Workshop společných aktivit VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT EDU ICT 2013

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Workshop společných aktivit VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT – EDU ICT 2013

Téma workshopu:

MULTIMÉDIA a POKROČILÉ KOMUNIKAČNÍ TECHNOLOGIE 22.4.2013

Editoři: Miroslav VOZŇÁK a Vladislav ŠKORPIL

Workshop Společných aktivit VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT - EDU ICT 2013 © Miroslav Vozňák a Vladislav Škorpil

Tento workshop je podporovaný projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 ”Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT Workshop Společných aktivit VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT - EDU ICT 2013

VŠB-Technická univerzita Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, Česká republika Katedra telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechniky a informatiky Autoři: kolektiv autorů První publikování: Ostrava, 2013, 1. edice Počet strán: 144 Vydavatel: VŠB-Technická univerzita Ostrava Náklad: CD-ROM Neprodejné

ISBN 978-80-248-2962-3

Předmluva Workshop “Společných aktivit VUT a VŠB‐TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT – EDU ICT 2013“ byl odborně zaměřen na MULTIMÉDIA a POKROČILÉ KOMUNIKAČNÍ TECHNOLOGIE a proběhl dne 22.4.2013 za účastí řešitelů projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062 z VŠB-TUO a VUT. Přednášky mezi pracovišti na VŠB-TUO a VUT byly přenášeny videokonferenčně a znalosti získané na workshopu byly ověřeny testem. Na závěr bychom chtěli poděkovat aktivně prezentujícím za jejich příspěvky, dále všem účastníkům workshopu za diskuzi k příspěvkům i věcné připomínky a těšíme se na další setkání. Sborník je on-line dostupný na stránkách projektu: http://ktto.vsb.cz/opvk/opvk_workshop.pdf

Miroslav Voznak Kolektiv recenzentů doc. Ing. Dan Komosný, Ph.D.

Ing. Michal Kubíček, Ph.D. UREL,

doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph. D.

Ing. Pavel Šilhavý, Ph.D.

doc. Ing. Karel Burda, CSc.

Ing. Petr Číka, Ph.D.

doc. Ing. Jan Ţídek, CSc.

Ing. Petr Machník, Ph. D.

doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc.

Ing. Přemysl Mer, Ph. D.

doc. Ing. Miroslav Vozňák, Ph. D.

Ing. Radim Číţ, Ph.D.

doc. Ing. Pavel Šteffan, Ph.D.

Ing. Roman Šebesta, Ph. D.

doc. Ing. Václav Zeman, Ph.D.

Ing. Zdeňka Chmelíková, Ph.D.

doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D.

prof. Ing. Eva Gescheidtová, CSc.

doc. Ing. Vladislav Škorpil, CSc.

prof. Ing. Ivan Zelinka, Ph.D.

Dr. Ing. Libor Gajdošík

prof. Ing. Kamil Vrba, CSc.

Ing. Jan Jeřábek, Ph.D.

prof. Ing. Miloslav Filka, CSc.

Ing. Jan Skapa, Ph. D.

prof. Ing. Pavel Nevřiva, DrSc.

Ing. Jaroslav Koton, Ph.D.

prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc.

Ing. Libor Michalek, Ph. D.

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc.

Ing. Marek Dvorský, Ph. D.

prof. RNDr. Vladimír Vašinek, Csc,

Wořkshop spolecných aktivit VUT a VŠB-TUO při výtvaření obsahu a naplne odbořných akředitovaných kuřzu ICT EDU ICT 2013

Obsah Zavádění simulačního programu OPNET IT Guru do výuky předmětu Pokročilé komunikační techniky ........................................................................................................ 6 Ing. Lukáš Langhammer, Ing. Jan Jeřábek, Ph.D. Výuka zabezpečovacích systemů na VUT v Brně .............................................................. 13 doc. Ing. Karel Burda, CSc. Vývoj videokonferenčních aplikací na platform RADVISION IVP ................................... 17 Ing. Petr Číka, Ph.D. Radiokomunikační technika ............................................................................................. 23 Ing. Marek Dvorský, Ph. D. Výuková souprava pro přenos binárních signal přes jednovidové a mnohovidové optické vlákno ................................................................................................................. 33 Prof. Ing. Miroslav Filka, CSc. Auto maty ......................................................................................................................... 39 Ing. Zdeňka Chmelíková, Ph.D. doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph. D. Vlastnosti zapojení se společný m emitorem ...................................................................... 51 Dr. Ing. Libor Gajdošík Fourierovy transformace ................................................................................................. 60 Ing. Jan Skapa, Ph. D. Využití prototypové platformy ELVIS II a modulárních prostředků na bázi systému PXI pro demonstraci genero -vání a analýzy digitálně modulovaných signálů ................... 71 doc. Ing. Jan Ţídek, CSc., Ing. Radek Martínek Propojení ústředen Asterisk pomocí nástroje OpenVPN v předmětu VoIP ....................... 80 Ing. Filip Řezáč, doc. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D. Statické a Dyna mické Směrování Po mocí Open Source Projektu Quagga ......................... 91 Ing. Pavel Nevlud, doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph.D.

Úzkopásmové PLC – datový kanál pro systémy AMM/AMR v energetice ........................ 101 doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc. Nulová Konfigurace neboli Autokonfigurace v Síti ........................................................ 106 Ing. Pavel Nevlud, doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph.D. Kontrola radiového spojení v systému GSM ................................................................... 113 Ing. Roman Šebesta, Ph.D. Laboratorní výuka pobočkových ústředen ..................................................................... 119 Ing. Pavel Šilhavý, Ph.D. Využití výukového systému v laboratořích předmětu Přístupové a transportní sítě ........ 123 doc. Ing. Vladislav Škorpil, CSc., Ing. Josef Jeřábek, Ph.D. Technologie Any Transport over MPLS v rá mci výuky předmětu Širokopásmové sítě .... 131 Ing. Petr Machník, Ph.D. Úvod do správy ko munikačních systémů po mocí doc. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D. ,Ing. Filip Řezáč,

MML jazyka AMO ....................... 138

Zavádění simulačního programu OPNET IT Guru do výuky předmětu Pokročilé komunikační techniky Lukáš Langhammer, Jan Jeřábek Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, Technická 12, 616 00 Brno Email: [email protected], [email protected]

Abstract. Tento článek pojednává o zavádění programu OPNET IT Guru jenž slouží pro simulaci síťového prostředí do výuky předmětu Pokročilé komunikační techniky a poskytuje tak studentům možnost snazšího pochopení síťové problematiky. V úvodu jsou popsány cíle a zařazení předmětu do studijního programu. Následuje základní popis simulačního programu OPNET IT IT Guru. Následující kapitola je věnována popisu jednotlivých laboratorních úloh simulovaných za pomocí tohoto programu. Keywords: OPNET IT Guru, simulace síťového prostředí, pokročilé komunikační techniky

1

Úvod

1.1

Zařazení a cíle předmětu Pokročilé komunikační techniky

Nejprve by bylo vhodné uvést několik slov, aby čtenář přišel do povědomí s cíli a zařazením předmětu [1]. Předmět Pokročilé komunikační techniky je povinným předmětem oboru Telekomunikační a informační technika, který je ohodnocen 6-ti kredity a zařazen do prvního ročníku navazujícího magisterského studijního programu Fakulty elektroniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně. Cílem předmětu je poskytnout studentům ucelený přehled pokročilých komunikačních technik zejména na úrovní síťové vrstvy, v distribuovaných systémech a dále nahlédnout do specifických problematik jako je paralelní zpracování dat, systémy či operační systémy. Předmět slouží k prohloubení znalosti základních síťových modelů, zejména TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), síťové a transportní vrstvy a překladu adres. Předmět dále detailně popisuje problematiku IPv6 (Internet Protocol verze 6), multicastu, protokolů pro zálohování prostředků, autonomních systémů, BGP (Border Gateway Protocol) protokolu, peeringu, multihomingu, či obecně oblast komunikace mezi aplikacemi.

1.2

Popis simulačního programu OPNET IT Guru

Program OPNET IT Guru je volně šiřitelná verze prostředí OPNET, který nám zprostředkovává vytváření a simulace síťového provozu a usnadňuje uživateli pochopení základních problematiky síťové infrastruktury [2]. Tento program pokrývá všechny vrstvy referenčního síťového modelu OSI/ISO (International Standard Organization/Open System Interconnection), resp. TCP/IP. Poskytuje virtuální síťové prostředí sloužící pro modelování chování a diagnostiku problematiky sítí zahrnující různé typy směrovačů, přepínačů, serverů, koncových zařízení atd. Dále umožňuje propojovat jednotlivé prvky pomocí různých technologií od 10BaseT po 1000BaseX přes ATM (Asynchronous Transfer Mode) a Frame Relay až po linky typu PPP (point to point) a detailní nastavení jednotlivých aplikací, včetně možnosti řídit parametry kvality služeb (QoS = Quality of Services). Umožňuje zaznamenávat a vyhodnocovat velké množství různorodých statistik, jak z pohledu simulace globálních, tak na konkrétním prvku či lince sítě. Velice výhodné je, že lze v rámci jednoho projektu vytvořit více scénářů, díky kterým můžeme výsledky mírně či více odlišných podmínek v síti jednoduše porovnat, popřípadě tímto způsobem srovnávat rozličné technologie či jejich podvarianty.

2

Popis laboratorních úloh

2.1

Srovnání transportních protokolů TCP a UDP

První úloha spočívá ve srovnání dvou základních protokolů transportní vrstvy [3]. Prvním z těchto protokolu je TCP (Transmission Control Protocol), který je spojově orientovaný a spolehlivý tzn., že před samostatným přenosem navazuje spojení a po doručení dat spojení opět ukončuje, zaručuje spolehlivé doručení dat k cíli a dále zajišťuje, že data budou doručena ve správném pořadí. Umožňuje také řízení toku dat. Protokol TCP je vhodný pro přenos souborů nebo dokumentů po internetu, kdy potřebujeme zajistit, že data budou doručena k cíli. Druhý z těchto protokolů je protokol UDP (User Datagram Protocol). Na rozdíl od TCP je spojově neorientovaný a nespolehlivý, což znamená, že nezaručuje, že se přenášený datagram neztratí nebo nebude doručen vícekrát, ani nezaručuje správné pořadí datagramů. Tento protokol je vhodný pro časově kritické aplikace jako je přenos hlasu, videa nebo onlinové hry a dále pro protokoly, kde se přenášená zpráva vejde do jednoho paketu. Samotná úloha se skládá ze tří úkolů. Prvním úkolem je vytvoření základní topologie simulované sítě a provedení nastavení jednotlivých komponent. Studenti si nadefinují vlastní síťový provoz a vytvoří dva scénáře, jeden je nakonfigurován tak, aby pro datový přenos v síti používal transportní protokol TCP a druhý scénář pak protokol UDP. Na obrázku 1 je možné vidět statistiku, ze které je možné vypozorovat, že pro scénář, v němž byl pro přenos použit protokol TCP (modrý průběh), potřebuje k přenosu shodného objemu dat delší dobu, než je tomu v případě UDP (červený průběh), což je zapříčiněno vlastnostmi protokolu TCP jako je navazování a potvrzování. Druhý úkol slouží pro porovnání chování těchto protokolů v případě, když je nastaveno navazování spojení při každém jednotlivém přenosu dat. Ve výsledku je patrné, že

zatímco u UDP scénáře s nastavením navazování nového spojení nedošlo k žádné změně, protože u tohoto protokolu nedochází k navazování a ukončování spojení, u TCP protokolu dochází k prodloužení doby přenosu, což je dáno navazováním spojení během každého dílčího přenosu. Poslední úkol nám slouží pro srovnání těchto protokolů, kdy v síti dochází k zahazování 5 % posílaných paketů. Z tohoto úkolu je možné vypozorovat rozdíly, jakým způsobem přistupují tyto protokoly ke ztrátě paketů. Zatímco v případě protokolu UDP došlo ke snížení přenosu o dané procento zahozených paketů, u protokolu TCP, který je opatřen mechanismem pro opětovné zasílání ztracených dat, došlo k výraznému snížení přenosu jako důsledek opětovného zasílání ztracených paketů.

Obr. 1. Srovnání odeslaných dat u protokolu TCP a UDP

2.2

Srovnání směrovacích protokolů RIP a OSPF

Druhá úloha srovnává směrovací protokoly RIP (Routing Information Protocol) a OSPF (Open Shortest Path First) [4]. Směrovače podle záznamu ve směrovací tabulce rozhodují, kterým ze svých rozhraní paket odešlou. Směrovací tabulky se vytvářejí staticky, nebo dynamicky, pomocí směrovacích protokolů jako např. RIP a OSPF. RIP určuje směr podle počtu směrovačů na cestě k cíli (počet skoků). Směrovače každých 30 sekund rozesílají svým sousedům informace ze svojí tabulky. U OSPF každý směrovač rozesílá informace o topologii svého okolí všem ostatním směrovačům a tak je každý směrovač schopen vytvářet si svoji znalost o topologii sítě. Na základě znalosti topologie a metrik (šířka pásma, zpoždění, zabezpečení atd.) jednotlivých spojů je vybrána nejvýhodnější cesta. Sítě využívající pro směrování OSPF lze rozdělit do tzv. oblastí. Směrovačům je pak známá topologie pouze vlastní oblasti, informace z ostatních oblastí je jim zprostředkována směrovači na hranici oblastí. Úloha je opět rozdělena na tři úkoly. V prvním úkolu se opět vytvoří základné topologie sítě, kterou je možno vidět na Obr. 2, jenž je pak používaná i ve všech ostatních scénářích. Tento úkol slouží ke srovnání dvou scénářů, kdy je jeden nakonfi-

gurován tak, aby používal směrovací protokol RIP a druhý RIPv2. Ve výsledku je možné srovnat tyto dvě verze protokolu RIP z hlediska toho, že u první verze protokolu směrovací tabulky neobsahují záznamy o masce dané sítě a tak by docházelo k problémům s doručením paketů v případě beztřídního adresování. Dále je možné porovnat zátěž, která je zvýšená u verze 2 v důsledku obsáhlejších směrovacích tabulek, kde se přenášejí i informace o masce sítě a detailních komponentách. Následující úkol spočívá v simulaci této sítě, kdy je pro směrování v síti použito protokolu OSPF a jsou sledovány rozdíly mezi směrování v síti bez nastavených oblasti a sítí, která je nakonfigurována na 3 různé oblasti. Z výstupů je možné například vypozorovat, že směrovací tabulky jednotlivých směrovačů mají různou velikost, kdy v případě bezoblastního směrování obsahují záznamy o celé síti a při oblastním směrováním pouze adresy směrovačů v dané oblasti. Dále je možno porovnat dobu potřebnou pro sestavení směrovacích tabulek pro protokol RIP a OSPF nebo srovnat výběr cesty bezoblastního a oblastního směrování u protokolu OSPF. V posledním úkolu se sleduje chování protokolu OSPF při výpadku zvolené linky, kdy je ze statistik patrná zvýšená zátěž v časech, kdy došlo k výpadku a obnově linky a směrovací tabulky se musely aktualizovat.

Obr. 2. Topologie úlohy Srovnání směrovacích protokolů RIP a OSPF

2.3

Základní konfigurace protokolu BGP

Internet je propojením jednotlivých AS (autonomní systémy), které umožňují rozdělení internetu na menší části, jenž mají svoji vnitřní směrovací strategii. Protokol BGP (Border Gateway Protocol) [5] je navržen pro vzájemnou výměnu směrovacích informací mezi AS za pomocí tzv. brán, které jsou pověřeny předáváním směrovacích informací ven z AS. Protokol BGP se dělí na iBGP (směrování v rámci jednoho AS) a eBGP (směrování mezi AS). Protokol se rozhoduje o směrování nejen na základě vzdálenosti, rychlosti linky, počtu skoků atd., ale také dalších pravidel, jako je skupina administrátorem definovaných pravidel (váha, místní preference, výstupní diskriminátor), seznamu průchozích AS atd. V této úloze si studenti prohloubí znalost směrování mezi jednotlivými autonomními systémy. Prvním úkolem je vytvořit síť skládající se ze tří autonomních systému v oblasti střední Evropy. Úloha umožňuje srovnání směrovacích tabulek jak mezi jednotlivými AS tak i v rámci jednoho AS a srovnání protokolu BGP použitého pro směrování v rámci různých AS a protokolu RIP použitého ke směrování v rámci jednoho autonomního systému. Na Obr. 3 je směrovací tabulka jednoho ze směrovačů, ve které vidíme, jaké směrovací protokoly jsou pro které sítě používány. Následující částí je přidání dalšího autonomního systému a úpravy směrovacích informací, aby bylo umožněno směrování v rámci sítě vytvořené v prvním kroku a nového AS. Závěrem úlohy je samostatný úkol, jenž spočívá v přidání dalšího AS do stávající sítě.

Obr. 3. Směrovací tabulka vybraného směrovače v simulované síti

2.4

Parametry LOCAL_PREF a MED u BGP protokolu

Poslední úloha navazuje na předcházející úlohu s protokolem BGP a zaměřuje se na vybrané typy atributů protokolu BGP a to jmenovitě atributy lokální preference (LOCAL_PREF) a výstupního diskriminátoru (MED = Multi Exit Discriminator). Parametr lokální preference slouží k preferování cest od určitých AS, jinými slovy ovlivňuje provoz ven ze sítě. Parametr přenášen v iBGP zprávách a preference vždy souvisí s konkrétní NLRI (Network Layer Reachability Information), která obsahuje atributy cesty. Výstupní diskriminátor ovlivňuje směrování dovnitř konkrétního AS, v případě že sousední AS respektuje tento parametr. Používá se při propojení dvou

AS ve více bodech. Tento parametr je přenášen pouze v eBGP zprávě a pouze do sousedního AS. Opět jako v předchozí úloze jde o simulaci vytvořené topologie spojující několik autonomních systémů a zaměřuje se na úpravy směrování pomocí atributů routy pomocí atributů lokální preference a výstupního diskriminátoru. Nejdříve je vytvořena samotná topologie, bez nastavení daných parametrů. Jakým způsobem dochází ke směrování v síti zobrazují výstupní statistiky, které nám zobrazují objem přenosů na vybraných linkách. Další krok spočívá v úpravě nastavení směrovačů v síti pomocí atributu MED tak, aby provoz v síti probíhal dle zadání úlohy. Výsledné propustnosti linek je možné vidět na Obr. 4 a 5, kdy grafy na levé straně zobrazují provoz do daného AS a grafy na pravé straně provoz ven z AS. Jak je patrné při nastavení parametru MED, je při provozu ven z AS preferována stejná linka jako pro provoz do AS v závislosti na nastavení tohoto parametru. V následující části úlohy dochází k úpravě topologie sítě a opět je provedeno srovnání, jakým způsobem dochází v síti ke směrování bez nastavených parametrů směrovacího protokolu BGP a s použitím atributu lokální preference. V závěru je opět samostatný úkol spočívající v nakonfigurování provozu v síti podle zadání.

Obr. 4. Propustnosti vybraných linek bez nastavených parametru lokální preference

Obr. 5. Propustnosti vybraných linek při nastavení parametru lokální preference

3

Závěr

Navržené čtyři laboratorní úlohy [6], [7] v prostředí IT Guru umožňují studentům vyzkoušet si práci s tímto simulačním prostředím, ověřit si chování jednotlivých protokolů, porovnat jejich vlastnosti či prakticky si ověřit význam jednotlivých nastavení a parametrů těchto protokolů. Tři ze čtyř úloh jsou zaměřeny na směrovací protokoly, kterým je v rámci tohoto předmětu věnována velká pozornost. Na konci každé úlohy jsou doplňující otázky, na které by měl student být schopen odpovědět, popřípadě samostatný úkol, spočívající v další konfiguraci sítě. Na základě získaných znalosti vytváří studenti samostatný projekt, jenž je shrnutím jednotlivých úloh.

Poděkování Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT.

Literatura 1. Detail předmětu Pokročilé komunikační techniky. Dostupné online, citováno 24.3.2013. http://www.feec.vutbr.cz/studium/stud_programy.php.cz. 2. Basic of OPNET IT Guru Academic Edition. Dostupné online, citováno 24.3.2013. http://people.cs.missouri.edu/~zengw/courses/CS4850/Lab_Introduction.pdf 3. Forouzan, B. A. TCP/IP protocol suite, čtvrté vydání. Boston: McGraw-Hill Higher Education, 2010. 4. Peterson, L. L., Bruce S. D. Computer networks: a systems approach, páté vydání. Burlington: Morgan Kaufmann, 2011. 5. Conlan, P. J., Cisco network professional´s advanced intenetworking guide, Wiley Publishing, Hoboken (USA), 2009. 6. KASPER, R. Laboratorní úlohy v prostředí OPNET pro předmět Komunikační technologie. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 165 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Jeřábek, Ph.D.. 7. MIKULECKÝ, M. Laboratorní úlohy v prostředí OPNET pro předmět Pokročilé komunikační techniky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 92 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Jeřábek, Ph.D..

Výuka zabezpečovacích systémů na VUT v Brně Karel Burda Technická 12, 612 00 Brno

[email protected] Abstract. Článek popisuje obsah výuky problematiky zabezpečovacích systémů na Fakultě elektrotechniky a komunikačních systému Vysokého učení technického v Brně. Dále jsou v článku popsány formy a obsah výuky a způsob hodnocení studentů. Součástí článku je také stručný popis laboratorních úloh. Keywords. Zabezpečovací systémy, výuka, laboratorní úloha.

1. Úvod Na Fakultě elektrotechniky a komunikačních systému Vysokého učení technického v Brně se v rámci bakalářského studia oboru Teleinformatika vyučuje předmět Zabezpečovací systémy. Cílem předmětu je seznámit studenty s problematikou zabezpečování majetku. Cílem tohoto článku je seznámit akademické pracovníky vysokých škol i širší veřejnost s formami výuky a způsobem hodnocení studentů v předmětu Zabezpečovací systémy. Součástí článku je také stručný popis laboratorních úloh

2. Výuka předmětu Zabezpečovací systémy Předmět Zabezpečovací systémy je vyučován ve 3. ročníku bakalářského studia oboru Teleinformatika v rozsahu 26 hodin přednášek a 26 hodin laboratorních cvičení. V rámci předmětu studenti vypracovávají projekt, v jehož rámci navrhnou a zpracují dokumentaci elektrického zabezpečovacího systému pro hypotetický objekt. Vypracování projektu je podmínkou pro udělení zápočtu. Struktura přednášek je následující: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Úvod do předmětu. Elektrické zabezpečovací systémy (EZS). Čidla EZS. Perimetrické zabezpečovací systémy. Kamerové dohledové systémy. Elektrická požární signalizace. Přístupové systémy. Biometrické zabezpečovací systémy.

9. 10. 11. 12.

Ochrana zboží. Ochrana hudby a programů. Platební elektronické systémy. Detektory nebezpečných látek a kovů.

