezetéknélküli alkalmazás protokoll, egyszerűsített www böngészésre. Ez a hálózat már integrált szolgáltatású hálózatnak tekinthető, de ezt a gyakorlatban nem szokták hangsúlyozni. (További részletek: Tanenbaum: 295. o.)

2.5G – GPRS (General Packet Radio System) GPRS = „általános csomagalapú rádió rendszer”. Ezen a ponton szakítottak az áramkörkapcsolással történő adatátvitellel. GSM alapon működik, a beszédátvitel továbbra is a GSM hálózaton történik. Az adatátvitelhez külön IP alapú hálózatot építettek, így megszűnt a 64 kb/s-os felső határ (nem PDH-n megy az adat, hanem IP alapú gerincen). Amikor nincs adatforgalom, akkor nem kell foglalni a frekvenciasávokat, így más állomás használhatja. Természetesen ütközés felléphet. A végberendezésnek akár IP cím is kérhető! Így a gerinc egyesített távközlő és számítógépes hálózat: - IP alapú csomagkapcsolt adathálózat - PDH alapú valós áramkör kapcsolt beszédhálózat. Az átvitel az eddigi gyakorlatban nem lehet nagyobb, mint 56 kb/s, viszont olcsóbb lett, hiszen a csomagkapcsolás nagyobb hálózati kihasználtságot biztosít. (A technológia megenged magasabb sebességeket is, hiszen nincs 64 kb/s-os korlátozó tényező, mivel az adat nem PDH-n keresztül megy.) Tehát a GPRS egyelőre csak olcsóbb mint a HSCSD GSM adatátvitel, de nem gyorsabb annál! A spirális fejlődés a kapcsolási technikák terén is megfigyelhető:

37



Magánhálózatok Ezek a mozgó, keskenysávú távközlő hálózatok különösen fontosak az ún. készenléti szolgálatok részére, pl.: tűzoltóság, rendőrség, mentőszolgálatok és a katasztrófaszolgálatok számára. Általános tulajdonságok: - áramkörkapcsolt hálózatok kisebb hívásblokkolással - nem demokratikus rendszer, jellemző a hívás prioritás (előnyben részesítés) - a hálózatban van diszpécserszolgálat - szelektív hívás: hívás csoportokat lehet definiálni - nagy megbízhatósági követelmények - nagyobb adatbiztonság szükséges (az illetéktelen lehallgatások megelőzésére). A forgalomsűrítés miatt természetesen itt is felléphet hívásblokkolás. A blokkolás valószínűsége az Erlang formulákkal modellezhető (lásd: tömegkiszolgálás). Mivel itt készenléti rendszerekről van szó, szigorúbb tűrést írnak elő a hívásblokkolás valószínűségére, mint a nyilvános hálózatoknál. A világon 3-féle hálózat van: GSMPRO (GSM Professional): az Ericcson rendszere. Ez van Magyarországon is kiépítve, pl. a Westel rendszerét a szállítmányozók is használják. A teljes rendszerre: kb. 1000 hívásból 1× lehet blokkolás. TETRA (Terrestrial European/Enhanced Trunked RAdio, földfelszíni európai/emelt szintű trönkölt rádió): a Motorola, és a Nokia rendszere. A trönk (magyarul törzsáramkör) az az áramköri szakasz – általában a gerinchálózati szakasz a hagyományos távközlésben – ahol forgalomsűrítés történt. Valójában itt nem egészen erről van szó. A trönkölt rádió esetében a trönk azt jelenti, hogy a hozzáférői rádió csatornák időben megosztva működnek igény szerint, tehát blokkolás fordulhat elő. Egy csatornát igénybe vehet hol az egyik felhasználó, hol a másik felhasználó pont úgy, mint a GSM-nél, csak ennek a nevében így hangsúlyozzák, hogy trönk. TETRAPOL (TERA-POLice): Francia rendszer, a rendőrség kezdte ott használni.

Műholdas rendszerek Elvileg elkülönülnek a műsorszóró rendszerektől (fizikailag lehetnek egy műholdon). A műholdak nem együtt forognak a földdel, ezért több műhold kell, hogy mire az egyik kilép, a másik átvehesse a szerepét. (Ez keskenysávú távközlő rendszereknél igaz, szélessávúnál lesznek olyanok, melyek a földdel együtt mozognak.) Cél: földfelszíni mozgó, globálisan lefedő rendszer. (900 MHz-cel le van fedve Magyarország, de 1800 MHz-es rendszerrel nem is lesz. A gyéren lakott vidékek és az óceánok egyáltalán nem fedhetők le földfelszíni rendszerrel.) Egyelőre nem piacképesek a műholdas rendszerek – a fénykábel megjelenése előtt nagy volt a jelentősége, de ekkor sem a mozgó távközlésben. Több rendszer is létezik, pl.: - Iridium: az irídium atomszerkezetéről kapta a nevét. Eredetileg 77 műholdat terveztek fellőni (az irídium periódusos száma). Végül csak 66 műhold látja el a feladatot, és 11 tartalék műhold kering 750 km magasságban. Sebessége eleinte 2,4 kb/s volt, így ez a rendszer elhalálozott, és áttértek 9,6 kb/s-ra. (A gond az volt, hogy mire fellőtték a műholdakat, addigra már elavult a technika.) - Global Star: 64 kb/s-re tervezték, 48 műholddal. Kevesebb műhold kell, mint az Iridiumnál, mivel ezúttal távolabb keringenek a műholdak: földfelszín felett 1500km.

38

2. Technológiai áttekintés 2.1.5. Szélessávú távközlő hálózatok

2.1. Távközlő hálózatok SONET/SDH

2.1.5. Szélessávú távközlő hálózatok

SONET/SDH Synchronous Optical NETwork (USA, ANSI), Synchronous Digital Hierarchy (EU, CCITT / ITU-T). Megmaradt Európa és Amerika kettőssége, de már nem olyan éles, mint régen. (Ajánlott irodalom: Tanenbaum: 149. o.)

Technológiai háttér – optikai kábel A technológiához kellett az optikai kábel megjelenése (a 70-es évek végén). Egészen addig azt hitték a fizikusok, hogy az üveg csillapítása túl nagy ahhoz, hogy hosszú távú átvitelre lehessen használni. Kételyeik szertefoszlottak miután nagy tisztaságú üveget sikerült előállítani. Ennek eredményeképpen: - széles sávú átvitel vált lehetővé - kedvező hibaarány: 10-9, mivel az optikai kábelben nincs áthallás. (A rádiós távközlésben ez 10-3, koax esetében pedig 10-5 az áthallások miatt). - késleltetése állandó, nem függ a környezeti paraméterektől! (Ez a szinkronitás legfontosabb követelménye!) A 80-as évek közepétől a 90-es évek elejéig technológiai burjánzás rajongta körbe az optikai átvitelt. Nagyjából 2000-re letisztult a kép, kialakultak azok a technológiák, melyek tartósan felhasználhatóak. Először PDH rendszerekben alkalmazták, de rájöttek, több lehetőséget kínál, így a PDH fejlesztését abbahagyták, mert: - a PDH keveset fordít a biztonságra - minél több csatornát multiplexálnak annál többet kell fordítani a biztonságra - a szinkron rendszer egyszerűbb, és ez nagy sebességeknél igen fontos szempont. Ez egy alapvetően nyaláboló rendszer, ekvivalens azzal, mint hogyha egy csomó vezetéket kihúznánk. Azért, hogy ne kelljen sok vezetéket kihúzni, időosztásban nyalábolást végzünk, de itt nem történik sem kapcsolás, sem forgalomsűrítés, ezért szokták teljesen transzparens transzport hálózatnak (átlátszó szállító hálózat) hívni. (Tulajdonképpen a PDH felső hierarchia szintjei is ugyanígy viselkednek, csak a legalsó szinten történhet kapcsolás. Nem kötelező, hogy ott történjék, de történhet. PDH rendszerekben forgalomsűrítés is lehetséges, tehát a legalsó szint nem átlátszó, de a többi magasabb szint igen. Például: a PDH és az SDH is átvisz IP forgalmat.)

Sebességek, szintek SONET szintek SDH szintek névleges átviteli sebesség beszédcsatornák száma átviteli közeg

STS-1

STS-3 STM-1

STS-12 STM-4

STS-48 STM-16

STS-192 STM-64

52 Mb/s

155 Mb/s

622 Mb/s

2,5 Gb/s

10 Gb/s

EU: 4×7680 = 30720

EU: 4×30720 = 122880

672

USA: 3×672 = EU: 4×1920 = 2016 7680 EU: 1920 földfelszíni és műholdas rádió optikai kábel

A SONET/SDH ott kezdődik, ahol a koaxos PDH véget ér. Az optikai kábelek által elérhető felső határt egyelőre a lézeroszcillátorok sebességes szabja meg, mivel a be és kikapcsolódáshoz itt is idő kell, a levágás nem éles. A 2,5 Gb/s-os átvitel jóval olcsóbb a 10 Gb/s-nál, így inkább azokból építkeznek. A táblázat nagyobb távolságokra (50-100 km) tartalmazza az átviteli közeget, rövid szakaszokon természetesen lehet alkalmazni koaxot is, hiszen ott a késleltetési ingadozás is kicsi, és ezért nem zavaró.

39



A rövidítések jelentése: - STS: Synchronous Transport Signal, szinkron átvitelre szolgáló jel - STM: Synchronous Transport Module, szinkron átvitelre szolgáló egység. Látható, hogy az amerikai rendszer kicsit nagyobb sebességen kezdődik, mint ahol az amerikai koaxos PDH gerincsebesség véget ér, nem 45 Mb/s-on. Azért lett 52 Mb/s az átviteli sebesség, hogy a 45 Mb/s fölé elég nagy fejlécet tudjanak tenni, a biztonság érdekében. Az eredeti táblázat nem így nézett ki, de az Európaiak kérték, hogy illeszkedjen az Európai PDH rendszerhez, így az ANSI módosította a szabványt. A táblázatból fejből tudni kell: - először háromszorozás, majd négyszerezés - névleges sebességek nagyságrendileg - ezekből a beszédcsatornák száma kiszámítható. Magyarországon eleinte kiépült a PDH (1992-től), majd ráépült az SDH (1995-től) (Matáv, PanTel, Hungaronet, akadémiai háló). Magyarországon az SDH hálózat jól kiépítettnek mondható.

A szinkron tulajdonság Egy mester-oszcillátorhoz szinkronizáljuk az összes órajelet PLL-lel. Az órajel jöhet műholdról is, pl. GPS (Global Positioning System, globális helymeghatározó rendszer). Az órajel változhat üzemeltetőnként, körzetenként (pl. más lehet a Matávé, meg a PanTelé), viszont körzethatáron mindenképpen sebességkiegyenlítést kell végezni bitbeékeléssel.

Az ábrán is látható módon itt pontos négyszerezés valósul meg. Egy órajel van, abból helyes fázisú és frekvenciájú órajel származtatható minden hierarchia szinten.

Leágaztatás, rendezők A rendszer szinkron tulajdonsága miatt egyszerűen lehet lebontani a nyalábolt folyamot, ha csak egy részről van szó. Egy alacsonyabb összetevő így egy lépésben kivehető, nincs szükség szintenkénti újraszinkronizálásra. (Nem kell minden szinten visszanyerni az órajelet, mivel az mindenhol azonos.)

A képen egy ún. add-drop multiplexer (ADM) látható. Úgy képzelendő el az egész hierarchia, mintha nagy dobozokba kisebb dobozokat tennénk, abba még kisebbeket, stb. A PDH esetében minden doboz egymásba van zárva (mint az orosz baba). Az SDH esetében csak a legfelső doboznak van fedele, a többi doboz csak a rekeszekhez hasonlóan helyezkedik el benne.

40



SDH esetében készíthető vezérelhető digitális rendező: DXC , DCC (Digital Cross Connect). Ennek rajzjele nem tévesztendő össze a kapcsolóközpont jelével. A különbség az, hogy az X aljáról elmaradnak a talpacskák! A digitális rendezőt a hálózatmenedzser vezérli, ő szabja meg, hogy kit kivel kell összekötni. (Pl.. havonta vezérli, amikor a forgalom annyira megváltozik, hogy érdemes átrendezni az erőforrásokat).

A rendező egybe van építve a nyalábolóval, így kisebb sebességű összetevőket is ki lehet venni:

Minden vonal egyéni sebességen rendezhető, a rendezés szoftver úton vezérelt. (Emlékezzünk: a PDH-nál a kapcsolást csak az első szinten lehetett megvalósítani, az utána lévő szinteken merev a hierarchia, nem rendezhető vezérelhető módon!)

41



Tehát az SDH multiplexer a bemeneten széles palettát tud fogadni. Ez nem jelenti, hogy minden SDH multiplexer föl lenne készítve bármilyen bemenet fogadására, hiszen ez eléggé költséges lenne, így a bemenetek típusa a gyártás során eldől, vagyis amikor megrendelik az SDH multiplexert, közlik a gyártóval, hogy milyen bemeneteket szeretnének kezelni, és ő ehhez készíti el a berendezést. PDH vagy ATM vonalnál sebességkiegyenlítés kell, ezt általában bitbeszúrással oldják meg. Az SDH tehát egy transzparens transzporthálózat (átlátszó szállítóhálózat), időosztásos nyalábolást használ. (Itt hangsúlyozzuk ki újra, hogy a legalsó PDH szint nem átlátszó a lehetséges kapcsolás miatt, a többi igen.)

Megbízhatóság, skálázhatóság

A képen látható módon az SDH multiplexer automatikusan tud szakaszt tartalékolni, ez beépített funkciója. Ez egy védelmi kapcsolás. Híváskapcsolás nincs, és nem is lesz, hiszen a PDH pleziokron tulajdonságát magasabb szinten nem lehet szinkronná változtatni! (Ismét utalunk rá, hogy a magasabb PDH szinteken nincs híváskapcsolás; sőt, ott még a többsebességű kapcsolás is lehetséges!) A védelmi kapcsolás lényege: hiba esetén automatikusan vált akár vonalak, akár jelfrissítők között – tehát nemcsak multiplex, de regenerátor szakaszra, is tartalékol. A fenti ábrán egy tipikus elrendezés látható, általában 1 üzemi és 2 tartalék szakasz van. A rendszer valós áramkör alapú. A híváskapcsoláshoz ugyanis szükség lenne a bit szintű órajelre. A másik ok, amiért nincs benne híváskapcsolás, az az, hogy a többsebességű kapcsolás megvalósítása nehéz (lásd: ISDN). A rendszer rugalmasságát a rendező biztosítja. Jellemző egy rendezőkből álló hálózati mag, mely sűrűn összekötött topológiájú. A hálózatmenedzser változtathatja a központi útvonalat, de ez a híváshoz képest sokkal ritkábban történik, csak a forgalmi statisztika tartós megváltozása esetén.

Az ábrán jól megfigyelhető a tipikusan elkülönülő kapcsolási és rendezési sík – a kettő együtt biztosítja a valós áramkörkapcsolást.

42



SDH és PDH topológia PDH: Alapjában véve pont-pont alapú a gerinchálózat kiépítésére alkalmas. Tekintsünk egy nagyvárosi PDH törzshálózati példát. A helyi központok egy csillagpontot képező központon, az úgynevezett „tandemközponton” keresztül vannak összekötve, így egy csillag struktúrát kapunk. A hálózat jobb megbízhatósága érdekében azonban két csillagpont van és így kettős csillag struktúra jön létre. A jobb forgalmi megoszlás miatt haránt összeköttetéseket is beiktatnak, amelyek akár körbe is érhetnek, ilyenformán gyűrű topológiát formálva. A gyűrű azonban gyakorlatilag csak a szomszédos vagy közeli helyi központok között szállít forgalmat, mert a távolabbi helyi központok között a csillagpontok felé megy a forgalom. Így végül egy igencsak szövevényes hálózat adódik, de hangsúlyozni kell, hogy korántsem egy teljes gráfról van szó, vagyis nincs mindenki mindenkivel összekötve.

Ilyen topológiával modellezhető a MATÁV budapesti PDH alapú központközi hálózata is, a hálózatbiztonság érdekében az egyik tandem központ Budán (Városmajor központ), a másik Pesten (Angyalföld központ) van. SDH:

A gerinchálózati területet például SDH gyűrűkkel fedik le, az ábrán két ilyen gyűrűt tüntettünk fel. A gyűrűket vezérelhető digitális rendezők kötik össze legalább két csomópontban a jobb hálózat megbízhatóság érdekében.

43



A struktúrát formáló gyűrűk belül kétirányúak lehetnek. Ha szakadás történik, akkor automatikusan visszahurkolnak a csomópontok; így bár feleződik a sebesség, viszont a hálózat nem esik ketté. Ezt nevezik kettős gyűrűnek (double ring), vagy más néven öngyógyító gyűrűnek (self-healing ring) is. Felmerül a kérdés, hogy SDH gerinchálózat miért lehet gyűrű alapú, míg PDH gerinchálózat csillag topológiájú vagy szövevényes hálózat. 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 - a gyűrűk rugalmas összekapcsolásához vezérelhető digitális rendezőkre van szükség, ami a PDH technológiában nem áll rendelkezésre.

Történeti kiegészítő: Magyarországon 1992-tõl létrehozták a PDH gerinchálózatot, majd kb. 1995-tõl kiépítették az SDH-t is. Ezt megelőzően idehaza nem volt se fénykábel, se koaxális PDH rendszer. Magyarországon a PDH és a fénykábel egyszerre jelent meg; nem úgy, mint a nyugat-európai országokban. A PDH-ban a szinkronizálás azért nem lehetséges, mert a koax késleltetési ingadozást idézhet elő, de Magyarországon ez nem így van, mert egyszerre telepítették a fénykábeleket és a PDH rendszereket. Tehát lehetne szinkronizálni az oszcillátorokat; meg is teszik, de ez nem azt jelenti, hogy ettől a rendszer még ne maradna PDH. Természetesen ki lehetett volna dolgozni Magyarország számára egy olyan rendszert, hogy az 1. szinttől kezdve végig szinkron az egész hálózat (fénykábelre alapozva), de ez a nemzetközi rendszerekhez nem illeszkedett volna. (Természetesen itt nem csak Magyarországról van szó, hanem sok olyan országról, ami ezt a lépést egyszerre tette meg.) Ez a szabványosítás tipikus problémája: szükség van rá a technológiák elterjedéséhez, de utána merevvé teszi a technológiát.

44


2.1. Távközlő hálózatok Optikai hálózatok Optikai hálózatok

Részben a csomópont is optikai (emlékezzünk, SDH-nál csak a vezető üvegszál!) Sebesség: - először is TDM-et alkalmaznak, melynek a kimenetén 10 Gb/s jelenhet meg. (A gyakorlatban a 2,5 Gb/s-os rendszer olcsóbb lehet.) - a TDM után még WDM-et is alkalmaznak, mely pl. 160 különböző hullámhosszat tehet bele az üvegszálba. Ha több mint 10 hullámhossz kerül multiplexálásra, akkor a technológiát DWDM-nek (Dense WDM) nevezik, de ez csak egy elnevezés, nincs jelentősége - a kettő szorzataként kapjuk az átviteli sebességet, mely így 1,6 Tb/s-ra adódik, mely 20 millió beszédcsatornát jelent, de természetesen nem csak beszédátvitelre használják - a rendezéshez speciális vezérelhető optikai rendezőt használnak: OXC (Optical X(=cross) Connect). (Később lesz még szó róla bővebben.) A WDM és FDM technikák tulajdonképpen teljesen azonosak, a különböző elnevezések különböző szemléletmódból származnak. Az optika sokáig a fizikusok kezében volt, ők hullámhosszban számolnak, míg a rádiós alkalmazások révén a frekvencia hamar átkerült a mérnöki terminológiába. A fizikusok abban gondolkoznak, hogy egy adott szerkezet hogyan működik, ehhez az elektromágneses hullámok hosszát kell összehasonlítani az anyagi méretekkel. A mérnököket nem érdekeli, hogy hogyan működik, csak alkalmazni szeretnék, így a jelet inkább frekvenciában írják le, mivel az jobban jellemzi az adódó jelsebességeket. Továbbá a műszaki alkalmazásokban gyakran hivatkoznak a sávszélességre, ami a modulációval történő eltolás során a hullámhosszal szemben állandó. A két mennyiség egyébként tejesen megfeleltethető egymásnak. A PDH, SDH, WDM rendszerek megtartják az áramkör kapcsolt, illetve csomagkapcsolt jelleget magasabb szinteken is, ezért mind átlátszóak. A spirális fejlődés itt is megfigyelhető: - először volt a térosztás (SDM), amikor még annyi kábel volt az oszlopokon, hogy szinte eltakarta az eget - utána kitalálták a frekvencia osztású nyalábolást (FDM) - rájöttek, hogy kevesebb szűrő kell, hogyha ugyanezt időosztásban csinálják meg (TDM) - most a TDM + WDM / FDM rendszerek a legfejlettebbek.

ATM hálózatok ATM = Asynchronous Transfer Mode, aszinkron átviteli eljárás. A fénykábel megjelenése tette lehetővé. (Néhány érdekesség: Tanenbaum: 83. o.) 1988-ban született az első ATM szabvány (CCITT). A kapcsolható sebesség hamar 155 Mb/s-ról 600 Mb/s-ra, majd 2,5 Gb/s-ra nőtt. Kicsi, egyforma méretű csomagokat használ, melyet itt cellának neveznek. A cellaméret: 53 byte, ebből - 48 byte hasznos teher - 5 byte fejléc. A cellák pl. 155 Mb/s sebességgel, szünet nélkül követik egymást. Ezen szemszögből tehát szinkronnak mondható. Viszont a cellák néha üresek, vagy csak félig vannak megtöltve. Az üres cellákat azért kell átvinni, hogy a vevő a szinkronizációt fenntarthassa. Tehát a rendszer azért aszinkron, mert nincs külön órajel, hanem magával az adattal (a cellákkal) szinkronizálunk.

45


2.1. Távközlő hálózatok Optikai hálózatok

A vízszintes tengely szemlélteti az idő múlását. A vastag vonalkák jelzik (cellahatárok), hogy szigorú ütemben, szünet nélkül érkeznek a cellák. Minél több adatot tartalmaz a cella, annál jobban be van satírozva. Látható, hogy a negyedik cella teljesen üres, mégis átvitelre került.

ATM MPX, mint statisztikus multiplexer: Az alábbi ábrán látható egy ATM multiplexer, mely két adatfolyamot multiplexál. Ha a bemeneti adatokban vannak üres cellák, a kimeneten is lesznek, de sokkal kevesebb, mint a bemeneteken volt. Ha nem lennének üres cellák a kimeneten is, akkor állandóan torlódások lennének a hálózatban. Néha még így is vannak, ezért tárolókat alkalmaznak. Mivel a tároló kapacitása véges, így túlcsordulás esetén egyes cellák akár el is veszhetnek.

ATM cellakapcsolás: A kapcsolás látszólagos áramkör alapú, azaz a csomagok mindig ugyanazon az útvonalon mennek:

A hívás során az ATM kapcsoló (switch) feladatai: - CAC – hívásengedélyezés - útvonal választás (routing) - erőforrás foglalás (resource capacity provision/allocation): - átviteli kapacitás - processzor kapacitás - tároló kapacitás - rendszabás (policing): a hálózat méri a bejövő forgalmat, és ha valamely adatfolyam a díjszabásban rögzített korlátot túllépi, akkor a torlódás veszély miatt a kapcsoló úgy intézkedik, hogy tároló túlcsordulás esetén az illető adatfolyam csomagjait nagyobb valószínűséggel dobják el – ez leginkább a prioritások csökkentésével érhető el - díjszabás (accounting).

46



Sebesség granularitás: Granularitás (szemcsésség) = többféle sebességfokozat, amely finom lépésekben szabályozható. Itt az üres cellák arányával igen jól lehet szabályozni a sebességet, így tetszőleges sebesség kialakítható. (Ellentétben az ISDN-nel, ahol a többsebességű kapcsolás gondot jelentett!)

Rendezés: Elviekben az ATM egy olyan eszköz, ami tud nyalábolni, rendezni, kapcsolni. Rendezésnél nem a felhasználó vezérel – mint kapcsolásnál – hanem a hálózatmenedzser, és nem naponta, hanem ritkábban (kb. havonta). Gyakorlatban ugyan ki van dolgozva az ATM kapcsolási rendszer is, de nem terjedt el, csak a rendezés. A megvalósítása ún. ATM DXC-vel történik. A nyalábolás gyakorlatában két mód terjedt el: - Virtual Circuit/Channel (VC): látszólagos áramkör - Virtual Path (VP): több látszólagos áramkörből áll (max. 4096 VC)

A VP használatának előnyei: - hatékonyabb kapcsolás vagy rendezés (nem kell az összes VC-t külön kezelni) - a hálózat menedzselhetőségét javítja. Elvileg lehetséges VC-VP változatok:

(X = rendező, talpas X = kapcsoló.) A szakmai közgondolkozásban leginkább a VP rendező és a VC kapcsoló terjedt el, de ha nem kell kapcsolni, mint például bérelt vonalak esetén, akkor VC kapcsoló helyett is VC rendezőt használnak, így legtöbbször VCX és VPX használatos.

A cellák kis, egyforma méretének következményei: VC-VP koncepcióval a rendezés/kapcsolás gyorsan és hatékonyan megvalósítható. Míg az X.25-nél hibajavítás és torlódásvédelem van minden csomópontban, ATM-nél az átvitt adatokra még hibaellenőrzést sem alkalmaznak az egyes csomópontokban, de a fejlécet CRC hibaellenőrzés védi. Torlódás védelem közvetve azért van, pl. erőforrás foglalás útján, de ez sokkal gyorsabb jeltovábbítást tesz lehetővé, mint X.25-nél, hiszen csak a beléptetéskor kell elvégezni.

ATM bemenetek: - nyers ATM cella (keretezés nélkül): 25 vagy 155 Mb/s - PDH, SONET, SDH keretezésű jelek: n×64 kb/s-2,5 Mb/s - 25 Mb/s LAN, 100 Mb/s FDDI - ADSL - rádiós interface-ek (felszíni és műholdas is lehet)

47



Az ATM QoS-t garantál: Az ATM fontos tulajdonsága, hogy QoS-t (Quality of Serive, szolgáltatás-minőség) garantál. Ez a távközlő hálózatok szempontjából fontos, mert a biztosított minőségért magasabb díjat lehet számlázni. A minőséget statisztikusan jellemzi: - a csomagvesztés valószínűsége - a várható késleltetés - a késletetés ingadozása. A QoS garanciának eszközrendszere szokás szerint: hívásengedélyezés, útvonalválasztás, erőforrás foglalás, rendszabás.

B-ISDN hálózatok B = „broadband”, szélessávú. Miután megjelent, az egyszerű ISDN-ből N-ISDN lett („narrowband”). Amennyiben csak ISDN szerepel, akkor az alatt továbbra is N-ISDN-t értünk. A CCITT 1990-ben ATM alapra akarta helyezni B-ISDN megoldást, de ez valójában sosem valósult meg. A tervek szerint sokféle QoS-t lett volna képes garantálni a felhasználás célok és egyéni kívánságok függvényében. Egyelőre úgy tűnik, hogy az IP legyőzi, mert alkalmazásai révén gyorsabban terjed, és 1990 óta az IP útválasztó sebessége utolérte az ATM kapcsoló sebességét. (A hivatkozási modell megtekinthető: Tanenbaum: 85. o.)

IP alapú hálózatok Ma már egy IP router 10 Gb/s-ot is képes teljesíteni akár SDH, akár WDM interfészen, vagyis utolérte az ATM-et sebességben. A széleskörű elterjedtség és a gyors fejlődés okai főleg a rá épülő alkalmazásokban találhatóak meg (www, Internet: 1994 körül robbant be). Az ATM ezek hatására visszaszorult, de még mindig létezik.

ATM alkalmazások 1. ATM gerinchálózatok: rugalmassá lehet tenni a hálózatot, javítja a kihasználhatóságot:

Ha általában csak két 140 Mb/s-os bemenet aktív a négyből, akkor ez pazarló megoldás, helyette ajánlott a következő:

48



(Fontos, hogy az alkalmazhatóság függ a statisztikától!) 2. ADSL 3. UMTS: - IP over ATM (IP ATM felett): szabvány szinten kész, tervezik, gyártják, küszöbön áll - all-IP (teljesen IP alapú): még csak szabványosítás alatt áll.

49


2.1. Távközlő hálózatok Egyéb szélessávú hálózatok

Egyéb szélessávú hálózatok

FR (Frame Relay) Az X.25 és ATM közt helyezkedik el, mert az X.25 és az ATM is látszólagos áramkör alapú. X.25 minden csomópontban hibát javít

FR minden csomópontban hibát ellenőriz és a hibás keretet eldobja

ATM csomópontokban nem foglalkozik a hibával

A FR jobb minőségű vezetékre épült (koax, optikai), így minden csomópontban elég az ellenőrzés. Az X. 25, ATM alapjában véve Európában terjedt el, a FR az USA-ban (de néhol még Magyarországon is előfordul, pl. Matáv: kerettovábbítás bérelt vonalon, n×64 kb/s). Sebessége 1,5 Mb/s-45 Mb/s. (A FR lassabb, mint az ATM.) (A FR működéséről nem sokkal bővebben: Tanenbaum: 82. o.)

DTM (Dynamic synchronous Transfer Mode) Nagyjából 1990-re tehető, Svédországban dolgozták ki. Az alapötlet az volt, hogy dinamikusan lehessen változtatni az időréseket (börsztönként), így változó hosszú, de szinkron időréseket használ. A 2000-ben bekövetkezett piacszűkülés végképp kiszorította, az ATM és az IP a DTM-t is legyőzte.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop/Line) Cél: az előfizetői hurkok kapacitásának gazdaságossá tétele. (Példaképpen említendő a Japán távközlés: elhatározták, hogy minden házhoz üvegszálat vezetnek el, de ez főleg a recesszió és a végberendezések drágasága miatt nem sikerült.) Ismétlő kérdés: modemes átvitel mitől lassú? Válasz: a 4 KHz LPF + PCM miatt. Eredménye: max. 64 kb/s. Az ADSL vázlata:

A szűrők feladata a beszéd és adatcsatornák szétválasztása. (Számítógép-hálózatokból „POTS splitter” néven szerepelt.) Aszimmetria: - letöltés: 0,1-8 Mb/s - feltöltés: 16-800 kb/s Ezek technológiai korlátok, Magyarországon: 384 kb/s (le) és 64 kb/s (fel) terjedt el.

