Távközlı Hálózatok IP szélessávú hozzáférési technikák
Németh Krisztián BME TMIT
Telefonvonali modemek elıfizetıi hurok A/D
A D
D
helyi kapcsolóközpont
törzshálózat
D
D/A
elıfizetıi hurok A
helyi kapcsolóközpont
D
„Betárcsázós internet” (dial-up) de két elıfizetı között is felépíthetı modemes kapcsolat modem: modulator-demodulator kezdetben az egyetlen lehetıség ma: kézenfekvı, de szuboptimális megoldás (D/A/D/A/D)
2
Modem történelem
Az elsı modem az 50-es években
Az Amerikai Légvédelem használta katonai adatok küldésére a telefonhálózaton keresztül Az elsı kereskedelmi forgalomban kapható modem – Bell 103 (1962)
300 bps full duplex átvitel ITU-T V.21
További szabványok
ITU-T V.22 – 1200 bps (1980) ITU-T V.22bis – 2400 bps (1984) ITU-T V.32 – 9600 bps (1984) ITU-T V.32bis – 14.4 Kbps (1991) ITU-T V.34 – 28.8 ITU-T V.34bis – 33.6 Kbps (1994) ITU-T V.90 – 56.6 Kbps downstream, 33.6 Kbps upstream (1996) ITU-T V.92 – 56.6 Kbps downstream, 48 Kbps upstream
3
ADSL
ADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line, aszimmetrikus digitális elıfizetıi vonal Cél: az elıfizetıi hurok kihasználtságának maximalizálása azaz a cél természetesen: $$$$ :) a legnagyobb érték egy távbeszélı-hálózatban!! „last critical mile” Telefonbeszélgetés (analóg vagy ISDN) és adatátvitel egyidejőleg
4
ADSL mőködése
Mőködés: FDM:
Távbeszélı hálózat
Pontosabban:
adat feltöltés
25 kHz
180 kHz
adat letöltés
1100 kHz
0-4 kHz – hang (4-25 kHz – védısáv) 25-160 kHz – feltöltési sáv 200 kHz - 1.1 MHz – letöltési sáv
De ez csak tájékoztató jellegő
Analóg/ISDN tel. elıfizetés esetén más
de mindkettı lehetséges!!
van, hogy az adat fel/le átlapolódik függ a zajtól is 5
f
ADSL moduláció
DMT – Discrete Multitone Modulation (ITU-T: G.992.1) 1,1 MHz-es frekvenciatartomány 256 csatorna, egyenként 4,3125 kHz
0. csatorna – POTS (hang) 1-5. csatorna – védısáv (üres)
A hang és adatátvitel közötti interferenciák elkerülésére
a maradék 250 csatornából 1 az upstream, 1 a downstream jelzése a többi a felhasználói forgalomé
csatornánként 0 -- 15 bit (átlag: 8), 4000 baud 250*8*4000 = 8 000 000 [b/s] ha rossz az átvitel egy adott csatornán, akkor azt kevésbé, vagy egyáltalán nem használják
6
ADSL sebesség
Aszimmetrikus:
fel: 16 kbps -- 1 Mbps le: 0,1 -- 8 Mbps
szándékosan, többet töltünk le, mint fel de nem mindig (pl. peer-to-peer, videotelefon)
távolságtól függ (legjobb: 2,5 km alatt, legrosszabb: 5 km felett) szolgáltató tovább korlátozhatja
ma Magyarországon: 128k/1M, ... , 512k/8M
7
ADSL topológia távbeszélıhálózat
aluláteresztı szőrı +
felhasználó ADSLmodem
splitter
IP hálózat1 DSLAM
sávszőrı
csavart érpár
aluláteresztı szőrı + BAS
sávszőrı IP hálózatn
DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, digitális elıfizetıi vonal hozzáférési nyaláboló): modem ellenpárja, ATM szinten nyalábol is BAS (Broadband Access Server): bejelentkezések kezelése, ATM - IP átjáró Adatátviteli útból a beszédkodek kihagyva (analóg: tel. központ; ISDN: végberendezés)
8
ADSL topológia távbeszélıhálózat
aluláteresztı szőrı +
felhasználó ADSLmodem
splitter
IP hálózat1 DSLAM
sávszőrı
csavart érpár
aluláteresztı szőrı + BAS
sávszőrı IP hálózatn
DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, digitális elıfizetıi vonal hozzáférési nyaláboló): modem ellenpárja, ATM szinten nyalábol is BAS (Broadband Access Server): bejelentkezések kezelése, ATM - IP átjáró Adatátviteli útból a beszédkodek kihagyva (analóg: tel. központ; ISDN: végberendezés)
9
Triple Play
Triple Play
marketing elnevezés egy IP szolgáltatásra mely magába foglalja a következı három szolgáltatást:
Internet
Televízió
jellemzıen legalább 3 TV csatorna egyidejő vétele háztartásonként
Telefónia
5 Mb/s a cél legalább
Voice over IP (VoIP)
Inkább egy üzleti modell, mintsem egy technológiai szabvány
Quad(ruple) Play
Ugyanez a három szolgáltatás, de vezetéknélküli közegen keresztül is 10
Triple play ADSL-en
analóg aluláteresztı szőrı
PSTN végberendezés (vagy ISDN NT) IP/Ethernet PC
helyi hurok
sávszőrı
IP/Ethernet
analóg TV
hom e gateway
+
splitter
IP/Ethernet set top box VoIP végberendezés
hang, videó prioritást élvez az adatforgalom felett pl. külön-külön ATM VC mindhárom
extra szolgáltatások, pl:
video-on-demand = virtuális videotéka igény szerinti sávszélesség hozzárendelés 11
Kábeltelevíziós Internetelérés
Korai kábeltelevíziós rendszerek
Ötlet az 1940-es évek végén (USA)
Jobb vétel a külvárosokban és a hegyek között élıknek
Közösségi antennás televízió
Community Antenna Television – CATV
Családias üzletág, bárki telepíthetett ilyen szolgáltatást
Egy dombtetın elhelyezett nagy antenna Egy erısítı: fejállomás (head end) Koaxiális kábel
Ha több elıfizetı csatlakozik: újabb kábelek és erısítık
Egyirányú átvitel, a fejállomástól a felhasználók felé
13
A kábeltévé fejlıdése
1970-re több ezer független rendszer (USA) 1974-ben elindul az HBO, kizárólag kábelen
Nagyvállalatok elkezdik felvásárolni a létezı kábelhálózatokat, új kábeleket fektetnek le
Több új kábeles csatorna – hírek, sport, fızés, stb.
Kábelek a városok között a hálózatok egyesítésére Hasonló ahhoz, ahogy a távközlı iparban a század elején összekötötték a helyi központokat a távolsági hívások végett
Késıbb a városok közötti kábeleket nagy sávszélességő fényvezetı szálakra cserélik
14
HFC rendszer
HFC - Hybrid Fiber Coax (fényvezetı-koax hibrid)
Fényvezetı-koax hibrid rendszer
Fényvezetı szálak a nagy távolságok áthidalására Koaxiális kábel az elıfizetıkhöz
Fényvezetı csomópont (Fiber Node: FN)
Elektro-optikai átalakító
a fényvezetı és villamos rész közötti csatolásnál
15
Internet a kábeltévén
A kábelhálózat üzemeltetık elkezdték bıvíteni a szolgáltatásaikat
Internetelérés Telefonszolgáltatás (VoIP)
Át kell alakítani a hálózatot
Az egyirányú erısítıket kétirányú erısítıre kell cserélni mindenhol A fejállomást fel kell fejleszteni
Egy buta erısítıbıl egy intelligens digitális számítógéprendszer
Nagysebességő optikai szálakat csatlakoztat egy ISP hálózatához
(Új név: Cable-Modem Termination System (CMTS))
16
Internet a kábeltévén
A koax kábel osztott közeg, több elıfizetı egyszerre használja
A telefonhálózatban mindenki rendelkezik saját érpárral (elıfizetói hurok) A TV mősorok elosztásánál ez nem fontos
Internetezésnél a felhasználók osztoznak a közegen
üzenetszórás van (broadcast) Verseny a felhasználók között
Másfelıl a koax kábel sokkal nagyobb sávszélt biztosít mint a csavart érpár
Megoldás: több darabra osztunk egy hosszú kábelt