Nyní si popíšeme podrobněji obsah jednotlivých přednášek. V úvodní přednášce jsou studenti seznámeni s jednotlivými typy zabezpečovacích systémů, s jejich účelem a principy fungování. V této přednášce jsou rovněž definovány a vysvětleny základní pojmy používané v oboru zabezpečovacích systémů. Druhá přednáška je věnována elektrickým zabezpečovacím systémům (EZS). Studenti jsou metodou systémového přístupu seznámeni s jednotlivými prvky systémů EZS, s architekturou systémů EZS a s fungováním těchto systémů. Druhá polovina přednášky je věnována popisu standardů souvisejících s návrhem systémů EZS, metodice návrhu EZS a dokumentaci potřebnou pro budování systémů EZS. Třetí přednáška je zaměřena na čidla pro systémy EZS, speciálně na interiérová a předmětová čidla. Studenti jsou zde seznámeni s fyzikálními principy využitými u jednotlivých typů čidel, s jejich konstrukcí, výhodami i nevýhodami. Hlavní pozornost je věnována interiérovým čidlům typu PIR, US a MW. Z předmětových čidel se přednáška zabývá zejména čidly pro detekci tlaku a tahu. Ve čtvrté přednášce jsou studenti seznámeni s problematikou ochrany exteriéru a perimetru. Pozornost je věnována ochraně perimetru budov (detektory tříštění skla a detektory vibrací) a ochraně exteriéru (laserové a mikrovlnné skenery, venkovní detektory PIR a kamerové systémy s detekcí pohybu v obraze). Studenti se rovněž seznámí s ochranou perimetru pozemku. Jedná se o zemní typy detektorů (nášlapná optická vlákna, seismografy a štěrbinové koaxiální kabely), o přehradové detektory (laserové a mikrovlnné závory) a o plotové detektory (plotové kabely nebo detektory RFID s akcelerometrem). Pátá přednáška je věnována kamerovým dohledovým systémům. Studenti se zde seznámí se základními prvky, architekturou a typy kamerových sledovacích systémů. V dalším jim jsou vysvětleny fyzikální principy a způsoby fungování jednotlivých prvků. Rovněž se seznámí s používanými technikami zdokonalení obrazu i detekce pohybu v obraze. Šestá přednáška je zaměřena na systémy elektrické požární signalizace (EPS). Studenti jsou zde metodou systémového přístupu seznámeni s jednotlivými prvky systémů EPS, s architekturou systémů EPS a s fungováním těchto systémů. Velká pozornost je věnována vysvětlení fyzikálních principů jednotlivých typů hlásičů a také popisu samohasících zařízení. Tématem sedmé přednášky jsou přístupové systémy. V prvé části přednášky jsou studenti seznámeni s teorií řízení přístupu a ve druhé části jim jsou vysvětleny centralizované a decentralizované systémy řízení přístupu, jejich základní prvky a jejich architektura. Na závěr jsou seznámeni s autentizačními metodami založenými na znalosti a na vlastnictví předmětu. Osmá přednáška volně navazuje na předchozí. Opět se jedná o řízení přístupu, ale autentizační metody jsou zde založeny na biometrice. V rámci přednášky jsou studentům vysvětleny fyzikální principy a vlastnosti nejvíce používaných technik biometric-

ké autentizace. Jedná se především o techniky založené na otisku prstu, na skvrnách duhovky, na cévním řečišti prstu, ruky a sítnice a na geometrii ruky. Devátá přednáška je věnována ochraně zboží. Jsou zde vysvětleny základní metody ochrany zboží a pozornost je zde zejména věnována metodě založené na etiketách. V přednášce jsou studenti seznámeni s fyzikálním principem a s provozními vlastnostmi v praxi používaných systémů ochrany zboží. Konkrétně se jedná o elektromagnetické, akusto-magnetické a rádiové systémy. Závěr přednášky je věnován zabezpečení automobilů. Desátá a jedenáctá přednáška se zabývají zabezpečením nehmotného majetku. V desáté přednášce jsou studenti seznámeni s ochranou autorských děl. Jsou jim vysvětleny metody založené na steganografii i kryptografii a jsou seznámeni se systémy založenými na síťových i lokálních ochranách. Tématem jedenácté přednášky jsou platební elektronické systémy a elektronické dokumenty. Po krátkém úvodu do kryptografie jsou studentům vysvětleny různé platební systémy podle použitého terminálu (telefon, počítač, bankomat a obchodní terminál). Dále jsou seznámeni s předměty používanými k zabezpečení transakcí (paměťové karty, procesorové karty a bankovní kalkulátory). Závěrečná část je věnována elektronickým dokumentům a jejich bezpečnosti. Poslední, dvanáctá, přednáška pojednává o detekci nebezpečných předmětů a látek. Zde jsou studenti seznámeni s fyzikálními principy používanými k detekci kovových zbraní a se zařízeními pro detekci zbraní. Dále jsou jim vysvětleny fyzikální principy a systémy používané k detekci předmětů ukrytými pod oděvem osob nebo v jejich zavazedlech. Na závěr se studenti dozví na jakých principech fungují systémy pro detekci nebezpečných látek jako jsou radioaktivní materiály, výbušniny a drogy. Všech dvanáct výše uvedených přednášek umožňuje studentům získat přehled v problematice zabezpečení hmotného i nehmotného majetku a pochopit principy fungování používaných zařízení a systémů.

3. Laboratorní úlohy předmětu Zabezpečovací systémy Cílem laboratorních úloh je poskytnout studentům možnost si zařízení a systémy vysvětlované v přednáškách prakticky vyzkoušet. V současné době máme k dispozici následující pracoviště. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Kabelový systém EZS. Rádiový systém EZS. Kamerový dohledový systém. Biometrický přístupový systém. Kartový přístupový systém. Systém EPS.

Kabelový systém EZS sestává z ústředny ATS 2099, ovládací klávesnice, dvou detektorů PIR a dvou magnetických kontaktů. K ústředně je připojen počítač s programem TITAN pro řízení a konfiguraci systému. Studenti se nejprve naučí pro-

vozovat systém pomocí ovládací klávesnice a poté si vyzkouší provoz a konfiguraci systému z počítače. Rádiový systém EZS sestává z ústředny JA-63KRG, ovládací klávesnice JA-60E, magnetického kontaktu, dvou detektorů PIR, dvou detektorů tříštění skla a dvou detektorů kouře. Studenti si na tomto pracovišti zkouší provoz a konfiguraci rádiového systému EZS a rovněž se seznamují s fungováním a vlastnostmi jednotlivých detektorů. Srdcem kamerového dohledového systému je digitální videorekordér AVC 776, na který je připojen monitor a čtyři různé typy kamer. Studenti si na tomto pracovišti mohou vyzkoušet konfiguraci a provoz typického kamerového dohledového systému, vyzkoušet si vlastnosti různých typů kamer a ověřit si funkci detekce pohybu v obraze. Pracoviště je vybaveno i webovým serverem, který dovoluje provozovat kamerový systém vzdáleně přes internet. Pracoviště biometrického přístupového systému sestává ze čtečky otisku prstů Bioscrypt, elektromagnetického zámku a počítače vybaveného řídícím software. Studenti si zde mohou vyzkoušet provoz a konfiguraci lokálního přístupového systému založeném na autentizaci otiskem prstu. Pracoviště kartového přístupového systému sestává z ústředny, dvou bezdrátových čteček karet a dvou elektromagnetických zámků. Součástí pracoviště je i počítač vybavený řídícím software. Studenti si na tomto pracovišti mohou vyzkoušet provoz a konfiguraci centrálního přístupového systému založeném na autentizaci pomocí karet. Posledním pracovištěm je systém EPS. Toto pracoviště sestává z ústředny FPA 5000, dvou hlásičů kouře a dvou tlačítkových hlásičů požáru. Studenti si zde mohou vyzkoušet nastavení a provoz ústředny EPS a otestovat fungování hlásičů. V prvním laboratorním cvičení jsou studenti poučeni z hlediska bezpečnosti provozu v laboratoři a je jim vysvětlena organizace úloh a podmínky získání zápočtu. V následujících cvičeních se střídají na jednotlivých pracovištích. Na každém pracovišti mají stanoveny konkrétní úkoly na jejichž základě jsou průběžně hodnoceni. Po projití všemi pracovišti zpracovávají návrh systému EZS hypotetického objektu a k tomuto systému zpracovávají dokumentaci. Projekt je individuální a každý student na základě hodnocení projektu vyučujícím a na základě hodnocení z jednotlivých laboratorních úloh získává body na jejichž základě je mu udělen, resp. neudělen zápočet.

4. Závěr V tomto příspěvku je popsán způsob výuky problematiky zabezpečovacích systémů na Fakultě elektrotechniky a komunikačních systému Vysokého učení technického v Brně. V současné době běží projekt č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 ”Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT“, v jehož rámci doufáme, že od pedagogů z VŠB-TUO získáme inspiraci a náměty pro rozšíření a další zdokonalování výuky zabezpečovacích systémů na naší škole.

Vývoj videokonferenčních aplikací na platformě RADVISION IVP Petr Číka

Abstract. Článek je zaměřen na demonstraci vývoje videokonferenčních aplikací na vývojovém kitu RADVISION IVP (Interactive Video Platform). V úvodu jsou popsány výhody a nevýhody současných videokonferencí. Následující kapitoly jsou zaměřené na možnosti vývoje uživatelských aplikací na platformě RADVISION IVP.

1

Úvod

IVP je konkrétním příkladem komplexního systému pro provozování videokonferencí od firmy RADVISION. Je to platforma určená pro mobilní i pevné operátory a poskytovatele služeb, kteří provozují hlasové a video služby, jako například video call centra, chat místnosti s živým videem, videokonference, systémy pro střežení objektů aj. IVP může být také vyžívána jako Media Resource Function neboli jako zdroj médií v IMS (IP Multimedia Subsystem) síti, v takovém případě je řízena aplikačním serverem založeným na komunikaci SIP a vykonává všechny funkce spojené se zpracováním médií. IVP poskytuje rozhraní pro programování aplikací (API - Application programming Interface). API využívá HTTP protokol a je založeno na proprietárním jazyku V2XML, který vychází z XML (Extensible Markup Language). Je to událostmi řízený programovací jazyk, který je zaměřený hlavně na ovládání audia a videa a umožňuje tak jednoduše realizovat spoustu odlišných služeb. IVP aplikace mohou být umístěny na standardním webovém serveru.

Hlavní funkce IVP Hlavní funkce jsou poskytovány s využitím V2XML API a patří mezi ně hlavně:    

přijímat příchozí audiovizuální hovory a řídit je pomocí obslužné aplikace, inicializovat odchozí audiovizuální hovory, přenášet k uživatelům živý nebo uložený audiovizuální obsah, spojení více uživatelů do jednoho sezení, uživatelé mohou používat protokol SIP nebo H.323, a nebo i mobilní telefon s podporou UMTS (Universal Mobile Telecommunications System),  nahrávání audiovizuálních toků,

 možnoost reagovat na řadu událosstí, například DTMF D (Dual Tone Multi FFrequency) tóny, konec k videa, odpojení o uživaatele atd.,  řízení rozvržení ob brazovky dovooluje vytvářet zobrazení jako dělená oobrazovka, obraz v obraze aj.,  přidávvat text do videea,  nastavvovat časovačee a reagovat nna jejich vypršení,  vytvářřet sdílená média, která umoožňují přístup p k zařízení, ktteré nepodporruje připojení více uživatelů a video z něhoo rozesílat vícee uživatelům. y IVP  Vnitřnní komponenty  Ve věttšině případů IVP I obsahuje tyto součásti::  Multippoint Conferen ncing Unit (M MCU),  Multim media Streamiing Proxy servver (MSP),  Back-tto-Back User Agent (B2BU UA),  Enhannced Communication Serverr (ECS),  Interacctive Video Pllatform kontroolér,  Interacctive Video Pllatform manažžer.  Jejich propojení a ko omunikace s ookolím je nazn načena na obrrázku 1.

Obr. 11: Strukturra IVP

2

R Rozhraní prro tvorbu ap plikací v IV VP

IVP nabízí programáto orům rozhraníí pro tvorbu aplikací a (API). Toto rozhranní je založeno na komunikaci k mezi m IVP a weebovým serverrem, na kterém m jsou aplikacce umístěné. Komuunikace probíh há pomocí poosílání HTTP žádostí a odpovědí na ně. IIVP většinou fungguje jako HTT TP klient a w webový serverr s aplikací jaako server, jaak ukazuje obrázek 2. 2 Typická ko omunikace proobíhá tak, že IVP I přijme ho ovor (např. zee SIP telefonu), zjiistí, jakou služžbu uživatel vvolá, vytvoří novou n relaci příslušné p aplikkace a pošle žádosst HTTP se všemi potřebný nými údaji říd dící aplikaci na n webový serrver. Tato aplikace pošle odpověěď HTTP spoolu s V2XML L stránkou obsahující příkaazy, podle kterých IV VP s hovorem m zachází. Průůběh komunik kace je znázorn něn v první čáásti obrázku 3. API obsahuje o řadu u příkazů, kkteré umožňu ují programáttorovi připoj ovat IVP k různým m druhům audiio a video zdrrojů (např. ke kamerám, k uživatelům u poomocí protokolů SIIP nebo H.323 3), řídit rozmíístění jednotliivých videí vee výsledném, při spojování vícee zdrojů do jed dnoho (řídit tzzv. layout), naahrávat audio a video neboo ho streamovat poomocí RTSP na n streamovaccí server, odku ud si ho moho ou prohlížet daalší uživatelé atd.

Obr. 1: Komunika ace v IVP

2.1

Struktura žádostí a odpovědí HTTP

Žádost vyslaná IVP je v podobě HTTP žádosti a obsahuje název požadované stránky a doplňkové informace uvnitř HTTP hlavičky. Obsah takové žádosti může vypadat takto: GET /mojeStranka.v2xml HTTP/1.1 Accept: text/xml User-Agent: RADVISION-MediaServer/2.0.0.0.8 X-SessionId: 4287603616 X-CallerId: 054332185 X-DisplayName: Pavel X-MediaType: RichMedia X-Protocol: SIP X-CalledPartyNumber: 100 X-Presentation: allowed X-ProductId: eConf Vysvětlení jednotlivých položek v hlavičce:           

Accept – udává typ odpovědi, která může být text/xml nebo application/xml, User-Agent – označuje IVP a jeho verzi, X-CallerId – telefonní číslo volajícího, X-DisplayName – jméno volajícího, které se má zobrazit, X-SessionId – jedinečný identifikátor relace, která se volajícímu vytvořila. Tento identifikátor může být například použit při spojování dvou relací, X-MediaType – udává typ média, který uživatel posílá (AudioOnly nebo RichMedia), X-Protocol – udává typ použitého signalizačního protokolu (H.323 nebo SIP), X-CallerPartyNumber – číslo, které uživatel vytočil, X-Presentation – udává, jestli bude vidět callerId volajícího (allowed nebo restricted), X-ProductId – identifikátor připojeného terminálu. Odpověď z řídící aplikace je HTTP odpověď typu text/xml nebo application/xml, a ve svém obsahu má požadovanou V2XML stránku.

2.2

Žádost inicializovaná aplikací

V některých případech potřebuje sama aplikace inicializovat nějakou akci, například vytvořit novou relaci nějaké aplikace (normálně se nová relace vytvoří, když uživatel zavolá na číslo příslušné aplikace). O takovou akci musí aplikace požádat IVP. Komunikace opět probíhá na základě žádostí a odpovědí HTTP s tím rozdílem, že aplikace teď funguje v roli klienta a IVP jako server. Aplikace může vyvolat dva typy akcí, buď vytvoření nové relace aplikace, nebo poslat nějakou událost, která se v aplikaci projeví vyvoláním akce . Aplikace na ni může reagovat

V2XML operací stejně jako u ostatních událostí vyvolaných IVP (například operací , kterou požádá o novou V2XML stránku, jak je znázorněno ve druhé části obrázku 3). 2.3

Posílání událostí

Když chce aplikace poslat událost do IVP, musí poslat HTTP žádost na IP adresu IVP na port 1500, na kterém naslouchá služba sendevent. Žádost obsahuje následující položky: sessionId – identifikátor relace, které se má událost poslat. Místo tohoto parametru může být parametr callerId, callerId – telefonní číslo volajícího. Místo tohoto parametru může být parametr sessionId, eventId – řetězec (nesmí obsahovat mezery a speciální znaky), který identifikuje posílanou událost. Tento řetězec je potom používán v elementu na V2XML stránce k identifikaci této události. Poslání události s názvem TEST do relace s číslem 4287603616 vypadá takto: http://147.229.149.26:1500/sendevent?sessionId=4287603616&eventId=TEST Odpovědí na takovou žádost může být HTTP 200 (OK) při úspěšném splnění žádosti nebo některá z chybových odpovědí obsahující popis chyby. 2.4

Vytvoření relace

Vytvoření nové relace některé aplikace probíhá podobně jako posílání událostí. Služba, které musíme žádost poslat, se jmenuje createsession a žádost musí obsahovat tyto parametry: app – jméno aplikace, pro kterou vytváříme novou relaci, cookie – unikátní řetězec reprezentující žádost. Vytvoření nové relace aplikace s názvem test provedeme například takto: http://147.229.149.26:1500/createsession?app=test&cookie=1234. Odpovědi na žádost jsou obdobné jako při posílání události.

3

Poděkování Tento článek vznikl za podpory projektu OPVK CZ.1.07/2.2.00/28.0062.

4

Závěr

V článku byly popsány možnosti platformy pro vývoj videokonferenčních aplikací na vývojovém kitu RADVISION IVP. Byly vyvinuté demonstrační aplikace, které byly testovány společně s partnerem (Vysoká škola Báňská). Funkčnost aplikací byla

bezchybnná. Platformu lze dále využžít pro zkvalittnění výuky na technickýchh universitách.

¨

Obr. 33: Průběh hovoru h

Radiokomunikaˇ cn´ı technika Marek Dvorsk´ y ˇ Katedra telekomunikaˇcn´ı techniky, FEECS, VSB–Technick´ a univerzita v Ostravˇe, ˇ 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava–Poruba, Cesk´ a republika

Abstrakt Tento pˇr´ıspˇevek uv´ ad´ı pˇr´ıklad ˇc´ asti prvn´ı kapitoly pˇripravovan´ ych skript, kter´e vznikaj´ı v r´ amci projektu ˇc. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Spoleˇcn´e ˇ aktivity VUT a VSB-TUO pˇri vytv´ aˇren´ı obsahu a n´ aplnˇe odborn´ ych akreditovan´ ych kurz˚ u ICT.

1

Historie r´ adiov´ e komunikace

N´ asleduj´ıc´ı kapitoly ve struˇcnosti popisuj´ı historii bezdr´atov´ ych komunikac´ı od jej´ıho rann´eho vzniku po struˇcn´ y pˇrehled nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch historick´ ych miln´ık˚ u z oblasti r´ adiov´e komunikace. 1873 Maxwell - z´ akladn´ı spojitosti Jedn´ım ze snad nejv´ıce skloˇ novan´ ych jmen v souvislosti se z´akladn´ım popisem podstaty elektromagnetick´eho pole je jm´eno James Clerk Maxwell (1831-1879) viz obr´ azek 1. Tento anglick´ y fyzik matematicky zpracoval poznatky sv´ ych pˇredch˚ udc˚ u (zejm´ena Faradaye) o elektˇrinˇe a magnetizmu, zavedl d˚ uleˇzit´ y pojem tzv. posuvn´eho proudu a definoval z´akladn´ı rovnice popisuj´ıc´ı vz´ ajemnou interakci elektrick´eho a magnetick´eho pole. V roce 1873 vydal sv´e nejslavnˇejˇs´ı d´ılo ”Pojedn´ an´ı o elektˇrinˇe a magnetizmu”(Treatise on Electricity and Magnetism).

Obr´ azek 1. James Clerk Maxwell (1831-1879)

Asi jako prvn´ı, kdo se u ´spˇeˇsnˇe pokusil o d´alkov´e spojen´ı, byl virginsk´ y zubaˇr Mahlonu Loomis (1826-1886). Jeho zaˇr´ızen´ı pracovalo na principu vodivosti vy-

2

sok´ ych vrstev atmosf´ery, coˇz se neobeˇslo bez drak˚ u a balon˚ u. Dalˇs´ım v´ yznamn´ ym pr˚ ukopn´ıkem r´ adiov´ ych pˇrenos˚ u se stal Ameriˇcan David E. Hughes (1831-1900). Ten roku 1879 zaregistroval, ˇze kdyˇz v elektrick´em obvodu pˇreskoˇc´ı jiskra, v telefonn´ım sluch´ atku se ozve klepnut´ı, aniˇz by bylo spojen´e s jiskˇriv´ ym obvodem. Postupnˇe sestrojil ˇradu zaˇr´ızen´ı, kter´a dok´azala tyto bezdr´atov´e sign´aly vys´ılat i zachycovat, aˇz nakonec dos´ahl bezdr´atov´eho pˇrenosu na vzd´alenost cca 60 metr˚ u. Z dochovan´ ych pozn´amek je zˇrejm´e, ˇze Maxwellovy pr´ace bud’ neznal, nebo je se sv´ ymi pozorov´ an´ımi nespojil. O bezdr´atov´ y pˇrenos se postupnˇe zaˇcalo zaj´ımat st´ ale v´ıc vyn´ alezc˚ u vˇcetnˇe Thomase A. Edisona. Vˇetˇsina z nich ale nedok´ azala pozorovan´e jevy vysvˇetlit ani vyuˇz´ıt. [1] 1887 Hertz - cesta spr´ avn´ ym smˇ erem Podstatu Hughesov´ ych sign´al˚ u spr´avnˇe rozpoznal nˇemeck´ y fyzik Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) (obr´azek 2). Roku 1887 sestrojil obrovsk´e jiskˇriˇstˇe spojen´e s elektrickou c´ıvkou, kter´e vys´ılalo elektromagnetick´e vlny a dalˇs´ı pˇrij´ımac´ı zaˇr´ızen´ı, kter´e tyto vlny pˇrij´ımalo (obr´azek 3, 4). Vˇsiml si spojitosti pozorovan´eho bezdr´ atov´eho pˇrenosu energie s Maxwellovou teori´ı z n´ıˇz vypl´ yvalo, ˇze vznikl´e vlny maj´ı stejnou povahu jako svˇetlo. Pr´avˇe d´ıky Hertzovi a spojitosti s Maxwellovou teori´ı se v´ yvoj bezdr´atov´e telegrafie zaˇcal ub´ırat spr´avn´ ym smˇerem.

Obr´ azek 2. Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)

Obr´ azek 3. Sch´ema experimentu

Obr´ azek 4. Hertz˚ uv experiment

3

1896 Tesla - lod’ ˇ r´ızen´ a na d´ alku Dalˇs´ım v´ yznamn´ ym vyn´ alezcem byl ameriˇcan srbsk´eho p˚ uvodu Nikola Tesla (1856-1943) (obr´ azek 5). S Hertzov´ ymi experimenty se sezn´amil roku 1893 a zaˇcal je vylepˇsovat. Uvˇedomil si, ˇze vys´ılaˇc a pˇrij´ımaˇc jsou vlastnˇe dva obvody, kter´e navz´ ajem rezonuj´ı. T´ehoˇz roku uspoˇr´adal ve Philadelphii s´erii pˇredn´aˇsek, pˇri nichˇz demonstroval bezdr´atov´ y pˇrenos elektrick´e energie. Zveˇrejnil matematick´e principy sv´ ych zaˇr´ızen´ı a detailnˇe popsal prvky vys´ılaˇce i pˇrij´ımaˇce. Teslu zaj´ımaly i jin´e vˇeci, pˇredevˇs´ım moˇznost nahradit elektrick´e veden´ı ke spotˇrebitel˚ um veden´ım vzduchem. Jen jaksi mimochodem pˇredvedl roku 1895 vys´ıl´ an´ı na vzd´ alenost pˇribliˇznˇe 35 kilometr˚ u a roku 1896 d´alkovˇe ovl´adan´ y model lodi (obr´ azek 6). Ke sv´e sm˚ ule si ale americk´ y patent zaˇr´ıdil aˇz roku 1897. Tesla si za cel´ y sv˚ uj ˇzivot nechal patentovat pˇres 700 vyn´alez˚ u. Mezi jeden z nejkontroverznˇejˇs´ıch vyn´ alez˚ u patˇr´ı tzv. ”Paprsky smrti”.