50


2.1. Távközlő hálózatok Egyéb szélessávú hálózatok

A távbeszélő sávra 80 kHz van elkülönítve, így ISDN jelátvitelre is alkalmas, nem csak beszédre.

IP/PPP over ATM Az ADSL technikában elsősorban használatos megoldás. Granularitás: mit is jelentett az, hogy az ATM szemcsés? A sávszélesség az ATM technikában finom lépésekben változtatható, így ez a technológia lehetővé tenné, hogy hívásonként változtassuk a hozzáférői sebességet a szükségnek, a kábelezés adta lehetőségnek és a díjszabásnak megfelelően. A technológia mára adott, de a gyakorlatban eddig ezt a lehetőséget még nem használják.

51

2. Technológiai áttekintés 2.1.6. Technológiai összefoglalás – rétegek


2.1.6. Technológiai összefoglalás – technológiai rétegek

Réteges modellek SzgH tárgynál: funkcionális alapú rétegezés volt. TH: nincs ilyen egységes modell, ahányféle hálózat, annyiféle funkcionális modell létezik. A távközlésben inkább a technológiai rétegezés szemlélete terjedt el. Példák:

Az alsó réteg a felsőnek szolgáltatást nyújt, ehhez újrakeretezést hajt végre. A felső szint igénybe veszi az alatt lévőt. Az SDH réteg skálázhatóságot nyújt: sok felhasználó, nagy sebességtartomány vagy nagy terület esetén.

A másik fontos szempont a menedzselhetőség: - főleg a gerinchálózatokban fontos: ATM, SDH, optikai - akkor kell menedzselni, ha a forgalmi statisztika tartósan megváltozik, illetőleg hálózati meghibásodás esetén.

TH technológiák -

QoS: megbízhatóság díjszabás ellenében áramkört hoznak létre (valós vagy látszólagos) OSI-szerű ábrán mutatjuk be az egyes rétegek hangsúlyát: a réteg szélessége megfelel a réteg bonyolultságának:

A hálózati forgalmi modell szerint a felhasználó működése független a hálózattól. (Már most utalunk rá, hogy ez a SzH-ok körében majd nem lesz így! Lásd: TCP, a következő oldalon.)

52

2. Technológiai áttekintés 2.2.0. Bevezető

2.2. Számítógép-hálózatok

2.2. Számítógép hálózatok 2.2.0. Bevezető: IP, TCP, UDP

Alap: IP, illetve TCP/IP protokoll család.

Hálózati réteg: IP (Internet Protocol) -

forgalomirányítás (útválasztás formájában) nincs torlódásvezérlés adatcsomag (datagram) alapú átvitel: visszük a csomagokat, de útvonalat nem építünk ki. Nem megbízható, bár létezik olyan IP, ami lépéseket tesz a minőség irányába.

Jelenleg az IPv4-et használják, de lassan bevezetésre kerül az IPv6 is a következő változtatásokkal: - címbővítés - mobilitás - biztonság. A váltást mindenféleképpen ki fogja kényszeríteni az a tény, hogy lassan elfogynak az IPv4 címek. (Részletek: Tanenbaum: IPv4: 448. o., IPv6 473. o.)

Szállítási réteg -

TCP (Transmission Control Protocol, átvitel szabályozó protokoll) UDP (User Datagram Protocol, felhasználói adatcsomag protokoll)

Jellemzők: TCP: - szállítási rétegben: forgalomszabályozás, hibajavítás, sorrendezés - lenyúlik a hálózati rétegbe a torlódásvezérlés révén (szükség esetén visszaveszi a sebességet), így viselkedése adaptív. Ez az adaptivitás a legfontosabb, hiszen ezáltal a hálózat visszahat a felhasználóra. - leginkább adat átvitelére használjuk UDP: - nem baj, ha időnként egy-egy csomag elveszik (pl. beszédátvitelnél nem számít) - sokkal fontosabb paraméter a késleltetés - valós idejű („real time”) adatok átvitelére használjuk (Bővebben: Tanenbaum: 560. o.) TCP + UDP egy hálózatban: ha a TCP látja, hogy nagy a forgalom, akkor visszavonul. Ennek hatására mindkettő javul, hiszen a TCP visszavette a sebességet, így több sávszélesség marad az UDP-nek.

Számítógép hálózatok tervezéséhez mind a mai napig nincs kiforrott méretezési módszer (TH-nál van: az Erlang formulák, lásd tömegkiszolgálás). A TCP – ami manapság a legmeghatározóbb – adaptivitása miatt alapvetően nem lehet a felhasználókat modellezni. Lássuk, hogy alakulnak a komplexitási viszonyok a számítógép-hálózatok esetében:

A TH-okkal ellentétben itt a hálózati réteg felett sokrétű alkalmazások helyezkednek el.

53

2. Technológiai áttekintés 2.2.1. Klasszikus IP alapú hálózatok


2.2.1. Klasszikus IP alapú hálózatok

Ethernet sebesség 10 Mb/s 100 Mb/s 1 Gb/s 10 Gb/s

átviteli közeg vastag koax vékony koax csavart érpár fényszál

hálózat LAN LAN MAN MAN

Közvetlenül optikai hálózathoz csatlakoztathatók, alapvetően hozzájárult az IP elterjedéséhez, még ma is használják. (Lásd még: Tanenbaum: 306. o.)

PPP (Point-to-Point Protocol) Fontos az Internet hozzáférés szempontjából, biztosítja, hogy az egyes felhasználók külön-külön hozzáférést kapjanak. (Tanenbaum: 259. o.)

Vezérjeles sín, gyűrű (Token bus, Token ring) Biztosítják, hogy mindenki kiszolgálásra kerüljön és ne lépjen fel „éhezés”. Vezérjeles sín: - 1,5 Mb/s, illeszkedik az USA PCM-hez - 10 Mb/s Vezérjeles gyűrű: - 1,4 Mb/s - 16 Mb/s Sebességben nem fejlődtek az Ethernet fölé, főleg iparban alkalmazzák, ahol az éhezés nem megengedett. (Tanenbaum: 318. o., 324. o.)

FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Magyarul: fényszállal szétosztott adat határfelület. Kötött topológiájú hálózat, nem jól skálázható!

Hasonlít az SDH-hoz az öngyógyító tulajdonságon keresztül, itt viszont a rendezés nehezebb, és ezáltal több gyűrű nehezen kapcsolható össze. LAN-okban és MAN-okban is használható, bár inkább az utóbbiakban szokták. (Pl.: BME 1990-95, ELTE, Közgáz.) Sebessége 100 Mb/s. (Tanenbaum: 351. o.)

54

2. Technológiai áttekintés 2.2.1. Klasszikus IP alapú hálózatok


FDDI-II Szinkron megoldás, valós idejű követelményt próbálták megvalósítani. PCM keretek is szállíthatóak rajta. Egyik FDDI sem terjedt el, az ATM és az SDH legyűrte őket. Ma inkább TH-okon visznek IP-t.

DQDB (Distributed Queue Dual Bus) Lefordítva: kettős sín elosztott várakozási sorral. Főleg MAN-okban alkalmazzák.

Nincs központi intelligencia, mindenki figyeli, hogy melyik csomópont várakozik a régóta, így elkerülhető a kiéhezés. Ez sem skálázható, mert kötött struktúrájú! (Tanenbaum: 333. o.)

SMDS (Switched Multimegabit Data Service) Magyarul: kapcsolt többmegabites adatátviteli szolgáltatás. Sebessége: 45 Mb/s. Kapcsolók beiktatásával képes több DQDB összekötésére. VPN (Virtual Private Network) is kialakítható belőle. (Tanenbaum: 78. o.)

Tehát tartósan életképesnek bizonyultak -

Ethernet (ATM) IP SDH PDH

55

2. Technológiai áttekintés 2.2.2. QoS IP hálózatok

2.2. Számítógép-hálózatok MPLS

2.2.2. QoS IP hálózatok

MPLS (MultiProtocol Label Switching) Gerinchálózati technológia, támogatja a menedzselhetőséget, opcionálisan a minőséget is. Az USA-ban terjedt el az ATM helyett.

Az ábrán látható, hogy a klasszikus IP hálózaton a csomagok útvonala változhat, de általánosságban elmondható, hogy többnyire ugyanarra mennek. Ekkor jött az ötlet, hogy minek értékeljük ki a címeket minden csomópontban, hiszen ez egy időigényes feladat. Ötlet: rögzítjük az útvonalat, és egy virtuális útvonalat (VP, Virtual Path) készítünk. A kapcsolás címke szerint (a virtuális útvonal címe szerint) történik. LSP (Label Switched Path): címke kapcsolt útvonal, a címke az útvonalat jelöli ki, nem a felhasználót; a csomag elé csak az új címkét tartalmazó fej kerül. Különbségek az ATM és az MPLS között: - MPLS: dinamikus útvonalkezelés - ATM: statikus, amíg fel nem bontjuk a kapcsolatot, addig marad az útvonal - MPLS-ben nincs hívás, az útvonal kijelölés megjegyzi, hogy merre mennek az IP csomagok, és eszerint építi ki az útvonalat - MPLS: új útvonalhoz csupán egy új címke kell; periodikusan lekérdezi az útválasztókat, hogy mennyire foglaltak, vagy van-e hiba, így alkalmazkodik a hálózathoz, dinamikus útvonalkezelést valósít meg (ellentétben az ATM-mel, amely vagy áramkör vagy permanens áramkör kapcsolású). Miért többprotokollos? Ez inkább csak egy szándék volt, az IP annyira elterjedt, hogy ez egyelőre még mindig nincs más protokollra megvalósítva. A fent említett dinamikus útvonalkezelésre pl. az RSVP-t (ReSource reserVation Protocol) alkalmazzák. Ez egy MPLS-től függetlenül is használható erőforrás foglaló protokoll. (Az IETF 1997-ben szabványosította.) Periodikus lekérdezésen alapul, a lekérdezések kb. 30 mp-enként követik egymást, de valószínűségi alapon. Az MPLS célkitűzései: - az útválasztók címkiolvasásának gyorsítására találták ki 1992-ben. Azóta ennél sokkal jobb címkiolvasási módszereket is kifejlesztettek, így ez ma már nem cél. - menedzselhetőség (LSP): kötegeljük az IP összeköttetéseket, így az RSVP mellett a hálózatmenedzser is megváltoztathatja az erőforrás foglalásokat - erőforrás foglalható: 1 LSP-re lehet erőforrást foglalni - VPN (Virtual Private Network, látszólagos magánhálózat) hálózat valósítható meg címkekapcsolt útvonalakkal Fejlődés: valós áramkör látszólagos áramkör dinamikus útvonalkezelés datagram

TH: felhasználó = 4kHz, kiszámítható, forgalmuk modellezhető, stacioner, felhasználás alapú díjszabás SZH: dinamikusan viselkedik, nincs tartós erőforrás foglalás, a felhasználó is dinamikus, átalány díjas díjszabás.

56


2.2. Számítógép-hálózatok IS, DS

IntServ, IS (Integrated Sevices (IP network)) IS = integrált szolgáltatású IP hálózat, IETF szabvány. Még csak kísérleti hálózatok léteznek. Minden egyes TCP, UDP portokhoz tartozó forgalomra, illetve annak útvonalára: - külön hívásengedélyezést kell kérni - több vonal egyetlen folyammá fogható össze, ha azonos úton haladnak - ezekhez a folyamokhoz foglalnak erőforrásokat, pl. RSVP-vel. Előnye: Igény szerinti sebességet és minőséget (késleltetés, késleltetési ingadozás, csomagvesztés) garantál. Hátránya: Nem skálázható, hiszen minden csomópontban külön erőforrást foglal minden folyamra, inkább csak LAN célokra alkalmas.

DiffServ, DS (Differenciated Sevices (IP network)) DS = megkülönbözetett szolgáltatású (IP hálózat), szintén IETF szabvány. Az alapvető cél a skálázhatóság volt. Ezzel igyekszik kiküszöbölni az IS hátrányát. DS tartományokat („domain”) hoznak létre, és kétféle hálózati csomópontot különböztetnek meg: belső és határ csomópont.

A határcsomópontok feladatai: - hívásengedélyezés, CAC (Call Admission Control) - rendszabás (policing): feladata a szerződés feltételeinek betartását felügyelni, pl. ne használhasson nagyobb sávszélességet az, aki kisebbet fizetett ki. A CAC történhet: - elosztott módon - központosított információtárolásos módon ún. Bandwith Broker (sávszélesség ügynök) segítségével - osztályokba sorolás alapján. (Az IPv4 fejlécben például van egy ToS (Type of Service) érték, mely kitöltése alapján megtörténhet az osztályba sorolás.) A határcsomópontok a kisebb várható forgalom miatt képes elvégezni ezen feladatokat. A belső csomópontok feladatai: Prioritást kezel a határcsomópontok által megvalósított osztályba sorolás alapján. Sokkal kevesebb feladata van, mint a határ csomópontnak, így a nagyobb belső forgalmat is le tudja bonyolítani. A DS tartományok szerepe: Leginkább gerinchálózati megoldás, pl. egy üzemeltetőnek lehet egy tartománya. Nem elterjedt, vannak mintahálózatok, de egyelőre nem lehet tudni, hogy fejlesztik-e tovább. A tervezők egyelőre IS LAN + DS tartományokból álló gerinchálózat felépítésben gondolkodnak.

57


2.2. Számítógép-hálózatok VoIP

VoIP (Voice over IP) (Beszédátvitel Internet felett) Sokféle megoldás létezik, de ami szabvány szinten ki van dolgozva: - IETF: SIP (Session Initiation Protocol, viszonylétesítő protokoll) A szabványosítás már folyamatban van, egyelőre még nem valósult meg. Az UMTS-ben lehet, hogy ezt fogják alkalmazni. - ITU-T: H.323, ajánlás család. (Az ITU-T inkább ajánlásokat és nem szabványt szokott kibocsátani.)

A H.323 ajánlás család: ISDN-szerű jelzésrendszert használ, és van beléptetés is (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 távbeszélő készülékhez csatlakozik), a késleltetés kb. 20 ms  az átjáró végzi a 2/4 huzalos átalakítást és a visszhangkezelést  a jitter csökkentésére van egy tároló („dejitter 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. Tehát azt vezérlik, hogy az átjárók hogyan végezzék a beléptetést. - központi vezérlő: több tartomány kezelésére Multimédiás szolgáltatások az ajánlásban már léteznek, de a gyakorlati megvalósulás még kérdéses. Multimedia Control Unit (MCU, multimédia vezérlő egység): tartományonként egy ilyen van, ha multimédiás szolgáltatás is van. Ezeknek a berendezéseknek a tervezési nehézségét az adja, hogy figyelembe kell venni, hogy itt folyamatosan változik a sávszélesség, míg a beszédnél adott volt. A H.323 alapú VoIP berendezéseket már gyártják, és folyamatosan telepítik. A H.323 ajánlás szerint működő berendezésekkel már Magyarországon is léteznek magánhálózatok. Az akadémiai hálózatra (egyetemek, MTA intézmények és közgyűjtemények IP alapú hálózata), továbbá a kormányzat és az önkormányzatok közötti IP hálózatra is folyamatban van a H.323 szerinti VoIP megoldás telepítése. Nyilvános hálózatban történő alkalmazást tekintve itt utalunk vissza a PanTel és a MATÁV közötti versengésre 2000 körül (1ásd Információközlő hálózatok fejlődése).

Kérdés: Miért nem elegendő egyszerűen egy beszédkodekkel előállított csomagokat IP hálózaton átvinni? SzH: - a klasszikus IP-ben minden forgalmat beengedünk - a kiszolgálás „best effort”, legjobb szándék szerint történik - így QoS-t nem biztosít, de ha e-mail-t vagy nagyobb állományokat küldünk, akkor ez nem is fontos - beszédátvitel esetén a minőséget csak az IP hálózat túlméretezésével lehet általában elfogadható értéken tartani, ha nem alkalmazunk QoS IP megoldásokat. TH: - nem enged be mindenkit, csak annyit, amennyit jól tudunk kiszolgálni - a minőség biztosításának érdekében erőforrást kell foglalni - a minőséget garantáljuk - pénzt kérni azért lehet, amit garantálunk - erőforrást foglalni csak akkor lehet, ha pénzt kérünk ezért. Ez nem jelenti azt, hogy TH-ban mindig garantáljuk a QoS-t. Pl.: decemberben péntek délután hirtelen nagy hó esik, és mindenki egyszerre telefonál, hogy elkésik, akkor bedugulhat a hálózat, ugyanis olyan sokan akarják hirtelen igénybe venni a szolgáltatást, hogy összeomlik a hálózat. Tehát a minőséget valószínűségi alapon fogalmazzák meg a TH-ban is.

58


2.2. Számítógép-hálózatok VoIP

Az, hogy a hálózatot milyen forgalomra méretezzük költségérzékeny. A H. 323 távközlési szemléletű megoldás: a tartományban ismerni kell a tartomány terheltségét, vissza kell juttatni az útvonalválasztóhoz. Pl. akadémiai hálózatokban: ingyenes az Internet hozzáférés, de ha megvalósítják a beszédszolgáltatást, az nem lesz ingyenes. Mérlegelni kell majd az árat és a minőséget a távbeszélő hálózat szolgáltatásához képest.

59

2. Technológiai áttekintés 2.2.3. Mozgó IP hálózatok

2.2. Számítógép-hálózatok Földfelszíni mozgó IP hálózatok

2.2.3. Mobil, mozgó IP hálózatok

Földfelszíni mozgó IP hálózatok

GPRS (General Packet Radio System) Volt róla szó a GSM-nél.

EDGE (Enhanced Datarate GSM Evolution technology, megnövelt adatsebességű GSM technológia.) A modulációs állapotok számát felemelik, 8 PSK-t alkalmaznak. Hatásai: - megnő a sebesség - a jel/zaj viszony romlik, így csökken a hatótávolság a cellán belül a bázisállomás szűkebb körzetére. A hatótávolságán kívül csak GPRS-t vagy HSCSD-t nyújt. Sebességek: - 384 kb/s: maximum 100 km/órával mozgó egység esetén - 144 kb/s: maximum 250 km/órával mozgó egység esetén

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, egyetemes mozgó távközlő rendszer) Cél: a nagyobb sebesség ne csak a bázisállomás közelében, hanem az egész cellában valósuljon meg. Eszköze: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access): azaz szélessávú kódosztásos hozzáférés. A GSM szabvány TDMA + FDMA alapú hozzáférést biztosít, nagy adathozzáférési sebesség esetén azonban a WCDMA hatékonyabb eljárás. Kódosztás: minden felhasználóhoz kódot rendelnek egy ortogonális kódkészletből, amelyet az adóban és a vevőben egyaránt alkalmaznak. Az ortogonalitás révén a vevő egyértelműen kiválasztja a számára küldött jelet. A hasznos sávban az egyik és a másik felhasználó spektruma átfedi egymást, vagyis azonos sávon más kódolást alkalmaznak. Előnye: a felhasználó spektruma „szét van kenve”, így keskenysávú zavarjelre nem érzékeny. (Lásd: a kódelmélet tárgy második fele).

Frekvenciasáv közepének névleges értéke: kb. 1950 MHz. Sebesség: - 384 kb/s 250 km/h-ig - 2 Mb/s sétáló sebességen A hatósugár nem csökken annyira, mint az EDGE-ben.

60



WLAN-ok (Wireless LAN, vezeték nélküli LAN) A szabványosítást leginkább az IEEE végezte 1997 körül. A szabványok IEEE 802.11x (x = a, b, g, i...) néven kerültek forgalomba, már berendezések is kaphatóak! Két altípust különböztetünk meg:

Kiépített hálózatok -

rögzített adók vannak, ehhez rádiós úton mozgó egységek csatlakozhatnak hatósugara: 300 m

USA Európa

teljesítmény 1W 100 mW

ISM sávok közepének névleges értékei 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. Ipari berendezések, például egy mikrosütő (ami a 2,4 GHz-es sávban működik) zavarhatja az ilyen sávban működő WLAN rendszert, ezért azt úgy kell kialakítani, hogy ez mégse okozzon problémát. Például frekvenciaugratást vagy „szétkent” spektrumot kell alkalmazni. A 802.11b szabvány vonatkozik a 2,4 GHz-es sávra. Ezzel ma: - fizikai rétegben 11 Mb/s - hálózati rétegben 5,5 Mb/s sebesség valósítható meg. A 802.11a szabvány az 5,5 Ghz-es sávban dolgozik, itt: - fizikai rétegben 55 Mb/s - hálózati rétegben 32 Mb/s a megvalósítható sebesség. Magyarországon is telepítik, pl.: a Mindentudás egyeteme alkalmából az I épületben, a Ferihegyi és a Budaörsi reptereken, üzletekben, stb. Kitérő: példák mozgó rendszerek sávszélességére, ha nem csak a névleges sávközepet tekintjük:

GSM 900 MHz: GSM 1800 MHz: ISM 2,4 GHz: ISM 5,5 GHz:

mozgó állomások bázisállomások 890-915 MHz 935-960 MHz 1710-1785 MHz 1805-1880 MHz 2400-2483,5 MHz 5725-5850 MHz

Alkalmi („ad hoc”) hálózatok Ennek a technikának alapvető tulajdonsága, hogy minden végberendezés egyben útválasztó is! Még nem forrott ki, de rengeteg kutatás folyik – főleg a haditechnikában, ahonnan indult. Általában Master-Slave (mester-szolga) viszonyok vannak. (Ilyenkor új problémaként jelentkezik a mester esetleges meghibásodása. Pl. tipikus hálózat lehet a hadiiparban egy tank csapat. A mester szerepét játszó tank kilövése után is működnie kell a hálózatnak.)

61



ETSI (European Telecommunication Standard Institute) Az IEEE-n kívül az ETSI is kidolgozott egy szabványt WLAN-okra. Ez a HiperLAN (HIgh PErformance Radio LAN, nagy teljesítőképességű rádiós LAN). Először a HiperLAN érte el a nagy sebességű tartományt, csak aztán az IEEE 802.11a. A 802.11b addigra már nagyon elterjedt, és ez segítette a 11a-t is, így a HiperLAN gyártás eddig még nem indult meg.

Bluetooth („a kékfogú”) (Ez egy skandináv kezdeményezés, nevét Harald the Bluetooth viking királyról kapta, aki a viking törzseket egyesítette Skandináviában.) Cél: PC + kiegészítők (fejhallgató, nyomtató, kisebb számítógép, mozgó készülék) vezeték nélküli összekapcsolása. Az ISM 2,4 GHz-es sávjában működik, tehát WLAN eszközökkel zavarják egymást, így köztük legalább 1 m-es távolságot kell tartani. A hatósugár alapértelmezésben 10 m, de kiegészítő egységgel megnövelhető akár 100 méterre is. Maximálisan 8 (1 mester, 7 szolga) Bluetooth egységből hálózat építhető ki („piconet”). 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 Mb/s. A picohálózatok is összeköthetőek, ilyenkor beszélünk szétszórt hálózatról (scatternet). Az összekötést ilyen esetben átjárók (gateway) végzik. Mind a piconet, mind a scatternet alkalmi hálózat.

62


2.2. Számítógép-hálózatok Műholdas mozgó IP hálózatok Műholdas mozgó IP hálózatok

Teledesic 1990-ben alapították a Teledesic Corporation-t (Craig McCaw, Bill Gates), terveik szerint 800 műholdból alkottak volna globális mozgó számítógép-hálózatot, ez azonban megmaradt a terv szintjén, több okból: - drága - sok ideig tartana fellőni - a rádiócsillagászok tiltakoztak, hogy a műholdak leárnyékolnák a világűrt. A mai elképzelés szerint csak 30 műholdra lenne szükség, de magasabbra kellene fellőni azokat (kb. 1500 km), a tervek szerint ez 2005-re készülne el. A feltöltés 128 kb/s-100 Mb/s közötti sebességgel zajlana, a letöltés pedig 720 Mb/s-mal, álló végberendezések esetén, de felhasználható lenne például a repülésben és a hajózásban is, csomagkapcsolt üzemmódban. Hátránya, hogy az UMTS azonos sebességet jobb áron biztosít. Lehetnek azonban olyan földrészek, ahová nem érdemes földfelszíni UMTS-t telepíteni; ott a Teledesic egy érdekes megoldás lehet.

63

2. Technológiai áttekintés 2.2.4. Összefoglalás


2.2.4. Összefoglalás

Az SzH technológiák három csoportra oszthatóak: - klasszikus IP alapú hálózatok (pl. Ethernet, lassan kifutja magát), de ez a „legérettebb” technológia - mozgó IP alapú hálózatok: itt sok fejlődés várható még, de azért „érettebb” technológiának tekinthető - QoS IP alapú hálózatok: „éretlen” technológia, sok fejlesztés van.

Az egyes technológiák általában rétegekben épülnek egymásra, pl.:

(Fontos: ez technológiai, nem funkcionális rétegezés!) Itt az optikai hálózat kivételével mindegyik SzH technológia. A rendszerben az MPLS biztosítja a menedzselhetőséget.

64

3. Hálózatok felépítésének elvei

3.1. Hálózatok összekapcsolása

3. Hálózatok felépítésének elvei Most lássuk, hol tartunk az anyagban:

-

eddig: technológia orientált tárgyalás (szubjektív) mostantól: diszciplináris tárgyalás, vagyis elvekből indulunk ki, technológiát csak példaként említünk.

3.1. Hálózatok összekapcsolása Ebben a fejezetben információközlő hálózatok (SzH és TH) összekapcsolási elveivel foglalkozunk. Az SzH-t és TH-t akár külön-külön, vagy akár vegyesen is összekapcsolhatjuk.

Szolgáltatások és hálózatok - hordozó szolgáltatás/hálózat (bearer service/network): - nincs végberendezés - nincs alkalmazás - átlátszó adatátvitelt biztosít pl.: 64 kb/s-os átlátszó adatátvitel, ahol nem törődünk azzal, hogy milyen a végberendezés - távszolgáltatás, távszolgáltató hálózat (teleservice): - van végberendezés - van alkalmazás pl.: távbeszélő szolgáltatás

Összekapcsolások A hálózatok összekapcsolásánál az összekapcsolt hálózatok szolgáltatásait tekintve kétféle összekapcsolás lehetséges: - egyenrangúan együttműködő hálózatok - hierarchikusan együttműködő hálózatok Egyenrangúan együttműködő hálózatok: két távszolgáltató vagy két hordozó hálózat között jön létre, vegyes hálózat nem létezik. Struktúrája:

E: TH-ban együttműködtető egység (IWU, interworking unit), SzH-ban átjáró (gateway).

65



Az összekötés oka kétféle lehet: - technológiai eltérés: pl. ha az 1. egy távbeszélő szolgáltató, a 2. pedig egy mobilszolgáltató hálózata - igazgatási eltérés: pl. ha az 1. a Matáv, a 2. a Vivendi hálózata. Elvileg mindkettő távbeszélő szolgáltató, mégis illeszteni kell ezeket. Előfordulhat, hogy mind technológiai, mind igazgatási eltérés van (pl. Matáv – Westel).

Hierarchikusan együttműködő hálózatok: létrehozható hordozó-hordozó hálózatok, vagy hordozótávszolgáltató hálózatok között. Általános struktúrája:

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. A hierarchikus összekapcsolás akkor indokolt, ha az 1. és 2. hálózat technológiája különbözik (pl. PDH és SDH hálózatok: SDH-ban soha nincs végberendezés), ehhez esetleg társulhat igazgatási eltérés is:

Ha a PDH-ba még azt is beleértjük, hogy a kimenet az előfizetőé – különösen ISDN esetén – akkor ez egy távszolgáltató hálózat. Abban az esetben, ha kimegy egy adatszolgáltatás formájában a felhasználóhoz, de már nem értjük bele a faxkészüléket, ami a végén van, akkor mindkettő hordozó hálózat. Elfajult esetben az 1. hálózat el is tűnhet, ilyenkor V1 közvetlenül az együttműködtető egységhez csatlakozik (például ilyen a modemezés: a végberendezés a számítógép, a számítógép-hálózat elfajul, az együttműködtető egység a modem, a 2. hálózat pedig a telefonhálózat). Az együttműködtető egységet ilyenkor illesztő egységnek (adapter unit) nevezik:

66



Példák: 1. Hierarchikusan együttműködő hálózatok előfordulhatnak például: - a távközlő hálózatok digitalizálásánál, amikor az átmeneti idejére digitális távszolgáltató szigeteket kötünk össze lefedő analóg hordozó hálózattal vagy hasonlóan az IPv6 hálózat várható bevezetésénél is, az IPv4 és IPv6 hálózatok illesztésénél. IPv6 távszolgáltató szigeteket fognak összekötni lefedő IPv4 hordozó hálózattal, magyarán az IPv6 csomagok kapnak még egy IPv4 fejlécet, és úgy viszik át. Ezt a SZH-ok világában alagutazásnak (tunneling) hívják. 2. Komplikáltabb példa: másodlagos adatátvitel Matáv és Vivendi ügyfél között. Tegyük fel, hogy modemmel szeretnénk összekapcsolódni egy másik felhasználóval, aki azonban a Vivendi előfizetői közé tartozik. Ekkor az ábrán látható módon egy PDH hálózaton keresztül csatlakozunk a Matáv PDH hálózatához, mely aztán egy SDH hálózaton viszi át az adatot. Tehát egy hierarchikus együttműködés valósul meg: az SDH hálózat hordozó szolgálatot nyújt a PDH-nak. Ezután a Matáv PDH hálózata össze van kapcsolva az E23 együttműködtető egységen keresztül a Vivendi hálózatával.

Az E24 együttműködtető egység viszont egyenrangú összeköttetést valósít meg, mivel itt csupán igazgatási eltérés van, így a fenti példában a hierarchikus és egyenrangú összekötések kombinációja adja a megoldást. Ennek a felépítésnek a réteges modellje a következő ábrán tekinthető át:

67


3.2. Hálózatok elemei

3.2. Hálózatok elemei A „hálózat” fogalmát több különböző rétegben is értelmezhetjük: - fizikai rétegben beszélünk a fizikai hálózatról - adatkapcsolati réteg: pl. hogy helyezkednek el a MPX-ek. Ilyenkor egy MPX egy csomópont. - hálózati rétegben: forgalmi vagy logikai hálózatról. A fizikai és a forgalmi hálózat között például 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. Ezt illusztrálja az alábbi ábra:

Az első ábra egy 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. A továbbiakban a hálózati réteghez tartozó forgalmi hálózat elemeit definiáljuk.