Minden szakaszt közvetlenül egy fényvezetı csomóponthoz kötünk A fejállomás és a fényvezetı csomópontok között a sávszélesség nagyon nagy
Ha nincs túl sok felhasználó egy szakaszon, a forgalom kezelhetı marad
Ma tipikusan 500-2000 elıfizetı egy szakaszon
További felosztás várható ahogy nı az elıfizetık száma és a forgalom
17
Spektrumkiosztás
A kábelhálózatot nem lehet (egyelıre) kizárólag internetezésre használni
Sokkal több a tévénézı mint az internetezı ügyfél A városok szabályozzák mi mehet a kábelen, a tévészolgáltatás kötelezı Fel kell osztani a frekvenciákat a TV és az internetelérés között
Európa
TV sávok alsó határa 65 MHz 8 MHz széles csatornák
PAL és SECAM rendszerek nagyobb felbontása miatt
(PAL - Phase Alternating Line) (SECAM - Système Electronique Couleur Avec Mémoire) Felbontás: 768 x 576, 25 fps
USA, Kanada
FM rádió: 88 – 108 MHz kábeltévé-csatornák: 54 – 550 MHz
6 MHz széles csatornák, védısávval együtt
NTSC - National Television System Committee Felbontás: 720 x 480, 29.97 fps 18
Spektrumkiosztás
Modern kábelek 550 MHz felett is mőködnek, gyakran 750 Mhz felett is Megoldás: feltöltés 5 - 65 MHz (ez Európában, USA: 5 – 42 MHz között) A magasabb frekvenciák a letöltéshez
19
Aszimetrikus átvitel, házon belüli topológia
A TV és rádió mind lefele halad
A fejállomástól a felhasználó felé Felfele olyan erısítık melyek az 5-42 MHz-es tartományban mőködnek Lefele az 54 MHz feletti tartományban mőködı erısítık Aszimetrikus rendszer, nagyobb downstream mint upstream
Ezt itt mőszaki okok befolyásolják, nem úgy mint az ADSL-nél!
Topológia lakáson belül:
a TV készülék zavaró alacsonyfrekvenciás jeleket bocsát ki
koax
koax TV
felüláteresztı szőrı Ethernet
kábelm odem
koax + koax
PC 20
Moduláció
Koax kábel, szükség van analóg modulációra Minden 6-8 MHz-es csatornát QAM-64-el modulálnak
6 MHz-es csatornán QAM-64-el: kb. 36 Mbps
Quadrature Amplitude Modulation Ha kivételesen jó minıségő kábel, akkor QAM-256 A fejlécek nélküli sávszélesség 27 Mbps QAM-256-al nettó kb. 39 Mbps
8 MHz-es európai csatornán arányosan több A feltöltési csatorna a QAM-64-hez nem elég jó
Túl sok zaj a felszíni mikrohullámú rendszerek, CB-rádiók, stb. miatt
QPSK moduláció
CB = Citizen Band, „magyarul” walky-talky Quadrature Phase Shift Keying Csak két bit szimbólumonként (a QAM-64-nél 6, a QAM-256-nál 8)
Sokkal nagyobb az upstream és a downstream közötti különbség
21
Kábelmodem
Két Interfész – egy a PC és egy a kábelhálózat felé
A modem és a PC között 10 Mbps Ethernet kábel, néha USB A jövıben valószínüleg integrált modemek
A kezdetekben minden hálózatüzemeltetınek saját modemje, melyet egy technikus telepített
Nyílt szabvány kellett
Versenyhelyzethez vezet a modemek piacán Csökkennek az árak Ösztönzi a szolgáltatás terjedését Ha a felhasználó telepíti a modemet, nem kell kiszállási költség
CableLabs
A legnagyobb kábelszolgáltatók szövetsége DOCSIS szabvány
Data Over Cable Service Interface Specification EuroDOCSIS – európai változat
Sokan nem örültek neki
Nem tudták tovább drágán bérbe adni modemjeiket a kiszolgáltatott elıfizetıkek 22
Csatlakozás