Obr´ azek 5. Nikola Tesla

Obr´ azek 6. Teslova d´ alkovˇe ovl´ adan´ a lod’

1900 Popov Dalˇs´ım vˇedcem, kter´ y na z´akladˇe Teslov´ ych prac´ı roku 1897 sestrojil bezdr´atov´ y telegraf, byl konstrukt´er rusk´eho n´amoˇrnictva 1900 - Alexander Popov (18591906). Pˇri prvn´ım vys´ıl´ an´ı vzdal poctu skuteˇcn´emu otci r´adia – prvn´ı slova jeho pˇren´ aˇsen´e zpr´ avy znˇela Heinrich Hertz“. Vrcholem jeho experiment˚ u bylo ” vys´ıl´ an´ı mezi bˇrehem a lodˇemi ve Finsk´em z´alivu v roce 1900, kdy se mu podaˇrilo dos´ ahnout spojen´ı na vzd´ alenost mnoha des´ıtek kilometr˚ u. Ani Popov si telegraf nenechal patentovat. 1901 Marconi - v´ıtˇ ez Ital Guglielmo Marconi (1874-1937) viz obr´azek 7 pracoval na postupn´em vylepˇsov´ an´ı Hertzovy techniky, kdy se mu podaˇrilo zvyˇsovat dosah vys´ılaˇce z metr˚ u na kilometry. Roku 1896 si nechal patentovat bezdr´atov´ y telegraf. V prosinci 1901 se Marconimu podaˇrilo u ´spˇeˇsnˇe pˇren´est p´ısmeno ”S”pˇres Atlantik (3380 km, 25 kW, 328 kHz). Obratem si zajistil pro sebe veˇsker´a moˇzn´a pr´ava a zaˇcal v t´eto oblasti u ´spˇeˇsnˇe podnikat. Jeho firma mˇela vyhrazen´e vys´ıl´an´ı z lod´ı, kter´e

4

Obr´ azek 7. Guglielmo Marconi

Obr´ azek 8. Marconiho stanice

nesmˇely m´ıt vlastn´ı stanice a telegrafisty a musely si je od Marconiho pronaj´ımat. V roce 1909 obdrˇzel Nobelovu ceny za fyziku. [2] D´ ale n´ asleduje struˇcn´ y pˇrehled dalˇs´ıch v´ yznamn´ ych historick´ ych miln´ık˚ u bezdr´ atov´e komunikace. – 1884 - Paul Nipkow (Nˇemecko) si patentuje kotouˇc s otvory uspoˇr´adan´ ymi ve spir´ ale, pomoc´ı kter´eho se obraz rozkl´adal na ˇr´adky sloˇzen´e z jednotliv´ ych bod˚ u obrazu. – 191x - Rozvoj AM vys´ıl´ an´ı. – 1918 - E. Armstrong - myˇslenka superheterodynu (moˇznost ˇsirokop´asmov´ ych FM). – 1924 - J. L. Baird (Velk´a Brit´anie) pˇrenos obrazu malt´ezsk´eho kˇr´ıˇze na vzd´ alenost 2,5 m; US policie - prvn´ı mobiln´ı komunikace. – 1926 - Velk´ a Brit´ anie - prvn´ı experiment´aln´ı TV vys´ıl´an´ı. – 1927 - Velk´ a Brit´ anie - prvn´ı pokusy s barevnou televiz´ı a stereoskopickou televiz´ı. – 1929 - Velk´ a Brit´ anie - pravideln´eho vys´ıl´an´ı mechanick´e televize na vln´ach BBC. – 1931 - Zah´ ajen´ı pokusn´eho vys´ıl´an´ı mechanick´e televize v Moskvˇe. – 193x - Poˇc´ atky komerˇcn´ıho vys´ıl´an´ı FM. – 194x - Rozvoj mikrovln´ ych technologi´ı (radary x GHz). – 1947 - Objev tranzistoru (William Bradford Shockley). ˇ – 1953 - Zah´ ajen´ı pravideln´eho zkuˇsebn´ıho vys´ıl´an´ı Ceskoslovensk´ e televize z Petˇr´ına. – 1955 - V´ ystavba 1. televizn´ıho vys´ılaˇce Ostrava-Hoˇst’´alkovice. – 1957 - Vypuˇstˇen´ı Sputniku 1 - prvn´ı komunikaˇcn´ı druˇzice; retranslaˇcn´ı spojen´ı Praha - Ostrava, Ostrava - Bratislava. ˇ – 195x - Rozhlasov´e vys´ıl´ ani FM v CSR. – 197x - Implementace mikroprocesor˚ u do pˇrij´ımaˇc˚ u. ˇ – 1974 - Zah´ ajen zkuˇsebn´ı provoz CSR pozemn´ı stanice druˇzicov´ ych spoj˚ u. – 1978 - Prvn´ı buˇ nkov´ y komunikaˇcn´ı syst´em - Chicago. – 1979 - Nippon Telegraph and Telephone (NTT) - prvn´ı buˇ nkov´ y komunikaˇcn´ı syst´em (Japonsko).

5

– – – – – – – – – –

2

1991 1993 1998 1999 199x 2001 2002 2003 201x 2011

-

GSM (Evropa). DECT (Evropa); prvn´ı SMS (Nokia). Iridium - glob´ aln´ı telefonn´ı syst´em. Bluetooth; GPRS. Koncepce softwarov´eho r´adia. Prvn´ı 3G s´ıt’ (Japonsko). Prvn´ı priv´ atn´ı WLAN s´ıtˇe (USA). WCDMA 3G s´ıtˇe (Evropa). Koncepce kognitivn´ıho r´adia. Pˇrechod k digit´ aln´ımu TV vys´ıl´an´ı, vypnut´ı analogov´ ych vys´ılaˇc˚ u.

Dˇ elen´ı kmitoˇ ctov´ eho spektra, kmitoˇ ctov´ y pˇ r´ıdˇ el

V´ ybˇer pracovn´ı frekvence je z pohledu ˇs´ıˇren´ı elektromagnetick´ ych vln i z pohledu konkr´etn´ı radiokomunikaˇcn´ı sluˇzby zcela z´asadn´ı. Je nepsan´ ym pravidlem, ˇze n´ arodn´ı frekvenˇcn´ı spektrum je ve sv´e podstatˇe pˇr´ırodn´ım bohatstv´ım“, se ” kter´ ym je nutno obezˇretnˇe hospodaˇrit. 2.1

Legislativn´ı org´ any spravuj´ıc´ı kmitoˇ ctov´ e spektrum

V celosvˇetov´em mˇeˇr´ıtku je frekvenˇcn´ı spektrum mezin´arodnˇe koordinov´ano. Tuto funkci zauj´ım´ a Mezin´ arodn´ı telekomunikaˇcn´ı unie ITU (International Telecommunication Union), jej´ımˇz hlavn´ım u ´kolem je efektivnˇe pˇridˇelovat kmitoˇctov´e spektrum, definovat sluˇzby, kter´e lze v pˇridˇelen´em spektru pouˇz´ıvat a v neposledn´ı ˇradˇe tak´e definuje maxim´aln´ı povolen´e vys´ılac´ı v´ ykony. V r´amci urˇcit´ ych studijn´ıch skupin ITU vyd´ av´a pravidla a doporuˇcen´ı pro telekomunikace. Z hlediska ˇs´ıˇren´ı elektromagnetick´ ych vln je kl´ıˇcov´a skupina ITU-R (ITU- Radiocommunication Sector ) SG3 (Radio Propagation). Doporuˇcen´ı ITU-R vznikaj´ı na z´ akladˇe ˇsirok´e mezin´ arodn´ı spolupr´ace, proto jsou mezin´arodnˇe uzn´av´ana. Na Evropsk´e u ´rovni p˚ usob´ı dalˇs´ı v´ yznamn´a organizace ETSI (European Telecomunications Standards Institute). V Americe pak FCC (Federal Communications Commission). Na n´ arodn´ı u ´rovni zaˇstit’uje funkci spr´avce frekvenˇcn´ıho spektra a regul´atora ˇ y telekomunikaˇcn´ı u ˇ U ´ (Cesk´ u ´ˇrad CT ´ˇrad ). Ten rozdˇeluje frekvenˇcn´ı spektrum a s t´ım i pˇridˇeluje patˇriˇcn´e radiokomunikaˇcn´ı sluˇzby na z´akladˇe mezin´arodn´ıho ˇ U ´ se skl´ad´a z Odboru spr´ koordinaˇcn´ıho pl´ anu ITU. CT avy kmitoˇctov´eho spektra (SKS) a Odboru st´ atn´ı inspekce radiokomunikac´ı. Odbor spr´avy kmitoˇctov´eho spektra pl´ anuje kmitoˇcty, vyd´av´a povolen´ı ke zˇr´ızen´ı a provozov´an´ı vys´ılac´ıch r´ adiov´ ych stanic. Odbor st´ atn´ı inspekce radiokomunikac´ı prov´ad´ı kontrolu dodrˇzov´an´ı povolovac´ıch podm´ınek, kontrolu obsazenosti kmitoˇctov´eho spektra a zjiˇst’ov´an´ı ˇ U ´ ruˇs´ıc´ıch nebo nepovolen´ ych r´adiov´ ych stanic. Pro kontroln´ı ˇcinnost m´a CT ˇ k dispozici dvˇe pevn´ a kontroln´ı mˇeˇric´ı stˇrediska s nepˇretrˇzitou sluˇzbou v Cech´ ach a na Moravˇe (KMS Tehov a KMS Karlovice) a dvˇe kontroln´ı mˇeˇric´ı stˇrediska vybaven´ a mˇeˇric´ımi vozy (KMS Vestec a KMS Brno). [3, 4]

6

Radiokomunikaˇ cn´ı sluˇ zba je definov´ana jako vys´ıl´an´ı, pˇrenos a pˇr´ıjem r´adiov´ ych vln ke specifick´ ym telekomunikaˇcn´ım u ´ˇcel˚ um. Jsou definov´any tˇri z´akladn´ı typy pozemn´ıho r´ adiov´eho spoje: – Pevn´ a sluˇzba (spoj typu bod-bod). – Pozemn´ı pohybliv´ a sluˇzba (mobiln´ı spoj mezi pevnou a mobiln´ı pozemn´ı stanic´ı nebo mezi mobiln´ımi stanicemi navz´ajem). – Rozhlasov´ a sluˇzba (spoj bod-plocha) napˇr. televize a rozhlas. 2.2

Z´ akladn´ı rozdˇ elen´ı z´ aˇ ren´ı

Elektromagnetick´e z´ aˇren´ı lze dˇelit do nˇekolika n´asleduj´ıc´ıch skupin: – – – – – –

R´ adiov´ e – 10 kHz aˇz 300 GHz (mikrovlnn´e z´aˇren´ı 3 - 300 GHz). ˇ – 300 GHz aˇz 400 THz. Infraˇ cerven´ e (IC) Viditeln´ e – 380 aˇz 750 THz – z´aˇren´ı, na kter´e je citliv´e lidsk´e oko. Ultrafialov´ e (UV) – 8.1014 aˇz 3,4.1016 Hz – z´aˇren´ı o vysok´e energii. Rentgenov´ e (RTG) – 3.1016 aˇz 6.1019 Hz. Gama (γ) – 2,4.1018 aˇz 1024 Hz – radioaktivn´ı a jadern´e dˇeje.

Obr´ azek 9. Dˇelen´ı spektra z´ aˇren´ı

R´ adiov´ ymi vlnami naz´ yv´ ame elektromagnetick´e vlnˇen´ı v kmitoˇctov´em p´asmu 10 kHz aˇz 300 GHz, kter´e se ˇs´ıˇr´ı voln´ ym prostorem. Je zˇrejm´e, ˇze sestaven´ı frekvenˇcn´ıho pl´ anu a jeho ratifikaci ˇclensk´ ymi zemˇemi pˇredb´ıhaj´ı nˇekolikalet´a pˇr´ıpravn´ a jedn´ an´ı. V´ yhoda vlastnictv´ı kmitoˇctov´eho pˇr´ıdˇelu spoˇc´ıv´a v mezin´arodn´ım pr´ avu na ochranu tohoto kmitoˇctu pˇred ruˇsen´ım jin´ ymi vys´ılac´ımi stanicemi. Doc´ılit mezin´ arodnˇe platn´e zmˇeny v d˚ usledku poˇzadovan´e zmˇeny stanoviˇstˇe vys´ılaˇce, v´ yˇsky ant´eny, zisku, vyzaˇrovac´ıho diagramu apod. je velmi zdlouhav´a z´ aleˇzitost. V t´eto souvislosti se hovoˇr´ı o v´ yznamn´ ych frekvenˇcn´ıch pl´anech WaRC (World Administrative Radio Conference): – – – – –

Stockholm 1961 VKV/UKV vys´ıl´an´ı v Evropˇe, ˇ Zeneva 1975 DV/SV rozhlasov´e vys´ıl´an´ı v Evropˇe, ˇ Zeneva 1984 FM VKV rozhlasov´e vys´ıl´an´ı v Evropˇe, Wiesbaden 1995 T-DAB rozhlasov´e vys´ıl´an´ı v Evropˇe, ˇ Zeneva 2006 pˇridˇelen´ı kmitoˇct˚ u DVB-T ve III. TV p´asmu.

7

V roce 1992 se WaRC pˇrejmenoval na WRC. Posledn´ı konferenc´ı WRC-12 ˇ (World Radiocommunication Conference 12 ) poˇr´adalo ITU-R v Zenevˇ e 02/2012. Zde bylo provedeno kmitoˇctov´e pl´anov´an´ı do kmitoˇctu 3000 GHz, ˇreˇsena byla tak´e ot´ azka digit´ aln´ı dividendy, leteck´eho provozu, navigace Galileo a softwarov´eho a kognitivn´ıho r´ adia. Dalˇs´ı konference je pl´anov´ana na rok 2015 (WRC15) v Mexiku. Z´ akladn´ı dˇelen´ı r´ adiov´ ych vln podle jejich d´elky je d´ano Radiokomunikaˇcn´ım ˇ ˇra ´dem, Zeneva 1990 formou tabulky 1. Uveden´e zkratky maj´ı sv´e obdoby v ˇcesk´em n´ azvoslov´ı (LF ≈ DV, MF ≈ SV, HF ≈ KV, VHF ≈ VKV, UHF ≈ UKV atd.). Tabulka 1. Detailn´ı rozdˇelen´ı frekvenˇcn´ıch p´ asem ˇ ZkratkaAnglick´ y n´ azev Cesk´ y n´ azev P´ asmo D´ elka vlny ELF Extremely Low Frequncy Extr´emnˇe dlouh´e vlny3 mHz - 3 kHz1000 - 100 km VLF Very Low Frequncy Velmi dlouh´e vlny 3 - 30 kHz 100 - 10 km LF Low Frequncy Dlouh´e vlny 30 - 300 kHz 10 - 1 km MF Medium Frequncy Stˇredn´ı vlny 0.3 - 3 MHz 1 - 0,1 km HF High Frequncy Kr´ atk´e vlny 3 - 30 MHz 100 - 10 m VHF Very High Frequncy Velmi kr´ atk´e vlny 30 - 300 MHz 10 - 1 m UHF Ultra High Frequncy Ultra kr´ atk´e vlny 0.3 - 3 GHz 100 - 10 cm SHF Super High Frequncy Super kr´ atk´e vlny 3 - 30 GHz 10 - 1 cm EHF Extremely High FrequncyExtr´emnˇe kr´ atk´e vlny 30 - 300 GHz 10 - 1 mm

Kromˇe kmitoˇctov´eho dˇelen´ı ITU dle tabulky 1 se tak´e pouˇz´ıv´a dˇelen´ı dle Standardu 521 IEEE z roku 2002 (viz tabulka 2). 1 Tabulka 2. Dˇelen´ı frekvenˇcn´ıho p´ asma dle 521 IEEE 2002 Zratka UHF L S C X Ku K Ka V W mm

Rozsah kmitoˇ ct˚ u 0,3 · · · 1 GHz 1 · · · 2 GHz 2 · · · 4 GHz 4 · · · 8 GHz 8 · · · 12 GHz 12 · · · 18 GHz 18 · · · 27 GHz 27 · · · 40 GHz 40 · · · 75 GHz 75 · · · 110 GHz 110 · · · 300 GHz

1 Pro zaj´ımavost: dalˇs´ı moˇzn´e dˇelen´ı frekvenˇcn´ıho spektra napˇr´ıklad nab´ız´ı i organizace NATO.

8

ˇ U ´ vyhl´aˇsku zvaNa u ´rovni st´ atn´ı legislativy kaˇzdoroˇcnˇe vyd´av´a org´an CT nou VO-R (Vˇseobecn´e opr´ avnˇen´ı k vyuˇz´ıv´an´ı r´adiov´ ych kmitoˇct˚ u a k provozov´ an´ı zaˇr´ızen´ı kr´ atk´eho dosahu), kter´a upravuje rozvrˇzen´ı kmitoˇctov´eho spektra na n´ arodn´ı u ´rovni. VO-R obsahuje detailn´ı informace o kmitoˇctov´ ych segmentech, jejich pouˇzit´ı, maxim´aln´ım povolen´em vyz´aˇren´em v´ ykonu, druhu pro´ vozu, obsazenosti kan´ alu v ˇcase a dalˇs´ı doplˇ nkov´e informace. Uvodn´ ı ustanoven´ı konkr´etnˇe ˇr´ık´ a: Podm´ınky provozov´ an´ı pˇr´ıstroj˚ u vztahuj´ıc´ı se na vyuˇz´ıv´ an´ı r´ adiov´ych kmitoˇct˚ u a provozov´ an´ı vys´ılac´ıch r´ adiov´ych zaˇr´ızen´ı kr´ atk´eho dosahu (d´ ale jen stanice“) fyzick´ymi nebo pr´ avnick´ymi osobami (d´ ale jen uˇzivatel“) ” ” stanov´ı z´ akon a toto vˇseobecn´e opr´ avnˇen´ı. Pˇr´ıklad aktu´aln´ı vyhl´aˇsky ˇc. VOR/10/04.2012-7 je na obr´ azku 10. [5]

Obr´ azek 10. Uk´ azka tabulky VO-R/10/04.2012-7

Tabulka 3 uv´ ad´ı struˇcn´ y pˇrehled v´ yznamn´ ych bezdr´atov´ ych syst´em˚ u a jejich zaˇclenˇen´ı do frekvenˇcn´ıch p´ asem. [6] 2.3

ISM p´ asma

Velmi ˇcasto sl´ ych´ av´ ame o bezdr´atov´ ych syst´emech pracuj´ıc´ıch v tzv. ISM p´asmu. Kmitoˇctov´e p´ asmo ISM (Industrial, Scientific and Medical) je mezin´arodnˇe rezervov´ ano pro bezdr´ atov´e komunikace pro potˇreby pr˚ umyslu, zdravotnictv´ı a dalˇs´ı vˇedecko-v´ yzkumn´e aktivity. R´adiov´ y provoz v ISM tak´e podl´eh´a pravidl˚ um definovan´ ych ve VO-R (strana 7). Jelikoˇz nen´ı tˇreba pro pouˇzit´ı ISM kmitoˇctov´ ych p´asem ˇz´adn´a licence, jsou tyto kmitoˇcty volnˇe dostupn´e pro kohokoliv. Tomu tak´e odpov´ıd´a obsazenost

9

Tabulka 3. Bezdr´ atov´e syst´emy a jejich frekvenˇcn´ı oblasti buˇ nkov´ e syst´ emy GSM-900 Global System for Mobile Communication GSM-1800 Global System for Mobile Communication GSM-R GSM–Railway UMTS (FDD) Universal Mobile Telecommunications System LTE Long Term Evolution TETRA Trunked radio TETRAPOL Trunked radio

datov´ e bezdr´ atov´ e s´ıtˇ e WLAN Wireless Local Area Network WiMAX Bluetooth Zigbee

Worldwide Interoperability for Microwave Acc. PAN network PAN network

navigace GPS Galileo

Global Positioning System

identifikace FRID Radio-Frequency Identification

rozhlasov´ e a televizn´ı vys´ıl´ an´ı FM analogov´e vys´ıl´ an´ı v p´ asmu VKV DAB Digital Audio Broadcasting DVB-T DVB-S

Digital Video Broadcasting - Terrestrial Digital Video Broadcasting - Satellite

radary SRR ACC policejn´ı

Automotive Short Range Radar Adaptive Cruise Control Radar Ramer 7M

880 · · · 960 MHz 1.71 · · · 1.88 GHz 876 · · · 974 MHz 1.92 · · · 2.17 GHz 0.8, 0.9, 1.8, 2.6 GHz 380 · · · 480 MHz 806 · · · 870 MHz 380 · · · 430 MHz 440 · · · 490 MHz

2.4 · · · 2.485 GHz 5.18 · · · 5.7 GHz 2.3, 2.5 a 3.5 GHz 2.4 · · · 2.483 GHz 868 MHz

1.176, 1.227, 1.575 GHz 1.176, 1.207, 1.278 a 1.75 GHz

13.56, 868 MHz 2.45, 5 GHz

87.5 · · · 108 MHz 174 · · · 240 MHz 1.452 · · · 1.492 GHz 470 · · · 790 MHz 10.7 · · · 12.75 GHz

24, 79 GHz 77 GHz 34 GHz

10

ODKAZY

voln´ ych kmitoˇct˚ u a s t´ım souvisej´ıc´ı vz´ajemn´e ruˇsen´ı provozovan´ ych syst´em˚ u. Struˇcn´ y pˇrehled ISM p´ asem je uveden v tabulce 4. ˇ (kurz´ıvou p´ Tabulka 4. Pˇrehled ISM p´ asem v CR asma na povolen´ı) 6.765 · · · 40.66 · · · 2.400 · · · 61.000 · · ·

3

6.795 MHz 40.70 MHz 2.500 GHz 61.500 GHz

13.553 · · · 433.05 · · · 5.725 · · · 122.0 · · ·

13.567 MHz 434.79 MHz 5.875 GHz 123.0 GHz

26.957 · · · 902.0 · · · 24.000 · · · 244.0 · · ·

27.283 MHz 928.0 MHz 24.250 GHz 246.0 GHz

Z´ avˇ er

Tento ˇcl´ anek prezentuje struˇcn´ yu ´vod do problematiky bezdr´atov´e komunikace. Vznikaj´ıc´ı skriptum pˇredmˇetu Radiokomunikaˇcn´ı technika popisuje z´akladn´ı principy r´ adiov´e komunikace od jeho historick´eho poˇc´atku aˇz k souˇcasn´ ym modern´ım radio-komunikaˇcn´ım technologi´ım.

Odkazy 1 GUSTRAU, Frank. RF and microwave engineering : fundamentals of wireless communications. ChichesterHoboken, N.J : Wiley, 2012. ISBN 978-1-1199517 1-1. 2 HUANG, Yi; BOYLE, Kevin. Antennas from Theory to Practice. United Kingdom : Wiley, 2008. ISBN 978-0-470-51028-5. ˇ 3 ZALUD, V´ aclav. Modern´ı radioelektronika. Praha : BEN, 2000. ISBN 80-8605647-3. ˇ ˇ Josef. Modern´ı radiotechnika. Praha : BEN, 2006. 4 ZALUD, V´ aclav; DOBES, ISBN 80-7300-132-2. ˇ U. ´ Vˇseobecn´e opr´ 5 CT avnˇen´ı k vyuˇz´ıv´ an´ı r´ adiov´ych kmitoˇct˚ u a k provozov´ an´ı zaˇr´ızen´ı kr´ atk´eho dosahu ˇc. VO-R/10/04.2012-7. 2012. Dostupn´ y z WWW: h i. 6 CARR, J.J. Practical Antenna Handbook. 2000. ISBN 0-07-138931-8.

Podˇ ekov´ an´ı V´ ystup vznikl v r´ amci projektu OP VK ˇc´ıslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Spoleˇcn´e ˇ aktivity VUT a VSB-TUO pˇri vytv´ aˇren´ı obsahu a n´ aplnˇe odborn´ych akreditovan´ych kurz˚ u ICT.

Výuková souprava pro přenos binárních signálů přes jednovidové a mnohovidové optické vlákno Prof. Ing. Miloslav Filka, CSc. Ústav Telekomunikací, VUT v Brně. [email protected]

Abstrakt V rámci inovování laboratorních úloh v bakalářském předmětu BPRM (přenosová média) na Ústavu Telekomunikací VUT byla pořízena souprava pro přenos binárních signálů přes jednovidové i mnohovidové vlákno. Tento článek popisuje princip činnosti těchto souprav a navrhnutí nové úlohy. Dále je popsán princip činnosti útlumového článku a opakovače. Klíčová slova: Optické vlákno, opakovač, útlumový článek, multiplexer

1

Úvod.

Výhody optického přenosu lze s výhodou uplatnit v provozech, kde indukce napětí do metalického vedení může způsobit rušení přenosu nebo může v případě výbojů hrozit i destrukce zařízení. Přenos po optickém vlákně zajišťuje galvanické oddělení obou komunikujících stran. Datový přenos po optických vláknech rovněž umožňuje překlenutí podstatně delších vzdáleností v porovnání s metalickým vedením. Výhod optických vláken se využívá nejen v oblasti telekomunikační techniky, ale také v průmyslovém odvětví. Příkladem je přístroj ELO představený v tomto článku.

2

Souprava pro přenos MM vláknem

Ovládací pult je propojen na pětici binárních vstupů multiplexeru ELO E205 a ovládá stavy vstupů jednotlivých kanálů. Změna úrovní těchto vstupů se provádí pěti přepínači CH1 – CH5. V klidu (poloha přepínačů 0) je vstupní kontakt rozpojen a přenášena log. 0. V aktivním stavu (přepínače v poloze 1) je přenášena log. 1. Tento aktivní stav je indikován příslušnou zelenou LED na ovládacím pultu. Napájení vstupů je indikováno žlutou LED [1]. Indikační pult je připojen na pětici binárních výstupů multiplexeru ELO E206 a indikuje stavy jednotlivých kanálů. Pokud je výstup v aktivním stavu (sepnuto), svítí příslušná červená LED. Tento stav odpovídá sepnutému přepínači (poloha 1) na ovládacím pultu. V dolní části pultu je žlutá LED, která indikuje platnost výstupních signálů [1]. Multiplexer ELO E205 slouží k přenosu vstupních stavů přes optickou linku. Stavy všech pěti vstupů pravidelně vzorkuje, balí do datového rámce, který je opatřen kontrolními bity a ten vysílá optickým vysílačem do MM optického vlákna. Stavy vstupních signálů jsou opět indikovány zelenými LED na čelním panelu multiplexeru. Demultiplexer ELO E206 kontroluje správnost přijatých datových rámců z optické trasy, dekóduje tyto rámce a stavy jednotlivých kanálů předává na binární výstupy. Na čelním panelu demultiplexeru jsou tyto stavy indikovány červenými LED. Dále je podle kontrolních bitů indikována správnost přijetí datového rámce. Pokud datový rámec není přijat nebo je přijat s chybou, rozsvítí se LED „Rx Err“, přičemž výstupy zůstanou v posledním platném stavu. Pokud do 2 sekund nepřijde platný rámec, všechny výstupy přejdou do klidového stavu (rozepnuto) [1]. Dva napěťové adaptéry 12 V/0,5 A slouží k napájení celé MM soupravy. Jeden napájí vstupní část a druhý výstupní část. Odběr celé soupravy je do cca 0,3 A. Vstupní s výstupní částí soupravy je propojena 1 m dlouhým optickým MM kabelem se skleněným vláknem 50/125 μm pro vlnové délky 800 – 1300 nm, opatřeným bajonetovými konektory typu ST [1].