Elemek -

-

-

-

csomópontok (node): - speciális bemeneti és kimeneti csomópontok - több bemenettel és kimenettel rendelkezők útszakaszok (link): - egyirányú (szimplex) - kétirányú (duplex) hálózati végberendezések (network termination): - végberendezések (terminal unit/equipment) - együttműködtető egységek (interworking unit, IWU) - illesztő egységek (adaptor unit) hálózati csatlakozó pontok (interface): - határcsomópont (edge node): rajta keresztül csatlakozik a végberendezés - belső csomópont (core node)

A hozzáférési hálózat (access network) a határcsomópont és a végberendezés között van. A belső csomópontok alkotják a törzshálózatot (core network). (Megjegyzés: kis következetlenség van ebben a felépítésben: itt az elemeknél bele van értve a végberendezés is a hálózatba, 3.1.-ben nem. Általában beleértjük.)

68


3.2. Hálózatok elemei

A csomópontok lehetséges funkciói -

jeltárolás jel törlése (pl. csomag eldobása) jel átalakítása (pl. másolás, vagy valamiféle konverzió) továbbküldés: - egyetlen kimeneti útra (egyesadásos, unicast csomópont) - továbbküldés több kimeneti útra (többesadásos, multicast csomópont) - továbbküldés az összes kimeneti útra (szórt adásos, broadcast csomópont)

-

forgalomirányítás: ha a csomópontok útválasztó képességgel rendelkeznek. (A különbség a forgalomirányítás és az útválasztás között az, hogy egy hálózatban mindig csomópontok összességéről van szó, melyek egyedül csupán útválasztó képességgel rendelkeznek.) torlódásvédelem: ennek módját a forgalom jellemzői és a QoS követelmények döntik el. A hálózati réteg szempontjából lehet: - összeköttetéses hálózati réteg: - valós áramkör alapú (pl. távbeszélő hálózat) - látszólagos áramkör alapú (pl. ATM) - dinamikus útvonal alapú (pl. MPLS) - összeköttetés-mentes hálózati réteg: pl. IP hálózatok, ahol túlméretezéssel védekeznek a torlódás ellen (hiszen nincs eszköz a tervezésre és a minőség garantálására!)

A hálózati réteg funkciói

-

Mindkét módszer (összeköttetés megvalósítása vagy túlméretezés) drága. A forgalom jellege és a QoS követelmények döntik el, hogy a torlódást mi módon érdemes kezelni. A hálózati rétegen kívül bármely más réteg is lehet összeköttetéses vagy összeköttetés-mentes. A minőséget az egyes rétegek együtt határozzák meg. A csomagvesztést például magasabb réteg összeköttetéses megvalósításával is ki lehet küszöbölni, de ha a késleltetés egy alacsonyabb rétegben létrejött, azt magasabb rétegben már nem lehet csökkenteni.

69


3.3. Hálózatok osztályozása

3.3. Hálózatok osztályozása Felépítés szerint Elektronikus hírközlő hálózatok Műsorközlő hálózatok Információközlő hálózatok nincs forgalomirányítás, szórt adásos csomópontok van forgalomirányítás Számítógép hálózatok Műsor szétosztó Műsorszóró Műsorelosztó Távközlő áramkörmentes hálózatok (1) hálózatok (2) hálózatok (3) hálózatok torlódásvédelem áramkör alapú torlódásvédelem analóg digitális analóg digitális CaTV interaktív keskeny- széles- klasszikus QoS mozgó CaTV sávú sávú IP IP IP A digitális műsorközlést az Antenna Hungária várhatóan egy-két éven belül bevezeti, Angliában pl. már jól működik. (1) A műsor szétosztás azt jelenti, hogy van egy stúdió, és a stúdióból eljuttatjuk a jelet több adóhoz, pl. a TV műsort sugározzák nem csak a Széchenyi-hegyen, de Tokajon is, ezért szét kell osztani. Ezt a példában az Antenna Hungária végzi. több kábelfejhez, amelyek a kábelhálózatot táplálják. (2) A műsorszóró hálózatokban az adók sugározzák a jelet elég nagy körzetekben. (3) A műsor elosztó hálózat nem más, mint a kábel TV hálózat. Interaktív kábel TV: kiépülőben van. A megrendelő választja a műsort, vagy esetleg bele is szólnak abba, hogy a film hogyan folytatódjon. Ilyenkor kiegészítő forgalomirányítás lehetséges.

TH: összeköttetéses hálózati réteg: valós vagy látszólagos áramkör alapú torlódásvédelem

SzH: összeköttetéses vagy összeköttetés-mentes hálózati réteg, de áramkör mentes akkor is, ha a hálózati réteg összeköttetéses: UDP/IP: nincs torlódásvédelem TCP/IP: ismétlési lehetőség végberendezések között, továbbá a TCP végberendezések közötti forgalomszabályozást és hálózati torlódásvédelmet is megvalósít sebességszabályozás révén QoS IP: dinamikus útvonal alapú (összeköttetéses hálózati réteg), vagy nincs is útvonalkezelés, de mindig van hívásengedélyezés (CAC).

70


3.4. Hálózatok funkcionális modellje

3.4. Hálózatok funkcionális modellje Az OSI modellben a rétegek háromféle szempont szerint különíthetőek el: hálózat részei szerint adatcsere egység szerint funkció szerint.

Rétegek a hálózat részei szerint -

-

1-2. réteg: - szomszédos csomópontok között - hálózatvégződés és határcsomópont között - illesztőegység és végberendezés között 3. réteg: hálózati határcsomópontok között a hálózat belsejében 4-7. réteg: hálózati végződések között, ami: - vagy végberendezés - vagy illesztő egység, ha hordozó hálózatról van szó

Rétegek adatcsere egységi szerint -

1. réteg: bitalapú kommunikáció 2. réteg: keret alapú kommunikáció 3-7. réteg: csomag alapú kommunikáció

71



Rétegek funkció szerint OSI modell

Réteg funkciók

7. Alkalmazási réteg 6. Megjelenítési réteg

távszolgáltatás forráskódolás, titkosítás

Internet hibrid modell

TH (IH) modell (5)

5. Alkalmazási réteg

5. Alkalmazási réteg

4. Szállítási réteg (2)

iránykezelés (szimplex/duplex), összehangolás (szinkron) ismét forgalomszabályozás, nyalábolás / bontás

4. Szállítási réteg (4)

3. Hálózati réteg

forgalomirányítás, torlódásvédelem

3. Hálózati réteg

5. Viszony réteg

2. Adatkapcsolati réteg (1) 1. Fizikai réteg

közegmegosztás, forgalomszabályozás, hibakezelés adó-vevő funkciók, jelátvitel, 2/4 huzalos átalakítás

Részhálózatok rétegterjedelme

4. Illesztési réteg (9)

Hozzáférői hálózat (12)

3. Kapcsolási réteg (8)

2. Hálózat elérési réteg (3)

2. Átviteli réteg (7)

1. Fizikai réteg

1. Fizikai réteg (6)

Szállító törzshálózat (10)

Kapcsolt törzshálózat (11)

Az OSI modellt számítógép-hálózatok modellezésére dolgozták ki; kb. 12 éve még azt gondolták, hogy az OSI protokolljait fogják használni a számítógép hálózatokban. Egy funkció megjelenhet több rétegben is, de a különböző rétegekben eltérő tartalommal, pl: az OSI modellben: (1) Az adatkapcsolati rétegében is lehet nyalábolás/bontás a csomópontok közötti vonalak szintjén. (2) A szállítási rétegében a nyalábolás több útvonal összefogását jelenti (pl. az MPLS címkekapcsolása felfogható ennek). Internet modell: (3) A hálózat elérési rétegben itt címzés is van, ezért ez belenyúlik az OSI hálózati rétegébe. (4) A szállítási réteg mindkét irányban átnyúlik, lefelé a torlódásvédelem miatt. TH modell: (5) A TH, IH modellben az adatcsere egység szerinti nézet felborul, mert előfordulhat, hogy nincs is csomag, de néha még keret vagy bit sincs (pl. tisztán analóg esetben.) (6) 2/4 huzalos átalakítás szükséges, mivel a hozzáférő hálózat 2 huzalos, a gerinchálózat 4 huzalos (7) A vezérelhető digitális rendező forgalomirányítást is végez, ezért nyúlik át az OSI hálózati rétegébe. (8) A kapcsolási rétegben a kapcsoló forgalomirányítást és torlódásvezérlést végez. (9) ATM hálózatokra jellemző. Részhálózatok: (10) Nagy kapacitású, tipikusan optikai. Kevés réteget foglal magába, így gyors és megbízható. (11) Kisebb sebességre képes, PDH kapcsolót is tartalmaz. (12) Bonyolult, nem megbízható, lassú. A Tanenbaum könyv a TH-t beleérti a fizikai rétegbe, vagyis a SzH részének tekinti. Mi nem ezt a szemléletmódot követjük. (Ahogy a Számítógép-hálózatok tárgy sem egy félévvel ezelőtt.) Az adatcsereegységektől eltekintünk, a többit rétegelkülönítő szempontot vesszük figyelembe. Nincs egységesen kidolgozott funkcionális réteges szemlélet!

72



Hierarchikusan együttműködő hálózatok funkcionális modellje Az OSI szerű funkcionális modell egyféle hálózati technológiára vonatkozik, ehelyett tekintsünk többféle hálózati technológia hierarchikus együttműködését. Például IP/MPLS alapú kapcsolt törzshálózatot tekintünk SDH szállító hálózattal. A hálózat belső csomópontban a hálózati réteg a legmagasabb réteg. Hogyan modellezzük az alsóbb rétegeket hierarchikus hálózat felépítés esetén?

Az általános szemlélet a szakirodalomban az MPLS-t 2. rétegbeli technológiának tekinti, csak azért, mert az IP réteg alatt van, és az IP 3. rétegbeli protokoll. A TH tárgyban viszont abból indulunk ki, hogy az MPLS forgalomirányítást végez, ami hálózati rétegbeli funkció, tehát az MPLS is és az IP is a 3. rétegben helyezkedi el. Sőt, még az SDH is belenyúlik a hálózati rétegbe a DXC forgalomirányító képessége miatt. Így a réteghatárok szempontjából a funkcionális szemléletet tartjuk meghatározónak. Másik példa: Tanenbaum még az 1. rétegbe is leviszi az TH kapcsolót. Erre utaltunk, amikor azt mondtuk, hogy a TH-t a SzH részének tekinti, a lényegében a fizikai réteg közegének.

Tanulságok Az OSI modell funkcionális, így homogén technológiájú számítógép-hálózatok modellezésére alkalmas. Távközlésben ez a szemlélet az említett ellentmondások miatt nem terjedt el minden hálózatra. Figyeljük meg, hogy több technológia esetén ismétlődnek az egyes rétegek!

73

74

4. Jelátviteli és forgalmi követelmények

4. Jelátviteli és forgalmi követelmények Egy IH jelátviteli és forgalmi követelményeinek analíziséhez a következő fogalmakat kell ismerni: - a hálózatba bemenő forgalmat vizsgált forgalomnak (foreground traffic) nevezzük. A bemenő forgalom rendelkezik: jelforrás jellemzőkkel 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 megfigyelés során egy jelet beengedünk az információközlő hálózatba, majd a vett jel paramétereit vizsgáljuk. A hálózatban jellemző háttérforgalom hatását is vizsgálni kell, hiszen a minőségi követelményeknek meg kell felelni nagy háttérforgalom esetén is. Így az analízis során a következő kérdésekre keressük a választ: - új forgalom beléptetésekor a meglévő forgalom minősége szenved-e kárt? - új forgalomra biztosítható-e az eddig fennálló minőség? Ha a fenti két szempont bármelyike miatt kijelenthetjük, hogy sérülnek a minőséggel szemben támasztott követelmények, akkor az új forgalmat nem engedjük a hálózatba.

Jelforrás jellemzői (A jelek és az általuk hordozott információ típusai.) Analóg: - (pár)beszéd (voice) - FDM nyalábolt - műsorjelek - zenei csatorna - másodlagos adatátvitel - digitális jel analóg csatornán - tápáram (távtáplálás esetén) A távtáplálás azt jelenti, hogy az eszköz működéséhez szükséges áramot is a hálózaton keresztül biztosítjuk. Ilyen elven működnek a távbeszélő készülékek vagy a jelfrissítők. Digitális: - digitalizált beszédjel - audio + video - adatjel adattömbök (file) LAN összeköttetés - TDM nyalábolt jel - TDM + FDM jel (pl. GSM, optikai) - CDM (UMTS) - jelzés (signaling) (pl. analóg tárcsázás)

75


4.1. Beszédátviteli követelmények

4.1. Beszédátviteli követelmények A cél 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; kicsit pontosabban 55-78%. (Ennyi elég, mert a nyelv elég redundáns, és az agy sokszor „kipótolja” a nem érthető szótagokat). A szótagérthetőség szubjektív mérése egyszerűbb, mert nagyobb a hibázás aránya. A szubjektív mérés még így is komplikált, így gyakran helyettesítő módszereket alkalmaznak, pl.: digitális beszédfeldolgozás révén. Fontos, hogy az érthetőségen kívül más szubjektív követelményt nem támasztunk, így nem követelmény az sem, hogy felismerhető legyen a beszédpartner, vagy akár annak neme.

Sávszélesség Tapasztalati úton megállapították, hogy a fenti követelmény akkor még pont teljesül, ha a beszédjel sávszélességét a 0,3-3,4 kHz-es tartományban korlátozzuk, miközben a többi, alábbiakban felsorolt paraméterekre is engedünk meg tűrést.

Csillapítás A szabadtéri közvetlen kommunikáció során a távolság négyzetével arányosan csökken az érzékelt hangteljesítmény. Távbeszélőkészülék alkalmazásakor gyakorlatilag nincs távolság a fül és a hallgató, valamint a száj és a mikrofon között, ezért az akusztikus csillapítást a beszédátviteli rendszerekben valósítják meg mesterségesen kb. 30-40 dB-es csillapítással. (A csillapítás a 2/4 huzalos átalakításnak amúgy is természetes következménye, de erről később lesz szó, a fizikai rétegben.)

Csillapítási ingadozás Csillapítás ingadozás alatt a csillapítás változását értjük a frekvencia függvényében. Két tipikus érték: - sávközépen (1020 Hz) maximum 2 dB lehet - sávszélen akár 15 dB is. A CCITT specifikáció az alábbihoz hasonló lépcsős karakterisztikát írja elő:

Jel/zaj viszony A zavaró jel típusától függően két értéket specifikáltak: - nem érthető zaj esetén maximum 10-20 dB - érthető zaj (pl. áthallási zaj, visszhang) esetén pedig maximum 25-30 dB lehet. (Az érthető zajt az agy nehezebben korrigálja.) Érthető zaj két okból keletkezhet: - áthallás két áramkör között - visszhang (vezetékesben csak nagy késleltetés esetén van, pl műholdas átvitel).

76



Késleltetés Az egyirányú késleltetés nem haladhat meg: - 250 ms-ot, ha van visszhangkezelés - 12,5 ms-ot, ha nincs visszhangkezelés Valójában a kétirányú késleltetés számít, de az egyirányút szokták specifikálni. (A visszhang kezelés módjáról később lesz szó, elöljáróban annyit említünk, hogy két lehetőség közül választhatunk: visszhangtörlés és visszhang zár. Visszhang zár esetében gondot jelent, hogy ez a megoldás zavarja a másodlagos átvitelt, ezért ezt pl. egy modemes kommunikációban kiiktatják egy automatikus csatorna korrektorral (ún. „sávon belüli jelzés” segítségével. Példaképpen említjük meg, hogy a GSM beszédkodek késleltetése 20 ms, így itt elengedhetetlen a visszhang kezelés megoldása, vagy emlékezzünk rá vissza, hogy ezt már a VoIP-nél is említettük.)

Késleltetési ingadozás Az ingadozást lehet mérni frekvencia szerint, és időben is. Amennyiben a frekvencia függvényében vizsgáljuk az ingadozást, a következő paraméterek kellenek az érthető beszédátvitelhez: - sávközépen maximum ±30 ms - sáv szélén maximum ±60 ms. Egy érdekes effektust lehet itt megemlíteni, miszerint, ha egy nagy frekvenciájú jel késleltetése sokkal kisebb, mint egy kis frekvenciájú jelé. Szélsőséges esetben elképzelhető lenne, hogy a magas jel, bár később keletkezett a forrásban, leelőzi az utána keletkezett mélyet, így időben maximum ±30 ms engedélyezett. (Ez a jelenség a Számítógép-hálózatok tárgyban „fázisfutás” néven szerepelt.)

Fázistolás A fázistolási karakterisztikának az alábbi ábrához hasonlóan kell kinéznie:

Ez egy nemlineáris torzítás. (A lineáris torzítások függvénye egy az origón átmenő egyenes.) Lényeges, hogy egyenes szakasszal legyen jellemezhető a 0,3-3,4 kHz-es tartományban. (A késleltetési ingadozás paramétere a fáziskarakterisztika meredeksége.) φ0 értéke tetszőleges lehet, mert az emberi fül a fázisra nem érzékeny. (A beszédkeltés felfogható modulációnak, a hallás pedig egyszerű burkoló demodulációnak, ami a fázisra nem érzékeny.)

Frekvencia eltolási hiba A frekvencia eltolódás a jel spektrumának az eltolódását jelenti valamelyik irányba: - beszédnél maximum 20 Hz lehet - másodlagos adatátvitelnél pedig 7 Hz (mivel a modemeknek a vivőjelet könnyen meg kell találniuk).

77



Ennek a paraméternek a legnagyobb jelentősége az FDM rendszerekben van, hiszen FDM esetén a multiplexer oldalon eltoljuk a spektrumot, a vevő oldalon pedig visszatoljuk a helyére. Ez a jellemző a két eltolás együttes pontosságát jellemzi.

Multiplikatív frekvencia hiba A fázistolás zsugorodása 0,9-szeres, nyúlása 1,1-szeres lehet.

Ez a „nyávogó magnó” esete: a frekvenciák megszorzódnak a multiplikatív frekvencia hibával.

Nemlineáris torzítás Ennek a torzításnak a magyarázata azon alapszik, hogy minden erősítőeszköz telítésbe vezérelhető, így az átviteli karakterisztika nem egyenes, a kivezérlési tartomány széle felé elgörbül.

Meg kell jegyezni, hogy a lineáris torzításhoz az nem elég, hogy ez a karakterisztika egyenes legyen, még az is kell, hogy átmenjen az origón!

78



A nemlineáris torzítást jellemző Krill-faktor értéke maximum 30% lehet. Ezt a faktort úgy kapjuk, hogy a bemenetre névleges amplitúdójú szinuszos jelet adunk, és megmérjük a kimenő jelet, ahol egy „belapult” szinusz fog jelentkezni. Ebben megmérjük a magas harmonikusok teljesítményét és elosztjuk az alapharmonikusok teljesítményével.

A Krill-faktor értékét 10W-nál szokták megadni. (Hi-Fi berendezéseknél ezért kell nagy teljesítményű eszközt vásárolni, ha jó minőségű visszajátszásra van igényünk; ugyanis egy 100W-os eszközt 10W-ra kivezérelve alacsony torzítást produkál. Ezekben a berendezésekben a Krill-faktor értéke 0,5-1%.) A nemlineáris torzítás okai: a hangot szénmikrofonnal alakítják elektromos jellé. A szénmikrofon a legelső erősítő, mely elektromechanikus elven működik: szénszemcsék vannak a mikrofonban, a membránlemezen. A hang ezeket a szénszemcséket összenyomja, így az ellenállás kisebb lesz, mert jobban érintkeznek a szénszemcsék. A szénmikrofonon egyenáram folyik át, és váltóáramú teljesítményt ad le. A leadott teljesítmény nagyobb, mint a hang energiája, és még túl is vezérlik, hogy minél nagyobb legyen. Normál hangerőnél a váltóáramú teljesítmény 1 mW. Légvezetéken így 1000 km hidalható át.

79


4.2. Analóg beszédátvitel

4.2. Analóg beszédátvitel forgalmi jellemzése Itt elsősorban a törzshálózat méretezéséről lesz szó, leginkább a Tömegkiszolgálás tárgyban tanultakra alapozunk. (Elméleti alapok: Györfi, Páli: Tömegkiszolgálás informatikai rendszerekben; 60. o., 84-89.o.) A vizsgálathoz sok felhasználót kell tekintenünk, és a vizsgálatot kizárólag a forgalmas órákra kell szűkítenünk. A forgalom mennyisége egy nap folyamán a következőképpen néz ki:

(A fenti görbe hétköznapokra jellemző, elsősorban munkahelyekkel sűrűn tűzdelt körzetekre.) A forgalmas órákra és a minimális forgalmú órákra is 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 Poissonfolyamattal. (Számunkra szerencsés, hogy a legnagyobb terheltségű időszakban a folyamat stacionáriusnak tekinthető, mivel éppen erre az időszakra kell terveznünk.) Sok felhasználóra („nagy populáció”) azért van szükség, mert sok felhasználó esetén a forgalmi görbe teteje „kisimul”.

A forgalom jellemzésére a következő adatokat használjuk: - hívás gyakoriság: pl. λ=3 1/óra. Jelentése: 3 hívás történik óránként. - átlagos tartási idő: pl. h=3 perc. A tartási idő exponenciális eloszlású valószínűségi változóval modellezhető. - forgalomintenzitás: A=λ×h. 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. Röviden ezt úgy mondjuk, hogy a forgalom értéke 0,15 Erlang. Az [Erl] nem dimenzió, csak jelölés; olyan, mint a dB vagy a radián. 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 és a központi hálózat kapacitása kiszámítható. Ez a hálózattervezés egyik alapfeladata. Eredményként adódhat például az, hogy 10 5 felhasználó esetén a forgalmas órában a forgalom intenzitás olyan mértékű, hogy elég 103 vonal. Ekkor a híváskoncentrátorunk 105 bemeneti és 103 kimeneti vonallal rendelkezik.

80


4.3. Digitalizált beszédátvitel

4.3. Digitalizált beszédátvitel A TH tantárgyban ez alatt a címszó alatt elsősorban a beszéd kodek alkalmazásával és használatával foglalkozunk. Az elvi alapokat az Információelmélet tárgy foglalta össze, a témával a Beszédinformációs rendszerek tárgy foglalkozik bővebben. A beszédkodek négyhuzalos rendszerelem, amelynek vázlata a következőképpen néz ki:

Mivel a kodek mindenképpen négyhuzalos rendszerelem, vezetékes hozzáférés esetén 2/4 huzalos átalakításra van szükség, pl.: - analóg végberendezés esetén: mikrofon és hallgató, 4/2 huzalos átalakítás, 2 huzalos helyi áramkör, 2/4 huzalos átalakítás, kodek, helyi központ (analóg hozzáférői hálózat és digitális törzshálózat), - ISDN végberendezés esetén: mikrofon és hallgató, kodek, 4/2 huzalos átalakítás, 2 huzalos helyi áramkör, 2/4 huzalos átalakítás, helyi központ (teljesen digitális hálózat). A 2/4 huzalos átvitel részleteit a fizikai réteg tárgyalásakor mutatjuk be. A GSM mozgó távközlésben a kodek a végberendezésben helyezkedik el, a hálózat teljesen digitális és logikailag végig 4 huzalos.

81

4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3.1 Beszédkódolók típusai


4.3.1. Beszédkódolók típusai

A beszédkódolóknak (a továbbiakban gyakran röviden csak kódolók) több fajtája is ismeretes: - hullámforma kódolók (waveform codecs) - vokóderek (vocoders), azaz szintetikus beszédtömörítők - hibrid kódolók (hybrid codecs).

Hullámforma kódolók A hullámforma kódolókra jó példa a PCM kódoló, amely kiindul egy sávkorlátozott analóg jelből (pl. a telefonvonalon 0,3-3,4 kHz-re szűrt jelből), ezt másodpercenként 8000-szer mintavételezi, majd kvantálja. (Kétféle kvantálási függvényt szoktak használni: Amerikában a μ-törvényűt (μ-law), Európában pedig az Atörvényűt (A-law)). A kvantált jelet 8 biten kódolja, így a kapott jel 64 kb/s-os átviteli sebességet igényel.

Hullámforma kódoló még az ADPCM (Adaptive Differential PCM, adaptív különbségi PCM) kodek is. A DPCM kódolás azt jelenti, hogy nem a mintavett jel értékét, hanem két egymást követő minta különbségét kódoljuk, vagyis a jel meredekségét. Az ADPCM kódolás ezt adaptívvá teszi: ha a jel görbéje tartósan meredekebb, akkor nagyobb lépcsővel kvantálja a jel meredekségét. Műveletigényesebb kódolás, de 32 vagy akár 16 kb/s-os szükséges sebességet is el lehet így érni.

Vokóderek A vokóderek közül az LPC-10-et (Linear Predictive Coding) érdemes ismerni, amely 2,4 kb/s-os átviteli sebességgel valósítja meg a jeltovábbítást, azonban a minősége hagy némi kívánnivalót maga után. (Ez a vokóder az 1970-es években jelent meg katonai fejlesztésként, ahol a minőség nem volt kívánalom.) A vokóderek másik nagy fajtája a formáns beszédkódolók.

Hibrid beszédkódolók A hibrid beszédkódolók kompromisszumot jelentenek a sebesség és a minőség között. Néhány példa: - CELP (Code Excited Linear Prediction) - RPE (Regular Pulse Excitation) - VSELP (Vector-Sum Excited Linear Prediction) (Ajánlott irodalom: Györfi, Győri, Vajda: Információ és kódelmélet, 110-115. o.)

82

4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3.2. Beszédkódolók jellemzői


4.3.2. Beszédkódolók jellemzői Bitsebesség Ez a 2,4 kb/s (LPC-10) és 64 kb/s (PCM) közötti széles skálán változhat. (Általában jellemző, hogy minél kisebb a sebesség, annál nagyobb a késleltetés.)

Szubjektív beszédminőség (MOS, Mean Opinion Score, átlagolt értéklő pontok) Szubjektív alapon több emberrel „leosztályoztatják” az átvitel minőségét egy 5-ös skálán (1 = rossz (bad), 5 = kiváló (excellent)), majd ezeket átlagolják. Az értékelés során két tipikus szempont a hangzásminőség és a beszéd érthetősége. Az egyes kódolási technikák MOS pontszámai az alábbi ábrán láthatóak:

Látható, hogy a hibrid kódolók jobbak mind a hullámforma kódolóknál, mind a vokódereknél, azonban bonyolultabb megvalósítani azokat. Tehát kicsi (2-4 kb/s) jelátviteli sebesség esetén inkább vokódereket, nagy jelátviteli sebességnél (32-64 kb/s) inkább hullámforma kódolókat alkalmaznak, mivel itt a MOS pontszámok különbsége viszonylag kicsi. A 4-32 kb/s sebességtartományban hibrid kódolókat használnak.

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.

Érzékenység bithibára Az átvitt bitek elromlása eltérő mértékben vehető észre a vevő oldalon visszaállított beszédben különféle kódolók alkalmazása esetén. Az egyes kódolókat azzal a küszöb hibaaránnyal (BER, Bit Error Rate), jellemezzük, amely még eltűrhető az átvitelben a beszédérthetőség szempontjából. PCM kodeknél ez az érték maximum 10-4 lehet, ez fémvezetékkel és optikai kábellel minden további nélkül megvalósítható. Rádiós átvitellel viszont gondokba ütközünk, hiszen ezen átviteli közeg hibaaránya kb. 10 -3, ami egy nagyságrenddel kisebb a megkívántnál. (Ezt vettük az SDH technológiai hátterénél is). A megoldást a hibajavító kódolás alkalmazása adja. Ezt a módszert a kódelméletben hibajavító kódolásnak hívják, de a számítógép-hálózatok terén FEC (Forward Error Correction) néven terjedt el. (A részletekről az említett témakörökhöz tartozó tárgyakban tanultuk.) Megjegyzés: a számítógép-hálózatokban általában ARQ-t (Automatic Repeat reQuest, automatikus ismétlés kérés) alkalmaznak, és nem FEC-t. A FEC-t olyan helyeken alkalmazzák, ahol valamilyen valós idejű követelménynek kell megfelelni, vagy más okból nem lehetséges az ismétlés (például multicast, azaz többesadás esetén, ahol az esetleges ismétlések hamar leterhelnék az egész hálózatot). Bővebben: Tanenbaum: 228. o.

83



Bonyolultság – komplexitás Ezt a paramétert több tulajdonság együtt határozza meg. Ezek közül néhány: - a kodek megvalósításához szükséges műveletek száma (MIPS, Million Instructions Per Second) - az eszköz memória-kapacitás igénye - a kodek chip fizikai mérete - a chip ára - teljesítmény igény vagy fogyasztás. Az utolsó paraméter csökkenthető, ha ravasz módon csak akkor tartjuk bekapcsolva a kodeket, amikor szükség van rá. Ehhez szükségünk van egy eszközre, melynek neve beszéddetektor (VAD, Voice Activity Detector). A beszéddetektor feladata, hogy megkülönböztesse a beszédet a zajtól. Egy ilyen eszköz alkalmazása növeli a kodek komplexitását, viszont csökkenti a teljesítményfelvételét.

Kvantálási zaj Ez a valóságban nem zaj, csak torzítás, mivel függ a jeltől. A zaj elnevezés onnan ered, hogy célszerű zajjal modellezni. A modellezés a következőképpen fest: adott az analóg hangforrás, kódoljuk PCM-mel, a csatornán hozzáadódik valamilyen zaj, ami miatt bithiba keletkezik, így a vevőoldalon zajos analóg jelet kapunk vissza. (Tehát a modellben torz PCM kódolás és hibátlan csatorna helyett tökéletes PCM kódolást és zajos csatorna szerepel.) A kvantálási zajból két paraméter is származtatható az alábbiak szerint. Többszöri kódolás (tandemezés) A PCM szabványt úgy alakították ki, hogy a kódolás/dekódolás műveletét többször is el lehessen végezni. Ezt nevezik tandemezésnek, egy tandemezés egy oda-vissza kódolást jelent. Ez inkább egy múltbeli probléma, melynek oka az, hogy a PCM-et először csak digitális szigetekként vezették be, így megeshetett, hogy egy jel többszörös tandemezésen esett át:

Az európai PCM-et úgy tervezték meg, hogy egy jelen összesen 13 tandemezést lehessen rajta végrehajtani. Ez leginkább a bitek számának függvénye, ami így a PCM esetén 8 bit lett. Meg kell említeni, hogy más PCM kodekek is léteznek, például az Amerikában használatosban nincs külön jelzéscsatorna az első PDH hierarchia szinten, így a csatornák bitjeiből lopnak el egyet-egyet erre a célra. Az első öt keretet teljesen átviszik 8 biten, ez 40 bitet jelent. A hatodik keretben egy bitet elcsennek, így ez 7 bit hasznos adatot jelent. Így összesen 6 keretre jut 47 bit. Ezen két szám hányadosából kijön, hogy az amerikai rendszer 7 5/6 biten kvantál. Természetesen ezzel az amerikai rendszer kevesebbszer tandemezhető, csak 12szer. Létezik 7 bites PCM is, ezt a megoldást a globális űrtávközlésben alkalmazzák. (Általában egy egyszerű 8 bites PCM kodeket használnak, csak az LSB bitet nem viszik át.) Ez a megoldás 10-szeres tandemezhetőséget biztosít. Ezzel az 1 bites spórolással a műholdas távközlésben sávszélességet lehet megtakarítani, mivel a műholdas sávszélesség nagyon drága; másrészről itt nem is kell olyan sokszor tandemezni, mivel egy műhold nagy területek áthidalására képes. Az így kialakult átviteli sebesség 56 kb/s. 4 bites ADPCM estén az átviteli sebesség 32 kb/s-ra adódik. Ezzel a technológiával 11-szeri tandemezés lehetséges. (Az 1980-as évek közepén jelent meg, digitális.) A 3,5 bites ADPCM ismét a globális űrtávközlésben kerül alkalmazásra, 7-szer tandemezhető.