Csatlakozásnál a modem pásztázni kezdi a letöltési csatornákat A fejállomás egy speciális csomagban idınként elküldi a rendszer paramétereit az újonnan kapcsolódó modemek részére A modem bejelentkezik a fejállomásnál A fejállomás kijelöli az új modem feltöltési és letöltési csatornáit
Ezt késıbb lehet változtatni, például a terhelés kiegyenlítése miatt Több modem ugyanazon a feltöltési csatornán
Az elsı csomag a modemtıl az ISP-hez megy
IP címet kér, DHCP protokollon keresztül
Dynamic Host Configuration Protocol
23
Versenyhelyzetes feltöltés -- 1
A modem megméri milyen távol van a fejállomás
Távolságbecslés (ranging) – mint a ping Szükség van rá az idızítések miatt
A feltöltési csatornát az idıben miniszeletekre osztják (minislot)
Minden felfele haladó csomag egy vagy több minislot-ban
A minislot-ok hossza hálózatonként más és más Tipikusan 8 byte felhasználói adat egy minislot-ban
A fejállomás rendszeresen bejelenti mikor új minislot-csoport kezdıdik
A kábelen való terjedés miatt nem egyszerre hallják meg a modemek
Mindenki ki tudja számítani mikor volt az elsı minislot kezdete
Minden modemhez hozzárendelve egy speciális minislot melyben feltöltési sávszélességet igényelhet
Több modem ugyanazon a minislot-on
24
Versenyhelyzetes feltöltés -- 2
Ha a modem csomagot akar küldeni, szükséges számú minislot-ot igényel
Ha a fejállomás elfogadja, a nyugtában megmondja mely minislot-okat jelölte ki
Ha további csomagokat akar küldeni, a fejlécben új minislot-okat kérhet
Ha az igényléskor ütközés, nincs nyugta
Vár egy véletlen ideig és újra próbálkozik Minden egymás utáni kudarc után a max. idı duplázódik
25
Versenymentes letöltés
Letöltésnél csak egy küldı, a fejállomás
Nincs versenyhelyzet, nincs szükség minislot-okra Nagymérető forgalom lefelé
Nagyobb, 204 byte-os rögzített csomagméret
Ebben Reed-Solomon hibajavító kód 184 byte a felhasználói adatoknak
26
Biztonságos kommunikáció
A kábel egy osztott közeg Bárki megnézheti a mellette elhaladó forgalmat Hogy a szomszédod ne hallgatason le, a forgalom kódolva mindkét irányban Meg kell egyezni a modem és a fejálomás között egy közös titkosítási kulcsban
Két „idegen” között, egy osztott, lehallgatható közegen
27
Kábel vs. DSL közeg sávszél elérés (csak az elsı routerig...) lefedettség biztonság több ISP
ADSL sodrott érpár
kábeles elérés koax közel azonos* dedikált sávszél osztott közeg
tel. kp. közelében kábeltv területen bárhol fizikai elválasztás titkosítás gyakori, törvény is ritkább
* kábeltelevíziós elérés ma Magyarországon: 512/128 kb/s -- 6144/1024 kb/s (le/fel)
Összességében: több a hasonlóság, mint a különbség Várható jövı: optikai szálak mind nagyobb térhódiátsa
FTTC: Fiber to the Curb (optikai szál az elosztódobozig), pl. VDSL(2) FTTH: Fiber to the Home (optikai szál a háztartásig)
28
WLAN
WLAN = wireless LAN (vezetéknélküli helyi hálózat) IEEE* 802.11x (x=a,b,g,i,...) 1997
repterek, szállók, cégek, BME is
becenév: WiFi (Wireless Fidelity, „vezeték nélküli hőség”??) „hot spot”
Frekvencia: ISM sáv
*IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Villamos- és Elektronikai Mérnökök Intézete 29
ISM sáv
ISM = Industrial, Scientific, Medical -- ipari, tudományos és orvosi
ingyenes, engedély, bejelentés sem kell hozzá max. 1 W (USA), 100 mW (Eu) szórt spektrum kötelezı USA Eu
902-928 MHz 2400-2483,5 MHz 5725-5850 MHz 433,05-434,79 MHz 2400-2483,5 MHz 5725-5850 MHz