V rámci nové laboratorní úlohy byl navrhnut následující postup: Zadání úlohy:. 1. Seznamte se s výukovou soupravou. 2. Zkontrolujte, zda je optický kabel připevněn k oběma multiplexorům a zda je pultík s indikátory binárních vstupů zapojen do vysílače ELO E205 a pultík s indikátory binárních výstupů zapojen do přijímače ELO E206. 3. Zkontrolujte oba napájecí adaptéry, jestli jsou v zásuvce. 4. Vyzkoušejte si přenos signálů pomocí tlačítek na pultíku s binárními vstupy. Seznam Součástek:.       

pultík ovládání a indikace pěti binárních vstupů. vysílač 5 binárních signálů na MM/ST optické vlákno ELO E205. 1 m mnohovidové optické vlákno 50/125 μm s ST konektory. přijímač 5 binárních signálů z MM/ST optického vlákna ELO E206. pultík indikace binárních výstupů. 2 kusy napájecí adaptér 230V AC/12 V DC. vše upevněno na cca 0,5 m liště DIN 35 mm.

Obr. 1. Sestavená výuková souprava pro přenos binárních signálů přes MM optické vlákno [1].

2.1

Překlenutelná vzdálenost

Mnohovidová optická souprava má překlenutelný útlum min. 4,2 dB. Použitý typ MM optického vlákna 50/125 μm s gradientní změnou indexu lomu má měrný útlum 2,7 dB/km. Z toho vyplývá, že max. délka optického kabelu neboli max. překlenutelná vzdálenost vstupní a výstupní části soupravy je 1,5 km. Když budeme počítat útlum konektorů 0,5 dB na jeden konektor, a při rezervě systému cca 5 dB bude maximální útlum kolem 6 dB [2].

3

Souprava pro přenos SM vláknem

Ovládací pult je propojen na čtveřici RS232 vstupů multiplexeru ELO E248 TRANSMITTER zapojených jako binární vstupy a ovládá stavy jednotlivých kanálů. Změna úrovní těchto vstupů se provádí čtyřmi přepínači CH1 – CH4. V klidu (poloha přepínačů 0) je vstupní kontakt rozpojen a v datovém rámci přenášena log. 1. V aktivním stavu (přepínače v poloze 1) je datovým rámcem přenášena log. 0 příslušného kanálu. Tento aktivní stav je indikován zelenou LED na ovládacím pultu [1]. Indikační pult je připojen na čtveřici RS232 výstupů multiplexeru ELO E248 RECEIVER a indikuje výstupní stavy jednotlivých kanálů. Pokud je výstup v aktivním stavu, svítí příslušná červená LED. Tento stav odpovídá sepnutému přepínači (poloha 1) příslušného kanálu na ovládacím pultu. Multiplexer ELO E248 TRANSMITTER slouží k přenosu vstupních stavů přes optickou linku. Stavy všech čtyřech vstupů pravidelně vzorkuje, balí do datového rámce, který vysílá optickým vysílačem Tx do SM optického vlákna. Optický vstup Rx se nevyužívá. Při aktivním stavu alespoň na jednom kanálu se rozsvítí žlutá LED Tx/Rx na multiplexeru [1]. Opakovač ELO E248 REPEATER slouží k zesílení a k regeneraci optického signálu a tudíž k překlenutí velké vzdálenosti koncových zařízení nasimulované útlumovými články. Optický signál se přijímá vláknem Rx, smyčkou na metalickém rozhraní se vrací zpět a zesílen se vysílá vláknem Tx. Pokud se přenáší alespoň jeden aktivní signál ze čtveřice kanálů, svítí žlutá LED Tx/Rx. Zelená LED LINK svítí v případě přítomnosti signálu na optickém vstupu Rx od multiplexeru ELO E248 TRANSMITTER [1]. Multiplexer ELO E248 RECEIVER přijímá optický signál z ELO E248 TRANSMITTER nebo REPEATER na optický vstup Rx a stavy jednotlivých kanálů vystupuje na metalické rozhraní směrem k indikačnímu pultu. Výstup Tx se nevyužívá. Pokud se přijímá alespoň jeden aktivní signál ze čtveřice kanálů, svítí žlutá LED Tx/Rx. Zelená LED LINK svítí v případě přítomnosti signálu na optickém vstupu Rx [1]. Tři napěťové adaptéry 12 V/0,5 A slouží k napájení jednotlivých multiplexerů. Odběr celé soupravy je kolem 0,3 A. Dva kusy 5 m optický kabel s proměnným útlumovým článkem slouží k propojení ELO E248 TRANSMITTERU s ELO E248 RECEIVEREM buď přímo pomocí optické spojky SC/SC nebo přes vložný ELO E248 REPEATER. SC - SC optická spojka slouží ke spojení obou kabelů s proměnným útlumovým článkem pro přímé propojení TRANSMITTERU s RECEIVEREM [1].

Obr. 2. Sestavená výuková souprava pro přenos binárních signálů přes SM optické vlákno s proměnným útlumovými články [1].

1. ČÁST SM soupravy se provede bez opakovače. Je zde znázorněno zapojení přes optickou spojku, jejíž útlum by měl být méně než 0,2 dB. Ke správné funkci obou multiplexerů musí být vzdálený vysílač připojen k přijímači místního, a vzdálený přijímač musí být připojen k místnímu vysílači (vlákna se kříží), to znamená, že musí být Tx zapojeno do Rx a naopak. V základním stavu je přímo propojen TRANSMITTER s RECEIVEREM bez zapojeného REPEATERU. Vyzkouší se korektní přenos stavů jednotlivých kanálů vizuálně na indikačních LED pultů, příp. i na tělech multiplexorů [1]. Plynulým otáčením ovládací matice se zvyšuje útlum na obou kabelech současně do stavu, kdy nastanou chyby v přenosu signálu (přestane svítit LED LINK na těle RECEIVERU, příp. výstupní stavy kanálů přestanou odpovídat vstupním stavům) [1]. SM optická souprava má překlenutelný útlum min. 16dB. Použitý typ SM optického vlákna 9/125 μm má měrný útlum 0,35 dB/km. Z toho vyplývá, že max. délka optického kabelu neboli max. překlenutelná vzdálenost vstupní a výstupní části soupravy je přes 40km. Tato vzdálenost ovšem v praxi nebývá realizována jedním celistvým vláknem, ale pospojováním několikakilometrových (do 6km) úseků. Konektorový spoj může mít vložený útlum až 1dB. Pak se započtením i 3dB bezpečnostního limitu lze uvažovat s reálným dosahem cca do maximálně 16km. Použité optické kabely s útlumovými články mohou do cesty optickému signálu vložit útlum 2x 0,5 – 28dB, tj. přes 56dB, což by odpovídalo délce celistvého vlákna přibližně 160km [2]. Princip útlumového článku a postup práce se soupravou. Optický kabel s proměnným útlumovým článkem je klasické skleněné SM vlákno 9/125 μm zakončené konektory SC. Proměnný útlum je dosahován oddalováním/přibližováním přerušeného vlákna, jehož konce mají navíc podélný offset (longitudinal offset) – středy vláken nejsou v ose [1].

Obr. 3. Řez optickým útlumovým článkem [1].

Vysvětlivky: 4 – převlečná matice 14 – osa vnitřní válcové koncovky 5 – kryt s vnějším závitem 15 – vnitřní válcová koncovka 6 – vyčnívající válcová koncovka 18 – vodicí objímka 8 – podélná osa koncovky 6 9 – adaptér s vnitřním závitem 12 – upínací pouzdro vymezující offset podélných 2. ČÁST SM soupravy se skládá i s opakovačem, kde odpojíme SC - SC optickou spojku a do cesty optického signálu se zařadí REPEATER. Příslušné kontrolky LINK a Tx/Rx by se měly rozsvítit a stavy vstupů a výstupů ztotožnit.

Pomocí opakovače je optický signál přijímán vláknem Rx, pomocí smyčky (loopback) RS232 se signál vrací zpět a pomocí jeho zesílení se signál vysílá přes vlákno Tx do přijímače na vlákno Rx. Vlákna se musí křížit jinak by došlo ke kolizi a nebylo by možné přijat signál. Pro přesnější měření by bylo potřeba reflektometr OTDR, který by naměřil přesně hodnoty. V rámci nové laboratorní úlohy byl navrhnut následující postup: Zadání úlohy: 1. Seznamte se s výukovou soupravou. 2. Ujistěte se, zda jsou všechny části na svém místě (seznam níže). 3. Zkontrolujte, zda je ovládací pult zapojen do vysílače a indikační pult do přijímače. 4. V první části nebude zapojen opakovač (REPEATER), namísto něho se použije optická spojka. 5. Ve druhé části se namísto spojky zapojí opakovač. 6. Zjistěte rozdíl mezi optickou spojkou a opakovačem. 7. Zkuste si změřit obě dvě části reflektometrem OTDR. Seznam součástek:         

ovládací pult s indikací – 4x spínače binární signál. vysílač binary IN/SM OUT – ELO E248 TRANSMITTER. opakovač optického signálu – ELO E248 REPEATER. přijímač SM IN/binary OUT – ELO E248 RECEIVER. napájecí adaptér 12 V/0,5 A 3ks. 2x5 m optické vlákno SM 9/125 μm s SC konektory a s proměnným útlumovým článkem 0,5 – 28 dB. SC - SC optická spojka (coupler). indikační pult – 4x výstupní binární signál. vše upevněno na cca 1 m liště DIN 35 mm.

Obr. 4. Sestavená výuková souprava pro přenos binárních signálů přes SM optické vlákno s proměnným útlumovými články a opakovačem [1].

4

ZÁVĚR:

Přenos binárních signálů po optických vláknech je čím dál více aktuální i v průmyslových aplikacích, v oborech požární a také zabezpečovací techniky, dále v oblasti automatizace. Tento článek se věnuje popisu nové laboratorní úlohy, ve které je představen produkt značky ELO. V úloze je demonstrován princip využitá optického přenosu v průmyslové aplikaci. Článek je rozdělen do dvou částí. První část je zaměřena na sestavu využívající mnohovidového optického vlákna, multiplexeru a demultiplexeru. Druhá část využívá jednovidového vlákna, navíc také útlumového článku a opakovače. Studenti si mohou vyzkoušet také proměření trasy reflektometrickou metodou OTDR (Optical Time Domain Reflectometry). Poděkování Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT. Literatura 1. elo.cz [online]. Písek: ELO+,spol. s.r.o, 2008 [cit. 2013-03-15]. Adaptéry pro optická vlákna. Dostupné z WWW: . 2. FILKA, M. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. Doc. Ing. Miloslav Filka, CSc., ISBN 978-80-86785-141, ČR, 2009

Automaty Zdenka Chmelikova, Jaroslav Zdralek VSB - Technical University of Ostrava 17. listopadu 15, 70800 Ostrava Czech Republic {zdenka.chmelikova, jaroslav.zdralek}@vsb.cz Abstract. Tento článek se věnuje popisu automatů s konečným počtem stavů pro potřeby výuky digitálních systémů. Článek klade důraz na to, že automaty jsou systémy pracující v čase a tomu i odpovídá úroveň popisu chování. Keywords: Finite state machine, automaty s konečným počtem stavů, Mealyho, FSM, Moore FSM

1

Úvod

Automat je matematický pojem a má svou definici. Jedním z jednoduchých automatů je obyčejný čítač, který každý z nás zná. Představme si čítač, který dokáže počítat auta jedoucí do garáže a ven. Výstup čítače bude odpovídat počtu aut v garáži. Auto jedoucí do garáže zvýší obsah čítače o jednu a auto vyjíždějící naopak o jednu sníží. Aby se začalo počítat od nuly, je zapotřebí na začátku čítač vynulovat. Z technického pohledu se jedná o blok, který má vstupní impulsní signál AUTO, signál DO a NUL. Když signál DO bude aktivní a auto vjede do garáže, pak čítač zvýší hodnotu o jedna a v případě neaktivnosti auto vyjíždí z garáže a hodnota čítače se sníží o jedna. Aktivní signál NUL bude čítač nulovat, v tomto případě čítač nebude počítat, ale bude mít trvale hodnotu nula bez ohledu na počet projíždějících aut. Chceme-li zahájit počítání aut, je nutno signál NUL deaktivovat. Základní signály čítače a ukázka časového průběhu je na obr. 1.

AUTO DO NUL

VYSTUP Čítač

AUTO DO NUL VYSTUP

0

1

2 čas

Fig. 1. Počítadlo aut

3

Časový průběh ukazuje situaci, kdy dochází k nulování čítače a tři auta vjely do garáže. Na časovém průběhu jsou zajímavé vyznačené oblasti, kdy vstupy do obvodu jsou stejné, ale výstup je různý. Takové chování neodpovídá definici Booleovské funkce, která je definovaná jako jednoznačné zobrazení vstupu na výstup. Jinak, pro každou stejnou kombinaci na vstupu musí mít Booleovská funkce stejný výstup. K popisu je nutno další vstupní proměnou a to čas.

AUTO DO

NUL VYSTUP

0

1

2

1

0

1

2

3

čas Fig. 2. Jiný sled aut

Zvažme, kolik existuje sekvencí v čase, jak se dostat k počtu 3 aut v garáži. Počet přechodů mezi počty 0, 1 a 2 není omezen, čili lze teoreticky sestavit nekonečný počet sekvencí aut, které vjíždějí a vyjíždějí z garáže, aby nakonec zůstala tři auta v garáži, obr. 2. Popis chování čítače jako automatu v čase je zásadně nevhodný. Po detailních rozborech se došlo k zavedení další proměnné s významem stav. Současná hodnota stavu obsahuje všechny potřebné informace, které jsou nutné k plánování budoucnosti. V našem případě je to počet aut v garáži. Tato současná hodnota stavu (počet aut v garáži) je výsledkem posloupnosti vjezdu a výjezdu aut v čase. Jaká byla předcházející hodnota nelze říci, protože nevíme, zda poslední akce byla vjezd či výjezd. Tuto informaci nikdo nepamatuje. Na základě známé hodnoty počtu aut (hodnota současného stavu) dokážeme plánovat budoucnost, když auto vjede, budeme inkrementovat, když auto vyjede, budeme dekrementovat. Jinak z pohledu digitálního systému se jedná o blok se vstupními signály AUTO, DO a NUL. Pro akci počítání nahoru se používá pojem inkrementace pro počítání dolu pojem dekrementace. Akce inkrementace a dekrementace se provádějí na základě vzestupné hrany signálu AUTO, čítač je synchronizován signálem AUTO. V praxi se dosti často používá signál CLK, clock – hodiny. Naproti tomu nulování se provádí okamžitě aktivací signálu NUL a nepotřebuje hodiny. Akce je asynchronní a má vyšší prioritu než počítání. Z pohledu reálnosti je vhodné omezit počet hodnot stavů na konečnou hodnotu. V našem případě je to maximální počet aut v garáži. A tím se dostáváme k pojmu automatu s konečným počtem stavů – FSM, Finite State Machine. Teorie FSM - automatu s konečným počtem stavů je matematický model, který se dá použít na popis chování mnoha případů v praxi. Jedná se o popis chování elektronických návrhových systémů,

chování komunikačních protokolů, rozbor syntaxe programovacího jazyka (language parsing). Z netechnických disciplín lze hovořit o popisu neurologických systémů v biologii a vědeckého popisu umělé inteligence, v lingvistice k popisu gramatiky přirozeného jazyka, [wiki_01]. FSM – automat s konečným počtem stav lze realizovat, přičemž jedna z nejznámějších realizací je sekvenční obvod nebo řídící jednotka v číslicových systémech. V tomto případě lze hovořit o hardwarové realizaci. Na druhé straně lze FSM realizovat softwarově, zápisem v programovacím jazyku. FSM – automat s konečným počtem stavů je podmnožinou Turingova stroje (Turing machine), který má mnohem větší možnosti použití pro modelování, [wiki_01]. Minimálně je to v počtu stavů. Literatura [Black_2008] uvádí, FSM – automat s konečným počtem stavů je omezený Turingův stroj, kde hlava může vykonávat pouze operaci čtení, a posouvá se pouze zleva doprava.

2

FSM – automat s konečným počtem stavů, definice

Definice FSM – automatu s konečným počtem stavů je založena na pojmech vstup, výstup, stav a zobrazeních mezi nimi. Stav neboli hodnota stavu je souhrn informací, které charakterizují minulost a umožňují plánovat budoucnost. Z pohledu času, hovoříme o současnosti, kterou charakterizujeme současným stavem, vstupem a výstupem. Zároveň plánujeme budoucnost a to následující stav. Dá se také říci, že současný stav je výsledkem sekvence vstupů v minulosti. Z hodnoty stavu se sekvence vstupů zpětně nedá určit. Této vlastnosti se říká, že stav nemá paměť, (memory less state). The state of a sequential circuit is a collection of state variables whose values at any one time contain all the information about the past necessary to account for the circuit's future behavior. Zdroj: Herbert Hellerman's book on Digital Computer System Principles, McGraw-Hill, 1997, ISBN 0070280738. Překlad: Stav sekvenčního odvodu je množina stavových proměnných, jejichž hodnota v jakémkoliv čase obsahuje všechny informace o minulosti potřebné k výpočtu (popisu) chování obvodu v budoucnosti. □ Teorie rozlišuje dvě definice FSM a to podle pánů Mealyho a Moora. Obě definice jsou matematické a mají hodně společného. Jedná se o definici symbolů, které se používají jako vstup, stav, počáteční stav a výstup. Dále jsou to dvě zobrazení, které definují následující stav a výstup. Liší se pouze v jednom zobrazení, a proto si je uvedeme ve dvou sloupcích. V literatuře je uvedeno mnoho definicí, zde vycházíme z [wiki_02] a [wiki_03]. V této definici není přímo uveden čas, ale vyplývá nepřímo z definice zobrazení pro následující stav.

   

Mealyho automat Mealy FSM je šestice (S, S0, Σ, Λ, T, G), kde S je konečná množina stavů. S0 je počáteční stav, S0 je prvek množiny S. Σ je konečná množina vstupů. Λ je konečná množina výstupů.

 T je přechodová funkce (transition function) definovaná zobrazením

   

Moorův automat Moore FSM je šestice (S, S0, Σ, Λ, T, G), kde S je konečná množina stavů S0 je počáteční stav, S0 je prvek množiny S. Σ je konečná množina vstupů. Λ je konečná množina výstupů.

 T je přechodová funkce (transition function) definovaná zobrazením

T : S × Σ → S.

T : S × Σ → S.

Zobrazení mapuje současný stav a vstup do příštího stavu.  G je výstupní funkce (output function) definovaná zobrazením

Zobrazení mapuje současný stav a vstup do příštího stavu.  G je výstupní funkce (output function) definovaná zobrazením

G : S × Σ → Λ. Zobrazení mapuje současný stav a vstup do současného výstupu.

G : S → Λ. Zobrazení mapuje současný stav do současného výstupu.

Pro správné pochopení přechodové funkce je nutno použít diskrétní čas a potom je zobrazení lépe pochopitelné. Hodnotu diskrétního času vyznačujeme jako horní index. Zobrazení T s vyznačením diskrétního času je T : Si × Σi → Si+1.

(01)

Zobrazení mapuje současné hodnoty do budoucnosti. Jedná se hlavně o stav, kdy se současný stav a současný vstup mapuje do následujícího stavu. V diskrétním čase i+1 se z následujícího stavu stává současný stav. Z toho vyplývá, že hodnota stavu mezi diskrétními body i a i+1 je konstantní a neměnná. Proto realizace FSM musí obsahovat element, který si pamatuje hodnotu současného stavu. Mealy

G: SixΣi → Λi

(02)

Moore

G: Si → Λi

(03)

Výstupní funkce jsou z pohledu diskrétního času jednoznačné, protože mapují současné hodnoty. V případě Mealyho automatu se současný stav a současný vstup mapuje do současného výstupu. V případě Moorova automatu se současný stav mapuje do současného výstupu.

3

Diskrétní čas

Diskrétní čas je opakem spojitého času. Svět kolem nás používá spojitý čas a podle fyziky jej označujeme písmenem t. Naproti tomu, diskrétní čas běžně používáme v digitálních systémech, při výpočtech v číslicovém zpracování dat. Diskrétní čas představuje body na časové ose, k jejichž označení používáme číslo. Při zevšeobecnění používáme písmeno i, které představuje současnost. Potom výraz i-1 představuje minulost a výraz i+1 budoucnost, obr. 03. 6

7

8

9

1 1

i-2 minulost

i-1

i

i+1

současnost Současný stav

i+2 budoucnost

Příští stav nebo následující stav

Fig. 3. Diskrétní čas

FSM – automat s konečným počtem stavů pracuje v čase a pro popis je použitý diskrétní čas. Pojem času je velmi důležitý při používání stavu, kdy se hovoří o současném stavu, stavu v čase i. Následující nebo příští stav je stav v čase i+1, stav který nastane v budoucnosti. Tyto formulace jsou důležité ve spojitosti s přechodovým zobrazením, které současný vstup a současný stav mapuje do následujícího stavu. U FSM – automatu s konečným počtem stavů je diskrétní čas definován dvěma způsoby a podle této definice se hovoří o synchronní nebo asynchronní realizaci. U synchronních systémů jsou body synchronního času definovány hranou hodinového signálu, který se běžně označuje jako CLK nebo CLOCK. V tomto případě lze hovořit o periodickém signálu s periodou T. V případě asynchronní realizace FSM jsou body diskrétního času definované změnou vstupu a tyto změny mohou být náhodné. Z pohledu realizace jsou synchronní systémy jednoduší a literatura doporučuje od asynchronního řešení upustit a nahradit jej synchronním. Dále se proto budeme zabývat pouze synchronními FSM.

4

Blokové schéma synchronního FSM

Blokové schéma synchronního FSM – automatu s konečným počtem stavů je základem jeho realizace a také základem k jeho popisu. Výše uvedené definice jsou matematické, a vůbec nehovoří o tom, jakým způsobem vyjádřit jednotlivá zobrazení. Tato zobrazení musí být pro člověka pochopitelná a hlavně přehledná. Jak vyplývá z definic, Mealyho a Moorův FSM se liší pouze ve výstupní funkci, tím pádem i bloková schémata se budou lišit pouze v jednom propojení bloků, obr. 04 a obr. 05.

Mealy FSM

Výstupní funkce

Přechodová funkce T

Stavový Příští stav

Vstup (současný) Clock

Registr

G Současný stav

Výstup (současný)

CLK

Pocatecni_stav (Init)

CLR

Fig. 4. Blokové schéma Mealyho FSM

Zapojení používá synchronizační hodinový signál a to značí, že hodnoty současného stavu v realizaci jsou synchronizovány. Naproti tomu hodnoty vstupů mohou a nemusí být synchronizovány. Pro další výklad předpokládejme, že vstupy budou synchronizovány, důvody pro toto řešení, které je výhodnější, budou uvedeny na konci kapitoly. Jinak se jedná o zpoždění výpočtu hodnoty následujícího stavu, který v případě hrany hodin musí být konstantní a neměnný. Praktická realizace má totiž zpoždění, a to musí být v souladu s periodou hodin. Moore FSM

Výstupní funkce

Přechodová funkce T Vstup (současný) Clock Pocatecni_stav (Init)

Stavový Příští stav

Registr

G Současný stav

Výstup (současný)

CLK CLR

Fig. 5. Blokové schéma Moorova FSM

Obě realizace jsou si velmi podobné a liší se pouze v počtu vstupů pro výstupní funkce. Jinak základem obou FSM jsou tři základní bloky:

 Stavový registr je registr, který uchovává hodnotu současného stavu. Tento registr je synchronizován hodinovým signálem „Clock“. Signál „Počáteční stav (Init)“ zajišťuje nastavení počátečního stavu na výstupu registru. Tato akce může být synchronní nebo asynchronní. Vstupem do registru je „Příští Stav“ jako výstup přechodové funkce.  Přechodová funkce T, je blok realizující zobrazení (01), které definuje výpočet „Příštího stavu“ na základě „Vstup“ a „Současného Stavu“. Z pohledu zapojení se jedná o definici Booleovské funkce a realizaci kombinačního obvodu.  Výstupní funkce G, je blok realizující zobrazení (02) nebo (03), která definují výpočet „Výstupu“. Z pohledu realizace se jedná o definici Booleovské funkce a realizaci kombinačního obvodu. Výstupní funkce definované zobrazeními (02) a (03) se liší a proto: ─ U Mealyho FSM, platí zobrazení (02), kde výstup je funkcí je „Současného stavu“ a „Vstupu“. ─ U Moorova FSM, platí zobrazení (03), kde výstup je funkcí pouze „Současného stavu“. Zde je nutné upozornit, že nejjednodušší funkce, kterou je možné navrhnout je, když „Výstup“ je roven „Současnému stavu“. Typickým příkladem jsou čítače.