Átkódolási probléma Meg kell említeni az átkódolás problémáját, melyet szintén a kvantálási zajjal lehet jellemezni. Példaképp vizsgáljunk meg egy olyan szituációt, amelyben egy európai GSM hálózatból beszélgetünk egy Amerikában tartózkodó személlyel:

84



Mint látható, sok kódolásra van szükség, és a kódolások nem homogének, így a kvantálási zaj akkumulálódhat. Szerencsére az ábrán látható átviteli lánc jó minőségű, így az egész átviteli lánc minőségét lényegében a legrosszabb minőségű kodek, azaz a GSM kodek határozza meg. (A kvantálási zajról bővebben: Györfi, Győri, Vajda: Információ- és kódelmélet, 73. o.)

Átlátszóság – transzparencia Az a probléma, hogy a beszédkodeket alapvetően beszédátvitelre optimalizálták, így kérdés lehet, hogy pl. másodlagos adatátvitel esetén hogyan viselkedik.

Ebből a szempontból vizsgálva a kodekeket, az alábbi következtetésekre juthatunk: - PCM, ADPCM, hullámforma kódolók: igaz, hogy ezeket beszédre optimalizálták, de másodlagos adatátvitelre is viszonylag jól használhatók, eléggé transzparens - vokóderek: teljesen alkalmatlanok, egyáltalán nem transzparensek - hibrid kodekek: szintén nem alkalmasak másodlagos átvitelre, ezek sem transzparensek - GSM és ISDN adatátvitel esetén kikerüljük a kodeket, így ez a kérdés nem vetődik fel.

Választható bitsebesség Ha változtatható bitsebességű kódolást alkalmazunk, akkor adaptívvá válik a jelforrás. (Ilyen adaptivitással már találkoztunk a számítógép-hálózatok terén a TCP-nél.) Ez az adaptivitás a következőkben nyilvánul meg: foglalt hálózat esetén az a kompromisszum születik, hogy átvisszük a jelet, csak gyengébb minőségben (kisebb bitsebességű kódolást alkalmazunk). Ebben az esetben a hálózatot és a jelforrást együtt kell optimalizálni. A hálózattervezés lényegesen megnehezül, hiszen a hálózat foglaltsága kihatással van a felhasználóra, így innentől az Erlang formula nem használható a felhasználók modellezésére.

85

4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3.3. Beszédkódoló ajánlások


4.3.3. Beszédkódoló ajánlások

Rengeteg ajánlás született, 1972-98-ig több, mint 21 féle, ezek közül néhányat tekintünk át. A felsorolás nem időrendi, inkább logikai alapon van felépítve. ajánlás

év

típus, elv

ITU-G.711 ITU-G.721 ITU-G.728 GSM-FR (ETSI) GSM-EFR (ETSI) ITU-G.729 US-Government

1972 1984 1992 1989 1995 1995 1977

PCM ADPCM LD-CELP LTP-RPE ACELP CSACELP LPC-10

bitsebesség [kb/s] 64 32 16 13 13 8 2,4

MOS 4,3 4,0 4,0 3,7 4,0 4,0 2,2

késleltetés [ms] 0,125 0,125 0,625 20 20 15 22,5

bonyolultság [MIPS] 0,34 14 33 2,5 15 20 ?

Az első az 1972-es PCM. Itt gyakorlatilag csak a mintavételi tételt alkalmazták és nemlineáris kvantálást, így adódott a bitsebessége. Ennek a legjobb a beszédminősége, és igen alacsony számításigénnyel rendelkezik (Akkoriban még számított a bonyolultság!) Késleltetése igen csekély, és ez a késleltetés is csupán a keretezésből adódik. A következő bejegyzés az ADPCM (Adaptive Differential PCM, adaptív különbségi PCM kódolás). Erre azért volt szükség, mert meg szerették volna duplázni a törzshálózaton folytatható beszélgetések számát. Ez a kódolás már kihasználja az emberi beszéd mintái közt lévő rövid és hosszútávú korrelációt is. Minősége még ennek is jó, viszont bonyolultsága radikálisan meg nőtt a PCM-hez képest. Az ITU-G.728-nál az LD-CELP (Low Delay CELP) elvet alkalmazták, ami már nem hullámforma, hanem hibrid kódoló. Sebessége lemegy 16 kb/s-ra, de továbbra is 4,0 MOS-t nyújt. (Ez beleillik a MOS grafikonba.) A késleltetés és a bonyolultság is tovább nő, így fizetni kell a bitsebesség csökkenésért. A negyedik sor a GSM-FR (Full Rate) ajánlást mutatja be. A sebesség 13 kb/s, a MOS érték leromlott 3,7-re, a késleltetés pedig felment 20 ms-ra. Itt már a kodek késleltetésének értéke nagyobb a kritikus 12,5 ms-nál, így ezekben az eszközökben a visszhangkezelést meg kell oldani. Az alkalmazott technológia LTP-RPE (Long Term Predictive Regular Path Excitation). Azért esett a választás erre a technológiára, mert viszonylag alacsony a MIPS értéke (2,5). Mivel a kodek a hordozható végberendezésben van, ez a szempont domináns volt akkoriban. Az ajánlást az ETSI bocsátotta ki, az ITU nem vette át. Így utólag kicsit elhamarkodottnak tűnhet, mert ilyen sebességhez jobb minőségű kódoló is készíthető. Ez egy európai kezdeményezés volt azzal a céllal, hogy az európai GSM hálózat minél hamarabb üzembe helyezhető legyen. (Egy érdekes hasonlat: Churchill a radarok fejlesztésekor a következő instrukciókat adta: legjobb megoldás nincs, a második legjobbat nincs idő kivárni, a harmadik legjobb megoldás kell, az, ami most kész van, mert jönnek az ellenséges repülők, amelyeket időben észre kell venni.) A következő a GSM-EFR (Enhanced Full Rate) ajánlás. 1989-95-ig fejlődött annyit a mikrotechnológia, hogy megengedhették maguknak a nagyobb számításigényű kodek használatát, így 13 kb/s-on elérték a 4,0 MOS-os értéket, bár a késleltetés maradt 20 ms. Az alkalmazott technológia az ACELP (Adaptive CELP) névre hallgat. Figyeljük meg, hogy az ITU még ehhez sem adta nevét, ez is ETSI szabvány, mint az előző. Az utolsó előtti bejegyzés már ismét az ITU nevéhez fűződik, ez az ITU-G.729. Egyértelműen látszik, hogy szinte minden paraméterben felülmúlja a felette sorban lévőt. A 20-as MIPS érték nem visszariasztó, hiszen ekkoriban már 15-öt tudtak csinálni, tehát ez nem egy nagyságrendi lépés. A felhasznált technológia a CSACELP (Conjugate Structure Algebraic CELP). Az utolsó bejegyzés egy érdekesség, mely azt szemlélteti, hogy már 1977-ben is sikerült egy 2,4 kb/s-os kodeket készíteni, ha nem is túl jó minőségben. (Mivel ezt kormányzati/katonai alkalmazásra szánták, a nem a minőség volt az elsődleges szempont.) Tehát beszéd átvihető ekkora sebességen is, természetesen az árát meg kell fizetni.

86


4.4. Digitális csomagkapcsolt hálózatok

4.4. Követelmények digitális csomagkapcsolt hálózatokban Jelforrások jellemzése Börsztös jelforrások (csomók, löketek alakulnak ki): - videofon: 64 kb/s - 2 Mb/s esetén biztosítanak elfogadható képminőséget, ha a partnerek nem tesznek hirtelen mozdulatokat, és a képen nincsenek nagy változások - videokonferencia: 5 Mb/s - digitális TV: 20-50 Mb/s - MPEG-1: 1,5 Mb/s - MPEG-2: 10 Mb/s A jelforrás jellemzése több szinten is lehetséges: - hívás szinten: akkor lehetséges, ha történik hívásengedélyezés a hálózatban, - löket szinten: a löketeket a következő paraméterekkel jellemezzük: - rmax: maximális kapacitás - rátl: átlagsebesség - rmax / rátl = „börsztösség” (burstiness), a csomósodás mértéke. Tipikus értéke 1 és 200 között van. Az 1-es érték a beszédjelet jellemzi, a forgalomtípus neve CBR (Constant Bit Rate, állandó bitsebesség); a 200-as érték például tömörített videójel esetén jelentkezik, a forgalomtípus neve VBR (Varying Bit Rate, változó bitsebesség). - tmax: a löket maximális hossza. Értéke a 0,25 - 300 s tartományban változhat. - csomag szinten: a csomag hosszával jellemzünk. - bit szinten: a paraméter a BR (Bit Rate). A csomósodás sajnos aggregált forgalom (több forgalom nyalábolása) esetén sem tűnik el.

Minőség jellemzése – QoS paraméterek Digitális jeleknél a minőséget a következőkkel jellemezhetjük: - csomagkésleltetés, jele: T, általában PD-nek (Packet Delay) nevezik, de ATM esetén ettől eltérően a CD (Cell Delay) elnevezés használatos. - csomagkésleltetés ingadozás, jele:T. PDD (PD Deviation). - csomagvesztés arány – PLR (Packet Loss Ratio): csomagvesztés történik például, ha megtelik a tároló. - téves csomagkézbesítési arány – PIR (Packet missInsertion Ratio): ez előfordulhat, ha a csomag fejléce sérül meg. - hibaarány – BER (Bit Error Rate). A késleltetés ingadozás átváltható késleltetésbe tároló („dejitter buffer”) használatával, így a specifikáció során mindkettőt meg kell adni.

Forgalmi és szolgáltatási osztályok Az alábbi táblázatban az egyes osztályok és azok jellemzői olvashatóak. beszéd érzékenység késleltetésre bitsebesség

tömörített videó érzékeny

állandó

adat nem érzékeny

változó

A videó jelet maga a tömörítés teszi csomóssá. Adatjelnél előfordulhat, hogy van minimális sebességigény, pl. TCP összeköttetés fenntartása esetén.

87



A hálózat ezeket az információtípusokat különböző forgalmi osztályokba sorolja, és ennek alapján osztja szét a rendelkezésre álló kapacitást.

Forgalmi jellemzés adatjelnél A vizsgálathoz tekintsük az alábbi ábra bal oldalát: távközlésben aggregált (nyalábolt) forgalom esetén a forgalmi ingadozás csökken, mivel általában sztochasztikus és ergodikus folyamattal modellezhető.

A jobb oldalon a TCP összeköttetések vizsgálata látható: nagyobb számú összeköttetést vizsgálunk, de ettől nem lesz kisebb az átlag körüli ingadozás. Erre a jelenségre mondtuk azt, hogy a csomósodás az aggregált forgalomra is megmarad, így a forgalmi méretezést nem lehet kielégítően elvégezni. Miért van ez így? Szemléltetésül tekintsük az alábbi példát. Azt szeretnénk, hogy a lassú összeköttetésen a két, r1 és r2 forgalmakkal jellemzett szerver oldali gép egyenlő mértékben osztozzon.

88



Ez a következőképpen nézne ez ki:

A grafikon úgy értelmezendő, hogy az r1 által kapott forgalom az rmax és a vonal távolsága, az r2 forgalma pedig az abszcissza és a vonal közti távolság. A valóságban azonban a következő történik:

Tehát a szerverek egy bizonyos sebesség alá nem mennek, de afelett ingadoznak felváltva. Erre azt szokták mondani, hogy „rángatja” a hálózatot. A rövidebb sorhossz sem jelent megoldást:

A forgalmi viszonyok a sorhossz csökkentésével egyre kaotikusabbá válnak. Tehát egy paraméter megváltozására a rendszer igen érzékenyen reagált. A kaotikus viselkedés azt jelenti, hogy a modell kis mértékű megváltozatása is nagy változásokat idéz elő a forgalmi jellegben. A TCP nemcsak, hogy kaotikus, de azt még terjeszti is! Ennek a problémakörnek a feltárása jelenleg is folyamatban van, igen nagy vitatémát indított a nemzetközi fórumokon.

89

90

5. Fizikai réteg 5.1.1. Az átvitel

5.1. 2/4 huzalos átalakítás

5. Fizikai réteg 5.1. 2/4 huzalos átalakítás Mint arról már volt szó, a vezetékes jelátvitelnek két módja is ismeretes: a 2 és a 4 huzalos. Kéthuzalos esetben mindkét irányban haladó jel egy vezetékpáron halad (fél-duplex), míg négyhuzalos esetben a két irány szét van választva. (duplex) Az előfizetői oldalon mindenképpen meg kell oldani a szétválasztást.

5.1.1. Az átvitel Szimplex átvitel Szimplex átvitelt esetén a következő megoldást kell alkalmazni:

Ez a felépítés működik, a mikrofonba belebeszélve a hangszórón hallható a hang. A valóságban is ennek az elvi felépítésnek megfelelő eszközöket alkalmaznak. A duplex átvitelhez természetesen két ilyen elrendezést kell felépíteni. A vonali transzformátorok szerepe: - nagyfeszültség elleni védelem - impedancia illesztés: a vezetéket hullámellenállással jellemezzük, és a jel visszaverődés elkerülésének érdekében a vezeték mindkét végét hullámellenállás értékű ellenállással kell lezárni (illesztett lezárás). Adott mikrofon és hallgató esetén az ellenállás illesztés a transzformátorok menetszám arányával állíthatók be. - zavarjel csökkentés: ha a vezetékben zavaró feszültség van, akkor azok a vevőoldalon kioltják egymást a két transzformátor miatt. Lássuk a jelölések magyarázatát: - Rm: transzformátorral redukált mikrofon impedancia - Rh: transzformátorral redukált hallgató impedancia - z0: a vezeték hullámimpedanciája A visszhangmentes átvitelhez az impedanciákat a menetszámok változtatásával úgy kell beállítani, hogy a következő egyenlet teljesüljön: z0 = Rm = Rh.

Duplex átvitel A kétirányú átvitelhez tehát első közelítésben két ilyen szerkezet lenne szükséges, de ez nagyon drága megoldás, csak Franciaországban alkalmazták régebben. Helyette vegyes átvitel alkalmazható.

91


5.1. 2/4 huzalos átalakítás A hibrid áramkör

A hibrid áramkör Vegyes átvitelnél a hozzáférői hálózat 2 huzalos, de kétirányú forgalmat valósítanak meg rajta. A törzshálózat 4 huzalos, így 2/4 huzalos átalakítás szükséges.

Az ábrán látható villaáramkör feladata, hogy a két irányba menő forgalmat egyesítse, illetve a forgalmat irányok szerint szétválassza. VoIP hálózatokban pl. a 2/4 átalakítás a gateway vonali kártyáján található. A villaáramkört régen ún. „hibrid áramkörrel” valósították meg. (Ma inkább IC-ket használnak.) Az alábbi ábrán egy ideális hibrid látható.

A hibrid tehát egy olyan négykapu áramkör, mely az egyik kapujára adott jelteljesítményt megfelezi a két szomszédos kapu között (az egyik irányban fog terjedni a hasznos jel, a másikban pedig diszcipálódik), a szemben levő kapura pedig semmi sem jut jel, ha a két szomszédos kaput azonos impedanciával zárjuk le. Ha a hibrid két szomszédos oldalára erősítő párokat kapcsolunk, akkor azok impedanciája pontosan beállítható, így minden 2/4 huzalos átalakítás a jelteljesítmény felének elvesztésével, azaz 3 dB csillapítással járna. A hibrid áramkört hagyományosan transzformátoros kapcsolással valósították meg. A transzformátor huzalellenállása azonban veszteséget okoz, így a valóságban megvalósítható hibrid kb. 3,5 dB-es csillapítást mutat.

Ha vezeték pár csatlakozik a hibrid egyik oldalára, akkor a vele szemben levő oldalt nem tudjuk pontosan a vezetéknek megfelelő impedanciával lezárni, hiszen pl. a vezeték impedanciája változhat hőingadozás következtében. A pontatlan lezárásnak az az elsődleges következménye, hogy a szemközti oldalon is megjelenik a jel („átszivárgás”), ami (mint azt később látni fogjuk) visszhangot fog okozni. Az ábrán látható négy kapu által határolt négyzetbe zárt rombusz a hibrid áramkör szokásos áramköri jele, amely azt jelképezi, hogy egy kapura jutó jel alapvetően a két szomszédos kapun jelenik meg..

92


5.1. 2/4 huzalos átalakítás A hálózat

A hálózat

(A hibridek számozása csak a rájuk történő hivatkozást segíti.) A pontozott vonal mindig az átszivárgást jelöli, míg a szaggatott vonal a két irányba elosztott jeleket. Az átszivárgás nagyjából 25 dB-es csillapítással jelenik meg a szemközti kapun. A jelforrás (mikrofon) irányából történő utat jelöltük be. A mikrofonba belebeszélve az 1-es hibridre jut a jel. Az a két szomszédos kivezetésre engedi a jel felét-felét. A lezáráson diszcipálódik a rá eső jel, míg a hasznos rész a 2-es hibridbe megy. Természetesen a lezárás nem lehet tökéletes, hiszen a vezeték impedanciája frekvencia és hőmérsékletfüggő, így a jel egy része átszivárog a hallgatóra, ezt nevezzük önhangnak. Ez nem is baj, hiszen így halljuk, hogy mit mondunk, s ezáltal megvalósul az akusztikai visszacsatolás. (Egyes kísérletek kimutatták, hogy e nélkül a legtöbb ember rövid időn belül el kezd kiabálni a telefonba.) A baj akkor jelentkezik, amikor a hangunk jelentős késleltetéssel ér vissza, ez a jelenség az alábbiakban kerül tárgyalásra. A 2-es hibrid ismét két irányra bontja a jelet, és erősítőkkel erősíti a jelet a kellő mértékig. A 2-es kapunál fellépő impedancia-illesztésről annyit érdemes megjegyezni, hogy egy erősítő ki- és bemeneti impedanciája minden további nélkül beállítható:

A 2-es hibrid szivárgása nem okoz semmi problémát. A 3-as hibridbe érvén érdemes elgondolkodni a szivárgás következményein. A felső kapukra érkező jel eloszlik a két szomszédos között, melyek közül az egyik vezeték, a másik pedig egy lezárás. Mivel a lezárás nem tökéletesen úgy viselkedik, mint a vezeték, a szivárgás jelensége ismét fellép, de ezúttal egy erősítő bemenetére érkezik az átszivárgott jel (a 3-as hibrid alsó kapujára). Az utat innen tovább követve visszajuthatunk a hallgatóba. Ez már visszhang, mivel a vezeték fizikai paraméterei miatt késleltetéssel érkezik vissza. A 4-es hibriden ugyanígy jelentkezik a visszhang, ami már egy sokkal hosszabb vezetékszakaszt fog átutazni, így még az előzőnél is nagyobb késleltetése lesz. (A visszhang az önhanggal szemben zavaró. A hangosság és késleltetés függvényében odáig is elfajulhat, hogy a beszélő képtelenné válik a folyamatos beszédre, vagy akár egész szavak kimondására is.) A kéthuzalos áramkörrel áthidalható távolság erősen korlátozott, mert a kéthuzalos erősítők újabb hurkokat hoznak a rendszerbe, amelyek egymásra is hatnak, és így rontják az eredő stabilitást. Éppen ezért a hurkok számát maximalizálták 3-ra. Az ábrán felrajzolt hálózati modellben 2 hurok található, vagyis még a jobboldali 2 huzalos szakaszban is lehetne erősítő. Az itt leírt 2/4 huzalos átalakítások mind analóg, mind digitális esetben megtalálhatóak.

93

5. Fizikai réteg 5.1.2. A visszhang


5.1.2. A visszhang A visszhang egyik forrása az, hogy nem a saját z0 hullámimpedanciával zárjuk le a vezetéket. Amennyiben ugyanis saját impedanciával zárjuk le a vezeték mindkét végét (z0 = z1 = z2), akkor a hullám ugyanúgy viselkedik, mintha ott a vezeték végtelen hosszan folytatódna. Minden más esetben visszaverődés történik.

A visszhang másik forrása az előzőekben említett nem tökéletes hibridből származik. Az alábbi táblázat megadja, hogy azon késleltetés-csillapítás párokat, amik még nem zavaróak: késleltetés



visszhang csillapítás

av

10 ms 30 ms 50 ms

11 dB 23 dB 31 dB

Példa terjedési késleltetés számítására: Vegyünk egy l1 = 150 km-es hozzáférői és egy l2 = 20.000 km-es gerinchálózatot. Ezek késleltetése: l 150 km 20 10 3 km  0 , 6 ms  gerinc  2   80 ms km v 3 km 250  10 3 250 10 s s (Az alkalmazott terjedési sebesség kisebb, mint a fénysebesség, mert dielektrikumban halad.) A példa tanulsága az, hogy a hozzáférői hálózatban a késleltetés elhanyagolható, a gerincháló késleltetése viszont jelentős, így ott a késleltetésből fakadó visszhangot mindenféleképpen kezelni kell. (A táblázatból látható, hogy ez csupán csillapítással nem oldható meg.)

 hozzáfér 

l1  v

Miért tervezzük a központ közi, felváltva erősítőkből és vezetőszakaszokból álló szakaszt 0 dB csillapításúra? Kevesebb (vagyis negatív csillapítás, azaz pozitív erősítés) nem lehet, különben az átszivárgás miatt a négyhuzalos hurokban gerjedés jönne létre. A két átszivárgásból adódó 25 dB + 25 dB igen nagy csillapítás érték, így a hurokban keletkező visszacsatolás önmagában nem zavaró. Ha azonban leszakad az egyik vezeték, a hibriden a jel már csak 7 dB csillapítással szivárog át a szemközti érpárra 25 dB helyett, ez történik minden kapcsolásnál is egy rövid ideig. Ha több, mint 0 dB lenne a szakasz csillapítása, az a visszhang szempontjából kedvező lenne, hiszen 5 dB csillapítás a visszhangot 10 dB-lel csillapítaná. Ez azonban csak korlátozottan kivitelezhető, mert az eredő átviteli csillapítás követelmények adottak: a csillapítás értéke nem lehet tetszőlegesen nagy értékű, így a visszhangból származó problémák megoldására más módszert kell választani.

Visszhangcsökkentés -

zárócsillapítás növelése visszhangzár visszhang törlő SDM (végig 4 huzalos rendszer) FDM: a két irány két külön frekvenciát kap TDM: fél-duplex összeköttetés („ping-pong” kapcsolat): adatátvitelnél használható, de beszédnél csak rövid távolságra jó, mivel ki kell várni az átkapcsolás jelét. (Pl. ISDN eszközöknél használják.) - CDM: még nincs ilyen megoldás. Az FDM, TDM és CDM módszerek valójában átviteli rétegbeli megoldások.

94

5. Fizikai réteg 5.1.2. A visszhang


Visszhangzár A visszhang zár egy elavult megoldás.

A VAD-dal jelölt eszköz beszéddetektor (Voice Activity Detector). Ez az áramkör érzékeli, hogy a felső vezeték páron van–e beszéd, így a nem kívánatos irányban lecsökkenthető az erősítést. Így egy visszhangmentes, de fél-duplex csatornát kapunk. A megoldás nagy problémája, hogy kétirányú beszélgetés esetén kultúráltan lehet csak telefonálni, mert ha egyszerre ketten kezdenek el beszélni, akkor a VAD mindkét oldalon lezár, semmi sem lesz hallható, majd a két VAD észreveszi, hogy már nincs átvitel, és visszakapcsolják a beszélgetést. Ennek szaggatott átvitel lesz az eredménye. (A Számítógép-hálózatok c. tárgyból „visszhangelnyomó” néven szerepelt. Részletek: Tanenbaum: 136. o.)

Visszhang törlő

A visszhangzár helyett a fent említett probléma elkerülésére visszhang törlőt (echo canceller) alkalmaznak. Ez az eszköz (VT, visszhang törlő) nem tesz mást, mint modellezi az átviteli közeget, és megpróbálja kompenzálni az átviteli közeg késleltetését (és torzítását), majd azt negatívan hozzáadni a terjedő visszhangos jelhez. Ennek a modellezésnek adaptívnak kell lennie, hiszen a vezeték impedanciája és késleltetése függ a külső tényezőktől (pl. ha rásüt a nap, akkor felmelegszik). A modemekben található automatikus vonalkiegyenlítőt a visszhangtörlő zavarja, ezért egy ún. „sávon beüli jelzéssel” kikapcsolja azt, és saját maga végzi el a kompenzálást. A visszhangtörlő legegyszerűbb megvalósítása egy tároló, vagy késleltető áramkör. Változtatható késleltetés megoldására az alábbi blokkvázlat szerinti eszköz használatos:

A C1...Cn súlyokkal állíthatóak be a késleltetés, a csillapítás és torzítás függvényében az ideális visszhangtörlő paraméterek.

95

5. Fizikai réteg 5.2.1. Egyenáramú komponens átvitele

5.2. Digitális jelátvitel analóg csatornán

5.2. Digitális jelátvitel analóg csatornán 5.2.1. Egyenáramú komponens átvitele Tekintsünk egy digitális jelet, hogy megértsük a téma fontosságát:

A spektrális vizsgáltból kiderül, hogy ennek a jelnek van egyenáramú (DC, Direct Current) komponense. (Vagyis van 0 Hz-es összetevő.) Alacsony frekvencián (0 Hz környékén) azonban nem lehet információt átvinni semelyik használatos átviteli eljárással sem. Ennek okai: Fémvezeték esetén: - nem lehet megoldani azt, hogy távtáplálást is biztosítsunk, és ugyanakkor információt is átvigyünk a 0 Hz környékén. - nagyfeszültségű védelem: galvanikusan le kell választani az áramköröket, ehhez vonali transzformátor kell, ami a vezeték végén ún. galvanikus leválasztást végez. Ez lehetetlenné teszi az egyen komponens átjuttatását. (A távtáplálást más úton oldják meg.) - az 50 Hz (a 220 V-os hálózat frekvenciája) és felharmonikusai mindig átjutnak valamiféleképpen, így ezekben a tartományokban nem tanácsos információ átvitelével próbálkozni. - a koax 60 kHz alatt nem alkalmas jelátvitelre, mert kis frekvenciákon nagy az áthallása. (Ez ugyanis nagy a hullámhosszat jelent, amit a köpeny nem tud leárnyékolni.) Fényvezeték esetén: - csak a magas frekvenciás optikai sávban visz át (leginkább az infravörös tartományban), más frekvencián túl nagy a csillapítása. Rádiós átvitel esetén: - nagyjából minimálisan 150 kHz, de legalábbis kHz-es nagyságrend kell ahhoz, hogy rádión vihessünk át információt.

Megoldások a DC komponens átvitelére Egy lehetséges megoldás a vonali kódolás: fémvezetéken átvihető a DC komponens, ha vonali kódolást alkalmazunk. Ilyen pl. a LAN-oknál megismert Manchester kódolás vagy a Bipoláris NRZ. Ezen kódolások eltüntetik a DC komponenst, ugyanakkor pazarolják a sávszélességet. Példaképp megemlítjük a PDH-t, ahol HDB3 (High Density Bipolar Coding 3) kódolást alkalmaznak. A nevében szereplő hármas arra utal, hogy egymás után maximum 3 nulla állhat. Az ISDN előfizetői szakasza is HDB3-mal működik. Mint azt említettük, a vonali kódolás pazarolja a sávszélességet, sok helyen mégis alkalmazzák, hiszen pl. LAN, PDH, ISDN esetében nem nő radikálisan a vezeték csillapítása a frekvenciával. (Ezekről a módszerekről a Számítógép-hálózatok c. tárgy körében volt szó.) Egy másik elterjedt megoldás a modem (modulátor/demodulátor) alkalmazása fém, fény vagy rádiós közegekben. Mi most ezt a témakört vizsgáljuk meg közelebbről.

96

5. Fizikai réteg 5.2.2. Modulálás

5.2. Digitális jelátvitel analóg csatornán 5.2.2. Modulálás

A modulátor a következőképpen „transzformálja” a spektrumot:

Mint az látható, a spektrum megjelenik a vivőfrekvencia környékén, így a DC valóban komponens eltűnt. Kódolásra viszont itt is szükség van, hiszen az órajelet ki kell nyerni a vevőoldalon. Ez egy esetleges hosszú 0 sorozat esetén nem lenne lehetséges. Ennek elkerülése végett az adóoldalon egy ún. „scrambler”-t (bitkeverő) alkalmaznak, valamint értelemszerűen a vevőoldalon egy „descramblert” is. Ez – amint azt a Számítógéphálózatok tárgyból jól tudjuk – megvalósítható egy több ponton visszacsatolt shiftregiszterrel, így ez a probléma megoldható Lásd még a kódelmélet tárgyat is. A modulációnak két fajtája van. A rendelkezésre álló sávszélességtől függ, hogy melyiket alkalmazzuk. Tekintsünk néhány közeget, és a velük kapcsolatos sávszélességi megfontolásokat: - fényvezető: bőségesen van sávszélesség (ha nincs sok multiplexálás), a moduláció feladatát a lézeroszcillátor látja el. - rádiós átviteli közeg: mivel a frekvencia természeti kincs, óvatosan kell vele bánni, így mindig keskenysávú modulációt kell alkalmazni. - fémvezető: ha a jel bármilyen okból sávhatárolt (pl. a PCM kodek előtt álló LPF miatt), és másodlagos adatátvitelt akarunk alkalmazni, akkor nem szabad pazarolni a sávszélességet. (Sok vonali kódolás sávszélessége pazarló, pl. Manchester kódolás.) A digitális jel továbbításának részleteit az alábbi ábra fejti ki:

Az ábra első sora az alapeset, az analóg csatorna. Ekkor a jól megtanult módon, az (a) jelű analóg csatorna sávszélessége nyilván 4 kHz-re adódik.