Eu 900 Mhz: GSM 2,4 GHz: mikrosütık! Mo: 5,8 GHz: katonai célra foglalt
A rádiófrekvencia szőkös erıforrás, ezért a „spórolás”, pl. közös tartomány szórt spektrumú adás
Ennek fényében az ISM megléte nagy dolog! 30
WLAN sebességek Szabvány
Sáv
IEEE 802.11 IEEE 802.11a IEEE 802.11b IEEE 802.11g
2,4 Ghz, infravörös 5,8 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz
Sebesség a fizikai rétegben 2 Mb/s 54 Mb/s 11 Mb/s 54 Mb/s
Hasznos sebesség 1,2 Mb/s 32 Mb/s 5,5 Mb/s 22 Mb/s
Korábban elterjedt: 802.11b A legújabban használt: 802.11g
BME-n is egyre több helyen
31
WLAN: infrastruktúra alapú mód
AP: Access Point, hozzáférési pont
ı irányítja a kommunikációt
BSS: Basic Service Set, alap-szolgáltatáskészlet ESS: Extended Service Set, kiterjesztett szolgáltatáskészlet DS: Distribution System, elosztó rendszer nincs direkt komm. az állomások között BSS1
ESS
AP
BSS3
DS
BSS2
AP
AP
átjáró
külsı hálózat
32
WLAN: alkalmi mód
alkalmi = ad hoc nincs rögzített infrastruktúra direkt kommunikáció az állomások között minden állomás útválasztó is jelenleg is több nyitott kérdés
33
II. Harald Blaatand
PC/telefon és perifériák összekapcsolására
IEEE 802.15.1
max. 723,1 kb/s (v1.*), 2,1 Mb/s (v2.0) max 8 egység: pikohálózat (piconet) több pikohálózat: scatternet (szétszórt h.)
„a Kékfogú”, i.sz. 940-981 Viking király, Dánia és Norvégia „egyesítése”
átjárókkal nem használják
ISM ez is
2,4 GHz zavarják egymást a WLAN-nal! 34
WiMAX = Worldwide Interoperability for Microwave Access (kb. „világmérető együttmőködés a mikrohullámú hozzáférésért”) IEEE 802.16 -- 2004/2005 WLAN (WiFi) szerő, de városi hálózati méretekben (MAN) 2-11 ill. 10-66 GHz Egy adó/vevı max 50 km-t sugarú területet fedhet le Esetenként a direkt rálátás sem szükséges de mikrohullám révén ez célszerő mégis Átviteli sebesség: max 70 Mb/s de: megosztva az összes felhasználó között UMTS konkurense lehet
35
7. Mobil távközlı rendszerek
Földfelszíni mobil számítógép-hálózatok
Mőholdas mobil információközlı hálózatok
Mobiltelefon-hálózatok áttekintése
Elsı generációs mobiltelefon-hálózatok
GSM (2G)
UMTS (3G)
Mobil, zárt célú hálózatok 36
Mőholdas mobil információközlı hálózatok
„Bázisállomás” a mőholdon Elıny:
nagy földfelszíni lefedettség
Hátrány:
drága nagyobb késleltetés nagyobb teljesítmény
37
Mőholdas mobil információközlı hálózatok
Hálózattípusok:
SzgH és TH is
Hálózatrészek
Gerinchálózat
rögzített állomások, nagy sebesség
Hozzáférési hálózat
mozgó állomások, kisebb sebesség ezt nézzük most
38
Mőholdpályák
Pálya alakja:
kör ellipszis (egyik gyújtópontban a Föld)
Pályamagasság
„elvileg” „bármi” azonban:
légkörön kívül kell: az fékezne
van Allen sugárzási övek
nem hirtelen ér véget, nehéz meghatározni a tetejét (pedig ez jogilag is érdekes lehet) kb 100 - 1000 km elektromosan töltött részecskékbıl belsı: 3200 km körül (proton) külsı: 15.000-19.000 km körül (elektron)
túl nagy magasság felesleges
39
Mőholdpályák
3 fıbb mőholdmagasság: LEO:
Low Earth Orbit, alacsony magasságú pálya 400 - 1500 km
MEO: Medium Earth Orbit, közepes magasságú pálya 5000 - 13.000 km GEO: Geosynchronous Earth Orbit, geostacionárius pálya 35.785 km (kb.= 36.000 km) egyenlítı felett, csak egy ilyen pálya!