5

Popis chování automatu

Popis chování je dán matematicky definicemi zobrazení (01), (02) a (03). Jedná se pouze o definici, nikoliv o to, jak tato zobrazení vyjádřit, aby byla použitelná v praxi. Proto praxe používá praktické zápisy jako je tabulkový zápis nebo stavový diagram, Petriho sítě, UML zápis nebo další formy zápisu. Za jeden z nejstarších zápisů lze považovat stavový diagram, a proto si jej detailně představíme. Základem je uzel grafu, který odpovídá stavu, a orientované hrany, které vyjadřují přechodovou funkci, obr. 06. Počátek Telefon Ne

Telefon Ano

Jsem doma

Mám zvednutý telefon

Fig. 6. Stav a přechodová funkce

Názvy stavu mohou odpovídat reálný situacím z reálného světa, např. „Jsem doma“. Pokud mi někdo zavolá, „Telefon Ano“, změním stav a přejdu do následujícího stavu „Mám zvednutý telefon“. V opačném případě „Telefon Ne“ je následující stav „Jsem doma“, prostě neměním stav. Toto jsou základní věty, jak se dá graf číst, a jak jej chápat. Výše uvedené definice hovoří o počátečním stavu S0. Je to vlastně stav, ze kterého se všechna činnost odvíjí a dává smysl. Nutno si uvědomit, že graf obsahuje více stavů a popis je nutno začít z výchozího stavu. Do počátečního stavu jde šipka s názvem vstupu, který když je aktivován, tak automat vždy přechází do tohoto počá-

tečního stavu. Přechod do počátečního stavu nemá další podmínku, nastane vždy, ať se automat nachází v jakémkoliv stavu. Mealyho a Moorův FSM se liší v definici výstupní funkce, proto se stavovými grafy pro tyto automaty zabývat odděleně. 5.1

Stavový diagram popisující chování Mealyho FSM

Základ tvoří přechodová funkce, tak jak je uvedena na obr. 07. Pouze do tohoto grafu je nutno zapracovat výstupní funkci, kde výstup je funkcí současného stavu a vstupu. Stav je uzel grafu a hodnotě vstupu odpovídá hrana, proto se výstup píše za hodnotu vstupu, a jako oddělovač použijeme znak lomítko „/“. Počátek Telefon Ne/Uč se

Telefon Ano/Zvedni Mám zvednutý telefon

Jsem doma

Fig. 7. Stavový diagram Mealyho automatu

Uvedený graf se dá vyložit velmi jednoduše, automat je v současném stavu „Jsem doma“ a vstupem je zvonění telefonu, vstup „Telefon Ano“ potom výstupem je zvednutí telefonu, výstup „Zvedni“ a následující stav je „Mám zvednutý telefon“. Druhá hrana se dá číst obdobně, v současném stavu „Jsem doma“ telefon nezvoní, vstup „Telefon Ne“ potom výstupem je např. příkaz „Uč se“ a následující stav je „Jsem doma“. 5.2

Stavový diagram popisující chování Moorova FSM

Základ tvoří přechodová funkce, tak jak je uvedena na obr. 08. Pouze do toho grafu je nutno zapracovat výstupní funkci, kdy výstup je funkci pouze současného stavu. Stav je reprezentován uzlem grafu, proto hodnotu výstupu zapíšeme do názvu stavu a jako oddělovač použijeme znak lomítko „/“.

Telefon Ano Telefon Ne

Jsem doma/ Uč se

Co dělat/ Zvedni

Mám zvednutý telefon/Hovoř

Fig. 8. Stavový diagram Moorova automatu

Opět se dá uvedený graf vyložit velmi jednoduše. Automat je v současném stavu „Jsem doma“ a výstupem je příkaz „Uč se“ a při zvonění telefonu, vstup „Telefon

Ano“ přejdi do následujícího stavu „Co dělat“. Druhá hrana ze stavu „Jsem doma“ se dá číst obdobně, v současném stavu „Jsem doma“ je výstupem příkaz „Uč se“ a při telefon nezvoní, vstup „Telefon Ne“ je následující stav „Jsem doma“. 5.3

Transformace mezi jednotlivými typy

Algoritmus transformace mezi Mealyho a Moorovým FSM neexistuje, proto je nutné se už při návrhu rozhodnout, který typ bude navrhován. Jak je vidět z ukázky, dokonce ani počet stavů nemusí být stejný. Obě výše uvedené ukázky vyjadřují akce spojené se zvednutím telefonu doma. V případě Moorova FSM je nutno použít tři stavy, abychom se dostali do stejné situace, kdy je telefon zvednutý. Přičemž přechod ze stavu „Co dělat“ do stavu „Mám zvednutý telefon“ není ničím podmíněný, to značí, že se přechod vykoná vždy, nezávisle na vstupech. Hovoříme o synchronním návrhu, který je synchronizován hodinovým signálem. V Automat bude ve stavu „Co dělat“ pouze jednu periodu hodin.

6

Ukázkové automaty

Zadání je vcelku jednoduché, navrhnout sériovou binární sčítačku. Existují dva sériové toky dat „a“ a „b“ reprezentované hodnotami log. 0 a 1. Výstupem bude sériový tok „s“, který bude odpovídat součtu vstupů „a“ a „b“. Podle principu součtu je jednoznačná podmínka, že součet se vždy vykonává od bitu LSB. Součet nelze vykonávat od bitu MSB. Počátek

11/1 00/0 01/1 10/1

Vstup lomeno výstup

2

Není přenos

01/0 10/0 11/1

Je přenos 00/1

1

4

3

Zelená barva poznámky Fig. 9. Stavový diagram sériového součtu jako Mealyho FSM

Stavový diagram pro Mealyho automat obsahuje dva stavy s významem přenosu, obr. 9. Počáteční stav je „Není přenos“ a druhý stav ve významu nastal přenos. Celé vysvětlení spočívá ve větě, kterou je nutno sestavit pro každou hranu a všechny kombinace vstupu „a“ a „b“. Ukázkové věty jsou, např.:  Automat se nachází v současném stavu „Není přenos“ a při současných vstupech „a=0“ a „b=0“ generuje výstup „0“ a přechází do následujícího stavu „Není přenos“. Věta odpovídá hraně 1. Jedná se o situaci, a + b + cin = 0 + 0 + 0 = 0, binárně, cin – vstupní přenos (carry in)

 Automat se nachází v současném stavu „Není přenos“ a při současných vstupech „a=1“ a „b=1“ generuje výstup „1“ a přechází do následujícího stavu „Je přenos“. Věta odpovídá hraně 2. Situace je 1 + 1 + 0 = 10, binárně.  Automat se nachází v současném stavu „Je přenos“ a při současných vstupech „a=1“ a „b=1“ generuje výstup „1“ a přechází do následujícího stavu „Je přenos“. Věta odpovídá hraně 3. Situace je 1 + 1 + 1 = 11, binárně. Počátek 01 nebo 10

01 nebo 10 1

00

00

Není s 0/0

11

Není s 1/1

11

01 nebo 10

2

00

Hodnota vstupu, podmínka přechodu

00

Je s 0/0

11

11 3

01 nebo 10

Je s 1/1 Název stavu lomeno výstup

Zelená barva poznámky

Fig. 10. Stavový diagram sériového součtu jako Moorův FSM

Dále si uvedeme Moorův automat se stejným zadáním, obr 10. V tomto případě je nutné definovat stavy, kdy nastal přenos do vyššího řádu v kombinaci s hodnotou výstupu 1 nebo 0. Potom zápis názvu stavu „Je s 0“ značí, že nastal přenos a výstup je 0, celý název stavu je „Je přenos s 0“. Každou hranu v grafu lze číst následně:  Automat se nachází v současném stavu s celým názvem „Není přenos s 0“ a generuje na výstupu 0 a při vstupu proměnných a, b rovno kombinaci 01 nebo 10 přechází automat do následujícího stavu s celým názvem „Není přenos s 1“. Věta odpovídá hraně 1 a vystihuje situaci, kdy a + b + cin = 1 + 0 + 0 = 1, binárně.  Automat se nachází v současném stavu „Je s 0“ a generuje výstup 0, a při vstupní kombinaci ab = 00 přechází automat do následujícího stavu „Není s 1“. Věta odpovídá hraně 2 a vystihuje situaci, kdy 0 + 0 + 1 = 1, binárně.  Automat se nachází v současném stavu „Je s 0“ a generuje výstup 0, a při vstupní kombinaci ab = 11 přechází automat do následujícího stavu „Je s 1“. Věta odpovídá hraně 3 a vystihuje situaci, kdy 1 + 1 + 1 = 11, binárně. Toto je postup, jak chápat stavový graf a jak jej vysvětlovat. Při návrhu stavového grafu je nutné zakreslovat pouze hrany a vstupy, které mají význam.

7

Tabulkový zápis chování FSM

Tabulkový zápis chování je důležitý pro manuální návrh automatu. Tento zápis se skládá ze dvou tabulek, kde každá vystihuje jednu funkci. Tabulka přechodů popisuje přechodovou funkci T (01)a tabulka výstupů odpovídá výstupní funkci G (02) a (03). Je možné tyto tabulky kreslit samo-statně, ale mnohdy se spojují v jednu, obr. 11.

Současný stav

Není přenos Je přenos

Vstup a jeho kombinace 00 01 10 11

Vstup a jeho kombinace 00 01 10 11

Oblast, kde se vypisuje následující stav, který je funkcí současného stavu a vstupu

Oblast, kde se vypisuje výstup, který je funkcí současného stavu a vstupu

Tabulka přechodů

Tabulka výstupů

Fig. 11. Tabulky pro Mealyho automat

Řádky tabulky odpovídají současnému stavu a sloupce odpovídají vstupům. Jsou zde uvedeny všechny možné kombinace pro vstupy „a“ a „b“. První část tabulky (zelená) odpovídá přechodové funkci a druhá polovina (modrá) odpovídá výstupní funkci. Počáteční stav se speciálně nevyznačuje. Počátek 11/1 00/0 01/1 10/1

Není přenos

Je přenos

01/0 10/0 11/1

00/1

Mealy FSM Není přenos Je přenos

00 není není

Vstup 01 10 není není je je

11 je je

00 0 1

Vstup 01 10 1 1 0 0

11 0 1

Fig. 12. Přepis stavové diagramu do tabulek pro Mealyho automat

Tabulka pro Moorův automat je jednodušší, protože v tomto případě výstup je funkcí pouze současného stavu.

Počátek 01 nebo 10 00

Není s 0 /0

Není s 1 /1

00

11 01 nebo 10

Je s 0/0

00

00

11

01 nebo 10

11

11

Je s 1/1

01 nebo 10

Moore FSM Není s 0 Není s 1 Je s 0 Je s 1

Vstup 00 Není s 0 Noni s 0 Není s 1 Noni s 1

01 Noni s 1 Není s 1 Je s 0 Je s 0

10 Není s 1 Noni s 1 Je s 0 Je s 0

11 Je s 0 Je s 0 Je s 1 Je s 1

0 1 0 1

Fig. 13. Přepis stavové diagramu do tabulek pro Moorův automat

8

Závěr

Tento lze považovat za úvod do problematiky automatů s konečným počtem stavů, a který přibližuje dva základní popisy chování. Stavový graf lze považovat za výchozí, velmi rozšířený. Tabulkový zápis je výchozí zápis pro manuální návrh sekvenčních obvodů. Je nutno podotknout, že existují i další formy zápisu chování automatu s konečným počtem stavů jako jsou Petrihi sítě a UML zápis. Poděkování Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT. Reference [wiki_01] http://en.wikipedia.org/wiki/Finite-state_machine, [online 2013-04-013] [wiki_02] http://en.wikipedia.org/wiki/Moore_machine, [online 2013-04-013] [wiki_03] http://en.wikipedia.org/wiki/Mealy_machine, [online 2013-04-013] [Black_2008] Black, Paul. E. (12 May 2008). "Finite State Machine". Dictionary of Algorithms and Data Structures (U.S. National Institute of Standards and Technology). [Frištacký_1986] Frištacký, N., Kolesár, M., Kolenička, J., Hlavatý, J.: Logické systémy, ALFA 1986, ISBN 80-05-00414-1

Vlastnosti zapojen´ı se spoleˇ cn´ ym emitorem Libor Gajdoˇs´ık1 ˇ Vysok´ a ˇskola b´ an ˇsk´ a - Technick´ a univerzita Ostrava, Ostrava, Cesk´ a republika, [email protected], WWW home page: http://www.vsb.cz

Abstrakt Pˇr´ıspˇevek popisuje odvozen´ı z´ akladn´ıch parametr˚ u zesilovaˇce stˇr´ıdav´eho sign´ alu v zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem a anal´ yzu klidov´eho pracovn´ıho bodu. Kl´ıˇ cov´ a slova: spoleˇcn´ y emitor, h parametry, klidov´ y pracovn´ı bod

r R4 R1

c

c

r

C1

C2

 r

ΔU1

R @  @ @ r R2

 UCC

 ? ΔU2

R3

? c

?

C3

r

r

r

Obr´ azek 1. Zesilovaˇc stˇr´ıdav´eho sign´ alu zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem, u ´pln´e zapojen´ı.

1

Anal´ yza pro stˇ r´ıdav´ y sign´ al

Na obr´azku 1 je zesilovaˇc stˇr´ıdav´eho sign´ alu v zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem. Pro dalˇs´ı v´ ypoˇcty vlastnost´ı zesilovaˇce ve stˇredn´ım kmitoˇctov´em p´ asmu z hlediska stˇr´ıdav´eho sign´ alu nahrad´ıme stejnosmˇern´ y napˇet’ov´ y zdroj Ucc a vˇsechny

2 ΔI1

-

c

B

ΔIc



r

ΔU1

? c

h11e

C

r  RB

r

 E r r

c ΔI2

h22e

ΔIb ?

r

r ?

R4

r

ΔU2

? c

Obr´ azek 2. Ekvivalentn´ı sch´ema zesilovaˇce pro stˇr´ıdav´ y sign´ al.

kapacity zkratem. Tranzistor nahrad´ıme jeho ekvivalentn´ım modelem pro zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem pro h parametry. V´ ysledn´e zapojen´ı je na obr´ azku 2. Odpor R3 se neuplatn´ı, protoˇze je zkratov´ an, RB je v´ ysledn´ y odpor paraleln´ıho usb´ı jen zdroj stˇr´ıdav´eho sign´ alu ΔU1 a spojen´ı odpor˚ u R1 a R2 . Na vstupu p˚ na v´ ystupu je jemu odpov´ıdaj´ıc´ı napˇet´ı ΔU2 . Napˇ etov´ e zes´ılen´ı. Pro napˇet’ov´e zes´ılen´ı plat´ı vztah ΔU2 ΔU1 Napˇet´ı na v´ ystupu ΔU2 je podle zvolen´e orientace obvodov´ ych veliˇcin     1 1 = −ΔIb h21e R4  ΔU2 = −ΔIc R4  h22e h22e HU =

(1)

(2)

kde za proud kolektoru ΔIc dosad´ıme ΔIc = h21e ΔIb

(3)

a oznaˇcen´ı  znamen´ a paraleln´ı spojen´ı odpor˚ u R4 a 1/h22e . Pro napˇet´ı na vstupu ΔU1 plat´ı, l’e (4) ΔU1 = h11e ΔIb Z t´eto rovnice vyj´adˇr´ıme ΔIb a dosad´ıme do rovnice (2). Dostaneme   ΔU1 1 h21e R4  ΔU2 = − h11e h22e

(5)

Z t´eto rovnice pak lze vypoˇc´ıtat napˇet’ov´e zes´ılen´ı podle vztahu (1). Dostaneme   R4 h21e 1 h21e (6) R4  =− HU = − h11e h22e h11e 1 + R4 h22e Pro praktick´e hodnoty R4 ∼ 103 Ω, h22e ∼ 10−5 S lze vztah zjednoduˇsit na . h21e R4 HU = − h11e

(7)

Pro praktick´e hodnoty h21e ∼ 102 a h11e ∼ 103 Ω bude hodnota napˇet’ov´eho . zes´ılen´ı HU = 102 .

3

Proudov´ e zes´ılen´ı. Proudov´e zes´ılen´ı je definov´ ano jako HI =

ΔI2 ΔI1

(8)

ystupn´ı strany zesilovaˇce podle Ohmova z´akona a za Proud ΔI2 vypoˇcteme z v´ ΔU2 dosad´ıme ze vztahu (1). Dostaneme ΔI2 =

ΔU2 HU ΔU1 = R4 R4

(9)

u Proud ΔI1 vypoˇcteme ze vstupn´ı strany zesilovaˇce jako souˇcet dvou proud˚ ΔI1 =

RB + h11e ΔU1 ΔU1 + = ΔU1 RB h11e RB h11e

(10)

Pak nahrad´ıme HU ve vztahu (9) vztahem (6) a ze vztahu (10) vyj´adˇr´ıme ΔU1 a dosad´ıme do (9). Dostaneme ΔI2 = −

R4 RB h11e h21e ΔI1 = h11e (1 + R4 h22e )R4 (RB + h11e )

= −h21e

RB ΔI1 (RB + h11e )(1 + R4 h22e )

(11)

Pak lze vypoˇc´ıtat proudov´e zes´ılen´ı HI = −

h21e RB (RB + h11e )(1 + R4 h22e )

(12)

Pokud bude splnˇeno RB  h11e a 1  R4 h22e

(13)

coˇz pro vˇetˇsinu praktick´ ych hodnot splnˇeno je, protoˇze RB ∼ 104 Ω, h11e ∼ 103 Ω a R4 ∼ 103 Ω, h22e ∼ 10−5 S, tak se vztah (12) zjednoduˇs´ı a plat´ı . (14) HI = −h21e Vstupn´ı odpor. Vstupn´ı odpor je definov´an jako Rin =

ΔU1 ΔI1

(15)

Pro v´ ypoˇcet vstupn´ıho odporu vyuˇzijeme vztahu (10), ze kter´eho vypoˇcteme pomˇer vstupn´ıho napˇet´ı a proudu. Dostaneme Rin =

RB h11e RB + h11e

(16)

Pokud bude splnˇeno RB  h11e

(17)

. Rin = h11e

(18)

tak lze vztah (16) zjednoduˇsit na

4 ΔIc

ΔIc



r 

c Rex

 r

ΔU2

Rex

 r

? c

c

b) h11e

ΔIb

-

r ΔU1

? c

c

r 

a)

c

ΔI2k



ΔIc

r 

RB

r

ΔI2k



h22e

 r r

r

-

r

c

R4

r

c

c)

Obr´ azek 3. Ekvivalentn´ı sch´ema pro v´ ypoˇcet v´ ystupn´ıho odporu zesilovaˇce.

V´ ystupn´ı odpor. Pˇri v´ ypoˇctu v´ ystupn´ıho odporu zesilovaˇce je v´ yhodn´e vyj´ıt ze sch´ematu na obr´ azku 3. V´ ystup zesilovaˇce se chov´a z teoretick´eho hlediska jako proudov´ y zdroj ΔIc o vnitˇrn´ım odporu Rex na obr´ azku 3a). Tento odpor lze vypoˇc´ıtat ze znalosti dvou provozn´ıch stav˚ u tohoto zdroje. Ve stavu v´ ystupu napr´ azdno (tj. bez z´atˇeˇze svorek) je svorkov´e napˇet´ı ΔU2 . Ve stavu nakr´ atko (tj. pˇri zkratov´ an´ı v´ ystupn´ıch svorek) prot´ek´ a zkratov´ y proud ΔI2k na obr´ azku 3b). Odpor Rex pak vypoˇcteme ze vztahu Rex =

ΔU2 ΔI2k

(19)

Pro v´ ypoˇcet zkratov´eho proudu ΔI2k vyjdeme ze sch´ematu na obr´ azku 3c). y odpor a je na nˇem Zkratem prot´ek´ a cel´ y proud ΔIc , protoˇze ten m´a nulov´ nulov´e napˇet´ı, zat´ımco na odporu R4 a vodivosti h22e je nulov´e napˇet´ı a tedy jimi ˇz´adn´ y proud neprot´ek´a. ΔI2k = −ΔIc Napˇet´ı nezat´ıˇzen´eho zdroje ΔU2 je jil’ vypoˇcteno vztahem (2)   1 ΔU2 = −ΔIc R4  h22e

(20)

(21)

Dosazen´ım (21) a (20) do (19) dostaneme Rex = R4 

1 R4 = h22e 1 + R4 h22e

(22)

5

Pokud bude splnˇeno 1  R4 h22e

(23)

tak v´ ystupn´ı odpor lze pak zjednoduˇsit na . Rex = R4

(24)

Z´ avˇ er. Z uveden´ ych v´ ypoˇct˚ u vypl´ yv´ a, ˇze zesilovaˇc v zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem zesiluje napˇet´ı i proud, tedy zesiluje i v´ ykon jako jedin´e ze tˇr´ı z´akladn´ıch zapojen´ı. F´ aze v´ ystupn´ıho napˇet´ı i v´ ystupn´ıho proudu jsou posunuty o 180o proti sv´ ym odpov´ıdaj´ıc´ım vstupn´ım veliˇcin´ am (z´aporn´a znam´enka ve vztaz´ıch (6) a (12) ). Vstupn´ı odpor a v´ ystupn´ı odpor jsou srovnateln´e a jejich velikosti jsou vzhledem k praktick´ ym hodnot´ am souˇc´astek a parametr˚ u tranzistoru ˇra´dovˇe a tam, kde je potˇreba dos´ ahnout velk´ ych 103 Ω. Tato verze zapojen´ı se pouˇz´ıv´ ´lohu teplotn´ı stabilizace klihodnot napˇet’ov´eho zes´ılen´ı. Odpor R3 zde pln´ı u dov´eho pracovn´ıho bodu, pokud je zvolen tak, ˇze stejnosmˇern´e napˇet´ı na nˇem je vyˇsˇs´ı neˇz 1 V a pouˇz´ıv´a se pro kˇrem´ıkov´e tranzistory.

2

Anal´ yza klidov´ eho pracovn´ıho bodu.

Na obr´azku 4 je z´ akladn´ı obvod s bipol´ arn´ım tranzistorem uˇz´ıvan´ y pro nastaven´ı klidov´eho pracovn´ıho bodu tranzistoru. Provedeme anal´ yzu jeho klidov´eho pracovn´ıho bodu. V obvodu p˚ usob´ı jen stejnosmˇern´ y nap´ajec´ı zdroj o napˇet´ı Ucc a obvodov´ ymi prvky prot´ek´a jen stejnosmˇern´ y proud. To znamen´a, ˇze vˇsechny kapacity v p˚ uvodn´ım obvodu jsou nahrazeny nekoneˇcn´ ymi odpory (tj. sv´ ymi rozpojen´ ymi svorkami) a vˇsechny indukˇcnosti jsou nahrazeny zkratem (tj. nulov´ ymi odpory). Obvod je do jist´e m´ıry univerz´ aln´ı. m˚ uˇze b´ yt pouˇzit pro zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem, spoleˇcnou b´az´ı, nebo spoleˇcn´ ym kolektorem. V konkr´etn´ım zapojen´ı m˚ uˇze b´ yt vynech´an odpor R2 , R3 , nebo R4 a tomu lze pˇrizp˚ usobit pouˇzit´e vztahy. Pro usnadnˇen´ı v´ ypoˇct˚ u je vhodn´e pˇrev´est odporov´ y dˇeliˇc R1 , R2 podle Th´eveninovy vˇety na n´ ahradn´ı zdroj a odpor. Dostaneme obvod na obr´azku 5. Pro zdroj UB a odpor RB plat´ı podle Th´eveninovy vˇety UB = UCC

R1 R1 + R2

RB =

R1 R2 R1 + R2

(25)

Bipol´ arn´ı tranzistor m˚ uˇzeme nahradit pro v´ ypoˇcty klidov´eho pracovn´ıho bodu v aktivn´ı oblasti tj. mimo oblast saturace modelem na obr´ azku 6. Vstupn´ı br´ana ystupn´ı br´ anu tvoˇr´ı proudov´ y zdroj je nahrazena napˇet’ov´ ym zdrojem UBE a v´ IC ˇr´ızen´ y proudem b´ aze IB . Plat´ı vztah IC = h21E IB

(26)

y zesilovac´ı ˇcinitel pro zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem pro kde h21E je proudov´ stejnosmˇern´ y proud1 . Na obr´ azku 6 jsou tak´e voltamp´erov´e charakteristiky, kter´e

6

r R4 R1

 r

 UCC

R @  @ @

 ?