97

5. Fizikai réteg 5.2.2. Modulálás

5.2. Digitális jelátvitel analóg csatornán

Amennyiben digitális jelátvitelt szeretnénk alkalmazni, akkor az analóg csatornát a második sor szerint kell megvalósítani. A digitális csatorna megvalósítására két lehetőségünk adódik: a vonali kódolás és a modulálás (harmadik és negyedik sor). A jelölt analóg csatornák eltérő sávszélességűek az (a) csatorna az előbb tárgyalt módon 4kHz-es lehet, a (b) jelű pl. Manchester kódolás esetén 128 kHz-es sávszélességűnek fogható fel. A (c) jelű csatornához példaképp hozható a számítógépeknél alkalmazott modem, mely nagyjából 2 kHz-es sávközéppel dolgozik, és sávszélessége szintén 4 kHz körül van. A továbbiakban az aluláteresztő pontok között, pl modulált esetben a modulátor előtti és a demodulátor utáni pontok között vizsgáljuk az átviteli lehetőségeket.

Szélessávú átvitel 1  c  , ahol c a levágási frekvencia (cut-off frequency), és T = az impulzusok távolsága T Széles sávú átvitelről akkor beszélünk, amikor a csatorna sávszélessége sokkal nagyobb, mint a jel sávszélessége. Ekkor a torzításmentes átvitel akadály nélkül megtehető, hiszen a szűrés általi torzítás csupán egy igen kicsiny késleltetésben és jelalak torzulásban nyilvánul meg. Ekkor a csatornát egy aluláteresztő szűrővel modellezhetjük. Az ideális aluláteresztő szűrő amplitúdó karakterisztikája a 0 és  c között konstans; fáziskarakterisztikája egyenes. (Amint azt tudjuk, a fáziskarakterisztika meredeksége (t0) adja meg a késleltetést.)

 ( )  t 0

Tehát az ideális aluláteresztő szűrő késleltet, és az erős levágásokat „lekerekíti”.

Keskenysávú átvitel 1 c  T Keskenysávú átvitel esetén a csatorna aluláteresztő szűrőként viselkedik, és a jel sávszélessége megközelíti ennek a szűrőnek az áteresztőképességét. Vizsgáljuk meg a szűrő Dirac impulzusra adott válaszát: A Dirac impulzus spektruma a konstans 1. Ha egy rendszer bemenetére ezt a gerjesztést adjuk, akkor a kimeneten kapott válasz az impulzusválasz, ami nem más, mint a rendszer átviteli függvényének inverz Fouriertranszformáltja. Ez keskenysávú csatorna esetében az alábbi formában írható fel:

h(t ) 

A0 c sin  c (t  t 0 )    c (t  t 0 )

Tehát az átvitel lehetséges, ha az egymás utáni impulzusok közötti időköz pontosan:

T

 c

Ekkor ugyanis az egyes impulzusokból ott veszünk mintát, ahol a többi értéke nulla. Ha az aluláteresztő szűrő amplitudó karakterisztikája nem ugrással, hanem lekerekítve csökken nulla értékűre, akkor követelmény, hogy a lekerekítés a félértékre nézve aszimmetrikus legyen, és a félértéknél mért határfrekvencia értéke c.

98

5. Fizikai réteg

5.3. Fémvezetékes átvitel

5.3. Fémvezetékes átvitel A fémvezetők alkalmazásának központi fogalma a hullámellenállás. Ehhez a vezetéket kis,  hosszúságú szakaszokkal modellezzük, melyek a következő módon ábrázolhatóak:

Az egyes áramköri elemeknek: - R: ohmikus ellenállás [ohm/km] - L: induktivitás [H/km] - G: ohmos átvezetés [siemens/km] - C: kapacitás [fahrad/km]. Egy egyik irányból végtelen vezetőszakasz impedanciáját úgy lehet meghatározni, hogy összeadjuk az elemi szakaszokon mért impedanciákat. Ez az átvezetés és a kapacitás miatt véges értéket fog adni. Ezt nevezik hullámellenállásnak, és Z0-lal jelöljük. Természetesen, ha egy félvégtelen szakasz elejéről levágunk egy véges darabot, akkor a maradék még mindig ugyanolyan félvégtelen szakasz, mint az előző, így annak hullámimpedanciája nem változik. (Azért vizsgáltuk a félvégtelen esetet, mert ekkor nincs visszaverődés, reflexió, visszhang). A valóságban persze csak véges szakaszok léteznek, de ekkor is követelmény, hogy ne legyen reflexió, mert a visszhang zavarná az átvitelt. Éppen ezért a véges vezetőt mindig a megadott hullámimpedanciával kell lezárni, hiszen ezáltal „becsapjuk” a vezetéket, ami innentől a félvégtelen szakasszal ekvivalens viselkedést fog mutatni. Rossz lezárás esetén többszörös visszhang keletkezhet. A vezeték hullámellenállását a Z0  közelítő képlettel lehet meghatározni.

99

L C

5. Fizikai réteg

5.4. Átviteli közegek

5.4. Átviteli közegek (Az egész fejezethez ajánlott irodalom: Tanenbaum: 2.2 fejezet.) Tekintsük át egy táblázat segítségével, hogy az átvitel mely frekvenciasávokban milyen megoldásokkal lehetséges:

A skála felett láthatóak a műsorszóró rádiós fogalmaknak megfelelő sávok. Ezeket szünetek választják el, amelyeket más polgári és katonai célokra tartanak fenn. Hasonló okokból az URH sáv több kisebb részből áll. A vezetékes átvitel legelső megvalósítása a légvezeték volt, ennek felső frekvencia határa 150 kHz az áthallások miatt. (A légvezeték elektromágneses tere nyílt, ezért a hosszúhullámú rádió-műsorszórással áthallás léphet fel.) A szimmetrikus vezeték elektromágneses tere már zártabb, de ha több vezeték van egymás mellett, akkor közöttük az elektromágneses csatolás révén áthallás keletkezik. Az áthallás megfelelő kompenzálással 600 kHzig tűrhető. Ha a szimmetrikus vezeték önmagában helyezkedik el a kábelköpenyben, akkor ez a probléma nem jelentkezik, így a felső frekvenciahatár 5 MHz-nél van. A felső határt az adja. hogy nagyfrekvenciás jelátvitelnél a jel nem a vezetékben, hanem a vezeték mentén halad (optika vezeték esetén a dielektrikumban). Ahogy nő a frekvencia, úgy szorul ki az áram a vezetőből annak felületére (bőrhatás, skin effect). A szimmetrikus kábelnél (eddigi nevén csavart érpár) kicsi a keresztmetszet, így megnő a csillapítás:

100

5. Fizikai réteg


Nagyobb sávszélességű jel átviteléhez éppen ezért koaxiális kábelt alkalmaznak. A koax szigetelőgyűrűkkel elválasztott belső rézvezetőből és egy külső vezetőköpenyből áll. (Az ellenállás feleződik, mivel a terjedés a belső és a külső gyűrűn is létre jön.) A koaxiális kábel 60 kHz alatt az áthallás miatt nem alkalmazható, ekkor ugyanis a belsejében terjedő elektromágneses hullám behatolási mélysége eléri a gazdaságosan gyártható köpenyvastagságot (a behatolási mélység ugyanis a hullámhosszal arányos), valamint kis frekvenciákon nem érvényesül a bőrhatás.

A felső határt itt is a csillapítás szabja meg. Mivel a köpeny nagyobb keresztmetszetű a bőrhatás esetén is, a koax maximum 140 MHz használható. Természetesen rövidebb távon használható koax a nagyobb frekvenciasávban is, hiszen ekkor a csillapítások kevésbé érvényesülnek. A táblázatban szereplő adatok hosszú távú átvitelre vonatkoznak (50-100 km). Nagyobb sebességű koax átvitelnél gondot okoz a belső vezető bőrhatása, ezért kitalálták a csőhullám vezetőt:

Az eszköz másik neve a csőtápvonal. A csőnek a belsejét finoman kell megmunkálni, hogy a lehető legkisebb legyen az ellenállása, néha még ezüstözni is szokták. Az adás folyamán egy antennával besugároznak a cső belsejébe. Mire ezt a technológiát használatba vették volna, a fénykábel már kiszorította a hosszú távú átvitelből, nagysebességű készülékek belsejében azonban manapság is használják. A vezeték nélküli átvitelt tekintve a mobil rádiócsatorna érdekes helyzetet teremtett: 70 MHz alá nem lehet menni, mert akkor az antenna mérete nagy lenne, 2GHz felett pedig a Doppler-effektus miatt nem célszerű használni a frekvenciákat. (Emlékeztetőül: a Doppler-effektus lényege az , hogy a mozgó állomás által kibocsátott hullámot a mozgó vevő más frekvenciájúnak érzékeli.) A sáv alján a hullám jól követi a terepet (elhajlás jelensége), míg a sáv teteje felé már inkább fényszerűen terjed. Például a 900 MHz-cel (GSM) Magyarország lefedhető, hiszen ez a frekvencia még követi a földfelszínt, 1800 Mhz-cel viszont az ország lefedése problémákba ütközne, így a két frekvenciát együtt alkalmazzák. Ezért nincsenek és nem is lesznek kizárólag 1800 MHz-es készülékek , csak kétsávos vevőberendezések. Az 1800 MHz-es sáv azonban jól használható nagy forgalmú körzetekben (belváros), hiszen itt amúgy is sokkal kisebb cellák szükségesek a nagy forgalom kiszolgálásához. A mikrohullámú átvitelnek több alkalmazása is van. Az első a földfelszíni mikrohullámú rádió ismétlő lánc (ismétlő, relay, relé). Ez egy gerinchálózati megoldás, szinte minden szolgáltatónak van mikrohullámú és optikai hálózata is.

101

5. Fizikai réteg


A paraboloid antenna tükrökkel ellátott állomásoknak optikailag látniuk kell egymást, hiszen itt is nagy frekvenciákkal dolgozunk, amelyek nem szenvednek elhajlást.. Az ábrán jelölt hurokra megoldást jelenthet, ha minden állomás más frekvenciát alkalmaz a továbbításra, így azonban a csomópontoknak nem csak erősítő szerepet kell ellátniuk, hanem egy frekvenciatolást is. Helyi hozzáférői hálózatoknál az alábbi esetekben is alkalmazzák: - ritkán lakott településeken - versenyző szolgáltató esetén (pl. a PanTel a vasút alatt fektette le kábeleit, a vasútállomásnál 3,5GHz-es mikrohullámú fejállomások találhatóak) - monopol szolgáltató előírt határidő esetén, hiszen egy vezeték nélküli elérés pillanatok alatt megteremthető. Elnevezése: RAS (Radio Access System) vagy WILL (WIreless Local Loop) A mikrohullám alkalmazásának másik területe az űrtávközlés. A műholdak általában a 4-6 GHz-es tartományban dolgoznak. Kis távolságokon a szélesebb sávok biztosításához alkalmazható az infra vagy optikai átvitel is.

102

5. Fizikai réteg 5.4.1. Optikai vezetők


5.4.1. Optikai vezetők

Három tényezőt kell vizsgálnunk: - csillapítás - a vezeték deformálódása, hajlítása - torzítás

Csillapítás Ennek a paraméternek az értékét katalógusok adják meg.

A fenti ábra azt ábrázolja, hogy a hullámhossz függvényében hogyan alakul a csillapítás üveg, illetve műanyag optikai vezetékre – a vízszintes tengelyen a hullámhossz látható mikrométerben, a függőleges tengely pedig a km-enkénti csillapítás (dB/km). Az optikai szálak csillapítása attól függ, hogy milyen viszonyban áll a fény hullámhossza és az átviteli közeg részecskemérete, hiszen a fényhullám kölcsönhatásba lép az atomokkal, illetve annak részeivel. Az kis csillapítású hullámhossz-intervallumokat „ablakoknak” szokták hívni, ezeken belül történhet nagytávolságú jelátvitel. Amint az ábrából kitűnik, a műanyag csillapítása sokkal nagyobb, így az csak kis távolságok esetén (tipikusan hozzáférői hálózatban) használható. Ennek a technológiának azonban van egy előnye: sokkal olcsóbban előállítható, mint az üvegszál. A jel modulálása az adáshoz történhet LED-del vagy lézerdiódával. Ezek jellemzői: jellemzők ablak élettartam ár maximális modulált sebesség

LED I, II, III 106 óra olcsó

Lézerdióda II,III 105 óra drága

100 Mb/s

10 Gb/s

103



Sávszélesség: Az alábbi grafikonok az eszközök által kibocsátott energiát ábrázolják a hullámhossz függvényében.

A bal oldali ábra a LED, a jobb oldali a lézerdióda spektrumát ábrázolja. Amint az látható, a dióda burkológörbéje sokkal keskenyebb, és a spektruma nem folytonos.

A vezeték deformálódása Miért nem lép ki a fény a meghajlított kábelből? A fény közeghatáron az alábbi ábra szerint megtörik:

A hullám mindig olyan úton halad, hogy az egyik pontból a másikba a lehető legrövidebb idő alatt jusson el. A sűrűbb (azaz nagyobb törésmutatójú) közegben ugyanis a fény sebessége kisebb. Az érvényes képlet:

sin( 1 ) n2  . sin(  2 ) n1

(A továbbiakban is az ábra szerinti elrendezést tekintjük, ahol az n 1 > n2 viszonyok érvényesek.) Lássuk, mi történik β1 növelése során: előbb utóbb eléri a határszöget, ahol β2=90° tejesül.

104



β1 további növelésével a fény teljes visszaverődést szenved el. Ilyenkor egyáltalán nincs kilépő komponens. Ez történik a víztükör esetén is, amikor nagy szögben próbálunk kinézni alóla. (A kísérlet egy üveggel is elvégezhető, nem szükséges valójában a víz alatt lenni.)

Hullámtani vizsgálatok során a fizikusok arra jutottak, hogy a fénysugár egy ún. „behatolási mélység” mértékéig belép a felső közegbe is, de visszafordul onnan:

A behatolási mélység függ: - hullámhossztól (a nagyobb hullámhosszú fény jobban behatol) - törésmutatók különbségétől (kisebb különbségnél jobban behatol).

Ugrás törésmutatójú szál Angolul SI-nek (Step Index) hívják, mivel a törésmutató angolul „refraction index”, melyből a refractiont gyakran elhagyják. Ez a legegyszerűbb optikai vezető. Ennek a szálnak a keresztmetszete a következőképpen fest:

A paraméterek hozzávetőlegesen: - mag: n1=1,5; átmérője: 50-200 μm - köpeny: n2=1,485; átmérője: 100-1000 μm. Az üveg törésmutatóját szennyezéssel módosítják. A szálszerkezet fókuszálja a fény útját, de beléptetésnél a fókuszálást külön el kell végezni. A vezeték hajlíthatóságának van határa, egy bizonyos szög felett a fény már kilép a vezetőből. Ez a technika igen nagy tisztaságot és pontosságot igényel, így kb. csak kb. 5 gyár készít ilyen szálakat a világon.

105


5.4. Átviteli közegek Torzítások

Torzítások: módusdiszperzió és kiküszöbölése Fém és fényvezetőkre az alábbi átviteli függvény jellemző:

H ( j )  e  ( )l  j ( )l  e  ( )l e  j ( )l A második kifejezésben az első tag a csillapítás, a második pedig a fázisforgatás. A vezeték hosszának növelésével a csillapítás tehát exponenciálisan nő, ennek ellenére nagy távolságon (50100 km) is használható.

Az alábbi görbesereg a fázisfüggvényeket adja meg a különböző módusokra. (A késleltetés mindig a fázis frekvencia szerint vett deriváltja.) Az y tengelyen feltüntetett l-től jelen esetben eltekinthetünk, ha egységnyi hosszúságú szál vizsgálatára szorítkozunk.

Ha az üvegszál csak egyfajta törésmutatóval rendelkezne, akkor csak 1 és 2 fázisforgatás jelenne meg, melyek a két megfelelő törésmutatóból külön-külön származtathatóak. Összetett szerkezetre azonban végtelen sok megoldást kapunk. Ha a frekvencia nagy és a hullámhossz kicsi, akkor a fény csak a magban terjed, ha viszont a frekvencia kicsi és a hullámhossz nagy, akkor pedig csak a köpenyben. Ezen két szélső eset között végtelen sok átmenet van. Ezeket a megoldásokat hívják módusoknak. A módus magyarázatához a két végén rögzített húr hasonlatát vesszük elő. Először nézzük meg az egy kezdőponttal rendelkező húr esetét:

Ezután vizsgáljuk a két kezdőpont esetét:

Amint az a képekből látható, a kezdeti feltételtől függően különböző rezgésképek alakulnak ki. Eddig egyszerű kezdeti feltételeket vettünk. Bonyolultabb, összetett kezdeti feltétel esetén a szuperpozíció elvét alkalmazzuk: egyszerűbb mozgásképeket (módusokat) veszünk, ezek összege adja az összetett kezdeti feltétel esetén kialakuló mozgásképet (módusok szerinti sorfejtés). Minden módus késleltetése (a fázis deriváltja, érintője) más és más értékű az ü üzemi frekvencián („munkapont”). Tehát az információt különböző módusok szállítják különböző késleltetéssel, így a jel „szétkenődik”.

106


5.4. Átviteli közegek Torzítások

A módusdiszperzió a geometriai optika modellezési szintjén úgy írható le, hogy a tengelyirányú és a visszaverődéssel terjedő sugarak által befutott úthossz eltérő. Az SI szálnál a módusok száma kb. 1000-re tehető (ezt az értéket általában az Nm betűkombinációval szokták jelölni). A törésmutató profil (n(d)) megváltoztatásával, valamint a szál méreteinek megváltoztatásával csökkenthetjük a torzítást. Az ábrákon három elterjedt alaptípus szerkezet látható, a függőleges tengelyre a szál központjától mért távolságot, a vízszintes tengelyre pedig az adott távolságban érvényes törésmutatót mértük fel.

SI szál

GI szál

SM szál

Az első ábra a már megismert SI szál keresztmetszeti tulajdonságait ábrázolja. Erre jellemző az urásszerű törésmutató változás. n 1=1,5; n2=1,485; n1-n2=0,015. A második ábra a GI (Graded Index, gradiens szál) szálat ábrázolja. A törésmutató folyamatosan változik a láncgörbének (ch(x)) megfelelően, így a módusok késleltetése közel egyenlő. A mag széle felé megnő a hullám sebessége, és az eltérő pályájú sugarak futási ideje kiegyenlítődik. Nm, a használt módusok száma nagy, de sajnos ez a típusú kábel drágább is. A harmadik ábrán látható SM (Single Mode, egymódusú szál) szálra az jellemző, hogy az üzemi frekvencián csak az alapmódus terjedhet. A törésmutatók különbség kicsi (n1=1,5; n1-n2=0,005), így nagyobb a behatolási mélység. A szál a magmérete 5-10 m, árban ez is drágábbnak számít (kis törésmutató különbség és kis magméret miatt). A szálak minősége a B×l (sávszélesség × távolság) mérhető, ezek az itt megismert vezetőkre: - SI: 10-100 MHz×km - GI: 0,5-1,5 GHz×km - SM: > 100 GHz×km. Az SI szál tehát olcsóbb, de csak kis távolságokra használható, míg az SM szál a legdrágább, de nagy távolságok is áthidalhatóak vele, valamint nyalábolásra alkalmasabb. Természetesen jelfrissítők alkalmazásával az adott távolságok növelhetőek. Olcsó szál esetén több jelfrissítő szükséges adott távolság áthidalásához, vagyis a gazdaságossági optimumot a teljes átviteli útra kell megkeresni.

Kromatikus diszperzió SM típusú szálnál A diszperzió tulajdonképpen fázistorzítást jelent. Ez a jelenség onnan származik, hogy a fényadók modulálatlan sávszélessége olyan nagy, hogy ebben a sávban az alapmódus () karakterisztikája nem tekinthető egyenesnek – még homogén törésmutató esetén sem, – mivel a törésmutató a fény hullámhossza szerint változik. A függvény inflexiós pontja 1,3 m körül van, itt a kromatikus diszperzió megszűnik, így célszerű lenne, az átviteli sáv közepét ide tenni. Ezt általában lépcsős n(d) profillal érik el szennyezés segítségével.

107

5. Fizikai réteg 5.4.2. Vezeték nélküli átvitel


5.4.2. Vezeték nélküli átvitel

Elhalkulás A vezeték nélküli átvitel egyik fő problémája az „elhalkulás” (fading). Ennek oka, hogy a hullám egyszerre több úton haladhat a vevőbe, ahol ezek szuperpozíciója jelenik meg. (A több úton való terjedés leginkább a tereptárgyakról való visszaverődés következtében jön létre, ezért csak földfelszíni rádiós átvitelnél jelentkezik, űrtávközlésnél nem.) Így a különböző hullámok kiolthatják, vagy akár erősíthetik is egymást attól függően, hogy milyen fázishelyzetben érkeznek a vevőbe. Az elhalkulás jelenléte attól is függ, hogy mennyire tudják fókuszálni a hullámokat. Egy visszaverődés során a hullám 180-os fázisfordítást szenved. Tekintsük az alábbi 900 MHz-es GSM összeállítást, melyben a vevőkészülék 1,5 m magasságban, az adó pedig 50 m magasan helyezkedik el.

Grafikonon ábrázolva az adó-vevő távolság függvényében a Pv vett jelteljesítményt a következőt kapjuk:

A fading nélküli másodfokú hiperbola görbe úgy adódik, hogy a hullám teljesítménye a terjedés során egyre nagyobb gömbfelületen oszlik meg. A mért érték a két görbe közt helyezkedik el, egy bizonyos távolság elérése után a jelenség megszűnik. A felső görbét nyilvánvalóan élettani szempontok alapján kell megválasztani, míg a teljesítmény alsó határát a jel/zaj viszony detektáláshoz szükséges értéke határozza meg. A két görbe közötti ingadozás Pv = 20-30 dB. A szabadtéri terjedés másodfokú hiperbola csillapítása sokkal kedvezőbb, mint a vezetékek exponenciális csillapodása. Az elhalkulással együtt azonban a szabadtéri terjedés rosszabb, mint az exponenciális csillapítás.

Élettani hatások Az emberi test alapvetően úgy viselkedik a nagyfrekvenciás hullámokkal szemben, mint a fém. Vagyis az emberi testben a mikrohullámú rádió hullámok alapvetően nem terjednek, „csak” kb. 1 cm mélyen be tudnak hatolni a szervezetbe. Ezek az eszközök még nincsenek olyan régóta használatban, hogy komoly tapasztalatokkal rendelkezzünk, a szakemberek azonban azt javasolják, hogy a mobiltelefont aktívan használók (napi 1 óra használat felett) inkább „headset”-tel beszéljenek.

108

5. Fizikai réteg 5.4.2. Vezeték nélküli átvitel


A vezetékes és vezeték nélküli átvitel összehasonlítása frekvencia telepíthetőség mobilitás ár táplálás elhalkulás

vezetékes nem baj, van sok sok időbe telik a kiépítés nem mobil olcsó könnyen megoldható nincs

hiba

jobb

109

vezeték nélküli a frekvencia nemzeti kincs gyorsan telepíthető mobil drága a mobilitás miatt probléma számolni kell vele rossz, TCP forgalmat nehéz átvinni, hibajavító kódolást kell alkalmazni

110

6. Átviteli és kapcsolási réteg

6. Átviteli és kapcsolási réteg Ez az anyagrész az elvekre koncentrál. Ennek megfelelően a főbb hálózati funkciók rétegződése TH szempontból: TH főbb funkciók hozzáférés kapcsolás

TH rétegek

OSI rétegek

illesztési réteg kapcsolási réteg

szállítási réteg hálózati rétegbeli funkciók adatkapcsolati réteg

rendezés átviteli réteg nyalábolás

Elvek a hálózati funkciókhoz SDM, TDM, FDM, CDM: ezzel a négy elvvel az összes fent említett funkciót meg lehet valósítani, de csak elvileg, hiszen az ár és a megbízhatóság fontos paraméterek, így lehet, hogy egyes megoldások nem használhatóak, vagy nem kivitelezhetőek gazdaságosan.

111


6.1. Forgalomirányítás

6.1 Forgalomirányítás A forgalomirányítás elemei

A technológiák tetszőlegesen, egymástól függetlenül használhatók, például lehetséges analóg kapcsolómező TPV vezérlővel. Az, hogy a szerkezet kapcsoló vagy vezérlő, alapvetően attól függ, hogy kitől kapja a vezérlést, de a kapcsoló és a rendező nem csak abban különbözik, hogy ki vezérli, hanem technológiájuk is eltér:

idők (gyakoriság) (Milyen gyakran vezérlik?) idők (gyorsaság) (Milyen gyorsan végezhető el?) kapcsolt áramkörök száma (Hányat kapcsolnak egyszerre?) vezérlés (Ki vezérli?) hálózati részek segédjel

kapcsoló (switch) rendezéshez képest gyakori például 10 percenként

digitális rendező (DXC) ritkán, akkor, ha a forgalom tendenciája változik, pl. havonta

gyorsan, valós időben kell végrehajtani a kapcsolást, s-ms nagyságrend

nem gyors másodperc nagyságrendű

egyet kapcsol

sokat rendezünk pl. egyszerre 30.000-et

az előfizető

hálózat menedzser

jelhálózat jelzés hálózat (erőforrás foglaló protokoll)

jelhálózat menedzselő hálózat

112


6.2. Forgalomsűrítés

6.2 Forgalomsűrítés Forgalom: valamilyen gyakoriságú igény, ami a hálózatot éri. Lehet bérleti szerződés, hívás, börszt, csomag, stb. Az alábbiakban két hipotetikus város közötti forgalmat vizsgáljuk, valamint azt, hogy a forgalom függvényében milyen megoldásokat érdemes használni. (A megadott forgalmi értékek természetesen a forgalmas órára érvényesek, hiszen mindig erre az időszakra kell a hálózatot tervezni.)

Bérelt hálózat

Bérelt hálózatot akkor éri meg kiépíteni, ha: - nagy a forgalmi igény, nincs lehetőség forgalomsűrítésre - rögzített felhasználó párok vannak (pl. előre meghatározott szerverrel való kommunikáció). A rendezőkben a hálózatmenedzser a bérleti szerződés alapján állítja be, hogy ki kivel legyen összekötve. Ha a felhasználó párok nem rögzítettek, akkor jutunk a kapcsolt hálózathoz.

Kapcsolt hálózat nagy forgalom esetén Tehát: - továbbra is nagy a forgalmi igény - de változóak a felhasználó párok.

(A 0,8 Erlang kapcsolt hálózat esetén nagy érték, de a forgalmas órában lehetséges.) Mivel nincs forgalomsűrítés, nincs hívásblokkolás sem. (A gerinchálózatban ugyanannyi vezeték fut, ahány előfizetőkhöz van.)

113


6.2. Forgalomsűrítés

Kapcsolt hálózat kis forgalom esetén Tipikus alkalmazás: - kis forgalom - változó felhasználó párok

Ilyenkor felléphet hívásblokkolás, hiszen forgalomsűrítést alkalmaztunk. A törzshálózatot kb. 0,3 Erl intenzitásra kell tervezni, hogy kicsi legyen a hívásblokkolás valószínűsége. A 0,3 Erl bármelyik tözshálózati vezetéken előfordulhat - a fenti ábrán látható módon – mint rövid idejű átlag érték.

114


6.3. A forgalomirányítás elvei

6.3 A forgalomirányítás elvei Forgalomirányítás alatt a csomópontok útválasztó képességét értjük az egész hálózatot nézve. A használt algoritmus az alábbi szempontoktól függ: - a csomópontok száma - a hálózati topológia - a csomópontok és átviteli utak megbízhatósága - a forgalmi statisztika becsülhető-e? - forgalomsűrűség értéke - speciális szolgáltatás követelményei (mobilitás/többesadás) - algoritmikus komplexitás - gazdaságos megvalósítás - technológiai színvonal. A forgalomirányítási elvek három szempontból is csoportosíthatóak: - egyenrangú (demokratikus) eset: nincs kitüntetett csomópont - hierarchikus: lehet kitüntetett csomópont, akár több hierarchiaszinten is -

központosított: van központi intelligencia, központi csomópont elosztott: nincs központi csomópont

-

statikus: előre kiválasztott útvonalakat követünk dinamikus: a forgalomi statisztikák szerint változhatnak az útvonalak.

Hierarchikus forgalomirányítás Ebben az esetben az egy szinten lévő csomópontokat osztályokba soroljuk, az egyes osztályok egy magasabb szintű csomóponttal állnak összeköttetésben, így egy hierarchikus fa alakul ki. Ekkor az ábrán megjelölt két kommunikálni kívánó csomópontnak a kommunikációhoz igénybe kell vennie a kitüntetett szerepű csomópontok szolgáltatásait, így a hálózat a közvetlen forgalomirányítás elvét használja.

Akkor alkalmazzák, ha sok csomópont van (5-200), hiszen ekkor az útválasztó táblák nagyon nagyok lennének. Ezzel a fa topológiával azonban az egy szintre jutó komplexitás jelentősen lecsökken. A megoldás legnagyobb problémája a megbízhatóság, hiszen a gyökércsomópont meghibásodása esetén az egész fa szétesik izolált komponensekre. Ugyancsak probléma, hogy a magasabb rendű csomópontokba túl sok forgalmat koncentrálunk.

115



Megoldások: - kettős fa

-

haránt útvonalak: többféle haránt összeköttetést is be lehet tenni, vagy akár tandem csomópontot is el lehet helyezni a hálózatba

-

hierarchikus gyűrűk

A PDH rendszerben például teljes hálózatokkal kötik össze a szekunder központokat, Magyarországon 10 ilyen központ van, a primer sík ezután hierarchikusan használja a szekunder központokat. Itt tehát egyszerre érvényesül a demokratikus és hierarchikus elv.

116



Magyarországon a primer síkon nagyjából 40 központ lehet. Az USA-ban 200 szekunder és 10.000 primer központ van. A 200 szekunder központból álló teljes hálózatnak (200×199)÷2=19.900 éle van. A hierarchiaszintek számát a mai technikai színvonal és forgalomsűrűség mellett tipikusan 2-re választják. Régebben akár 5 hierarchiaszintet is alkalmaztak. Ez a feladatkör igen izgalmas, hiszen különböző időzónákat, változó forgalmakat kell kezelni. Amerikában ma már teljesen dinamikusan csinálják. Hierarchikus forgalomirányítás esetén a címzés is igazodik ehhez, a TH esetén ez a számozáson tökéletesen látszik, tehát hierarchikus hálózat esetén a számozás is hierarchikus lesz. (Pl. telefonszámok.) Az IP hálózat forgalomirányítása is hierarchikus, ma általában 2-3 szint van. Ilyenkor a címzés is hierarchikus a forgalomirányítás hierarchiájához illeszkedően.