40
Mőholdpályák
Magasabb pályák elınyei:
Magasabb pályák hátrányai:
kevesebb mőhold elég nagyobb késleltetés nagyobb csillapítás, nagyobb teljesítmény kell
GEO ezeken felül:
nem kell antenna követés nincs mőholdváltás de: sarkok nem fedhetıek le
41
International Maritime Satellite Telecommunication, nemzetközi tengerészeti mőholdas rendszer
1979 óta késıbb szárazföldi is
4 db GEO mőhold, globális lefedés Különféle végberendezések, de általában nem kézben hordozhatóak
Beszédátvitel Adatátvitel: max. 492 kb/s
42
Iridium
Kézi készülékek, elsısorban beszédátvitelre
66 db mőhold
eredetileg: 77 -- irídium, 66: diszprózium globális lefedettség
780 km: LEO 2000. március (másfél év után): csıd
Adatátvitel: 2,4 kb/s
földi hálózatok túl gyorsan fejlıdtek, rossz marketing egy év után, Pentagon segítségével újra üzemben
Rádiócsillagászatot zavarja
OH molekulák emissziós frekvenciája melletti fr. 43
Kézi készülékek, elsısorban beszédátvitelre
48 mőhold 1414 km -- LEO A kézi készülékek ha lehet, földi rendszert (pl. GSM) használnak
Adatátvitel: 9,6 kb/s
ha nem, akkor a mőholdast
Nincs mőhold-mőhold kapcsolat:
Globalstar
Iridium 44
Thuraya
2001GSM/mőholdás átkapcsolás Kézi készülékek, elsısorban beszédátvitelre
Adatátvitel: 9,6 kb/s, max 144 kbps -- csomagkapcsolt
1 db GEO mőhold!!! központ: Egyesült Arab Emirátusok
99 országot fed le
45
ICO
Tervezett rendszer, 1995 óta 10 db mőhold 10390 km: MEO + ICONET: földi hálózat.
Nincs mőhold-mőhold komm.
Beszéd- és 144 kb/s adatátvitel Rendszerindítás mikor??
2000-ben egy sikertelen, 2001-ben egy sikeres mőhold fellövés legújabb terv: 1 db GEO mőhold 46
Teledesic
Terv: világmérető, szélessávú szg-h.
Mőholdak száma: 840, 288, 30, 10? Pálya: LEO, majd MEO Adatsebesség:
Craig McCaw Bill Gates al-Waleed bin Talal: Szaudi herceg
fel: 128 kb/s -- 100 Mb/s le: akár 720 Mb/s
Késıbb egyesülés az ICO-val 2003: gyakorlatilag megszőnik a cég
frekvenciákat visszaadják 47
GPS
Global Positioning System, globális helyzetmeghatározó rendszer (nem kifejezetten távközlés) Az USA Védelmi Minisztériuma üzemelteti
Mőholdak:
de bizonyos korlátozásokkal polgári célokra is használható 24 mőhold 20 200 km pályamagasság
Pontosság:
95%-ban 10m-nél jobb vízszintesen, 16 m-nél jobb függılegesen ±340 nanosec. a pontos idıhöz (UTC, Universal Time, Coordinated, koordinált egységes idı) képest 48
Az Európai Unió és az Európai Őrügynökség (European Space Agency, ESA) közös vállalkozása
Kb. 3,4 milliárd Euró értékő beruházás Tervezett mőholdak:
Polgári célú globális helyzetmeghatározó rendszer
30 mőhold 23 222 km magasan
Terv szerint a szolgáltatás 2008-tól kezdıdik Jelenleg a próbamőholdak tesztje folyik, elsı sikeres pályára állítás: 2005. dec. 28. 49