R2 R3

r Obr´ azek 4. Z´ akladn´ı obvod pro nastaven´ı klidov´eho pracovn´ıho bodu tranzistoru.

R4

6IC IB

-

RB





UCE

UCC

R  @   ? ? @ @ R @ @  UBE I.   UB   ? R3 II. ?  “ r Obr´ azek 5. Ekvivalentn´ı obvod pro anal´ yzu.

7 IB B c

-



IC

c C

 UBE

UCE

? ? E r r c

c

IC =h21E IB

IC

6

6I

B

I

B

UCE UBE

?

Obr´ azek 6. Model bipol´ arn´ıho tranzistoru pro v´ ypoˇcty klidov´eho pracovn´ıho bodu a odpov´ıdaj´ıc´ı charakteristiky tohoto modelu.

odpov´ıdaj´ı uveden´emu modelu tranzistoru. Napˇet´ı UBE se vol´ı v rozsahu 0,65 aˇz 0,7 V u kˇrem´ıkov´ ych tranzistor˚ u. Nahrad´ıme-li tranzistor t´ımto modelem, dostaneme sch´ema na obr´azku 7. Pro obvod sestav´ıme rovnice pro smyˇcky I a II a dopln´ıme ji o rovnice pro model tranzistoru. UCE + R3 (IC + IB ) − UCC + R4 IC = 0

(27)

−Un + Rn IB + UBE + R3 (IC + IB ) = 0

(28)

IC = h21E IB

(29)

UBE = 0,7 V

(30)

Pˇri anal´ yze klidov´eho pracovn´ıho bodu se pˇredpokl´ ad´a, ˇze zn´ ame UCC , Un hody zesilovac´ı ˇcinitel h21E . Hled´ame obvodov´e noty odpor˚ u Rn , R1 aˇz R4 a proudov´ veliˇciny UCE , IC , IB . Rovnice (30) a (29) dosad´ıme do rovnice (28) a vypoˇc´ıt´ ame IB . V´ ysledek dosad´ıme do (29) a vypoˇc´ıt´ ame IC . Hodnoty IB a IC dosad´ıme do (27) a vypoˇc´ıt´ame UCE . ´ Upravy z´ akladn´ıho zapojen´ı. P˚ uvodn´ı zapojen´ı lze pouˇz´ıt pro spoleˇcn´ y emitor a spoleˇcnou b´ azi. Klidov´ y pracovn´ı bod je stabilizov´ an, je to nej´ uˇcinnˇejˇs´ı stabilizace, pokud je b´ aze nap´ajena z tvrd´eho napˇet’ov´eho dˇeliˇce R1 , R2 a na odporu R1 je napˇet´ı vˇetˇs´ı neˇz cca 1 V. Je to takzvan´e m˚ ustkov´e zapojen´ı. Pokud v zapojen´ı na obr´ azku 4 jsou vynech´ any odpory R2 a R3 , lze zapojen´ı pouˇz´ıt pro 1

Pro n´ızk´e kmitoˇcty se t´emˇeˇr neliˇs´ı od h21e pro stˇr´ıdav´ y proud.

8 IB

-

RB

R4

6IC 



UCE

UCC

UBE

 ? ? ?   r   UB  ?

 “

R3

II. ?

I.



r

Obr´ azek 7. Ekvivalentn´ı obvod pro v´ ypoˇcet klidov´eho pracovn´ıho bodu.

spoleˇcn´ y emitor. Klidov´ y pracovn´ı bod je pouze nastaven, nen´ı ale teplotnˇe stabilizov´an. Pokud je vynech´an odpor R2 zapojen´ı lze pouˇz´ıt pro spoleˇcn´ y emitor, nebo spoleˇcnou b´ azi a klidov´ y pracovn´ı bod je stabilizov´an odporem R3 . Pokud je v zapojen´ı vynech´an odpor R3 lze zapojen´ı pouˇz´ıt pro spoleˇcn´ y emitor, tvrd´ y napˇet’ov´ y dˇeliˇc R1 , R2 nastavuje konstantn´ı napˇet´ı UBE . Pokud je v z´ akladn´ım y kozapojen´ı vynech´an odpor R4 , pˇr´ıpadnˇe i R2 , lze zapojen´ı pouˇz´ıt pro spoleˇcn´ lektor. Klidov´ y pracovn´ı bod je zde stabilizov´ an odporem R3 , pˇr´ıpadnˇe i tvrd´ ym napˇet’ov´ ym dˇeliˇcem z odpor˚ u R1 a R2 . ad´ı z´ apornou s´eriovou proudoObecnˇe plat´ı, ˇze pˇr´ıtomnost odporu R3 zav´ vou zpˇetnou vazbu, kter´a stabilizuje klidov´ y pracovn´ı bod z hlediska teplotn´ıch zmˇen. N´ ar˚ ust IC zp˚ usoben´e n´ar˚ ustem teploty vyvol´ a n´ar˚ ust napˇet´ı na R3 a v d˚ usledku Kirchhoffova z´akona se ve smyˇcce sloˇzen´e z R2 , UBE a R3 mus´ı zmenˇsit napˇet´ı UBE . Zmenˇsen´ı UBE m´ a ale za n´asledek pokles IC . Analogicky lze odvodit p˚ usoben´ı pˇri opaˇcn´e zmˇenˇe, tedy poklesu IC vyvolan´e poklesem teploty. Jako kaˇzd´a regulace, m´ a i tato sv´e hranice, ˇze pokud teplotn´ı zmˇena pˇrekroˇc´ı jistou mez, zpˇetn´a vazba jiˇz nen´ı schopna dostateˇcnˇe kompenzovat zmˇeny IC . Pokud je pouˇzit tvrd´ y napˇet’ov´ y dˇeliˇc R1 , R2 , tak na R2 je prakticky konstantn´ı napˇet´ı, nez´ avisl´e na proudu b´aze a zlepˇsuj´ı se t´ımto podm´ınky pro regulaci UBE ve smyˇcce. Na druh´e stranˇe odpor R2 v dˇeliˇci sniˇzuje vstupn´ı odpor zapojen´ı se spoleˇcn´ ym emitorem nebo spoleˇcn´ ym kolektorem. Protoˇze jsou zde protich˚ udn´e u ´ˇcinky, je tˇreba vˇzdy zv´aˇzit vhodnou volbu zapojen´ı a velikost odpor˚ u pro dan´ y u ´ˇcel.

Pozn´ amy a koment´ aˇre. Tento text je uk´ azkou pˇripravovan´ ych materi´ al˚ u v r´amci ˇ projektu OP VK ˇc´ıslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Spoleˇcn´e aktivity VUT a VSBTUO pˇri vytv´aˇren´ı obsahu a n´ aplnˇe odborn´ ych akreditovan´ ych kurz˚ u ICT

9

Literatura 1. Tietze, U., Schenk, C., Gamm, E.: Electronic circuits: handbook for design and application. Springer, Berlin (2008), ISBN 978-3-540-00429-5 2. Str´ ansk´ y, J.: Polovodiˇcov´ a technika I. SNTL, Praha (1982)

Fourierovy transformace Jan Skapa Vysok´ a ˇskola b´ an ˇsk´ a – Technick´ a univerzita Ostrava

1

Fourierovy ˇ rady

Kaˇzd´ y energetick´ y sign´ al x0 (t) lze periodicky prodlouˇzit a nahradit jeho periodick´e prodlouˇzen´ı x(t) souˇctem Fourierovy ˇrady. Periodick´e prodlouˇzen´ı x(t) nahrazuje v bodech nespojitosti p˚ uvodn´ı sign´al x0 (t) pr˚ umˇerem limit zleva a zprava v bodˇe nespojitosti. 1.1

Fourierova ˇ rada v komplexn´ım tvaru

Periodick´e prodlouˇzen´ı sign´ alu x(t) je aproximov´ano souˇctem harmonick´ ych funkc´ı ve +∞ X c[nf0 ]ei2πnf0 t , (1) x(t) = n=−∞

kde f0 je z´ akladn´ı frekvence sign´alu, dan´a 1/T0 , kde T0 je z´akladn´ı perioda sign´ alu, nω0 = 2πnf0 jsou celoˇc´ıseln´e n´asobky z´akladn´ı u ´hlov´e frekvence, a c[nf0 ] jsou koeficienty Fourierovy ˇrady, pro nˇeˇz plat´ı Z t0 +T0 1 x(t)e−i2πnf0 t dt, n = 0, ±1, ±2, . . . (2) c[nf0 ] = T0 t0 c[0] =

1 T0

Z

t0 +T0

x(t) dt,

(3)

t0

kde t0 je poˇc´ ateˇcn´ı bod z´ akladn´ı periody sign´alu a T0 je d´elka z´akladn´ı periody sign´ alu. Pro koeficienty c[nf0 ] plat´ı c[nf0 ] = c∗ [−nf0 ], |c[nf0 ]| = |c[−nf0 ]|, arg(c[nf0 ]) = − arg(c[−nf0 ]). Koeficient c0 naz´ yv´ame stejnosmˇernou sloˇzkou sign´ alu. Fourierovu ˇradu v komplexn´ım tvaru lze pˇrepsat do podoby x(t) =

−1 X n=−∞

c[nf0 ]ei2πnf0 t + c[0] +

+∞ X

c[nf0 ]ei2πnf0 t .

(4)

n=1

V prvn´ı sumˇe zamˇen´ıme poˇrad´ı sumace (je lhostejn´e, zda nejprve pˇriˇctu prvek s indexem −∞ nebo prvek s indexem 1) a zmˇen´ıme znam´enko, to um´ıst´ıme pˇr´ımo k index˚ um n. x(t) =

+∞ X n=1

c[−nf0 ]ei2π(−n)f0 t + c[0] +

+∞ X n=1

c[nf0 ]ei2πnf0 t .

(5)

Z´ıskali jsme 2 sumy se stejn´ ym rozsahem sumace, m˚ uˇzeme je tud´ıˇz slouˇcit x(t) = c[0] +

+∞ n o X c[−nf0 ]ei2π(−n)f0 t + c[nf0 ]ei2πnf0 t .

(6)

n=1

Vyuˇzijeme goniometrick´eho tvaru komplexn´ıch ˇc´ısel x(t) = c[0] +

+∞ X

{c[−nf0 ][cos(2π(−n)f0 t) + i sin(2π(−n)f0 t)]

n=1

+ c[nf0 ][cos 2πnf0 t) + i sin(2πnf0 t)]}. V´ıme, ˇze cos(x) je sud´ a funkce a sin(x) je lich´a funkce, tedy x(t) = c[0] +

+∞ X

{c[−nf0 ][cos(2πnf0 t) − i sin(2πnf0 t)]

n=1

+ c[nf0 ][cos 2πnf0 t) + i sin(2πnf0 t)]}. M˚ uˇzeme vytknout cos(2πnf0 t) a sin(2πnf0 t), pˇreznaˇc´ıme a dostaneme x(t) = c[0] + |{z} a0 2

 +∞   X

   + cos(2πnf0 t)[c[nf0 ] + c[−nf0 ]] + sin(2πnf0 t) i[c[nf0 ] − c[−nf0 ]] ,  | {z } | {z }  n=1  a[nf0 ]

b[nf0 ]

tedy v´ ysledn´ a Fourierova ˇrada bude m´ıt tvar ∞

x(t) =

1.2

a[0] X + {a[nf0 ] cos(2πnf0 t) + b[nf0 ] sin(2πnf0 t)} . 2 n=1

(7)

Fourierova ˇ rada v re´ aln´ em tvaru

V pˇr´ıpadˇe Fourierovy transformace v re´aln´em tvaru lze pro aproximaci periodick´eho prodlouˇzen´ı sign´ alu x(t) ps´at +∞

x(t) =

a[0] X + {a[nf0 ] cos (2πnf0 t) + b[nf0 ] sin (2πnf0 t)} 2 n=1

(8)

kde T0 je z´ akladn´ı perioda sign´alu a a[0], a[nf0 ] a b[nf0 ] jsou koeficienty Fourierovy ˇrady, pro nˇeˇz plat´ı Z t0 +T0 2 a[0] = x(t) dt, (9) T0 t0 Z t0 +T0 2 a[nf0 ] = x(t) cos (2πnf0 t) dt n = 1, 2, . . . (10) T0 t0 Z t0 +T0 2 b[nf0 ] = x(t) sin (2πnf0 t) dt n = 1, 2, . . . (11) T0 t0

Vzhledem k tomu, ˇze jednotliv´e ˇc´asti sumy jsou na sobˇe nez´avisl´e, m˚ uˇzeme rozepsat jako x(t) =

+∞ +∞ X a[0] X + a[nf0 ] cos (2πnf0 t) + b[nf0 ] sin (2πnf0 t) 2 n=1 n=1

(12)

a na celek se d´ıvat jako na souˇcet kosinusovak a sinusovek zvl´aˇst’... Mezi koeficienty Fourierovy ˇrady v komplexn´ım a re´aln´em tvaru plat´ı vztah a[0] =2c[0]

(13)

a[nf0 ] =c[nf0 ] + c[−nf0 ] = c[nf0 ] + c∗ [nf0 ] = 2Re(c[nf0 ]) ∗

b[nf0 ] =c[nf0 ] − c[−nf0 ] = c[nf0 ] − c [nf0 ] = −2Im(c[nf0 ]) a[0] c[0] = 2 a[nf0 ] − ib[nf0 ] c[nf0 ] = 2 a[nf0 ] + ib[nf0 ] ∗ c [nf0 ] = c[−nf0 ] = 2

(14) (15) (16) (17) (18)

kde c∗ [nf0 ] oznaˇcuje ˇc´ıslo komplexnˇe sdruˇzen´e k c[nf0 ]. Ve frekvenˇcn´ı oblasti lze periodick´e prodlouˇzen´ı sign´ alu popsat jeho amplitudov´ ym a f´azov´ ym spektrem. Amplitudov´e spektrum Fourierovy ˇrady v re´aln´em tvaru je d´ano ˇcleny a[0] , A[0] = (19) 2 p A[nf0 ] = a2 [nf0 ] + b2 [nf0 ], (20) (21) pro spektrum f´ azov´e plat´ı ϕ[nf0 ] = arg(a[nf0 ] + ib[nf0 ]) = arg(c[−nf0 ]) = − arg(c[nf0 ]),

ϕ ∈ h−π, π) (22)

em“ tvaru Fourierova ˇ rada v elektrotechnick´ ” Elektrotechnick´ y tvar Fourierovy ˇrady dostaneme napˇr. u ´pravou souˇctu Fourierovy ˇrady v komplexn´ım tvaru. K aproximaci pouˇz´ıv´a pouze kosinusovek nebo sinusovek r˚ uzn´ ych frekvenc´ı a odpov´ıdaj´ıc´ıch f´azov´ ych posunut´ı. Vzpomeneme-li na exponenci´ aln´ı tvar komplexn´ıho ˇc´ısla, tedy c[nf0 ] = |c[nf0 ]|ei arg(c[nf0 ]) , 1.3

x(t) =

+∞ X n=−∞

=

+∞ X n=−∞

c[nf0 ]ei2πnf0 t =

+∞ X

|c[nf0 ]|ei arg(c[nf0 ]) ei2πnf0 t

n=−∞

|c[nf0 ]|ei(2πnf0 t+arg(c[nf0 ])) .

Jelikoˇz plat´ı |c[nf0 ]| = |c[−nf0 ]|, arg(c[nf0 ]) = − arg(c[−nf0 ]), pak lze ps´at x(t) =c[0] + =c[0] + =c[0] + =c[0] +

−1 X n=−∞ ∞ X

∞ X

n=1 ∞ X n=1 ∞ X

∞ X

|c[nf0 ]|ei(2πnf0 t+arg(c[nf0 ]))

n=1

|c[−nf0 ]|ei(2π(−n)f0 t+arg(c[−nf0 ])) +

n=1

=d[0] +

|c[nf0 ]|ei(2πnf0 t+arg(c[nf0 ])) +

∞ X

|c[nf0 ]|ei(2πnf0 t+arg(c[nf0 ]))

n=1

|c[nf0 ]|e−i(2πnf0 t+arg(c[nf0 ])) +

∞ X

|c[nf0 ]|ei(2πnf0 t+arg(c[nf0 ]))

n=1

|c[nf0 ]| ei(2πnf0 t+arg(c[nf0 ])) + e−i(2πnf0 t+arg(c[nf0 ])) {z } | 2 cos(2πnf0 t+arg(c[nf0 ]))

d[nf0 ] cos(2πnf0 t − ϕ[nf0 ])

n=1

Mezi jednotliv´ ymi koeficienty plat´ı vztahy d[0] = c[0]

(23)

d[nf0 ] = 2|c[nf0 ]|

(24)

ϕ[nf0 ] = − arg(c[nf0 ]) = arg c[−nf0 ]

(25)

Pokud bychom pro aproximaci chtˇeli pouˇz´ıt souˇctu sinusovek, m˚ uˇzeme pˇredchoz´ı vztahy upravit na x(t) = d[0] + = d[0] +

∞ X n=1 ∞ X n=1

= d[0] +

∞ X

d[nf0 ] cos(2πnf0 t − ϕ[nf0 ]) d[nf0 ] cos(2πnf0 t − (ψ[nf0 ] + π/2)) {z } | ϕ[nf0 ]

d[nf0 ] sin(2πnf0 t − ψ[nf0 ])

n=1

Mezi jednotliv´ ymi koeficienty plat´ı vztahy ψ[nf0 ] = ϕ[nf0 ] − π/2 a[0] = 2d[0]

(26) (27)

a[nf0 ] = d[nf0 ] cos(ϕ[nf0 ]) = d[nf0 ] sin(ψ[nf0 ])

(28)

b[nf0 ] = −d[nf0 ] sin(ϕ[nf0 ]) = d[nf0 ] cos(ψ[nf0 ])

(29)

Example 1.1. Spoˇctˇeme koeficienty Fourierovy ˇrady sign´alu, dan´eho na z´akladn´ı periodˇe t ∈< t0 , t0 + T0 ) x(t) = cos(2πkf0 t), k ∈ R,

kde f0 je z´ akladn´ı frekvence, dan´a f0 = 1/T0 , tedy f0 T0 = 1. Solution 1.1. V´ıme, ˇze cos(2πkf0 t) =

ei2πkf0 t + e−i2πkf0 t . 2

Pokud je k ∈ N, tedy k je pˇrirozen´e ˇc´ıslo, m˚ uˇzeme srovn´an´ım rovnice synt´ezy (souˇctu) Fourierovy ˇrady a naˇseho sign´alu dostat +∞ X

x(t) =

c[kf0 ]ei2πkf0 t =

k=−∞

+∞ 1 X c[kf0 ](ei2πkf0 t + ei2π(−k)f0 t ). 2 k=−∞

Je tedy zˇrejm´e, ˇze je potˇreba 2 koeficient˚ u na frekvenc´ıch kf0 , odpov´ıdaj´ıc´ıch ±k-n´ asobku z´ akladn´ı frekvence f0 . Tedy c[kf0 ] = 1/2, c[kf0 ] = c∗ [−kf0 ], tedy c[−kf0 ] = 1/2. Koeficienty c[nf0 ] pro vˇsechna n r˚ uzn´a od k budou nulov´e, tedy c[nf0 ] = 0∀n 6= k. Obecnˇe m˚ uˇzeme ps´ at pro koeficienty Fourierovy ˇrady 1 c[nf0 ] = T0

t0Z+T0

ei2πk

f0 t

+ e−i2πk 2

f0 t

e−i2πnf0 t dt =

t0

=

f0 2

t0Z+T0

e−i2πf0 t(n−k) + e−i2πf0 t(n+k) dt =

t0

t0 +T0 e−i2πf0 t(n+k) f0 e−i2πf0 t(n−k) + 2 −i2πf0 (n − k) −i2πf0 t(n + k) t0   f0 e−i2πf0 (t0 +T0 )(n−k) − e−i2πf0 t0 (n−k) e−i2πf0 (t0 +T0 )(n+k) − e−i2πf0 t0 (n+k) = + 2 −i2πf0 (n − k) −i2πf0 t(n + k)   f0 e−i2πf0 t0 (n−k) (e−i2πf0 T0 (n−k) − 1) e−i2πf0 t0 (n+k) (e−i2πf0 T0 (n+k) − 1) = + 2 −i2πf0 (n − k) −i2πf0 t(n + k)  −i2πf0 t0 (n−k) −i2π(n−k)  −i2πf0 t0 (n+k) −i2π(n+k) (e − 1) f0 e (e − 1) e + = 2 −i2πf0 (n − k) −i2πf0 t(n + k) 

=

Je-li k ∈ N, pak v´ yrazy e−i2π(n−k) a e−i2π(n+k) jsou pro vˇsechna n r˚ uzn´a od ±k a rovny nule, tud´ıˇz e−i2π(n−k) − 1 = 0 a e−i2π(n+k) − 1 = 0 ∀n 6= ±k, tedy tyto koeficienty jsou nulov´e. Pro n = ±k dost´av´ame nulu ve jmenovateli, je tˇreba koeficienty spoˇc´ıtat jinak. Napˇr.   f0 e−i2πf0 t0 (n−k) (e−i2π(n−k) − 1) e−i2πf0 t0 (n+k) (e−i2π(n+k) − 1) c[kf0 ] = lim + . n→k 2 −i2πf0 (n − k) −i2πf0 t(n + k) Pro n = k dost´ av´ ame nulu v ˇcitateli i jmenovateli, pouˇzijeme tedy L’Hospitalovo pravidlo a dostaneme k´ yˇzen´ y koeficient c[kf0 ] =

1 . 2

Tot´eˇz provedeme pro n → −k a dostaneme c[−kf0 ] =

1 . 2

M˚ uˇzeme tak´e dosadit n = k pˇred samotnou integrac´ı 1 c[kf0 ] = T0

t0Z+T0

ei2πk

f0 t

+ e−i2πk 2

f0 t

e−i2πk

f0 t

dt

(30)

t0

1 = 2 1 c[−kf0 ] = T0

(31) t0Z+T0

ei2πk

f0 t

+ e−i2πk 2

f0 t

e−i2π(−k)f0 t dt

(32)

t0

=

1 2

(33)

Z uveden´eho pˇr´ıkladu vypl´ yv´a, ˇze spektrum harmonick´eho sign´alu obsahuje pouze 2 nenulov´e koeficienty c[kf0 ] a c[−kf0 ] na frekvenc´ıch, odpov´ıdaj´ıc´ıch pr´ avˇe frekvenci harmonick´eho sign´alu f = kf0 .

2

Fourierova transformace

Fourierova transformace se pouˇz´ıv´a v pˇr´ıpadˇe, ˇze chceme urˇcit spektrum spojit´eho finitn´ıho sign´ alu (ohraniˇcen´eho v ˇcase, s kompaktn´ım nosiˇcem). Z ∞ 1 x ˆ(f )ei2πf t d(2πf ) (34) x(t) = 2π −∞ Z ∞ x ˆ(f ) = x(t)e−i2πf t dt (35) −∞

Example 2.1. Mˇejme sign´ al, jenˇz je na z´akladn´ı periodˇe t0 = 0, T0 = 2 d´an jako  1 t ∈ h0, 1) x(t) = 0 t ∈ h1, 2) Nahrad’me periodick´e prodlouˇzen´ı tohoto sign´alu souˇctem Fourierovy ˇrady. Solution 2.1. lim = 0, lim+ = 1, lim− = 1, lim+ = 0

t→0−

t→0

t→1

t→1

Zakladni perioda signalu 1.5

x(t)

1

0.5

0

−0.5

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1 t

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Fig. 1. Z´ akladn´ı perioda sign´ alu

Proste periodicke prodlouzeni signalu 1.5

x(t)

1

0.5

0

−0.5 −2

−1

0

1 t

2

Fig. 2. Periodick´e prodlouˇzen´ı sign´ alu

3

4

Spoˇcteme koeficienty Fourierovy ˇrady:

 1 1 e−i2πnf0 t = T0 −i2πnf0 0 0     i e−i2πnf0 1 i cos(2πnf0 ) sin(2πnf0 ) 1 = − = −i − = T0 2πnf0 2πnf0 T0 2πnf0 2πnf0 2πnf0 # "   sin( 2πn cos( 2πn i 1 cos(2πnf0 ) sin(2πnf0 ) i 1 T0 ) T0 ) + 2πn − 2πn = = i + − = i 2πn T0 2πnf0 2πnf0 2πnf0 T0 T0 T0 T0     n i 1 (−1) i 1 1 cos(πn) sin(πn) = i + − = i +0− =i [(−1)n − 1] 2 πn πn πn 2 πn πn 2πn

c[nf0 ] =

1 T0

Z

1

1e−i2πnf0 t dt =

Je vhodn´e si vˇsimnout, ˇze pro n ∈ {2k}, k ∈ Z, tedy pro sud´a n jsou c[nf0 ] = 0, pro n ∈ {2k + 1}, k ∈ Z, tedy pro lich´a n jsou c[nf0 ] = −i/(πn).