117


6.4. Torlódásvédelem

6.4. Torlódásvédelem A hálózat teljesítőképességét az átbocsátási görbével jellemezhetjük. (Az átbocsátás angolul „throughput”.)

Az ideális átbocsátási görbe a forgalomsűrítés miatt megy telítésbe. Az ábrán a forgalmat a maximális átbocsátásra normalizáltuk. Ennek normalizálatlan értéke a 6.2 szakasz forgalomsűrítéses példájában megegyezik a központközi vezetékek számával, azaz 2 Erl. A rendszert kb. 0,3-ra kell tervezni a forgalmas órában, azért hogy a hívásblokkolási valószínűség elegendően kicsi legyen. A teljesen leterhelt állapot csak egészen kivételes forgalmi terheléskor állhat elő, pl. szilveszter, napfogyatkozás, hirtelen jelentős hóesés péntek délután, jelentős katasztrófa, stb. esetén. A forgalomirányítást a felajánlott forgalom függvényében kell változtatni, hogy elkerüljük a letörő jelleget: kis forgalom esetén a dinamikus módszer a célravezető, nagy forgalmi viszonyok esetén azonban célszerű statikus forgalomirányítást végezni, különben a hálózat az alternatív utak keresésével lesz lefoglalva nagy forgalmi terhelés esetén. A szabályozott görbét ezen kívül számos torlódásvédelmi eszköz alkalmazásával érjük el. A valós, szabályozott görbe azért tér el az ideálistól, mert a torlódásvédelem is terheli a hálózatot.

Torlódásvédelmi és QoS biztosítási módszerek -

-

forgalomirányítás (dinamikus-statikus) forgalomkezelés - beléptetés (CAC): mindig kell, ha minőséget akarunk biztosítani. Ehhez a forgalom mérésére van szükség akár passzív, akár aktív módon. A mérés történhet úgy, hogy fogalmat engedünk be mérés céljából, hogy megtudjuk történik-e blokkolás. A sávszélesség ügynök („bandwith broker”, BB) egyfajta központi intelligencia: mindent tud a hálózatról, ez alapján dönt, hogy egy adott forgalom beengedhető-e. - rendszabás - osztályzás - sebesség szabályozás erőforrás kezelés - túlméretezés (drága, de adaptív forgalmú hálózatoknál nincs ismert méretezési módszer) - erőforrás foglalás: ezért fizetni kell (díjszabás), a megvalósításához beléptetés szükséges - összeköttetést kell kiépíteni a hálózati rétegben, ez lehet: - valós áramkör - látszólagos áramkör - dinamikus útvonalkezelés - ütemezés, elsőbbségkezelés.

118


6.4. Torlódásvédelem

Összefoglalás valós áramkör összeköttetés a hálózati rétegben áramkör csomag technológiai példa

látszólagos áramkör összeköttetéses

áramkör alapú nem csomag alapú PDH, SDH, optika X.25, ATM

dinamikus útvonal

datagram (adatcsomag) összeköttetés-mentes

áramkörmentes csomag alapú MPLS, QoS IP

IP

Megjegyzés: összeköttetést bármely OSI rétegben lehet kiépíteni. Pl. a TCP a szállítási rétegben épít ki összeköttetést. Valamely felsőbb réteg kijavíthatja egy alsóbb réteg hibáját, de késleltetését nem csökkentheti. Ezért szükséges a hálózati rétegben összeköttetést kiépíteni, ha a késleltetés/késleltetés ingadozás is lényeges QoS paraméter.

119

120

7. TH technológiák 7.1.1. PCM alapok

7.1. PDH hálózatok

7. TH technológiák 7.1. PDH hálózatok: PDH + PCM A PDH (Plesiochron Digital Hierarchy) hálózatokat áttekintető jelleggel a 2. fejezetben már tárgyaltuk. Az ilyen hálózatoknál a legalsó szinten PCM (Pulse Code Modulation) kódolást alkalmaznak, amit most néhány újabb szemszögből újból megvizsgálunk.

7.1.1. PCM alapok Az emberi hallás fokozottan érzékeny a kis amplitúdójú jelekre, a nagy amplitúdójú jelekre pedig kevésbé. Ezért, valamint a jel/zaj viszony miatt nemlineáris kódolást célszerű alkalmazni, de a rendelkezésre álló kódolók azonban általában csak lineáris kódolásra képesek. 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. Ezt nevezzük kompanderes kvantálásnak. Európában az A-törvényű, Amerikában a -törvényű kompander karakterisztika használatos. Mi az „A-törvényű” karakterisztikával foglalkozunk. Az A karakterisztika 8 lineáris szegmensből épül fel. Az egyes szegmensek meredeksége különböző, de mindegyiken belül lineáris felosztást alkalmaznak. (Amint az látható, a szegmensek hossza exponenciális, mindig kétszereződik.)

Egy PCM keret tehát 3 részre tagolható: - polaritás: 1 bit (0 = +, 1 = –) - szegmens értéke: 3 bit (000 = 0-32 mV, ..., 111 = 2048-4096 mV) - szegmensen belüli, lineáris felosztás szerinti érték 4 biten, tehát 16 kvantálási szinten. Példa: 1970 mV kódolása „01101110” - 0: pozitív érték - 110: 1024-2048 mV közötti szegmensben van - 1110: a lineáris kvantálásnál itt 1 lépcsőfok 64 mV (1970-1024)÷64 = 14,72. Ez a 15. kvantálási tartományban van, 0-tól számozva 14 lesz a kódja. Amint az ismeretes: másodpercenként 8000 PCM keret keletkezik, mindegyik 8 bit (1 byte, vagy más néven „oktett”) hosszú, tehát a szükséges átviteli sebesség 64 kb/s.

121

7. TH technológiák 7.1.2. E1 nyalábolás


7.1.2. E1 Nyalábolás

Az E1 hierarchiaszinten 64 kb/s-os csatornákból fognak össze 32 darabot. A kimeneten a tűrést ppm-ben szokás megadni. (ppm = „Parts Per Million”, vagyis ez is olyan jelző, mint a százalék (1:100) vagy az ezrelék (1:1000), csak 1:1.000.000 arányt jelöl.)

A fenti ábrán két csatornát szándékosan külön jelöltünk, ugyanis az E1 szint csupán 30 felhasználói vonalat tud befogadni, a maradék két vonalat keretszinkronizálásra, illetve jelzésre használják, így egy 125 s hosszú E1 keret felépítése a következő:

Két keret ad ki egy blokkot, melynek ideje így 250 s. A blokk mindkét kerete tartalmazza a 8 bites ún. FAW (Frame Alignment Word) keretszinkron szót, ennek értéke az első keretnél 0, a másodiknál pedig 1. (A B2 bit – az ábrán keretezve látható – a keretszinkronizálást segíti elő, így az annak megfelelő első keretekben található meg.)

16 keret (8 blokk) alkot egy multikeretet, melynek ideje 8 × 250 s = 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.

122

7. TH technológiák 7.1.3. E2 nyalábolás


7.1.3. E2 Nyalábolás

Az E2 szint 4 E1 csatornát képes fogadni.

A bemeneteket keretszerkezetük mellőzésével, nem mintánként kezeli, hanem egyszerű bitfolyamként, így a kimeneten az alábbi keretszerkezet jelenik meg.

Tehát az E2 keret egy bemenetből 50+52+52+51 = 205 bitet szállít, de mivel a töltő bit is jelen van, ez az összeg eggyel növekedhet is 206 bitre. (Amint az a tárgyban korábban már szerepelt, a PDH rendszer nem teljesen szinkron, és éppen azért jelennek meg a töltőbitek, hogy alacsonyabb bemeneti sebesség esetén is tartani lehessen az elvárt kimeneti sebességet.) A töltőbitek helyét a kontroll bitek szabják meg. Lássuk, mekkora lehet a sebességingadozásű: 1 kimenő keret 205 vagy 206 bemeneti bitet tartalmaz:

bit E2 sec  2042,26 kbit  205  f ker et  848 sec kbit E2 E2 f max  206  f keret  2052,22 sec 8448  10 3

E2 f min

Ezek az eltérések jóval nagyobbak, mint ami az E1 specifikáció szerint annak kimenetén előfordulhat, tehát az E1 keret tűrései beleférnek az E2-nél megadottakba. (A 206 bitet tartalmazó keret jobban megközelíti az E1 által igényelt sebességet, de ez a működés szempontjából közömbös, mivel még így is felette marad.) Statisztikailag a keretek 58%-ban használják a töltőbitet. (Ez az órajel-csúszásból adódik, melynek mértéke E1-nél 50 ppm, majd a felsőbb szinteken egyre csökken egészen az E4 szintig, ahol már csak 15 ppm lehet.) Mint említettük, a töltőbit használatát 12 bit dönti el (csatornánként 3 bit). Ezekből többségi szavazással döntik el, hogy használnak-e töltőbitet. Az E3 és E4 hierarchiaszintek ugyanígy néznek ki, csak több kontroll bitet használnak.

123

7. TH technológiák 7.1.4. E1 szinkronizálás, 7.1.5. PDH előnyök és hátrányok


7.1.4. E1 szinkronizálás

Szinkronizálásra a FAW keretszinkron szót használjuk, tehát a szinkronizálás során az adatfolyamban a „0011011” mintát kell keresni. K („keres”) a kiindulási állapot, amiből a keretszinkron láttán átmegyünk a C állapotba. Itt várunk egy keretidőt, így kerülünk a C' állapotba, ahol megvizsgáljuk a keretszinkron szó második bitjét, azaz balról a második bitet (tehát 1-től, és nem 0-tól számolva). Ha B2 = 1, akkor a D állapotba megyünk, ahol ismét keretszinkron szót várunk; ha B2 = 0, akkor a K állapotba térünk vissza. Ennek hatására érkezünk meg az S (szinkron) állapotba. A szinkron állapotból hasonló módon lehet kikerülni – lásd az ábrát. Az utánzás elleni védelem paramétere így  = 2, hiszen két keretszinkron szót kell találni a keres / szinkron állapotok közötti váltáshoz. A szinkronból való kieséshez háromszor kell elveszteni a keretszinkron szót, így a kiesés elleni védelem paramétere  = 3.

7.1.5. PDH előnyök és hátrányok Hátrányok -

a nyalábolás bitenként működik, a magasabb szintek nem törődnek az alacsonyabb szintű keretekkel. világszerte eltérnek a rendszerek: USA, Japán – -törvény, EU – A-törvény, valamint ezeken belül is létezik ún. „mid-raiser” és „mid-step” típusú.

-

mid-riser mid-step minden szinten újra kell keretezni kevés hely van jelzésre, ütemezési és fenntartási információk továbbítására (a fejrészben keretenként 2 bit, minden beszédcsatornákra multikeretenként 4 bit) védelmi funkciókra keveset áldoz (helyreállítási, védelmi funkciókat nehéz megvalósítani) nehéz a forgalomirányítás a modemes átvitelt lassítja, mert korlátozza a sávszélességet

-

szinkronizálás nélkül is működik, nem kell minden berendezést ugyanarra az órára szinkronizálni ezáltal nem szükséges a szinkronjel terjesztése

-

Előnyök

124

7. TH technológiák 7.1.6. Kapcsolás

7.1. PDH hálózatok Térkapcsolás kapcsolómátrixszal

7.1.6. Kapcsolás PDH hálózatokban

A főbb fejlődési állomások: - analóg központ: - rotary központ: mechanikailag forgó szerkezet - crossbar központ: kapcsolórudas megoldás - digitális központ: ma alkalmazzák, hiszen: - kisebb fogyasztású - kisebb helyigényű - nagyobb teljesítményű (kapacitás)

Térkapcsolás kapcsolómátrixszal Felépítése:

Tehát, ha az i. bemenetet a j. kimenettel akarjuk összekapcsolni, akkor az (i,j) kapcsolópont segítségével egyszerűen összeköttetést létesítünk köztük. Előnyök: (ha a vonal nem foglalt, akkor) - nincs belső torlódás, ütközés - ütközésmentes architektúra Hátrányok: - N bemenet, N kimenet , így N×(N-1) pont kapcsolópontot igényel, mivel vonalat önmagához nem kapcsolunk A csomópontok számát csökkenteni lehet, ha a kimeneti vonalak száma kisebb, mint a bemenetieké. Ekkor már természetesen lehet blokkolás:

A felhasználók így koncentrálhatóak, ha csoportokra osztjuk őket, vagyis továbbra is a fenti mátrixos elrendezést alkalmazzuk, de bizonyos be- és kimenetek között egyáltalán nincs lehetőség összeköttetésre. (Lineáris algebrai hasonlattal élve: a mátrix lehet pl. blokkdiagonális szerkezetű.)

125


7.1. PDH hálózatok Térkapcsolás többfokozatú kapcsolóval

Térkapcsolás többfokozatú kapcsolóval Redukálhatjuk a kapcsolópontok számát, ha több kapcsolómátrixot használva az alábbi elrendezést alkalmazzuk:

Ekkor a kapcsolópontok száma:

2

N N N k N2 (n  k )  k  (  )  2  N  k  n n n n2

Ez a legtöbb esetben jóval kisebb lehet az egyszintű, mátrixos kapcsolónál adódó N × (N-1) értéknél. Lássunk néhány számértéket: N Nx3 bemenetek száma csomópontok száma 3 fokozatú megoldásnál 128 2680 8192 500.000

NxM csomópontok a mátrixos megoldásnál 16256 4,2 × 10 6

Ennél a megoldásnál azonban felmerül a blokkolás kérdése: ha a k = 2n-1 egyenlet nem teljesül, akkor blokkolás léphet fel. Ezt visszahelyettesítve az eredeti képletbe:

N x  2 N (2n  1)  (2n  1)(

N2 ) n2

Ekkor azonban n értéke még mindig kérdéses. Ha kiszámítjuk a fenti függvény N szerinti határértékét, majd a kapott a függvény szélsőértékét megkeressük, akkor a következő eredmény adódik:

n

N helyen a függvénynek minimuma van, itt N x  4 N ( 2 N  1) 2

Ennek a nagyságrendje tehát csak N1,5 N2 helyett. Tovább csökkenthető a kapcsolók száma, ha a középső kapcsolófokozatokat is a fenti ábra szerinti többfokozatú kapcsolással oldjuk meg. Ekkor kapjuk az 5 fokozatú kapcsolót.

126


7.1. PDH hálózatok Térkapcsolás többfokozatú kapcsolóval, Időkapcsolás

Térkapcsolás blokkolással A kapcsolópontok számát tovább csökkenthetjük, ha megengedjük a hívásblokkolást adott (kis) valószínűséggel.

Az ábrán látható, hogy a két pont közt k lehetséges útvonal lehet, és minden útvonal két szakaszból áll. Legyen q annak a valószínűsége, hogy egy szakasz foglalt, így annak a valószínűsége, hogy minden út foglalt lesz:

B  P(összes út foglalt)  ( P(egy út foglalt)) k  (1  q 2 ) k Lássunk egy példát: N n k, ha B = 0,002 k, ha B = 0 128 8 5 15 8192 64 15 127 Látható, hogy nem lehet egyértelműen kimondani, hogy k-nak mindig nagyobbnak kell lennie, mint n, de ennek az az ára, hogy adott valószínűséggel blokkolás lép fel. Tehát, ha nincs blokkolás, akkor k >> n; ha kis valószínűséggel eltűrünk blokkolást, akkor k < n lehet.

Időkapcsolás Időkapcsolásnál a vonalakon beérkező mintákat a megkívánt kapcsolásnak megfelelően cseréljük fel. PDH esetén ez nyilván csak az 1. szinten lehetséges, mivel magasabb szinten a beérkező folyamok már csak bitfolyamként értelmezhetőek a pleziokron tulajdonság miatt. (Természetesen a szintenkénti lebontásra mindig lehetőség van, de ez éppen azt jelenti, hogy le kell menni az E1 szintre.)

A fent látható ábrán a bemeneten a beírt értékek a címzetteket azonosítják. (A kimeneten a címek sorrendje ABCDE.) A fenti megoldás apró hátránya, hogy egy keretnyi késleltetést eredményez, hiszen mindig be kell olvasni a teljes keretet, és csak ezek után lehet a megfelelő sorrendet előállítani.

Időkapcsolás + térkapcsolás A vegyes megoldásnál az időkapcsolás módszerét alkalmazzák több be és kimenettel. A két elv együttes alkalmazásával megvalósíthatóak az alábbi kombinációk (T = „time switch”, S = „space switch”): - TST - TSSST, ha 3 fokozatú térkapcsolást alkalmazunk - STS

127

7. TH technológiák

7.2. ISDN

7.2. ISDN Az ISDN által nyújtott integrált szolgáltatásokat többlet jelzéssel lehet átvinni. Ehhez az ISDN 7-es jelzésrendszert alkalmaz. Néhány előnyös szolgáltatás az egyszerű vezetékes vonalhoz képest: - hívásátirányítás - hívószám kijelzés - hívószám kijelzés tiltása (a GSM rendszer is ugyanezt a 7-es jelzésrendszert használja) - híváseltérítés - hívás átadás - faxoláshoz G4 szabvány (gyorsabb) - 2 vonal - közvetlen digitális csatlakozás - konferenciabeszélgetés - ébresztés - stb.

Hátránya, hogy keskenysávú, így mire elterjedt, addigra már kicsi volt az általa biztosított sávszélesség. Előnye, hogy a meglévő hozzáférői hálózatra épül, ugyanazt a sodort érpárt használja, mint az analóg vezetékes távbeszélő. (A hozzáférői hálózat kiépítése vagy fejlesztése mindig drága, inkább a gerinchálózatot szokták újítani.)

Az alábbi blokkvázlaton látható, hogy az ISDN milyen bemenetek fogadására képes.

Az ISDN referencia modell

TE = „terminal equipment”, NT = „network termination”.

128

7. TH technológiák 7.2.1. Az S-busz működése

7.2. ISDN

7.2.1. Az S-busz működése

Vonali kódolás Az S buszon módosított AMI (Alternated Mode Inversion) kódolást alkalmaznak. Az AMI egymást követő bemeneti egyesek hatására váltogatja a polaritást. A módosított AMI ugyanezt csinálja, de a 0 bitre.

Sebességek Az ISDN alapkiépítésben (BRA, Basic Rate Access) 2B+D csatornákat biztosít. Ezeken összesen 2 × 64 kb/s + 16 kb/s = 144 kb/s sebesség vehető igénybe. Ehhez még hozzáadódik a keretszervezés és a többszörös hozzáférés költsége, ami 48 kb/s-ot igényel; így a buszon 192 kb/s-os sebesség adódik. Vállalati kiépítésben (PRA, Primary Rate Access) 30B+2D csatornakombinációt alkalmaznak, de itt a D csatorna is 64 kb/s sebességű.

S-busz kiépítések

129


7.2. ISDN

Keretszervezés Az S-buszon két fajta keret létezik. Az egyik a NT-től megy a TE felé, a másik pedig ellentétes irányban. Mindkét kerettípus 48 bitből áll. (Ezeket fejből nem kell tudni, de az ábra alapján a bitek szerepét meg kell tudni magyarázni.)

NT-TE irányban az F keret kezdő biten az előtte és utána lévő L bitekkel együtt kódsértést követnek el, ezzel biztosítják a szinkronizációt. A másik irányú átvitelnél a TE rászinkronizálódik az NT-re, és csak 2 bittel később kezd adni. Onnan tudja, hogy adhat, hogy látja a felé érkező keretben az üres echo biteket (4db). Ekkor a B1/B2/D csatornát használhatja. Amikor az NT megkap egy ilyen keretet, az echo bitben visszaküldi a D bitet. A TE megszakítja az adást, ha az echo nem rá vonatkozik. Tehát 250 μs alatt a keretben átviszünk: - B1 csatornáról: 16 bitet - B2 csatornáról: 16 bitet - D csatornáról: 4 bitet Szimmetrikus kommunikációt tesz lehetővé, mivel a B1 és B2 bitek száma ugyanannyi a két keretben. A kerethatár jelzése kódsértéssel történik az S-buszon, vagyis a határt fizikai szinten jelezzük.

Jelzésrendszer A központok között az SS7 (Signalling System 7), más néven 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:

130


7.2. ISDN

A keretszervezés ugyanaz, mint a PDH 1. szinjénél. Az U referenciaponton 2B1Q kódolást használnak, vagyis 2 bitet kódolnak egyszerre 4 jelszinten. Az ISDN végberendezés és a központ között maximum 4-13 km lehet a távolság a huzalátmérőtől függően: huzalátmérő távolság 0,4 4 km 0,6 6 km 0,8 13 km Így pl. Budapesten mindenhol telepíthető ISDN. 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.

131


7.3. Hozzáférési technikák ADSL

7.3. Hozzáférési technikák Beszédsávi modem Angolul „dial up service”. Fő korlátja, hogy beszédsávi átvitel sok kapcsolón megy keresztül, valamint a sávszélesség a 300-3400 Hz-es tartományra korlátozott. Szabványok: - V.34: 33,6 kb/s - V.90: 56 kb/s – mára egyeduralkodóvá vált

xDSL (Digital Subscriber Line) A második hozzáférési technika az xDSL: gyakorlatilag ez a beszédsávon kívüli modem, sebessége lényegesen nagyobb, mint az ISDN-nek. Fajtái: - IDSL = ISDN - HDSL (High Datarate Digital Subscriber Line): mindkét irányban (fel- és letöltés) 2 Mb/s, az áthidalható távolság 5 km, ismétlővel 12 km. Hátránya, hogy 2 érpár szükséges hozzá. - HDSL-2: ugyan az, mint a HDSL, de csak egy érpárt használ - ADSL (Asymetric DSL): letöltés max. 8 Mb/s, feltöltés max. 768 kb/s. Magyarországon a letöltés a 1,5 Mb/s, a feltöltés pedig 64-256 kb/s. A maximális áthidalható távolság a legnagyobb sebességgel 3,6 km. Aszimmetriája a felhasználási körök miatt praktikus. (Pl. böngészés, letöltés.) - ADSL-2: ugyanaz, mint az ADSL, csak nagyobb távolság hidalható át vele (4 km). - RADSL (Rate Adapted DSL): működés közben dinamikusan állítja be a sebességet, maximum 6 km hidalható át vele. - SDSL (Symmetric DSL): 768 kb/s mindkét irányban. (4 km-t hidal át.) - VDSL (Very High Datarate DSL): 52 Mb/s letöltés, 1,5 Mb/s feltöltés; ráadásul mindezt 1 érpáron valósítja meg. Hátránya, hogy legfeljebb 300 m távol lehet a központtól.

Az ADSL működése Az ADSL ITU-T G.992.x néven szerepel a szabványok világában.

A teljes rendelkezésre álló frekvenciatartomány három részre van osztva. Az elsőben a klasszikus távbeszélős összeköttetés valósul meg, a másodikban a feltöltés, a harmadikban pedig a letöltés. Az adatforgalomra szolgáló tartományok további kis, 4,3125 kHz-es alcsatornákra vannak osztva. Alkalmazott kódolási technikák: - CAP (Channel Access Protocol): nem terjedt el. - DMT (Discrete MultiTone): 256 alapcsatornát definiálnak, így 1,1 MHz-es a sávszélesség. A 4,3125kHz-es alcsatornák kiosztása: - 1-5 PSTN (Public Switched Telephone Network) a tévbeszélő készülék(ek)nek - 32 alcsatorna feltöltésre - 218 alcsatorna letöltésre

132


7.3. Hozzáférési technikák ADSL

Az ADSL alkalmazásakor problémát jelent, hogy a vonal minősége előre nem ismert, így méréssel állapítják meg, hogy mely frekvenciákat használják majd átvitelre. Külön probléma, hogy ha sokan használnak ADSL-t, akkor a vezetékek között áthallás keletkezhet, és ezáltal romlik az átvitel. A megoldás, hogy FDM-mel elválasztom a szálakat, illetve időosztást is használok (ebben az esetben visszhangzár kell). Az átvitel QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulációval történik. Keretek:

Az átvitel során a keret 1-1 mezője 1-1 csatorna bitjének felel meg. Emiatt az adó oldalon egy soros / párhuzamos, míg vevő oldalon egy párhuzamos / soros átalakítás kell. A szuperkeret 68 keretből és egy szinkronkeretből áll. A sebesség 32 kb/s-os granularitással változik. Az RADSL előnye ezzel szemben a dinamizmus. Az átvitel javítása érdekében redundanciát teszünk az információba, vagyis hibajavító kódolást (FEC, forward error correction) alkalmazunk.

Az ADSL Protokoll szintű elemzése

Mivel az authentikáció, valamint a felhasználói sávszélesség ellenőrzése IP-nél nem megoldható, ezért alatta sok réteg szükséges ezen feladatok elvégzésére.

133


7.3. Hozzáférési technikák

Kábelmodemek

Ez egy HFC (Hibrid Fiber Coax) hálózat. A technológia úgy lett kialakítva, hogy a letöltés viszonylag könnyen megvalósítható, de a feltöltés megoldása nehézkes. (Ma már folyik a kétirányúsítás, a megvalósításhoz frekvenciaosztásos megoldást használnak.) A kábelmodemes megoldásokat a DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) specifikálja. Sávszélességek: - letöltés: - 64 vagy 256 szintű QAM - 54-860 MHz-es tartomány (Európában 88-860 MHz) - 6 Mb/s-os sebesség - feltöltés: - 16 szintű QAM, vagy inkább PSK - 5-42 MHz -es tartomány (Európában 5-65 MHz) - 200-3200 kb/s-os sebesség Probléma, hogy a felhasználók számának növekedtével a feltöltés problémássá válik. A megoldást az jelentheti, ha a csomópontot közelebb visszük a felhasználóhoz. Ezt a jelenséget „szétaprózódásnak” hívjuk.

FTTx technikák „Fiber to the x”, vagyis azt szabja meg, hogy hol térünk át optikai kábelről rézvezetékre vagy rádiós átvitelre. (Ha az utolsó szakasz rádiós, akkor azt Radio in the Loop kifejezéssel illetik.). Pl. FTTH = Fiber to the Home. A mobil hálózat sávszélessége úgy növelhető, hogy kisebb cellákat alkalmazunk.

PowerLine Az áramellátó hálózatot használnák információátvitelre. Gondot okoz, hogy a transzformátor nem engedi át a nagyfrekvenciás jelet. Németországban és Kanadában népszerűnek tűnt. Azzal is el kell számolni, hogy a vezetékek zavarják a rádiós műsorszórást.

Ethernet IEEE 802.3x Megoldás: 10 Gb/s Ethernet üvegszálon az utcáig, majd onnan a Last Mile-on 10/100 Mb/s-os Ethernet. Olcsó technika, viszont nem biztonságos.

Mobil hálózat GPRS, Bluetooth, HSCSD, EDGE, WLAN.

134

7. TH technológiák 7.4.1. Bevezetés

7.4. SDH / SONET

7.4. SDH / SONET 7.4.1. Bevezetés

Eddig hozzáférői hálózatokról volt szó, most a gerinchálózati technológiák következnek. Természetesen a gerinchálózat mindig valamilyen szolgáltatást nyújt, így ahhoz hozzáférést is biztosítani kell, valamint az egész hálózatot meg kell tölteni tartalommal. Ezt az összefüggést illusztrálja a következő ábra:

Körülbelül 10 éve a legjobb befektetésnek tűnt nagy gerinchálózatok kiépítése, de kiderült, hogy a forgalom nem használta ki ezeket a hálózatokat. Jelenleg gerinchálózat már van elég, de a hozzáférés gyakran munkahelyekre korlátozódik, a háztartásokban csak kis sávszélesség biztosított. A gerinchálózatok terén gyakorlatilag az SDH/SONET az egyeduralkodó.

PDH A PDH egyik nagy hátránya, hogy nem egységes. A japán, amerikai és európai multiplex hierarchia eltérő, de köztük természetesen a legalsó szinten kívül is vannak átjárási lehetőségek.

A szabvány Sajnos csak néhány átjárási lehetőség van, így erre szélessávú átvitelt alapozni nem lehet. Helyette született meg az SDH/SONET. Az SDH jelentése Synchronous Digital Hierarchy, a SONET jelentése Synchronous Optical Network. Ezek a nevek sejtetik, hogy hierarchikus rendszerről lesz szó, teljes szinkronizáció valósul meg, és az átviteli közeg dominánsan az optikai szál.

135

7. TH technológiák 7.4.1. Bevezetés

7.4. SDH / SONET

Miért van két neve ennek a technológiának? A magyarázatot a szabványosítások adják: kezdetben az amerikai ANSI állt elő a SONET-tel, az ETSI csak később az SDH-val. A két rendszer közti különbség annyi volt, hogy a SONET-nél volt egy STS-1-es hierarchiaszint is (51,8 Mb/s), ami az SDH-nál nem található meg. (Ez történetileg az amerikai és európai PDH hálózatok különbségéből adódik). Az egységes szabványt az ITU-T alakította ki G.707 név alatt.

Topológia Amint azt már tanultuk, itt SDH gyűrűkből építkeznek, bennük ADM-ekkel (Add Drop Multiplexer) és DXC-kel (vagy DCC, Digital Cross Connect). Az ADM sokféle jel fogadására képes, és tetszés szerint leágaztat. Az SDH gyűrűket DXC-k (Digital Cross Connect) kötik össze.

A szerkezetet tüzetesebben megvizsgálva bizonyos SDH szakaszokat lehet elnevezni:

Tehát egy regenerátor szakasz (regenerator section) két szomszédos regenerátor közt van értelmezve, egy multiplex szakasz (multiplex section) pedig két multiplexer közt. A legfelső szinten útvonalnak (path) becézzük a szakaszt.

136

7. TH technológiák 7.4.2. Az SDH nyalábolási hierarchia

7.4. SDH / SONET

7.4.2. Az SDH nyalábolási hierarchia

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) és STS (Synchronous Transport Signal) jelek fogadására is. A PDH és az SDH rendszer tehát az alábbi ábra szerint épül egymásra:

Az STM, OC, STS szintek 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.

Az elnevezések eredete: A mi szempontunkból az STM szintek fontosak, ugyanis ezek az ITU-T által definiált szintek, tehát ezek az SDH világában használatos elnevezések. Az STS a SONET jelölése. Itt látható, hogy a SONET-nek volt egy alsó hierarchiaszintje, az STS-1-es, ami a többi rendszerben nem szerepel; ez van be satírozva. Az ITU-T nem specifikálta, mint bemenet, de a technológia tárgyalás során mégis folyton meg fog jelenni. A felső, erősen kihúzott négyzet tartalmazza az ITU-T szinteket (STM-n), a megfelelő SONET szint (STS), és a fizikai átvitelbeli elnevezést (OC, Optical Carrier).

137

7. TH technológiák 7.4.3. SDH adategységek

7.4. SDH / SONET

7.4.3. SDH adategységek

Bevezetés Tehát tudjuk, hogy milyen jelek fogadására kell felkészítenünk az SDH-t. Ehhez természetesen keretekbe kell szervezni az adatokat, PDH bemenetek fogadása esetén a sebességillesztést el kell végezni, és még egyéb speciális feladatokat is el kell látni (pl. sebességkiegyenlítés más szolgáltatótól érkező SDH jel esetén). Az ITUT G.707 ajánlásban közölt ábrához hasonlóan tekintsük át a fogadott bemeneteket, adategységeket! (Az alábbi ábra tehát azt mutatja, hogy az egyes szinteken milyen becsatlakozások lehetségesek.)

A TU (Tributary Unit) és TUG (Tributary Unit Group) rövidítéssel jelölt adategységek a mi szempontunkból most nem fontosak, hiszen egyedül C-4 – STM-1 útvonalat fogjuk részletesen tárgyalni. Fontossága miatt példaképpen nézzük meg a C-4 – STM-1 útvonalat lentről-fel megközelítésben:

Az E4 jelek (amik helyére éppenséggel kerülhet ATM és IP is, mert azok is ugyanitt lépnek be) először C4 keretekbe szerveződnek (C = „container”), majd ezekből épülnek fel a VC-4-ek (Virtual Container, virtuális konténer), az AU-4-ek (Administration Unit), az AUG-ok (Administration Unit Group), végül ezek kerülnek be az STM-N keretekbe. A fenti ábrán látható, hogy az AUG-be és a VC-4-be alacsonyabb rendű jelek is becsatlakoznak.

138


7.4. SDH / SONET Az STM-1-es keret

Az STM-1-es keret Az STM-1-es keretet részletes felépítése:

Az STM-1 keret rakományrésze a VC-4-es keretet tetszőlegesen eltolva tartalmazhatja. Az eltolás attól függ, hogy mikor érkezik. A képen egymást fedő részek pontosan megfeleltethetőek egymásnak, jobb oldalon kilógó rész azonban a bal oldalon, egy sorral lefelé eltolva jelenik meg. Amint az látható, a beágyazott keret lefelé is átlóg, ez a valóságban is így van. Ez az eltolás a valóságban nem okoz problémát, mivel a keretet sorfolytonosan olvasva hibátlanul kapjuk vissza a VC-4-es keretet. A VC-4 elején lévő első oszlop a Path OverHead (POH), ami az útvonalra vonatkozó információkat tárolja. A VC-4 fennmaradó része (260 oszlop, 9 sor) a C-4 keret. Az oktett (octet) a byte távközlésben szokásos neve. Az STM-1 másodpercenként 8000 ilyen AUG-t szállít. (8000 STM-1-et.)

SOH (Session OverHead) A szakaszok között érvényes információkat tartalmaz. Az RSOH (3×9 = 27 oktett) értelemszerűen a regenerátor szakaszokon (regenerátor és közvetlen szomszédai közt), míg az MSOH (5×9 = 45 oktett) a multiplexerek között (két, csak jelfrissítőket tartalmazó, azaz több regenerátor szakasszal összekötött multiplexer között) érvényes információkat hordoz.

139



Az alábbi ábrán a fontosabb oktetteket tűntettük fel.

Az MSOH-ban lévő K1-es és K2-es oktettek önműködő védelmi kapcsolás részeként különböző meghibásodásokat tudnak jelezni. Emlékezzünk rá, hogy a PDH-ban ilyen mechanizmus nem volt! Az így adódó bitsebesség: 9 sor × 270 oszlop × 8 bit/oktet × 8000 keret/s = 155,52 Mbit/s. Ebből a hasznos rész: 149,76 Mbit/s. (Itt csak 260 oszloppal számolunk.) Az E1 két regenerátor között 64 kb/s-os beszédcsatornát biztosít, hiszen másodpercenkénti 8000 oktett éppen ekkora sebességet igényel. Ezt karbantartási célokra használhatják. A bithiba észleléssel kapcsolatos oktettek B betűvel kezdődnek, lényegesebb paramétereiket az ábrán feltűntettük. A regenerátorok között D1 D2 és D3 egy 3×64 kb/s = 192 kb/s-os adatcsatornát képez, a multiplexerek között háromszor ennyi sávszélesség áll rendelkezésre, vagyis 576 kb/s. Az RSOH-ban látható, hogy a keret kezdetét a 3 db A1 után érkező 3 db A2 minta jelzi. Az F1 „user channel”-t karbantartási célokra használhatják.

AU-4 PTR A „ptr” rövidítés természetesen mutatóra (pointer) utal; ez mutatja, hogy a rakományon belül hol kezdődik a VC-4 -es konténer. 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 mutatóra az STM-1 keret fejlécében. Az STM-1-es rakomány mindig AU-4-es, mely 261×9 oktettből áll, ez összesen 2349 oktettet jelent. Tekintsük most az AU-4 PTR-t, mely a RSOH utáni sorban található az STM-1es kereten belül:

140



Tehát a 9 oktettből álló sor számunkra fontos elemei a H1, H2 és H3 mezők. A mutató értékét a H1 és H2 együttesen tárolják az ábrán látható módon. Ha az AU-4-est 3 oktettenként címzik, akkor a teljes tartomány címzéséhez 2349÷3 = 783 számra van szükség, ez 10 biten tárolható. Így a 10 bites pointer értéke 0-782 között változhat, értéke azt fejezi ki, hogy hányadik oktett-hármasnál kezdődik a VC-4-es a pointer végétől számolva. Tehát ha a rakomány AU-4-es, és a pointer értéke 87, akkor a VC-4-es pontosan 3 oktettel a K2 után kezdődik.

Az órajelcsúszások miatt természetesen időnként szükség van arra is, hogy a mutató értékét lejjebb vagy feljebb léptessük. A szolgáltatók határán mindig szükség van szinkronizációra, mert az egyes szolgáltatók órajelei teljesen függetlenek egymástól. A mutató értékének állítása: 1. Normális működés: a New Data Flag tiltva van, és a pointer értékét nem változtatjuk. A mutató értéke mindig legalább három kereten keresztül állandó. 2. Ha új értéket akarunk adni a mutatónak, akkor az érték küldésekor be kell állítani a New Data Flag-et. A küldés után a következő három keretben nem változhat a pointer értékét. 3. A mutató értékének csökkentése: erre akkor van szükség, ha a lassabb sebesség miatt kevesebb bitünk van, mint amennyit a másik rendszer vinni tudna. Ilyenkor a fejrész után ki kell hagyni egy akkora részt, mint amekkorával a VC-4-es csúszik (STM-1 esetén 3 oktett), de ezt az elcsúszást előre jelezni kell. A részletes vizsgálathoz tekintsük az STM-1 keret fejrészének lényegesebb mezőit: H1 H2 H3 H3 H3 Az adatot a H3 mezőbe lehet tenni. A H1 és H2 oktettek 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 mutatót csökkenteni kell (mert a VC-4 rész előre csúszik), ezért megnézzük az D („decrement”) biteket, és ha mindegyik 1-es, akkor a pointer értékét csökkentjük hárommal (kompatibilitási okokból: a SONET-ben háromszor kisebb volt a keret, és három SONET kerettel töltünk ki egy VC-4-est). A kiigazítás három lépésben történik: - a keretben az NDF inaktív (0110), a D bitek alaphelyzetben állnak - az NDF aktív (1001), a D bitek invertálva állnak, a pointer még nincs kiigazítva - az NDF inaktív, az D bitek alaphelyzetben állnak, a pointer ki van igazítva.

141



4. A mutató értékének növelése: 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 oktettekkel tehetjük meg, egyébként a korrekció ugyanúgy zajlik, mint az előző esetben, csak a D bitek helyett az I-ket („increment”) kell figyelni. Tehát mielőtt megnövelnénk, el kell küldeni egy olyan keretet, melyben a pointer I bitjei vannak invertálva, és az ez után következő keretben lehet eggyel nagyobb a pointer értéke. Természetesen az új értéknek legalább 3 kereten keresztül változatlanul kell szerepelnie.

142



Az egyes SDH központokat lehet GPS-ről globálisan szinkronizálni, és lehet az SDI hálózatban egy ún. PRCt (Primary Reference Clock) kinevezni, amihez a többi központ szinkronizál. Egy ilyen helyzetet vázol fel a következő ábra.

Az áthidalható sebességkülönbség ezzel a módszerrel a következőképpen számolható: Minden 4. keretben lehet eggyel változtatni a pointer értékét; a pointer értékének eggyel való változtatása 3 oktettet jelent. Egy másodperc alatt 8000 keret érkezik, egy oktett 8 bitből áll. Így adódik, hogy a maximális sebességkülönbség 8000 ÷ 4 × 3 × 8 = ±48.000 b/s lehet.

Példa: Ha 16 kb/s a két rendszer közti eltérés, hány keretenként kell növelni/csökkenteni a pointer értékét? 16 kb/s = 2000 oktett/sec, vagyis 1 másodperc alatt 2000 oktettet, 3 másodperc alatt 6000 oktettet kell nyerni. Mivel egy változtatás 3 oktettet jelent, így 3 másodperc alatt 2000-szer kell változtatni a mutató értékét ehhez. 3 másodperc alatt 8000×3 = 24000 keret jön. Ha a 24.000-ből 2000-szer változtatunk, az azt jelenti, hogy minden 12. keretben kell a pointer értékét változtatni.

143


7.4. SDH / SONET

E4-es PDH folyam továbbítása STM-1-en keresztül

A fenti ábra egy VC-4-es keretet mutat. Egy VC-4-es rakománya C-4-es, ami 260×9 = 2340 oktetet, azaz 18720 bit. Ebből másodpercenként 8000-et viszünk át, azaz a sebesség 149,76 Mb/s, amibe belefér a PDH névleges sebessége: 139,246 Mb/s. Az egyetlen megoldandó problémát a „névleges” szó jelenti, ami a PDH rendszer pleziokron tulajdonságából adódik. Tehát lehet, hogy a sebesség eltér a névlegestől. A megoldásnál ismét az ábrára utalunk: látszik, hogy minden sort 13 db blokkra van bontva. Egy blokk így 13 oktett hosszú (260÷20 = 13). Minden blokk első része X, Y, Z vagy W, és utána jön 12 byte hasznos adat. Hogy egy sor milyen sorrendben mennyit tartalmaz ezekből a byteokból, az a kép alján látható. Számoljuk ki, hány bitnyi hasznos adatot visz át egy sor: Egy W oktett 8 bit hasznos adatot tartalmaz, ebből soronként 1 van. Egy Z oktett 6 bit hasznos adatot tartalmaz, soronként egy Z van. Minden blokk 12 byte hasznos adatot tartalmaz, blokkból soronként 20 van, egy byte 8 bit, így itt 1920 adódik. A számokat összeadva 1934-et kapunk. Az ábrán azonban megfigyelhető, hogy van egy S bit is, így 1935-öt is vihet egy sor. Hogy aktuálisan mennyit visz, azt a C bitek jelzik. Megszámolható, hogy belőlük soronként annyi van, mint ahány X oktett, azaz 5. A számításokat tovább folytatva a minimális sebesség úgy adódik, hogy minden sorban 1934 bitet viszek, ez keretenként 1934×9, azaz 17406, ami 139,248 Mb/s, maximális esetben pedig 139,32 Mb/s.

ATM és IP átvitele Az ATM és IP adatfolyamokat közvetlenül betesszük a VC-4-esbe.

Hátrányok Az SDH merev nyalábolási struktúra (VC-4, VC-3, VC-12, VC-11) köztes méreteket csak összefűzéssel lehet lefoglalni, de ott sem tetszőlegesen. Leginkább menedzselt, bérelt jellegű hálózatok építésére használható.

Multiservice Switching Az alapötlet az, hogy egy keretet különböző tartalommal töltsünk meg, ehhez a GFP-t (Generic Framing Procedure) használják. Az elv az, hogy minden adategység elé 4 oktettet helyeznek, melyből 2 az adat hosszát, 2 pedig az adatra számított CRC-t tartalmazza.

Nagyobb sebességek: VC összefűzés (Concatenation) Ha nagyobb átviteli sebességre van szükségünk, mint amit a VC-4-gyel elérhetünk, akkor több VC-t is összefűzhetünk egy ún. VP-vé (Virtual Path). Példaképpen a VC-4C 4×150 Mb/s-os sebességet nyújt.

144


7.5. ATM

7.5. ATM (Asynchronos Transfer Mode) Bevezetés

Az ITU-T-nak annak idején – mikor kidolgozta az ISDN specifikációját, az volt a célja, hogy a meglévő, és legkevésbé kihasznált előfizetői szakaszokat újrahasznosítsa. Ugyanakkor ez hátrányt is jelentett, hiszen az ISDN által biztosított sávszélesség nem bizonyult elegendőnek. A sávszélesség igények kielégítése céljából elkezdtek dolgozni a B-ISDN-en (Broadband ISDN). Ezzel szemben a következő követelményeket támasztották. legyen digitális legyen szélessávú fogja össze az összes eddigi technológiát. Az utolsó azért volt fontos, mert a hálózatok terén nagy változatosság jellemző. Vannak távközlő és számítógép-hálózatok. A távközlő hálózatok QoS paramétereket biztosítanak, de kevésbé használják ki az erőforrásokat. A számítógép-hálózatok jól kihasználják az erőforrásokat, viszont a minőség garantálása nem megoldott.

A rendszer komplexitásának árán megtarthatjuk mindkét technológia számunkra kedvező paramétereit. Az ATM ezt valósítja meg. Látszólagos útvonalakat épít ki, viszont felcímkézi az adatokat. Ehhez új típusú adategységet használ, a cellát.

145

7. TH technológiák 7.5.1. Az ATM jellemzői, 7.5.2. Az ATM műszaki alapjai

7.5. ATM

7.5.1. Az ATM jellemzői

Jellemzői -

a B-ISDN ajánlott átviteltechnológiája cellakapcsolt elv: csomagkapcsolt, de rögzített hosszúságú adategységekre nagyon gyors kapcsolás (ehhez hardveres megoldás + rögzített cellaméret kell) látszólagos áramkörök alapú szükség szerint erőforrásfoglalás (az SDH-nak rossz volt a szemcsézettsége) - kapcsolt mód - tetszőleges szemcsézettség (granularitás) - tetszőleges minőséget tud biztosítani (QoS)

7.5.2. Az ATM műszaki alapjai

Aszinkronitás Az ATM legfőbb kérdés a szinkronitás, vagyis az, hogy mitől aszinkron rendszer. A szinkronitást két szinten vizsgálhatjuk: bitszinten és keretszinten. Bitszinten az ATM és az SDH szinkron rendszer, a PDH nem. Az SDH-ban keretszinten az egyes csatornák helye rögzített (bontásnál is ez alapján különítik el őket), ez legfőképpen CBR forgalomnál előnyös. Az ATM keret szinten nem szinkron. Ez börsztnél, változó bitsebességű (nem CBR) forgalomnál előnyös, mivel dinamikusan tud viselkedni.

146

7. TH technológiák 7.5.3. Az ATM cella

7.5. ATM

7.5.3. Az ATM cella

A cella rögzített méretű, így egyszerűen kezelhető. A rögzített méret hátránya, hogy adatveszteség lehet (nem teljesen kitöltött cellák esetén), de ez a cellák méretének csökkentésével arányosan egyre kevésbé zavaró.. Kis cellaméretnél kicsi lesz a késleltetés ingadozás, ez beszédnél például előnyös, ugyanakkor a kis cellák nagy overheadet eredményeznek. Nagy cellaméretnél nagy a késleltetés ingadozás, viszont kisebb az overhead. Amerikában az ATM legfőképp adatátvitelre lett tervezve, ők nagyobb cellaméretet szerettek volna (64 oktett), míg az európaiak inkább a beszédátvitelt tartották fontosnak, így a kisebbet részesítették előnyben (32 octet). Végül a két méret között állapodtak meg, azaz a cella mérete 5 oktett fejrész + 48 oktett rakomány lett. Az ATM cella felépítése a következő:

GFC (Generic Flow Control, általános forgalomszabályozás): 4 bit. Ha egy interface-en keresztül több felhasználó csatlakozik, vagy 1 felhasználó több alkalmazással küld, akkor az ezen az interface-en keresztül kommunikáló csoportot GFC mező azonosítja. Ezzel lehet felügyelni, hogy egy csoport se vihessen át túl sok adatot. Gyakran nem használják, ilyenkor az értéke 0000. VPI (Virtual Path Identifier, virtuális út azonosító): 8 bit. Azt jelöli, hogy melyik VP-hez tartozik a cella. (Egy VP több VC-t fog össze.) VCI (Virtual Channel Identifier, viruális csatorna azonosító): 16 bit, azt azonosítja, hogy egy adott VP-n belül melyik konkrét összeköttetésről van szó. Amikor hálózaton belül vagyunk (NNI), akkor nincsen szükség a GFC mezőre, így annak a helyét is a VPI foglalja el, így egy összeköttetés 28 bit alapján azonosítható egy-egy szakaszon. Emlékezhetünk, hogy az IPv4nél a 32 bites címtartomány is lassan kevésnek bizonyul, itt azonban ez a 28 azért elegendő, mert a VPI csak lokális jelentőséggel bír (nem célcím), ezért egy másik szakaszon újrahasznosíthatóak (vagyis két közvetlenül összekötött hálózati pont között „csak egy címke” szerepel).

147

7. TH technológiák 7.5.3. Az ATM cella

7.5. ATM

A címzés az E.164 szabvány szerint történik:

A PT (Payload Type, 3 bit) a rakomány típusát mutatja meg. SDH esetén nagy előny volt, hogy sok bitet használt arra, hogy azonosítsa az adatot. ATM-nél nincs ennyi hely, inkább külön útvonalakat létesítenek az egyes célokra, így a PT-VPI-VCI mezők együtt azonosítják az adat típusát. Példaképp a kontroll síkot hozhatjuk, melynek feladata az összeköttetés kiépítése, bontása. Ehhez jelzésrendszerre van szükség, ezt a jelzést külön csatornán továbbítják, a VCI 5-ös csatornán. A PT mezőben a középső bit torlódás jelzésére szolgál. CLP mező (Cell Loss Priority, cellavesztési prioritás, 1 bit): a forgalmi szerződés „megkötésekor” rögzítik, hogy milyen paraméterekkel lehet használni a hálózatot. Ha a felhasználó a megengedettnél nagyobb sebességgel küld adatokat, akkor az ATM rendszer megjelöli a CLP mezőt (a bitet 1-be billenti), hogy torlódás esetén inkább ezeket a csomagok kerüljenek eldobásra. A HEC (Header Error Control) nem más, mint az előtte álló 4 oktett alapján számolt CRC (Cyclic Redundancy Check, ciklikus rendundancia kód). Pl. a kódoláshoz használt generátorpolinom lehet a g(x) = x8+x2+x+1, ez a kód 1 bithibát képes javítani, 1-nél többet csak nagy valószínűséggel jelezni. A HEC tehát hibajavításra is használható, de az ATM-ben ezt a mezőt használják fel a cellahatárok detektálásához is:

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 kezdete. Problémát jelent, hogy a felhasználói részben is lehet ilyen sorozat. Erre az a megoldás, hogy 48 oktettet ugrunk és ellenőrizzük, hogy ott is jó-e a fejrész. Ezt az ellenőrzést δ-szor végezzük el. Ha ennyit előrenézve is jó volt a fejrész, akkor az úgynevezett előszinkron állapotból átlépünk a szinkron állapotba. Innen a kezdeti keresés állapotba úgy jutunk vissza, ha kiesünk a szinkronból, és α ideig nem találjuk meg újra a szinkront. SDH alapú átvitelnél α=7, δ=6, ATM alapúnál pedig α=7 és δ=9. Az ATM az adó és vevőoldali szinkronizáció érdekében akkor is küld cellákat („idle cell”), ha nincs adat. Ezen cellák fejrésze teljesen egyértelműen van kitöltve (hogy a cellahatár felismerhető legyen, CLP = 1), így csak a fizikai réteg látja őket.

148

7. TH technológiák 7.5.4. A B-ISDN referenciamodell

7.5. ATM

7.5.4. A B-ISDN referencia modell

Az ATM az alatta lévő fizikai rétegtől független, tehát mindegy, hogy mivel visszük át a cellákat. Lehet akár SDH VC-4-es keretekbe illeszteni, átvihető PDH-n is, rövidebb távokon a CAT-5 kábel is szóba jöhet, vagy akár egy WDM technológiás hálózat is.

Az ATM réteg

Az ATM rétegben is a klasszikus VC/VP koncepció érvényesül, ezzel minőséget tudunk garantálni. Pl. külön VP-kel külön forgalmi osztályokat lehet definiálni. Így két tetszőleges A és a B csomópont között a következő lehetőségek adódnak az átvitelre:

149


7.5. ATM

Ezáltal VPN-eket (Virtual Private Network) is létrehozhatunk.

A cella irányítása Ha ismerjük az útvonalat, akkor erőforrás-foglalást kell végezni. Minden kapcsolónak van be és kimeneti portja, az egyes kapcsolókra meg kell mondani, hogy melyik VC / VP hova kapcsolódik. be port ki port VPI VPI VCI VCI

Az összeköttetés forgalmi leírói (forgalom menedzsment) Ez az ATM lényege.

1.

2. 3.

A forrás forgalmi leírói: - PCR (Peek Cell Rate): cella csúcssebesség [cella/s] - SCR (Systemable Cell Rate): fenntartható cellasebesség. (Olyasmi, mint az átlag, de kisebb időablakokra.) - MBS (Maximum Burst Size): maximális börszt méret, vagyis legfeljebb hány cellát tudunk küldeni PCR sebességgel. Ha a hálózatban több a buffer, akkor nagyobb börsztöket tud kiszolgálni. - MFS (Maximum Frame Size, a legnagyobb együttesen kezelt keret): ha nagyméretű csomag esetén elveszik egy cella, akkor a teljes csomagot újra kell küldeni, így torlódás esetén a keret cellái eldobhatóak, mert úgyis újra fog érkezni az egész keret. - MCR (Minimum Cell Rate): ezt a sebességet fixen lefoglalja nekünk a hálózat, ez a sebsség garantált. CDVT (Cell Delay Variation Tolerance) konformancia definíció: lyukas vödör módszerrel biztosítják, hogy a forrás megfeleljen az előírtaknak.

150


7.5. ATM

Megjegyzés: az illesztési rétegben mindig jelezni kell a keret elejét, közepét és végét. Az ezekhez tartozó jelzések rendre: BOM (Beginning Of Message), COM (Continuation Of Message), EOM (End Of Message). (Ha a középső rész elmarad, akkor csak 2 cellás a keret. Tisztán 1 cellás esetben, „single segment message”-nek hívjuk.) Néhány forrástípus jellemzői: - CBR (Constant BitRate): PCR - rt-VBR (realtime Variable BitRate): PCR, SCR, MBS. Az utolsó azért kell, mert nem engedünk meg nagy késleltetést, hiszen úgy nagy börszt esetén nagyobb lehetne a késleltetés. - nrt-VBR (non-realtime-VBR): PCR, SCR, MBS - ABR (Available Bit Rate): a szabad kapacitásokat használja ki. Az MCR és PCR jellemzi. A szabad kapacitás kihasználása RM (Resource Management) cellák küldésével lehetséges: az RM cellába minden egység beírja a szabad kapacitások minimumát az adott útvonalra vonatkozóan, így a forrás megtudja, hogy mekkora a rendelkezésre álló szabad kapacitás. A mechanizmus problémája, hogy hosszú út esetén nagy lehet a körbejárási idő, így inkább LAN-oknál és FTP-nél jó. - UBR (Unspecified BitRate): nem jellemezzük, nincsenek elvárásaink. Tipikusan IP esetén például jó. - GFR (Guaranteed Frame Rate): PCR, MCR, MBS és MFS jellemzi. QoS: Kialkudható: - PPCDV (Peak to Peak Cell Delay Variation) - maximum CTP (Cell Transmission Delay) - CLR (Cell Loss Ratio): cellavesztés lehet hibás fejrésznél, buffertúlcsordulásnál vagy eltévedt cellánál Nem kialkudható: - CER (Cell Error Ratio) - SECBR (Severally Error Cell Block Rate): milyen gyakran történik legalább m hiba egy cellában - CMR (Cell Missinsertion Rate): milyen gyakran kapunk olyan cellát, amit nem nekünk küldtek.

Forgalom menedzsment funkciók 1. 2. 3.

CAC (Call Admission Control) Feedback Controls: pl. RM cellák UPC (Usage Parameter Control): a forrás megszegi-e a szerződést. (Lyukas vödörrel.) PCR paraméter: a token-tár mérete meghatározza a maximális börszt méretét. Nyilván az SCR-t is lehet a tokenek adagolásával szabályozni:

4.

CLP: ha valamely bufferben torlódás van, akkor melyik cellákat dobhatjuk el. Két módszer ismeretes: - ha a küszöbértéket („treshold”) túlléptük, akkor csak nem eldobhatót engedünk be a bufferbe - ha betelt a buffer, és nem eldobható cella érkezik, akkor eldobunk egy eldobhatót („push out”) TS (Traffic Shaping, forgalomformálás): a nagy csúcsokat időben széttoljuk.

5.

151


7.5. ATM

6. 7.

NRM (Network Resource Management): pl. VP rendezés kialakítása. Frame Discard: az egész keretet dobjuk el, ha az egyik egységét eldobtuk.

-

PNNI (Private Network Node Interface, magánhálózati csomóponti interfész): jó útválasztó módszer, IPben és optikai hálózatokban is használják. Azt mondja meg, hogy egy magán csomópont hogyan csatlakozhat a hálózathoz. Alapelve: a hálózatot adminisztratív csoportokra osztja („peer group”) , minden csomópont ismeri a saját hálózatát. Ha nem találja a célpontot a saját hálózatában, akkor a „peer leadernek” küldi el az adatot.

-

olyasmi, mint az IP hálózatokban az OSPF és BGP-4 algoritmusok, de a PNNI ezeknél többet tud.

Útvonalválasztás ATM hálózatban

ATM illesztési réteg: AAL Eltérő funkciókat ugyanazon hálózat felett valósít meg, végtől végig terjedő réteg. - AAL-0: közvetlen hozzáférés a rakományhoz. - AAL-1: összeköttetés alapú, valós idejű, állandó bitsebességű forgalom továbbítására - AAL-2: összeköttetés alapú, valós idejű, változó bitsebességű forgalomhoz. Ennek egy változata az mAAL (mobile, vagy minicell): a 3G mobilnál az a probléma, hogy a levegős sávszélesség korlátos, ezért kódolási, tömörítési eljárásokat használnak. Így kis sebességű lesz az információ, de a késleltetés sem lehet nagy. Az AAL-2 több beszédcsatorna adatát gyűjti egy ATM cellába, minden mintához külön kis fejrészt készít. - AAL-3/4: eredetileg két réteg volt, de hasonlóságuk miatt egybevonták őket. Ez a két réteg: összeköttetés alapú, változó bitsebességű, nem valós idejű, illetve összeköttetés nélküli, változó bitsebességű, nem valós idejű adatfolyamokat kezel. - AAL-5 (az előzőek egyszerűsítése), más néven SEAL (Simple Efficient Adaptation Layer): ekkor az IP csomagot kiegészíti (az ún PAD-del), hogy mérete 48 egész számú többszöröse legyen, majd hozzátesz egy 2 oktettes hosszmezőt, végül egy 4 oktettes CRC-t. Ennek az az előnye, hogy így nem cellánként jelentkezik az overhead.

152


7.5. ATM

A számítógépipar egyszerűsítette a 3/4-et, így készült el az AAL-5, ami így az OSI modell 2. rétegének feleltethető meg. Hatékonyabb, kis overheadet használ. Az ATM 3 területen egyeduralkodó: a 3G mobilnál (UMTS szállítóhálózatoknál), ADSL hozzáférésnél és IP gerinchálózatoknál. Az IP gerinc kialakításánál a nagy csomópontok között közvetlen VP-k vannak. Minden csomópontban nem kifizetődő IP kapcsolókat alkalmazni késleltetésük és magas áruk miatt, ezért látszólagos utakkal e kapcsolók „alatt” viszik át a forgalmat.

153

7. TH technológiák 7.5.5. IP over ATM

7.5. ATM

7.5.5. IP over ATM

Az érdeklődőknek az Online könyv nyújt részletes információt.

Protokoll beágyazás, RFC 1483 Tunnelek, csövek, PVC (Permament VC, állandó virtuális összeköttetés). A 3. és 2. OSI rétegben csatornát létesítünk, minden, a kommunikációban résztvevő félnek állandó csatornát alakítunk ki. Mivel csak állandó összeköttetéseket alkalmaz, rugalmatlan, vagyis nem használja ki az erőforrásokat.

Classical IP Over ATM: RFC 1577, RFC 2225 Ez már kihasználja, hogy az ATM tudja kapcsolni a virtuális csatornákat. Az IP csomagok tördelését, illetve ezek újraegyesítését a vételi oldalon az AAL-5 alréteg végzi. Az egész hálózatot felosztjuk LIS-ekre (Logical IP Subnet), az ezeken belül lévő számítógépek egymással közvetlenül tudnak kommunikálni. Minden ilyen LIS-en belül van egy címfeloldó szerver, ami hozzárendeli az IP címhez az ATM VC-t az ARP (Address Resolution Protocol) segítségével. Természetesen cache támogatás is van a lekérdezések gyorsításához: ha egy A1 állomás szeretne elérni egy A2 állomást, először megnézi, hogy a cache-ben megtalálja-e A2 IP címéhez a VC megfeleltetést. Ha nem, akkor megkérdi az ARP servert, aki megmondja A2 IP címe alapján, hogy annak mi a VC száma, ezt tudván A1 már ki tud alakítani egy SVC-t (Switched Virtual Circuit) A2 felé. Ezzel a megoldással az IP hálózatnak is lehetősége nyílik, hogy ATM által biztosított minőségi követelményeket vállaljon.