Dvoustranne amplitudove spektrum 0.5

0.4

|c[nf0]|

0.3

0.2

0.1

0 −10

−8

−6

−4

−2

0 f [Hz]

2

4

6

8

10

4

6

8

10

Dvoustranne fazove spektrum 2

−angle(c[nf0])

1 0 −1 −2 −3 −4 −10

−8

−6

−4

−2

0 f [Hz]

2

Fig. 3. Dvoustrann´e spektrum sign´ alu

1 2 a[0] = 1 c[0] =

2 a[nf0 ] = T0

Z

1

0

 1 2 sin(2πnf0 t) 1 cos(2πnf0 t) dt = = T0 2πnf0 0

2πn 2 sin(2πn/2) 2 sin( T0 ) sin(πn) = = = =0 2πn T0 2 2πn/2 πn T0 | {z } sinc( 2πn T ) 0

 1 2 cos(2πnf0 t) 1 sin(2πnf0 t) dt = − = T0 2πnf0 0 0     2 cos(2πnf0 ) − 1 2 cos(2πn/2) − 1 =− =− = T0 2πnf0 2 2πn/2 (−1)n − 1 1 − (−1)n cos(πn) − 1 =− = =− πn πn πn

b[nf0 ] =

2 T0

Z

1

Je vhodn´e si vˇsimnout, ˇze pro n ∈ {2k}, k ∈ Z, tedy pro n sud´e budou vˇsechna b[nf0 ] = 0. Z amplitudov´eho spektra je tak´e patrn´e, ˇze amplitudy sud´ ych harmonick´ ych jsou nulov´e. Aproximovan´ y sign´al je pak Fourierova transformace sign´alu je  −i2πf t   −i2πf    Z 1 e e −1 cos(2πf ) − i sin(2πf ) − 1 x ˆ(f ) = 1e−i2πf t dt = [0]1 = i =i −i2πf 2πf 2πf 0 D˚ uleˇzit´e je spektrum Diracova impulzu Z∞ F{δ(t)} =

δ(t)e−i2πf t dt = 1,

−∞

coˇz plyne napˇr. ze vzorkovac´ı vlastnosti Diracova impulzu, tedy Z∞ F{δ(t − 0)} =

δ(t − 0)e−i2πf t dt = e−i2πf ·0 = 1.

−∞

To znamen´ a, ˇze impulz obsahuje v sobˇe veˇsker´e harmonick´e komponenty. Pro posunut´ı plat´ı Z∞ F{δ(t − t0 )} =

δ(t − t0 )e −∞

= e−i2πf t0

−i2πf t

Z∞ dt =

δ(t)e−i2πf (t−t0 ) dt

−∞

Z∞ −∞

δ(t)e−i2πf (t) dt = e−i2πf t0 e−i2πf ·0 = e−i2πf t0 .

Aproximace Fourierovou radou v komplexnim tvaru 1.2

1

0.8

xapprox(t)

0.6

0.4

0.2

0

−0.2 −4

−3

−2

−1

0 t

1

2

3

4

Fig. 4. Aproximace sign´ alu

abs(1/exp(2 π f i) − 1)/(2 π abs(f)) 1

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0 −30

−20

−10

0 f

10

Fig. 5. Amplitudov´e spektrum

20

30

Plat´ı ale |e−i2πf t0 | = 1, tedy amplitudov´e spektrum z˚ ustalo nezmˇenˇen´e, mˇen´ı se f´aze na jednotliv´ ych frekvenc´ıch. Example 2.2. Urˇceme spektrum sign´alu x(t), dan´eho  t, − T2 ≥ t ≥ T2 x(t) = 0, t jinde. Solution 2.2. Prvn´ı moˇznost´ı je pˇr´ım´ y v´ ypoˇcet Fourierovy transformace T /2 Z

x ˆ(f ) =

te−i2πf t dt =

(36)

−T /2

=

2i 2i T cos(ωT /2) − 2 sin(ωT /2), ω 2 ω

kde bylo nutno integrovat per partes“. ”

(37)

Využití prototypové platformy ELVIS II a modulárních prostředků na bázi systému PXI pro demonstraci generování a analýzy digitálně modulovaných signálů Jan Žídek, Radek Martínek Anotace Tento článek se zabývá nejnovějšími trendy v oblasti výuky technologií moderních komunikačních a informačních systémů. Autoři si kladou za cíl seznámit čtenáře s nepříliš rozšířenými virtuálními přístroji v aplikační oblasti moderních komunikačních a informačních systémů. Článek se zaměřuje na využití prototypové platformy ELVIS II a jejího nadstavbového modulu Emona DATEx. Tato platforma se používá pro výuku základů teorie digitálních komunikačních systémů na řadě prestižních univerzit po celém světě. Tento článek se dále zabývá generováním a analýzou digitálně modulovaných signálů s využitím modulární hardwarové platformy PXI a softwaru v podobě grafického vývojového prostředí LabVIEW a jeho doplňkové knihovny funkcí Modulation Toolkit. S pomocí těchto hardwarových a softwarových prostředků autoři vytvořili experimentální úlohy, které názorně demonstrují práci s reálnými signály a reálnými hardwarovými prostředky. Tento přístup umožní studentům lépe pochopit moderní principy používané v komunikačních a informačních systémech pracujících s digitálně modulovanými signály. Úvod Vývoj technologií v komunikačních a informačních systémech směřuje k využívání čím dál složitějších systémů zpracovávajících digitálně modulovaný signál [1]. Tento vývoj je doprovázen nástupem nových a nových technologií [2]. Pro výuku a demonstraci funkce těchto systémů je zapotřebí mít odpovídající přístrojovou techniku. Výraznou vývojovou linii této techniky jsou flexibilní softwarově orientované systémy využívající univerzální hardwarovou základnu. Článek popisuje modernizaci a rozšíření laboratorních úloh předmětů Měření v informačních a komunikačních technologiích a Měření v telekomunikační technice. Tyto laboratorní úlohy demonstrují studentům prací s reálnými digitálně modulovanými signály. To jim umožní lépe pochopit základní principy, na kterých se budují moderní komunikační a informační systémy. Katedra Kybernetiky a biomedicínské techniky na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB-TU Ostrava dlouhodobě buduje linii předmětů z oblasti virtuální instrumentace, které jsou součástí nabídky ve všech akreditovaných studijních programech této fakulty. V této oblasti dosahují pracovníci fakulty špičkové úrovně dané přímou spolupráci s americkou firmou National Instruments i firmami, pro které jsou v rámci systémové integrace celosvětově nabízena unikátní řešení postavena na této technologii. Tato historická zkušenost umožnila fakultě vybavit svá pracoviště ojedinělými hardwarovými komponentami, které ve spojení s odpovídající

softwarovou nadstavbou umožňují ukazovat studentům nejmodernější principy implementované v současných komunikačních a informačních systémech. Digitálně modulované signály V dnešní době jsou u moderních komunikačních a informačních systémů stále více aplikovány digitální modulace [1]. Pro digitální modulace slouží jako zdroj modulačního signálu diskrétní signál, nejčastěji to bývá nějaká bitová posloupnost. Pro zvýšení přenosové rychlosti oproti modulační rychlosti byly zavedeny tzv. několikastavové modulace. Obecný počet stavů M = 2n modulace musí být přizpůsoben přenosovému kanálu, při horší kvalitě kanálu (horší odstup signálu od šumu) se používá digitální modulace s menším počtem stavů, oproti tomu kvalitní kanál s malým šumem umožňuje přenášet signál pomocí mnohostavové modulace (např.: M-QAM, M-PSK). Kde M je počet stavů, n je počet bitů potřebných k vyjádření daného počtu stavů. Prototypová platforma ELVIS II s nadstavbovým modulem Emona DATEx Prototypová platforma ELVIS II [3] s nadstavbovým modulem Emona DATEx [4] představuje výukový systém pro práci s reálnými signály používaných v telekomunikačních systémech. Nadstavbový modul Emona DATEx používá jedinečný přístup v podobě blokového schématu, kterého je využíváno pro modelování komunikačních systémů využívajících digitálně modulovaný signál. V této koncepci studenti nemusí ztrácet čas laděním syntaxe SW. Modul Emona DATEx jim umožňuje pracovat na úrovni blokového schématu. Stejně jako v LabVIEW [5] je zde kód aplikace vyjádřen pomocí grafického programování (blokového schématu). Modul Emona DATEx disponuje sadou elektronických obvodů zastoupených pomocí bloků. Umožňuje tedy studentům více se soustředit na funkci, kterou hrají jednotlivé prvky v komunikačních systémech. V oblasti telekomunikací, mohou být všechny modulační a kódovací systémy popsány pomocí matematických rovnic. Tyto rovnice lze rovněž vyjádřit jako bloková schémata. To je univerzální jazyk telekomunikací. Existují řada učebních materiálů a textů, které mohou být snadno propojeny s HW platformou Emona DATEx. Na obrázku 1 je znázorněna deska Emona DATEx se všemi jejími moduly. Nadstavbový modul Emona DATEx (Telecommunication Trainer) je vhodný zejména pro práci s typickými digitálně modulovanými signály z aplikační oblasti telekomunikační techniky. Modul obsahuje více než dvacet funkčních modulů, včetně sčítačky, násobičky, a fázového posunu, které umožňují práci s analogovými i digitálními signály. Podrobnější popis nadstavbové desky Emona DATEx naleznete v [4], [6]. S využitím těchto prostředků autoři připravili pro studenty demonstrační laboratorní úlohy, které jim umožňují pochopit způsob generování a analýzy digitálně modulovaných signálů zastoupených v technologiích, se kterými se každodenně setkávají.

Obr. 1. Deska Emona DATEx a její moduly zasunutá do platformy ELVIS II

QPSK modulace Autoři zvolili pro prováděné experimenty základní digitální modulační schéma QPSK modulace. QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) – čtyřstavové fázové klíčování. Jedná se o modulaci, při které může fáze nosné nabývat některé ze čtyř hodnot (odtud také plyne její název): . ( )

√

(

(

) )

(1)

kde i = 1; 2; 3; 4, E je energie na symbol, T perioda symbolu, fc je kmitočet nosné vlny. Využijeme-li známého goniometrického vztahu: (

)

( )

( )

( )

( )

(2)

můžeme i-tý signál QPSK zapsat jako: ( )

√

) )

((

(

)

√

((

) )

(

) (3)

QPSK signály lze vyjádřit pomocí dvou vzájemně ortogonálních bázových signálů: ( )

√

(

)

(4)

( )

√

(

)

(5)

Vektorové vyjádření pak je ( )

[√

((

) )

√

((

) )]

(6)

Popis prováděných experimentů Na obrázku 2 je schéma obvodu vytvořeného s pomocí prototypové platformy ELVIS II a nadstavbového modulu Emona DATEx pro generování QPSK signálu.

Obr. 2. Blokové schéma pro generování QPSK digitálně modulovaného signálu Hlavním cílem připravených experimentů v podobě laboratorních úloh bylo získat reálné výsledky (měření parametrů QPSK modulace), které by demonstrovaly možnosti využití moderního přístupu na bázi virtuální instrumentace ve výuce základů teorie digitálně modulovaných signálů. Pro vizualizaci signálu v každém místě blokového schématu lze využít osciloskopické kanály, které jsou součástí prototypové základny ELVIS II nebo externích měřicích přístrojů. Následující obrázek 3 ukazuje způsob propojení bloků nadstavbové desky Emona DATEx pro realizaci blokového schématu uvedeného na obrázku 2 pro generování diditálně modulovaného signálu s využitím modulačního schématu QPSK, které je dnes často využívané (3G mobilní telefony, šíření signálu digitální televize DVB-T).

Obr. 3. Propojení bloků pro generování QPSK digitálně modulovaného signálu

Analýza digitálně modulovaných signálů v časové oblasti Pro účely analýzy digitálně modulovaných signálů, které mají povahu vektorů je zapotřebí speciální měřicí přístroje. Jedná se o signál vektorové analyzátory, které bývají implementovány jako součást spektrálních analyzátorů vyšších cenových kategorií. Pořízení těchto velmi drahých přístrojů zpravidla přesahuje finanční možnosti akademických pracovišť. Autoři tedy hledali alternativu, která by studentům umožnila sledovat a analyzovat digitálně modulované signály s využitím dostupných prostředků. Nejjednodušší přístup je založen na zobrazení posloupnosti okamžitých hodnot digitálně modulovaných signálů v závislosti na čase. K měření se dají použít číslicové osciloskopy nebo měřicí karty či moduly. Osciloskopem lze testovat obvody a signály v celé vysílací a přijímací trase, avšak vyhodnocení a vypovídací schopnost zobrazení jsou v některých částech, zejména za modulátorem problematické. Výhodné je zobrazení ortogonálních složek modulovaného signálu v časové oblasti v podobě diagramu oka. Na obrázku 4 je zobrazen diagram oka, ze kterého lze okamžitě vyhodnotit dva základní kvalitativní parametry digitálně modulovaného signálu: odstup signálu od šumu a jiter.

Obr. 4. Zobrazení diagramu oka digitálně modulovaného signálu Typičtějším způsobem prezentace pro analýzu digitálně modulovaného signálu je zobrazení konstelačního diagramu nebo vektorového diagramu. Konstelační diagram zobrazuje koncový bod vektoru modulovaného nosného signálu v okamžicích vzorkování na straně přijímače, vektorový diagram zobrazuje tento koncový bod včetně přechodu mezi jednotlivými stavy v souřadném systému I,Q. Následující obrázky ukazují vektorový diagram QPSK digitálně modulovaného signálu. Obrázek 5 ukazuje vektorový diagram pro situaci málo zarušeného přenosového kanálu – je zde vidět minimální migraci koncového bodu vektoru modulované nosné v okamžicích vzorkování oproti ideální poloze symbolu v rovině I,Q. Obrázek 6 ukazuje situaci výrazněji zarušeného přenosového kanálu – je zde vidět výraznou migraci koncového bodu vektoru modulované nosné v okamžicích vzorkování oproti ideální poloze symbolu v rovině I,Q.

Obr. 5. Vektorový diagram QPSK digitálně modulovaného signálu s malým rušením

Obr. 6. Vektorový diagram QPSK digitálně modulovaného signálu s výraznějším rušením

Prostředky generování a analýzy digitálně modulovaného signálu na bázi modulárního PXI systému Charakteristickou tendencí vývoje komunikačních systémů je posun od proprietárních obvodových řešení HW prostředků k jejich univerzální architektuře, přičemž hlavním nositelem funkčnosti systému se stává SW – tomuto modernímu konceptu se říká softwarově definované rádio (SDR). Stejný posun lze pozorovat i u měřící techniky pro generování a analýzu digitálně modulovaných signálů. Jedním ze zástupců, který je reprezentantem tohoto přístupu je modulární systém na bázi PXI sběrnice, na kterém lze SW prostředky grafického programování ve vývojovém prostředí LabVIEW snadno realizovat vektor signálový generátor nebo vektor signálový analyzátor. Jediným doplňkovým nástrojem, který je k tomu zapotřebí je rozšiřující knihovna funkcí Modulation Toolkit, která obsahuje bloky typické pro dnešní komunikační systému používající digitálně modulované signály. S těmito prostředky lze snadno realizovat základní funkce, které jsou součástí firmware vektor signálových generátorů a vektor signálových analyzátorů. Navíc lze takto realizovaný přístroj snadno přizpůsobit novým protokolům a modulačním schématům, které doprovázejí nástup nových technologií. Následující obrázky ukazují čelní panely těchto vytvořených přístrojů, které jsou využívané ve výuce, kdy si studenti mohou konfigurací virtuálního vektor signálového generátoru vygenerovat digitálně modulovaný signál v libovolném modulačním schématu, a to jak v jeho ideální, tak degradované podobě. Tento generovaný signál lze následně analyzovat a vizualizovat virtuálním vektor signálovým analyzátorem.

Obr. 6. Čelní panel virtuálního vektor signálového generátoru

Obr. 7. Čelní panel virtuálního vektor signálového analyzátoru

Závěr Výsledky použití připravených laboratorních úloh ve výuce ukázaly, že využití virtuální instrumentace při výuce v oblasti moderních komunikačních a informačních systémů se jeví jako velice výhodné. Studentům dává tato koncepce možnost snadno modifikovat parametry signálů a sledovat jejich průchod jednotlivými bloky představujícími jejich zpracování v reálných komunikačních technologiích dneška. Tato koncepce je využitelná jak ve výuce základů teorie digitálně modulovaných signálů, tak i ve výzkumné práci doktorandů [7], [8].

Poděkování Tento článek vzniknul díky podpoře projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT v rámci operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

Literatura [1]

AGILENT TECHNOLOGIES, Digital Modulation in Communications Systems - An Introduction: Application Note 1298 [online]. USA: Agilent Technologies, 2001 [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5965-7160E.pdf

[2]

Joseph E. Kovacs, A Software-Based Test Architecture for Emerging Wireless Technologies [online]. USA: National Instruments [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://www.ni.com/pdf/rf/architecture_emerging_tech.pdf

[3]

National Instruments, NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II Series (NI ELVISTM II Series) User Manual [online]. USA: National Instruments [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://www.ni.com/pdf/manuals/374629c.pdf

[4]

National Instruments, NI ELVIS Telecommunication Education Resource Page [online]. USA: National Instruments [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://www.ni.com/white-paper/6761/en#labs

[5]

National Instruments, LabVIEW System Design Software [online]. USA: National Instruments [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://sine.ni.com/np/app/main/p/docid/nav-104/lang/cs/

[6]

National Instruments, Emona ETT-202 DATEx for NI ELVIS: Trainer Demonstration [online]. USA: National Instruments [cit. 2013-04-12]. Dostupné z: http://www.ni.com/white-paper/6774/en

[7]

R. Martinek, M. Al-Wohaishi, J. Zidek, “Software Based Flexible Measuring Systems for Analysis of Digitally Modulated Systems,” In Conference Proceedings: The 9th Roedunet International Conference, RoEduNet, pp. 397-402, ISBN 978-1-4244-7335-9, ISSN 2068-1038, Sibiu, Romania, 24-26 June 2010.

[8]

R. Martinek, J. Zidek, “The real implementation of NLMS channel equalizer into the system of software defined radio,” In Journal: Advances in Electrical and Electronic Engineering, Volume 10, Issue 5, Pages 330-336, ISSN 13361376 (Print) ISSN 1804-3119 (Online), MK CR E 20146, VSB - Technical University of Ostrava and University of Zilina Faculty of Electrical Engineering, December 2012.

Propojení ústředen Asterisk pomocí nástroje OpenVPN v předmětu VoIP Filip Rezac, Miroslav Voznak VSB - Technical University of Ostrava 17. listopadu 15, 70800 Ostrava Czech Republic {filip.rezac, miroslav.voznak}@vsb.cz

Abstract. V rámci práce na projektu OPVK - spolupráce VUT a VŠB při přípravě kurzu ICT byla připravena úloha do předmětu VoIP, který je určen pro posluchače 1. ročníku magisterského studia na katedře Telekomunikační techniky, Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava. V zadání mají studenti za úkol zabezpečit datové spojení mezi ústřednami Asterisk za pomocí Virtual Private Network (VPN) tunelu s využitím protokolu TLS. Tento tunel lze vytvořit nástrojem OpenVPN, který je podobně jako ústředna Asterisk opensource. Cílem zadání je kromě zvládnutí konfigurace OpenVPN také proměření rozdílů mezi nároky na pásmo v TLS/TCP a TLS/UDP při volání přes SIP, test je proveden pro jeden, dva a tři hovory. Keywords: VoIP, Asterisk, OpenVPN, TLS, SIP.

1

Úvod

Voice over Internet Protocol - VoIP je obecný pojem pro multimediální služby, které umožňují přenos signalizace a digitalizovaného hlasu přes internetový protokol [1]. To znamená, že data se přenášejí prostřednictvím Internetu nebo jiných paketově přepínaných sítí, rozdělené do jednotlivých IP paketů. Pro samotný přenos dat využívá IP protokol třetí vrstvy OSI modelu. Aby však bylo možné sestavit spojení mezi dvěma či více účastníky, a aby spolu tito účastníci mohli hovořit, je nutné využít i protokolů vyšších vrstev tohoto modelu. Ve VoIP se standardně používají protokoly UDP (RFC 768)[2], RTP (RFC 1889, 3550)[3][4] a pro signalizaci a vyjednání parametrů spojení protokoly SIP (RFC 3261)[5] a SDP (RFC 2327, 4566)[6]. Jak je popsáno v RFC 3261 [5] úplné šifrování zpráv je považováno za nejlepší techniku pro zachování důvěry v signalizaci a zaručuje, že zprávy nejsou modifikovány jakýmkoliv zlomyslným útočníkem. Šifrování signalizace, či celého provozu, lze provést pomocí metod SIPS (SIP TLS) [7] či SRTP (ZRTP) [8,9], případně vytvořit šifrovaný tunel mezi komunikujícími stranami a veškerý datový provoz směrovat skrze tento tunel. To je právě náš příklad, kdy pomocí aplikace OpenVPN vytvoříme VPN šifrovaný tunel a veškerá

komunikace mezi ústřednami Asterisk bude probíhat v tomto tunelu tzn. šifrovaně. OpenVPN využivá narozdíl od jiných implementací k realizaci tunelu protokol čtvrté vrstvy OSI, konkrétně TLS [7]. Není proto kompatibilní s VPN tunely realizovanými pomocí IPsec [10], což je standardní nasazení u jiných nástrojů poskytujících VPN. Studenti se pomocí této úlohy naučí nejprve konfigurovat na ústředně Asterisk tzv. SIP trunk, pomocí něhož spolu dvě ústředny komunikují. Dále se seznámí se základními principy funkce nástroje OpenVPN a jeho konfigurací. Poté přichází na řadu samotná realizace VPN tunelu a jeho aplikace na probíhající meziústřednovou komunikaci. Jakmile je tunel sestaven a otestován, studenti provedou měření, kdy se postupně uskuteční jeden, dva a tři hovory přes SIP, nejdříve přes UDP a poté přes TCP při obyčejném propojení obou Asterisků SIP trunkem. V dalším kroku jsou provedeny ty stejné hovory, tentokráte při propojení Asterisků pomocí OpenVPN tunelu. Cílem je získat informace o nárocích na šířku pásma při využití rozličných protokolů a metod přenosu.

2

Fyzické a logické zapojení testovací síťové topologie

Pro řešení úlohy byly na jednom fyzickém počítači vytvořeny pomocí nástroje VMWare dva virtuální stroje, na které byly nainstalovány Asterisky ve verzi 11 a nástroj OpenVPN. Fyzické i logické propojení je znázorněno na obrázcích níže. Na každém Asterisku byly vytvořeny dvě síťová rozhranní - jedno pro účastníky a druhé pro spojení Asterisků. Oba Asterisky se nachází ve dvou různých sítích, aby po trase proběhlo i routování. Nakonec se k jednomu Asterisku registrují tři SW SIP klienti na třech různých noteboocích připojených pomocí Ethernet kabelu a na druhý Asterisk provedeme registraci tří klientů v mobilních telefonech připojených přes wifi. Jako SW SIP klient pro mobilní telefon byl použit klient 3CX.

Fig. 1. Schéma fyzického propojení serverů a klientů.

Fig. 2. Schéma logického propojení serverů a klientů při použití SIP trunku.

Fig. 3. Schéma fyzického propojení serverů a klientů při použití OpenVPN tunelu.