LANE v1 Ez bármilyen LAN technológiára is alkalmazható, nem csak IP-re. Egy ATM hálózaton belül ELAN-okat (Emulated LAN) hozunk létre. Megvalósításához: - LEC-re (Lan Emulation Client) - és három modulból álló kiszolgálóra van szükség. A modulok: - LECS (Lan Emulation Configuration Server) - LES (Lan Emulation Server): a tagok nyilvántartása és címfeloldás - az osztott közeg emulálását BUS-sel (Broadcast and Unknown Server) valósítjuk meg, így egy ATM szintű 1pont-többpont összeköttetés jön létre. Ez figyel arra, hogy az üzenetek a célpontokhoz lehetőleg a legközelebb többszöröződjenek. Alapvetően kliens -szerver architektúra, az ATM-et MAC-nek látja.

MPLS (Multiprotocol Label Switching) Az ATM szerepe döntően az IP forgalom szállítására korlátozódott. Ebben az esetben azonban felesleges a két útválasztási módszer, két jelzésrendszer, stb., helyette célszerű ötvözni a kettőt: - az ATM hardverekben a szoftvert egyszerűbbre cseréli - megőrzi a címkézett cella alapú átvitelt (LSP: Label Switched Path) az ATM-ből, de az útvonalválasztás és a címzés az IP-ben használatosat követi. Az LSP-k révén egyenletesebben oszlik el a hálózatban a terhelés, mint egy hagyományos IP hálózatban, így az erőforrásokat jobban ki tudjuk használni; vagyis nem kell minden egyes csomagnál útvonalat választani, hanem forgalmanként csak egyszer. A forgalmat gyakorlatilag tölcsérként összefogjuk: „VC merge”. Ilyenkor fontos arra figyelni, az egy-egy IP csomagot szállító cellák ne keveredjenek össze egymással.

154

7. TH technológiák 7.5.5. IP over ATM

7.5. ATM

Azért többprotokollos, mert felette nem csak IP, hanem általánosan beszéd, videó, multimédia, és adatátviteli alkalmazások is egyaránt megvalósíthatóak. Természetesen egy ATM kapcsolón osztozhat egyszerre az ATM és az MPLS is.

További lehetőségek -

MPOA (Multi Protocol Over ATM) LANE v2 ATM API

155

7. TH technológiák 7.6.1. Eszközök

7.6. Optikai hálózatok

7.6. Optikai hálózatok Sok nagysebességű hálózat épít az optikai átvitelre, pl.: SDH, FDDI, ATM. Ezeket nevezzük első generációs optikai hálózatoknak, hiszen itt csak az átviteli szakasz optikai, a csomópontok, jelfrissítők elektronikusan vannak megvalósítva. Második generációs optikai hálózatok például a WDM-et használók (pl. a magyar akadémiai hálózat). Harmadik generációs hálózatok még nincsenek megvalósítva. Ezeknél már a hálózat kontroll síkja is optikai lesz, vagyis a kapcsolás is tisztán optikai úton lesz vezérelve.

7.6.1. Eszközök

Az optikai szál

A függőleges tengelyen a csillapítást, a vízszintesen pedig a hullámhosszat mértük fel. A nagyobb csillapítású intervallumok által határolt részeket ablakoknak hívják. A II és III. ablak közt lévő „szakadék” a hidroxil-ionok (OH-) miatt van. Kezdetben csak az I. ablakban működtek a lézerek, mert csak ebben a tartományban sugárzó diódákat / lézereket tudtak előállítani. Ma már nincs akadálya annak, hogy tetszőleges hullámhosszon adó félvezetőt készítsenek. A WDM-et elsősorban az 50 GHz-es spektrumú III -ablakban valósítják meg. Megfelelő technológiával a csillapítás a II. és III. ablak között lecsökkenthető, így várható, hogy ezek az ablakok lassan egybe fognak nyílni. Az ITU-T által specifikált hullámhosszrács a III. ablak nagyítása:

156



Látszik, hogy először a magasabb frekvenciatartományokból indultak el, innen adódtak az 1-32 csatornák. Ezután az alsóbb tartomány irányába született újabb 32 csatorna. Egy fényvezető szálon belül kb. 1000 db csatorna vihető át. Van, amikor a csatornák számának változtatását a frekvencia differenciával állítják be, így léteznek 100, 50, 25 és 12,5 GHz-es csatorna távolságú rácsok. A gyakorlatban kb. 30 csatornát szoktak megvalósítani. Példaképp hozzuk a magyarországi akadémiai hálózatot, mely a kiépítésekor a világ egyik legjelentősebb akadémiai hálózata volt. Ennek hossza 2000 km, 13 csomópont van szerte az országban + 3 Budapesten. 3 gyűrűből áll, 24 hullámhosszon történik meg az átvitel, 100 GHz-es frekvencia különbségekkel. Használatban leginkább az egymódusú szál terjedt el, melyet az ITU-T a G.652-es szabványban specifikált. (Létezik nála jobb paraméterekkel rendelkező szál is.) Sötét szálnak azokat az optikai szálakat nevezzük, melyeken nem halad információ. A III. ablakkal az a nagy probléma, hogy igen nagy a diszperzió. Ennek elkerülésére az alábbi módszerek használatosak: - negatív diszperziójú szállal egyenlítik ki a diszperzió által okozott eltéréseket. Minden hagyományos szakasz után beiktatnak egy ilyen kompenzáló hatású szakaszt.

-

az átviteli szakasznak megfelelően előtorzítják a szálat, tulajdonképpen a szál által okozott torzítást előre kompenzálják.

Erősítők Régebben a jelet csak optikai/elektromos átalakítás után tudták erősíteni, de ma már megoldott a tisztán optikai elven alapuló erősítő is. Ennek neve: Erbium Dropped Fiber Amplifier, melyben az Er3+ atomok játsszák a főszerepet. Ennek a technológiának a megjelenése létszükségletű volt a világméretű optikai hálózatok megjelenésében. Ha egy megfelelő hullámhosszal gerjesztik ezeket az atomokat, akkor az elektronjaik egy magasabb elektronpályára ugranak, majd egy fotonnal való ütközés után, a fotonnal koherens fotont bocsátanak ki, és visszaugranak az eredeti pályára.

Ez a működési elv rendkívül hasonlít a lézer működéséhez. Hátránya a spontán emisszió, ami jelen esetben egy nemkívánatos zajt jelent. Előnye viszont, hogy az ablakban minden jelet egyforma mértékben erősít. Szélesebb sávú erősítésénél több ilyen szerkezetet alkalmaznak párhuzamosan, az erősíteni kívánt hullámhossz tartományt ritka földelemekkel való szennyezéssel állítják be (pl. Er 3+ ionnal).

157



Egy másik erősítőtípus a SOA (Semiconductor Optical Amplifier), mely ugyanazt valósítja meg, mint az EDFA, csak szilíciummal. Ennek az eszköznek a jellemzői: - nagyobb zaj - kisebb erősítés - gyorsan kapcsolható A harmadik megoldás a Raman effektuson alapul, de ezt részletesen nem tárgyaljuk.

Csatolás (iránycsatolók) Ha két fényvezetőt egymáshoz elég közel és elég hosszan vezetnek (néhány mm), akkor az egyik szálon bemenő jel egy része átcsatolódik a másik szálra is. Ez a közel lévő szakasz hosszának és távolságának (az ábrán d és l) állításával hangolható, így pl. el lehet érni, hogy csak az egyik szálra adnak jelet, de az mindkét kimeneten megjelenik 3-3 dB-es csillapítással. A szétcsatolt jel egyik ágát elektromossá alakítva különböző csatornaparamétereket (pl. bithiba) tudunk mérni: A hullámcsatoló tehát a következőképpen fest:

Kapcsolók, rendezők A legegyszerűbb kapcsoló megvalósításnál a jelet kétfelé (vagy többfelé) osztjuk, majd mindkét ágra egy-egy SOA-t illesztünk. A kapcsolóban tulajdonképpen a SOA-kat vezéreljük: mindig azt kapcsoljuk be, amerre a jelet tovább akarjuk küldeni, és a többit kikapcsoljuk. A SOA + iránycsatoló kombináció egyben erősíthet is:

A másik megoldás az elektro-optikai kapcsolók alkalmazása. Itt valamilyen külső vezérléssel változtatjuk a törésmutató értékét: - az LiNbO3 változtatja törésmutatóját elektromos tér hatására - alkalmaznak hologramos megoldást - a piezoelektromos kristályok feszültség hatására változtatják a méretüket (vagyis a csatolóban a szilíciumlapkák egymáshoz közelíthetőek) - thermooptikai módszernél kis fűtőelemeket helyeznek a lapka alá, és a hőmérséklettel változtatják az anyag törésmutatója (tehát ez is a szálakat közelíti egymáshoz)

-

Az újabb technológiák: MEMS (Micro ElectroMechanical Systems): A 2D megoldás hátránya az, hogy a kapcsolóelemek száma az N×(N-1) képlet alapján nő. Ennél a megoldásnál kis tükrök mozdulnak ki a síkból, ezáltal valósul meg a kapcsolás:

158



Ezeket a tükröket mátrixba szervezve megvalósítható a klasszikus kapcsoló. Létezik 3D megoldás is, ekkor két szabadságfokú tükröket alkalmaznak:

Ennek előnye a 2D megoldással szemben, hogy az N×(N-1) helyett 2N tükör is elegendő, viszont ezt nehezebb vezérelni, és mivel mechanikus alkatrészeket tartalmaz, nagy precizitást igényel. -

Bubble Switch: ennél a megoldásnál egy kapilláris csövön vezetik keresztül a fényt. A csőben lévő folyadékban melegítés hatására buborék keletkezik, ami visszaveri a fénysugarat. (Itt is a teljes visszaverődés jelensége játszódik le, hiszen a buborék megjelenésével közeghatár jön létre.) A csatolók egymás után kötésével tetszőlegesen sok irányba lehet kapcsolni.

159



Szűrők A szűrőket a jelek szétválogatására használják. Mivel a prizma nem jöhet szóba, ezért rácsokat vagy megkarcolt üveglapot szoktak alkalmazni a hullámhosszak szétválasztására:

Az FP (Fabry-Perot) névre hallgató megoldásnál dielektromos reflektorokat alkalmaznak, melyek így ki tudnak irtani bizonyos hullámhosszakat:

A negyedik megoldásnál két lencsefelületben végződő fényszálat több fényszállal kötünk össze. A különböző hosszúságok miatti fáziskülönbséggel szétválaszthatók az egyes hullámhosszak. A megoldás neve AWG (Arrayed Waveguide Gating, tömbös hullámvezető rács):

Ez utóbbi a legelterjedtebb szűrési módszer, Magyarországon is ezt használják az akadémiai hálózatban.

160

7. TH technológiák 7.6.2. Az optikai hálózatok fejlődése


7.6.2. Az optikai hálózatok fejlődése

Kezdetben egy szálon egyetlen jelet küldtek át, majd hamar áttértek az egy szálon 2 jel külön ablakban módszerre. Nagyon ritka esetekben, rövid távra még kétirányú átvitelre is használtak egy szálat. Az első WDM-eket pont-pont összeköttetésre használták. Eredetileg egy kábelben 10-12 szál futott, de ez hamar kevésnek bizonyult, így két megoldás adódott: - újabb kábeleket húznak ki - WDM-et alkalmaznak a meglévőkön Az ár szempontjából érdemesebb az utóbbit választani. Például az SDH „színes interfésszel” rendelkezik látható el, a WDM jel fogadásához a szélessávú jelet egy transzponderrel kell szűk spektrumuvá tenni. A WDM azonban nem csak pont-pont összeköttetésre használható, pl. létezik OADM (Optical ADM), mely hullámhosszakat ágaztat le. Az R-OADM ugyanez, csak a leágaztatás igény szerinti („reconfigurable”). Gyűrűknél két irányban is küldhető az adat, és megnő a biztonság, ezért a városokat általában ezzel fedik le. Szövevényes hálózatok (pl. egy országos hálózat): ekkor OTN-t használnak (Optical Transport Network). A hálózatban a hálózatmenedzser által vezérelt OXC-k találhatóak, a menedzser központ dönti el, hogy melyik útvonalon (hullámhosszon) küldje tovább a beérkező adatokat. Természetesen az adott hullámhossznak szabadnak kell lennie, és az sem árt, ha a legrövidebb utat választják. Ez a működés hasonlít az SDH működéséhez, de itt hullámhosszbérlés történik. Magyarország esetében mind a 24 csomópont össze van kötve mindegyikkel. Az ötlet ezután az, hogy próbáljuk meg dinamikussá tenni az előző pontban említetteket. Erre alkalmas például az MPS (MultiProtocol Lambda Switching). Itt nem címkékkel, hanem hullámhosszakkal irányítanak, címkéznek. Ebben a rendszerben O/E/O átalakításokat végeznek, ez a megoldás az IETF-től származik.

Az ITU-T 2002. októberében, Torinóban mutatta be az ASON (Automatic Switched Optical Network) technológiát, ami egy kapcsoló-független jelzésrendszer, kontrollsíkja a GMPLS

-

Fontos elvárás, hogy ne csak dinamikus, hanem többrétegű is legyen. Különböző technológiákat rétegeznek: GMPLS (Generalized MPLS, IETF): ez egy MPLS általánosítás, jelenleg az IP protokollok kibővített változata. A kontroll sík hasonló maradt az MPLS-hez. ASTN (Automatic Switched Transport Network, ITU-T): itt is egy általánosítás történt. Rétegekei: - PSC ( Packet Switching Control): IP, ATM, MPLS csomagok kapcsolása, aszinkron időosztásos kapcsolás, jellemzően nem optikai. - (L2SC) kapcsolás - TDMSDH és új generációs SDH - SC (Lambda Switching Capable) réteg - a WBSC teljes hullámsávot kapcsol, de jellemzően csak egymáshoz közeli hullámhosszakat - FSC (Fiber Switching Capable)

161

7. TH technológiák 7.6.2. Az optikai hálózatok fejlődése


Új irányzatok OBS: (Optical Burst Switching, optikai börszt kapcsolás): a hálózat határán összegyűjti az egy irányba menő börsztöket („assembly”). A börszt küldése előtt egy optikai fejrészt küldünk egy kontroll hullámhosszon, ekkor hullámhosszat és időrést választunk. Ha nem jó a választás, akkor: más hullámhosszt választunk esetleg eltérítő útvonalat („deflection”) buffereljük a jelet, de ez az optikai tartományban eléggé nehéz. OPS (Optical Packet Switching): minden csomag fejrészes, a fejrész és csomag között időt hagyunk ki (GT, Guard Time).

A rendszer blokkvázlat szinten:

Ennél a megoldásnál az a törekvés, hogy ne kelljen az optikai/elektromos átalakítást elvégezni, hanem minden művelet az optikai tartományban történjen. A jövő a kvantum számítógépé, amely például fotonikus elven valósítható meg, ahol 1-1 foton hordoz egy-egy egységnyi információt.

162

8. Távközlési szoftverek

8.1. Jellemzők

8. Távközlési szoftverek 8.1. Jellemzők Erősen beágyazott rendszerek, erős interakció a hardverelemekkel. A hw-sw arányokra nehéz konkrét értéket mondani, de kb. a 10%-90% jellemző, vagyis nagyon nagy hangsúly van a szoftveren. Mindig valós idejű rendszerekről van szó, üzeneteket és időzítőket („timereket”) várunk, a rendszer mindig ezekre válaszol. Az időzítések szigorúak, minden elküldött üzenetre adott időn belül választ várunk; ha ez nem érkezik meg adott időn belül, akkor újraküldéssel próbálkozunk, de az esetleges újrapróbálkozások száma véges. Ezt az esemény-válasz alapú működést idegen szóval „stimulus response” jellegű kommunikációnak hívják. Erősen párhuzamos és elosztott működés, jellemző a kooperáció, multiprocesszálás, mutlitaszking, többszálúság. Magas megbízhatósági fokkal, „öt kilences” (99,999%) rendelkezésre állással bír, ami redundáns elemek beépítését igényli. Felépítése moduláris, strukturált és hierarchikus. Fontos továbbá a skálázhatóság: ugyanaz a kód fut a helyi központban, mint a nemzetköziben, esetleg pár modul ki van kapcsolva. Implementációs vonatkozások: az implementáció mindig precíz, FDL-en (Formal Description Languge) alapul. Példaképp tárgyaljuk majd a későbbiek során az SDL (Specification and Description Language) nyelvet, mely az ITU-T és az ETSI közös terméke. A nyelv háttere a CEFSM (Communicating Extended State Machines, kommunikáló kiterjesztett véges automata), hiszen a klasszikus matematikai véges automata (FSM) nem elégséges a távközlési szoftverek modellezéséhez, azokat ki kell terjeszteni belső változókkal („extended”) és kommunikációs lehetőségekkel is. Az SDL nagy előnye, hogy ún. „tool”-ok segítségével (SDT) automatikusan tudunk kódot generálni. Egy másik példának hozzuk a LOTOS-t, mely egy ISO ajánlás. Ez egy temporális logikán alapuló leíró nyelv, leginkább matematikai jellegű. Ugyancsak ISO ajánlás az ESTELLE, mely precízebb leírás készítését teszi lehetővé, mint az SDL, de nem olyan elterjedt. Az ESTELLE is a kommunikáló kiterjesztett véges automatákra épül. Nagy méretű szoftverekről van szó, melyek elosztottak. A megvalósításnál régebben a FORTRAN, ALGOL, COBOL, PL1 és PASCAL nyelvek voltak használatosak, de manapság inkább a C, C++, Java jellemző. (A C az AT&T Bell labor terméke. Ők a telefonközpontokhoz szükséges komoly szoftverek előállításához vezették be. Az operációs rendszerek közül a UNIX is a Bell Laborból származik.)

163

8. Távközlési szoftverek 8.2.1. Az InRES blokkjai

8.2. Az SDL

8.2. Az SDL Az SDL-nek két változata van. Egy programnyelvi (PR) és egy grafikus alapú (GR). Természetesen a grafikus változat nagyobb népszerűségnek örvend, de mint minden SDL kód, ez is előbb utóbb konkrét tárgykódra fordul le. Ezek tipikusan LL(1) vagy LR(1) elemzőkkel („parserekkel”) dolgozhatók fel. Az SDL egyik grafikus megjelenítő elem az MSC (Message Sequence Chart) diagram, ami leginkább az UML szekvencia diagramokra hasonlít. Az MSC szabványos ábrázolási mód, de nem elég precíz ahhoz, hogy ez alapján implementálni is lehessen. Az SDL rokon az UML-lel, csak az UML eggyel magasabb szinten írja le a rendszert. Együttes használatuk során általában egy UML modellből indulunk ki, majd a finomítások sorozatával jutunk az SDL szintjére. Az SDL egyéb rokonai a TTCN és az ASN.1. Az SDL nyelvű specifikációból a már említett SDT-k segítségével C, C++, Java nyelvű implementációt készíthetünk. A specifikáció során elvégzendő lépések: - verifikáció - validáció. Az implementációval kapcsolatos tevékenységek: - kódoptimalizálás - tesztelés.

8.2.1. Az InRes blokkjai

Az SDL nyelv alapjait az InRes protokollon keresztül mutatjuk meg. Az InRes egy nemzetközi szabvány, a távközlési protokollok világában ez a tipikus „állatorvosi ló”, amin sok alapvető működés egyszerűen mutatható be. Az Inres Protokol SDL-ben 3 blokkból áll: - initiator - responder - közeg. (Az alábbi ábrák csak az időbeliséget szemléltetik, a struktúra később kerül tárgyalásra.)

Az InRes tehát egy kapcsolatorientált információátviteli rendszer. A közeg jelen esetben egy megbízhatatlan átviteli közeg. (Ha megbízhatót tételeznénk fel, akkor sem sokban térne el a modell.)

164


8.2. Az SDL

Kapcsolat-felépítés A következő MSC (Message Sequence Chart) egy kapcsolat felépítésének folyamatát mutatja be.

Az ICON jelentése: Initiator Connection. Az ábra felső részén látható, hogy az A felhasználó kapcsolatfelvételi kéréssel fordul a szolgáltatáshoz, mire az InRes service jelzi ezt a szándékot a B felhasználónak, amely elfogadja azt. Az ábra alsó részén látható a visszautasítás, vagy a kapcsolatbontás. Arra az esetre, ha B nem válaszolna, vagy ha a válasza elveszne, A-ban egy időzítőt indítunk. Ha ez lejár, akkor A újraküldi a kérést.

Adatátvitel (Information Transfer)

IDAT = Indicator Data.

Kapcsolat bontása (Disconnect) A kapcsolat bontása mindig a válaszoló féltől érkezik (pl. a telefax).

165


8.2. Az SDL

Az InRes Service-nél az OSI modellhez hasonlóan az Initiator és a Responder között PDU-k mennek, amelyek az InRes protokoll szabályainak megfelelő formátumúak. Az áramló PDU-k learása: - CR = Connection Request - CC = Connection Confirm - DR = Disconnect Request - AK = Aknowledgement

166

8. Távközlési szoftverek 8.2.2. Az InRES, mint rendszer, blokk és processz

8.2. Az SDL

8.2.2. Az InRes, mint rendszer, blokk és processz

Az SDL egy felülről lefelé haladó („top-down”) leíró nyelv. A leírandó objektumokat rendszerként tekintjük. Az SDL a rendszer (system) felbontja nem korlátozott, de véges számú blokkra, így egy többrétegű leírást nyerünk. A viselkedést mindig processzek (CEFSM) írják le, melyek a legalsó szinteken jelennek meg.

A következő blokkvázlatban a lecsapott sarkú téglalapok jelentik a processzeket, a többi a blokkokat (kivéve a megjegyzések téglalapjait).

167

8. Távközlési szoftverek 8.2.2. Az InRES, mint rendszer, blokk és processz

8.2. Az SDL

A processzek közti kommunikáció jelutakon („signal route”) zajlik, míg blokkok között csatornákon („channel”). Egy csatorna kétféle lehet: - késleltetéses - késleltetés nélküli. Grafikusan úgy vannak megkülönböztetve, hogy a késleltetés nélkülinél a nyíl vége pontosan a vonal végénél van, míg késleltetéses csatorna esetén előbb van a nyíl, mint a vonal vége.

168

8. Távközlési szoftverek 8.2.3. A processzek leírása

8.2. Az SDL

8.2.3. A processzek leírása

A processzek dinamikusan létrehozható objektumok. Az Initiator(1,1) jelölés azt jelenti, hogy a rendszer kezdeti állapotában 1 példány van az Initiator processzből, és a rendszer élete során is maximum 1 lesz. Ezzel szemben az Initiator(0, ) – ahol a második argumentum egy szóköz – azt jelenti, hogy a kezdeti állapotban 0 példány található az objektumból, és a rendszer futása során nincs maximalizálva a példányok száma. Az processz neve mögé írt számpárost bele szokták írni a processzt ábrázoló, levágott sarkú téglalapba is. Most tekintsük a processzek kommunikációját. Minden processznek egyetlen bemeneti sora van, ide kerülnek a beérkező üzenetek vagy időzítők. A sor ebben az esetben egy FIFO kezelésű tár, kapacitására nem szabunk felső határt. Amennyiben a processz saját magának küld valami jelet (tipikusan ilyen az időzítő), akkor a saját bemeneti sorába helyez el egy bejegyzést. Egy processz belseje a már említett CEFSM alapján írható le.

169


8.2. Az SDL Process Initiator

Process Initiator Magyarázat az ábrához: - CR = Connect Request, CC = Connect Confirmation - a „counter” egy számláló, ami azt jelzi, hogy hányszor próbált a protokoll kapcsolatot létrehozni (a kísérletek száma pl. az ISDN esetében kettő: egy + egy új próbálkozás) - a T egy időzítő („timer”), ami a protokollban 5 időegységre van állítva. Ezt a beállítást a synonym p Duration := 5 paranccsal lehet megtenni. Amikor kiadjuk a set(now+p,T) parancsot, akkor a T timert beállítjuk a jelenlegi időpillanathoz képestr 5 időegységel későbbre. A valóságban az időzítő beállítása 1s körüli. - azokat a jeleket, amikről az ábra nem rendelkezik egy adott állapotban, eldobhatjuk. (Például ha wait állapotban CR jön.) - a „number” az átviendő adat sorszáma (ebben a protokollban number értéke 0 vagy 1 lehet).

A következő ábrával a „Connected” ponton kapcsolható össze a teljes folyamattá. További magyarázat:

170

8. Távközlési szoftverek 8.2.3. A processzek leírása -

8.2. Az SDL Process Initiator

IDATreq(d) = Initiator Data request. A d paraméter az átviendő adat. itt is beállítunk egy időzítőt, ami azt figyeli, hogy az adat elküldésére (DT) jön-e válasz DR = Disconnect Request, AK = AcKnowledgement (paramétere a „num”, ami azt jelzi, hogy milyen sorszámú üzenetet fogadott el éppen a vevő), DT = Data Transmit (paraméterei, hogy mit és milyen sorszámmal küldünk)

171


8.2. Az SDL Process Responder

Process Responder

A csillagos állapot azt jelzi, hogy minden állapotra vonatkozik az adott rész. Az állapotok beírásával (pl.: st1,st2,st4) elérhető, hogy csak az adott állapotokra legyen igaz. A *(st1,st2) jelölés segítségével az st1 és st2 állapotok ki is vonhatóak a hatóköre alól.

172


8.2. Az SDL Process Coder_ini

Process Coder_ini (Process Initiator Coder)

A Process Initiator Coder az MDATreq és MDATind primitíveken keresztül kommunikál a medium réteggel, valamint a CR, DT, CC, AK, DR PDU-kal a felette levő réteggel. (MDAT = Medium Data)

173


8.3. CORBA

8.3. CORBA A CORBA (Common Object Request Broker Architekture) egy fejlesztési metodológia elosztott távközlési szoftverek fejlesztéséhez. Az érdeklődőknek: http://www.corba.org/gettingstarted

A CORBA architektúrája

Néhány angol szó magyarázata: repository = tárház, invocation = hívás, stub = csonk, skeleton = csontváz. A CORBA egy általános célú objektumorientált szabvány, elosztott rendszerek fejlesztéséhez. A kliensen és a szerveren futó programok akár különböző programnyelveken is készülhetnek. Ahhoz, hogy a felhasználó elérje a szerveren definiált objektumokat, IDL-re (Interface Definition Language) van szükség, amely a megvalósításnál használt programnyelvtől független. A kliens az IDL segítségével kommunikál az objektum interfészével. Az ORB Core-ban különböző ORB-ok (a szaggatott téglalapokban) azt hivatottak jelképezni, hogy többféle ORB is létezik.

ORB Core feladatai -

összeköti a téglalappal jelölt elemeket, biztosítja a kommunikációt a kliens és a szerver között egy elosztott környezetben. Ennek a kommunikációnak a protokollja General Inter-Orb Protocol (GIOP). Ez valójában egy protokoll család, pl. az IIOP nem más, mint az Internet Inter-Orb Protocol, amely TCP/IP felett működik. - felismeri és azonosítja a kliens kéréseit, és ennek megfelelően azonosítja a szerveroldali objektumokat, valamint aktiválja azokat. Több ORB implementáció is létezik, ezek egymás közötti kommunikációja is megengedett. Ebben az értelemben a megoldás hasonlít az RPC-hez (Remote Procedure Call). Az ORB közvetít az elosztott objektumok között, mivel a kliens a szerver helyét, implementációját, operációs rendszerét nem tudja.

ORB services Itt történik az objektum lokalizációjának kezelése. Biztosítja az ORB az objektum implementációjának transzparenciáját, vagyis a hozzáférő nem tudja, hogy a megvalósítás konkrétan milyen programozási nyelven, milyen platformon készült. Feladata továbbá az objektum állapot transzparencia biztosítása, vagyis az, hogy semmit se lehessen tudni az objektumok állapotairól. Objektum kommunikációs mechanizmus.

174


8.3. CORBA

IDL Hasonlít a C++ -hoz, de nyelvfüggetlen deklarációt biztosít. Elvileg Fortrantól Java-ig mindenbe bele lehet ágyazni. Az objektum interfészt deklarálja.

DII (Dynamic Invocation Interface) Ha az objektum rendelkezésre áll a szerver oldalon, akkor támogatja a kliensoldali csonkok kinyerését.

Interface Repository Run-time adatbázis a szerver oldali objektumok IDL definícióját tartalmazza

Object Adapter A szerver oldali objektumok többfélék lehetnek: .exe, .java, adatbázis definícióval megadott objektumok. Az Object Adapter feladata a szerver oldali objektumok elindítása, karbantartása, valamint az ORB irányában eltakarni a részleteket.

Szkeleton a szerver oldalon A szerver oldali objektumok / implementációk hívására vonatkozólag nyújt támogatást.

Implementation Repository A szerver oldali implementációk tárolása.

175

8. Távközlési szoftverek 8.4.1. Távközlési szoftverek részei

8.4. ASN.1, TTCN

8.4. ASN.1, TTCN Ehhez az anyagrészhez Ziegler Gábor weblapján lehet fóliákat találni: http://leda.ttt.bme.hu/~ziegler/TavkHal

8.4.1. 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 interfészeihez 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 akarjuk tesztelni, az könnyen megtehető, mert csak az RNCt kell lecserélni egy olyan teszteszközre, amelyik a bázisállomást NBAP protokoll szerinti csomagokkal bombázza a tesztelni kívánt szituációknak megfelelően. De mi van akkor, ha az RNC-t kell tesztelni? Megfigyelhetőségi probléma: az InRes protokoll tesztelésénél pl. egyszerre három interface-t is kéne figyelni (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 (magunkat) és az InRes service A user felőli interfészét láthatjuk. Ezért azt kell mondani, hogy akkor helyes az InRes működése, ha az IConReq beküldésekor előbbutóbb megjön az IConConf, de nem tudjuk ellenőrizni, hogy közben mi van a másik két primitívvel. (Lehet, hogy a Resp előbb jöttet, mint az Ind).

176

8. Távközlési szoftverek 8.4.2. A különféle FDT-k kapcsolata

8.4. ASN.1, TTCN

8.4.2. A különféle FDT-k kapcsolata

177

8. Távközlési szoftverek 8.4.3. ASN.1

8.4. ASN.1, TTCN

8.4.3. 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 ER = Encoding Rules, B = Basic, P = Packed, X = XML). Ezek platform független szabványok, szabványos, alaposan letesztelt, újrahasznosítható „enkóder generátorok”, így ugyanazon absztrakt szintaxishoz gyakorlatilag bármelyik enkóder generátor használható.

178

8. Távközlési szoftverek 8.4.4. TTCN

8.4. ASN.1, TTCN

8.4.4. 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.

179

Távközlő hálózatok (egyetemi órai jegyzet)

Recommend Documents