3

Asterisk

Oficiálně je Asterisk open-source hybrid TDM a packet voice PBX, jedná se o IVR (Interactive Voice Response) platformu s funkčností Automatic Call Distribution (ACD). Neoficiálně jde možná o jedno z „nejsilnějších“, flexibilních a rozšířitelných řešení v oblasti integrovaného telekomunikačního softwaru. Jde tedy o kompletní open source softwarovou PBX, běžící na platformách Linux a Unix, poskytující

veškeré vlastnosti, které byste očekávali od PBX. Jedná se o obecnou distribuci pod podmínkami GNU (General Public Licence). Systém je navržen tak, aby vytvořil rozhraní telefonnímu hardwaru, softwaru a libovolné telefonní aplikaci. Propojením s adresářovými službami lze získat další zajímavou funkcionalitu. Například dotazy na pobočky a překlad mezi jmény a pobočkami. Asterisk je také velmi vhodný pro nasazení do menších HW zařízení. Vzhledem k tomu, že je napsán v jazice „C“, je modulární a vysoce konfigurovatelný, může běžet i na velmi slabém HW (např. 4MB FLASH, 32MB RAM). 3.1

Použití Asterisku

Asterisk může být mimo jiné použit v těchto aplikacích:             

Různorodá VoIP gateway (MGCP, SIP, IAX, H.323). Pobočková ústředna (PBX). Voicemail služby s adresářem. Interaktivní hlasový průvodce (IVR) server. Softwarová ústředna (Softswitch). Konferenční server. Packet voice server. Šifrování telefonních nebo faxových volání. Překlad čísel. Aplikace Calling card. Prediktivní volič (Predictive dialer). Řazení volání do front se vzdáleným zprostředkovatelem. Vzdálené „kanceláře“ pro existující PBX.

3.2

Instalace Asterisku

Pro instalaci Asterisku byla použita poslední dostupná verze 11, kdy bylo nutné ze stránek výrobce stáhnout aktuální zdrojové kódy a Asterisk na virtuálních strojích zkompilovat. Konfigurace, kompilace i následná instalace je intuitivní a dobře zdokumentovaná výrobcem. Tento krok proběhl bez problemů. 3.3

Základní konfigurace Asterisků

Nejdříve bylo nutné nastavit první Asterisk, na schématu označen jako ASTERISK 1. Nastavení probíhaly ve dvou konfiguračních souborech: sip.conf a extensions.conf. sip.conf: [general] directmedia=no [trunk102] type=friend host=192.168.20.20 insecure=invite dtmfmode=rfc2833

disallow=all allow=alaw context=in nat=never [101] type=friend secret=Pokus123 host=dynamic username=Lukas context=all nat=never dtmfmode=rfc2833 disallow=all allow=alaw . . .

Nastavení klientů 102 a 103 je stejné jako u 101. Dále probíhalo extensions.conf: [all] include => in include => out [out] exten => _X.,1,Dial(SIP/trunk102/${EXTEN}) exten => _X.,n,Hangup() [in] exten exten exten exten exten exten

=> => => => => =>

101,1,Dial(SIP/${EXTEN}) 101,n,Hangup() 102,1,Dial(SIP/${EXTEN}) 102,n,Hangup() 103,1,Dial(SIP/${EXTEN}) 103,n,Hangup()

Následuje konfigurace sip.conf a extensions.conf na ASTERISK 2. sip.conf [general] directmedia=no [trunk101] type=friend host=192.168.10.10 insecure=invite dtmfmode=rfc2833 disallow=all allow=alaw context=in nat=never [201] type=friend secret=Pokus123 host=dynamic username=Lukas context=all nat=never

nastavení

dtmfmode=rfc2833 disallow=all allow=alaw . . .

Opět následuje nastavení klientů 202 a 203. To je stejné jako u klienta 201. Konfigurace extensions.conf je uvedena níže: [all] include => in include => out [out] exten => _X.,1,Dial(SIP/trunk101/${EXTEN}) exten => _X.,n,Hangup() [in] exten exten exten exten exten exten

=> => => => => =>

4

OpenVPN

201,1,Dial(SIP/${EXTEN}) 201,n,Hangup() 202,1,Dial(SIP/${EXTEN}) 202,n,Hangup() 203,1,Dial(SIP/${EXTEN}) 203,n,Hangup()

OpenVPN je volně dostupný software, který dokáže vytvořit šifrovaný VPN tunel mezi hostitelskými stanicemi. S využitím architektury klient-server je schopný zajistit přímé spojení mezi počítači za NATem a to bez potřeby NAT jakkoli konfigurovat. Tento program byl vyvinut Jamesem Yonanem a publikován pod licencí GNU General Public License (GPL). OpenVPN umožňuje ověřit navazované spojení pomocí sdíleného klíče (anglicky pre-shared key), digitálního certifikátu nebo uživatelského jména a hesla. V nastavení multiklient-server je vydán serverem pro klienty autentizační certifikát, který používá elektronický podpis a certifikační autoritu. K tomu využívá knihovny OpenSSL stejně jako pro podporu protokolů SSLv3 a TLSv1. Není založen na webových protokolech a chybí kompatibilita s IPsec nebo s jinými implementacemi VPN. OpenVPN je někdy využíván hráči počítačových her jako způsob zabezpečení při hraní her po Internetu. OpenVPN je k dispozici pro různé operační systémy jako je Solaris, Linux, OpenBSD, FreeBSD, NetBSD, Mac OS X, Windows a disponuje mnoha bezpečnostními a ovládacími funkcemi. Skládá se z binární aplikace pro klienta a server, konfiguračního souboru a jednoho nebo více souborů s klíči v závislosti na použité metodě ověřování. 4.1

Šifrování

OpenVPN využívá knihovny OpenSSL pro zašifrování dat a řídících kanálů i pro šifrování a autentizaci s možností využít všechny šifrovací algoritmy obsažené v

OpenSSL. Další možností zabezpečení přenášených dat je použití HMAC (označováno jako HMAC Firewall). 4.2

Ověření

OpenVPN má k dispozici několik způsobů ověřování klientů a to pomocí sdíleného klíče, certifikátu a nebo uživatelského jména a hesla. Využití sdíleného klíče a certifikátu je velice účinný způsob disponující mnoha funkcemi. Ověřování pomocí uživatelského jména je poměrně nová metoda zabezpečení, kterou lze použít i bez nutnosti podpisu certifikátu klientem. 4.3

Sítě

OpenVPN používá oficiálně přidělený port 1194, který je v novějších verzích použit jako implicitní. Komunikuje standardně pomocí protokolu UDP, avšak použít lze též protokol TCP. Podporuje možnost komunikace skrz většinu proxy serverů (tj. pomocí protokolu HTTP), vést VPN tunel skrz NAT a firewally. OpenVPN server umožňuje předat požadovanou konfiguraci sítě svým klientům (IP adresa, maska sítě, směrování a podobně). Nabízí dva typy rozhraní pro sítě (Universal TUN a TAP driver), které umožňují vytvořit IP tunel (TUN) na 3. vrstvě modelu ISO/OSI nebo na 2. vrstvě (layer-2 Ethernet TAP), který dokáže přenášet jakýkoli typ dat. OpenVPN používá běžné síťové protokoly (TCP a UDP) a vytváří tak alternativu k protokolu IPsec. IPsec totiž používá své vlastní protokoly, čehož zneužívají někteří ISP, kteří je blokují a snaží se tak uživatelům vnutit dražší „business grade“ služby. 4.4

Bezpečnost

OpenVPN disponuje několika doplňujícími možnostmi zabezpečení. Program pracuje v uživatelském prostoru (jako běžná aplikace) a nevyžaduje tak funkce implementované v jádru operačního systému v implementaci IP stacku. Umožňuje vzdát se administrátorských oprávnění (uživatele root) a pracovat v chroot prostředí. 4.5

Instalace OpenVPN a generování klíčů

Nejprve se na oba Asterisky nainstaluje OpenVPN pomocí příkazu apt-get install openvpn, dale je nutné vygenerovat potřebné dvojice klíčů pro vzájemnou komunikaci s využitím asymetrické kryptografie. Pro to abychom mohli používat následující nastavení potřebujeme SSL certifikáty a klíče podepsané od jedné certifikační authority (CA). Balíček OpenVPN obsahuje skripty s jednoduchou CA (adresář easyrsa/), kterou použijeme. Pro vytvoření CA, klíčů a certifikátů je také možné využít OpenSSL [11] knihovnu. V adresáři easy-rsa/ najdeme soubor vars, který si musíme upravit v závislosti na tom, kam jsme si easy-rsa/ nakopírovali. Doporučuje se, aby jsme si přečetli README, které se nachází v tomto adresáři, v README se totiž nachází kompletní

popis výroby klíče. Všechny soubory, které zde budou popsány, jsou v adresáři /etc/openvpn, který má práva 700 a majitele uživatele root. Klíče pro server Na server je umístěn certifikát CA (ca.crt), certifikát a klíč serveru (server.crt a server.key), které jsme si vygenerovali podle README v adresáři easy-rsa/, také bychom neměli zapomenout na soubor dh1024.pem nebo dh2048.pem, záleží na tom, který jsme si vyrobili. Klíče pro klienta Na klientský počítač umístíme certifikát CA (ca.crt), certifikát a klíč klienta (klient.crt a klient.key), které jsme si vygenerovali podle README v adresáři easyrsa/. 4.6

Základní konfigurace OpenVPN

Opět, podobně jako u Asterisků, je nutné nakonfigurovat OpenVPN na obou ústřednách, kde jedna bude sloužit jako server a druhá jako klient. Nejprve nastavíme ASTERISK 1, který slouží jako server. Soubor který konfigurujeme se nazývá vpn.conf: mode server tls-server dev tap0 ifconfig 10.0.0.1 255.255.255.0 ifconfig-pool 10.0.0.2 10.0.0.5 255.255.255.0 duplicate-cn management 127.0.0.1 1194 ca /etc/openvpn/keys/ca.crt cert /etc/openvpn/keys/server.crt key /etc/openvpn/keys/server.key dh /etc/openvpn/keys/dh1024.pem log-append /var/log/openvpn status /var/run/openvpn/vpn.status 10 user openvpn group openvpn comp-lzo verb 3

Podobně nastavíme soubor vpn.conf na ASTERISK 2, který slouží jako klient: remote 192.168.10.10 1194 client dev tap pull mute 10 ca ca.crt

cert client.crt key client.key comp-lzo verb 3

Na obou počítačích se poté spustí openVPN pomocí příkazu /etc/rc.d/init.d/openvpn start . Tímto je vytvořen VPN tunel mezi dvěma Asterisky a veškerá komunikace probíhá tímto šifrovaným tunelem.

5

Výsledky

Po nakonfigurování všech zařízení jsou postupně provedena měření s následnou analýzou. Postupně je uskutečněn jeden, dva a tři hovory přes SIP, nejdříve přes UDP a poté přes TCP při obyčejném propojení obou Asterisků SIP trunkem. V dalším kroku byly provedeny ty stejné hovory, tentokráte při propojení Asterisků pomocí OpenVPN tunelu. Na obrázcích níže můžeme vidět grafy pro jednotlivé situace na kterých je černou barvou znázorněno UDP resp. TCP a červenou barvou SIP. Osa X znázorňuje čas v sekundách, osa Y poté šířku pásma v bitech za sekundu.

Fig. 4. Nároky na šířku pásma při použití SIP UDP bez šifrování pomocí OpenVPN.

Fig. 5. Nároky na šířku pásma při použití SIP UDP se šifrováním pomocí OpenVPN.

Fig. 6. Nároky na šířku pásma při použití SIP TCP se šifrováním pomocí OpenVPN.

6

Závěr

V rámci řešení projektu OPVK byla vytvořena laboratorní úloha do předmětu VoIP, která ma za cíl studenty seznámit jednak s konfigurací SIP trunku na PBX Asterisk a dále pak s konfigurací OpenVPN za účelem vytvoření šifrovaného a zabezpečeného tunelu pro meziústřednovou signalizaci. Jako přidaná hodnota bylo také provedeno jednoduché měření nároků na šířku pásma u SIP signalizace. Z výsledků lze vidět, že při použití OpenVPN tunelu se šířka pásma u tří paralelně

probíhajících hovorů zvýší průměrně o 100 Kb/s při přenosu SIP protokolu na UDP, při použití TCP o dalších 100 Kb/s. Z pohledu kapacit, které dnes poskytují datové linky jsou tyto hodnoty minimální, proto je zabezpečení tímto způsobem více než doporučeno.

Poděkování Tato práce vznikla díky podpoře projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 OPVK - spolupráce VUT a VŠB při přípravě kurzu ICT.

References 1. M. Vozňák, Voice over IP. Vysokoškolská skripta, VŠB-TU Ostrava, září 2008, ISBN 978- 80-248-1828-3. 2. J. Postel, RFC 768 - user datagram protocol. Technical report, IETF, 1980. 3. H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson, RFC 1889 - a transport protocol for real-time applications. Technical report, IETF, 1996. 4. H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson, RFC 3550 - a transport protocol for real-time applications. Technical report, IETF, 2003. 5. J. Rosenberg, H. Schulzrinne, G. Camarillo, A. Johnston, J. Peterson, R. Sparks, M. Handley, E. Schooler, RFC 3261 - sip: Session initiation protocol.Technical report, IETF,2002 6. M. Handley, V Jacobson, C. Perkins, RFC 4566 - SDP: Session description protocol.Technical report, IETF, 2006. 7. T. Dierks and C. Allen, RFC 2246 - the TLS protocol - version 1.0. Technical report, IETF,1999. 8. M. Baugher, D. McGrew, M. Naslund, E. Carrara, K. Norrman, The Secure Real-time Transport Protocol (SRTP), 2004. RFC 3711. 9. P. Zimmermann, A. Johnston, J.Callas, ZRTP: Media Path Key Agreement for Secure RTP. http://tools.ietf.org/html/rfc6189, 2011. 10. S. Kent, K. Seo, RFC 4301 - Security Architecture for the Internet Protocol. Technical report, IETF, 2005. 11. J. Viega, M. Messier, P. Chandra, Network Securitz with OpenSSL, O'Reilly Media; 1st edition, 2002.

Statick´ e a Dynamick´ e Smˇ erov´ an´ı Pomoc´ı Open Source Projektu Quagga Pavel Nevlud, Jaroslav Zdr´alek ˇ VSB-TU Ostrava [email protected], [email protected] ?

Abstrakt Tento pˇr´ıspˇevek vznikl jako v´ ystup pro praktickou v´ yuku v pˇredmˇetu Praktikum komunikaˇcn´ıch s´ıt´ı I. Popisuje moˇznosti nastaven´ı a testov´ an´ı z´ akladn´ıch typ˚ u smˇerov´ an´ı pomoc´ı open source projektu Quagga a pomoc´ı standardn´ıho Cisco smˇerovaˇce. Pro smˇerov´ an´ı bylo vybr´ ano statick´e smˇerov´ an´ı a dynamick´e smˇerov´ an´ı pomoc´ı protokolu OSPF. Jsou pops´ any moˇznosti nastaven´ı a testov´ an´ı pro smˇerovateln´e protokoly IPv4 a IPv6.

Keywords: smˇerov´ an´ı, statick´e smˇerov´an´ı, dynamick´e smˇerov´an´ı, Quagga

1

´ Uvod do problematiky smˇ erov´ an´ı

Smˇerov´ an´ı je proces, pˇri nˇemˇz smˇerovaˇc pˇrijme paket a na z´akladˇe smˇerovac´ı tabulky rozhodne o jeho dalˇs´ım odesl´an´ı, ˇci neodesl´an´ı. V pˇr´ıpadˇe, ˇze pˇr´ıchoz´ı paket je ze stejn´eho rozhran´ı, kde m´a b´ yt odesl´an, je paket zahozen. V pˇr´ıpadˇe, ˇze smˇerovaˇc na z´ akladˇe smˇerovac´ı tabulky nenajde odchoz´ı cestu, mˇel by odeslat informaci o nedoruˇcen´ı dan´eho paketu [1]. Pro efektivn´ı smˇerov´ an´ı je proto velmi d˚ uleˇzit´a smˇerovac´ı tabulka. Tato tabulka obsahuje informace, kter´e jsou nutn´e pˇri rozhodov´an´ı o smˇerov´an´ı. Jednotliv´e ˇr´ adky smˇerovac´ı tabulky odpov´ıdaj´ı jednotliv´ ym smˇerovac´ım informac´ım. Tyto smˇerovac´ı z´ aznamy se mohou objevit ve smˇerovac´ı tabulce bud’ na z´akladˇe nastaven´ı lok´ aln´ıho rozhran´ı, nebo pomoc´ı statick´ ych z´aznam˚ u, nebo na z´akladˇe dynamick´ ych smˇerovac´ıch protokol˚ u [2].

2

Popis a konfigurace open source projektu Quagga

V t´eto kapitole se sezn´ am´ıme s open source projektem Quagga. Tento projekt podporuje statick´e i dynamick´e smˇerov´an´ı pro protokoly IPv4 a IPv6. Nastaven´ı IP adres a statick´e smˇerov´ an´ı se nastavuje v modulu zebra. Podporuje dynamick´e ?

V´ ystup vznikl v r´ amci projektu OP VK ˇc´ıslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Spoleˇcn´e akˇ tivity VUT a VSB-TUO pˇri vytv´ aˇren´ı obsahu a n´ aplnˇe odborn´ ych akreditovan´ ych kurz˚ u ICT.

smˇerov´ an´ı protokol˚ u RIP, RIPng, OSPF, OSPFv3, BGP a ISIS. Jednotliv´e protokoly jsou podporov´ any pomoc´ı samostatn´ ych modul˚ u [3]. Nejdˇr´ıve nainstalujeme software quagga. Ten m˚ uˇzeme naistalovat bud’ ze zdrojov´ ych soubor˚ u, nebo jednoduˇseji pomoc´ı instalaˇcn´ıch n´astroj˚ u pˇr´ısluˇsn´e linuxov´e distribuce. Pokud budeme pouˇz´ıvat Debian, nebo podobn´e distribuce vyuˇzijeme n´ asleduj´ıc´ı pˇr´ıkaz pro instalaci bal´ıˇcku. Linux#apt-get install quagga

N´ aslednˇe mus´ıme aktivovat pˇr´ısluˇsn´e moduly (d´emony), minim´alnˇe modul zebra, pˇr´ıpadnˇe dalˇs´ı moduly, pokud chceme vyuˇz´ıt i dynamick´e smˇerov´an´ı. N´ asleduje v´ ypis, kde je povolen modul zebra a modul ospfd. Linux#vim /etc/quagga/deamons zebra=yes bgpd=no ospfd=yes ospf6d=yes

V dalˇs´ım kroku mus´ıme pˇripravit konfiguraˇcn´ı soubory pro jednotliv´e moduly. Tyto konfiguraˇcn´ı soubory m˚ uˇzeme zkop´ırovat a n´aslednˇe upravit. Tak´e nesm´ıme zapomenout nastavit pˇr´ıstupov´a pr´ava a vlastnictv´ı k jednotliv´ ym konfiguraˇcn´ım soubor˚ um. Pˇri kaˇzd´e zmˇenˇe konfiguraˇcn´ıch soubor˚ u mus´ıme restarovat quaggu. Linux#cp /usr/.../examples/zebra.conf.sample /etc/quagga/zebra.conf Linux#cp /usr/.../examples/ospfd.conf.sample /etc/quagga/ospfd.conf Linux#cp /usr/.../examples/ospf6d.conf.sample /etc/quagga/ospf6d.conf Linux#chown quagga.quaggavty /etc/quagga/*.conf Linux#chmod 640 /etc/quagga/*.conf Linux#/etc/init.d/quagga restart

Jednotliv´e moduly jsou spuˇstˇeny a lze se k nim pˇripojovat jako k jak´ekoliv aplikaci spuˇstˇen´e na poˇc´ıtaˇci. Napˇr´ıklad pˇr´ıkazem nmap m˚ uˇzeme zjistit otevˇren´e porty a t´ım i spuˇstˇen´e moduly. N´asleduje pˇr´ıstup k modulu zebra , ospfd a modulu ospf6d. Linux#telnet localhost 2601 Linux#telnet localhost 2604 Linux#telnet ::1 2606

Nakonec nesm´ıme zapomenout povolit v linuxu pˇrepos´ıl´an´ı paket˚ u mezi jednotliv´ ymi rozhran´ımi. Mus´ıme nastavit pˇrepos´ıl´an´ı paket˚ u pro IPv4 a IPv6 protokoly. Linux#echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/ip_forward Linux#echo 1 > /proc/sys/net/ipv6/conf/all/forwarding

3

Statick´ e smˇ erov´ an´ı

Pˇri statick´em smˇerov´ an´ı je nutno jednotliv´e z´aznamy vkl´adat ruˇcnˇe (staticky). Je nutn´e si uvˇedomit, ˇze mus´ıme vkl´adat ty s´ıtˇe, nebo ˇc´asti s´ıt´ı, kter´e dan´ y smˇerovaˇc nezn´ a. Mus´ıme tak´e stanovit, kter´ ym rozhran´ım smˇerovaˇce povede cesta a na jakou vzd´ alenou adresu mus´ıme pˇr´ısluˇsn´ y paket pˇreposlat. V´ yhodou statick´eho smˇerov´an´ı je bezpeˇcnost a nepos´ıl´an´ı ˇz´adn´ ych smˇerovac´ıch informac´ı. T´ım tak´e ˇsetˇr´ıme pˇrenosov´e kapacity. Bohuˇzel nev´ yhodou statick´eho smˇerov´ an´ı je nereflektov´ an´ı zmˇen v topologii s´ıtˇe. Pokud vytvoˇr´ıme novou s´ıt’ je nutno tuto informaci nastavit ruˇcnˇe na vˇsech smˇerovaˇc´ıch v s´ıti. Statick´e smˇerov´ an´ı se typicky pouˇz´ıv´a na koncov´ ych stanic´ıch, nebo ve smˇerovaˇc´ıch pokud se jedn´ a o mal´ a s´ıtˇe, kde nejsou poˇzadavky na ˇcast´e zmˇeny. Statick´e smˇerov´ an´ı tak´e pouˇz´ıvaj´ı poskytovatel´e internetov´ ych sluˇzeb ISP, jako z´aznam pro smˇerov´ an´ı k c´ılov´ ym s´ıt´ım, typicky pro mal´e firmy a instituce. 3.1

Konfigurace a testov´ an´ı statick´ eho smˇ erov´ an´ı IPv4 pomoc´ı Quagga

V t´eto kapitole se bl´ıˇze pod´ıv´ame, jak nakonfigurovat statick´e smˇerov´an´ı na linuxu pˇri pouˇzit´ı projektu Quagga. Nejdˇr´ıve mus´ıme naistalovat baliˇcek quagga. N´ aslednˇe mus´ıme povolit modul zebra, ve kter´em potom budeme jednak nastavovat IPv4 adresy a jednak statick´e smˇerov´an´ı. Nastaven´ı IPv4 adres se nastavuje bud’ pˇr´ımo v konfiguraˇcn´ım souboru zebra, nebo pomoc´ı pˇr´ıkaz˚ u, kter´e jsou velmi podobn´e Cisco pˇr´ıkaz˚ um. N´asleduje konfigurace jednotliv´ ych smˇerovaˇc˚ u. Nejdˇr´ıve nastav´ıme jednotliv´a rozhran´ı a pˇridˇel´ıme jim pˇr´ısluˇsn´e IPv4 adresy podle obr´azku 1.

Obr´ azek 1. Statick´e smˇerov´ an´ı v IPv4

Konfigurace smˇerovaˇce Quagga_A: Quagga_A#configure terminal Quagga_A(config)#interface eth0 Quagga_A(config-if)#ip address 11.0.0.1/24 Quagga_A(config-if)#link-detect

Quagga_A(config)#interface eth1 Quagga_A(config-if)#ip address 100.0.0.2/28 Quagga_A(config-if)#link-detect Quagga_A(config)#ip route 100.0.0.0/28 100.0.0.1 Quagga_A(config)#ip route 10.0.0.0/24 100.0.0.1

Pokud bude vˇsechno spr´avnˇe nakonfigurovan´e, m˚ uˇzeme si nechat vypsat smˇerovac´ı tabulky. Smˇerovac´ı tabulky jednotliv´ ych smˇerovaˇc˚ u by mˇely obsahovat vˇsechny s´ıtˇe, kter´e jsou dostupn´e. V naˇsem pˇr´ıpadˇe se jedn´a celkem o ˇctyˇri s´ıtˇe. N´ asleduje v´ ypis smˇerovac´ı tabulky, kterou m˚ uˇzeme vidˇet na smˇerovaˇci Quagga_A. Quagga_A#show ip route Codes: K - kernel route, C - connected, S - static, R - RIP, O - OSPF, I - ISIS, B - BGP, > - selected route, * - FIB route C>* C>* S>* S>*

11.0.0.0/24 is directly connected, eth0 100.0.0.0/28 is directly connected, eth1 100.0.0.16/28 [1/0] via 100.0.0.1, eth1 10.0.0.0/24 [1/0] via 100.0.0.1, eth1

3.2

Konfigurace a testov´ an´ı statick´ eho smˇ erov´ an´ı IPv4 pomoc´ı Cisco CLI

V t´eto kapitole si uk´ aˇzeme jednoduchou konfiguraci s´ıt’ov´ ych rozhran´ı a konfiguraci statick´eho smˇerov´ an´ı na smˇerovaˇci Cisco. Nejdˇr´ıve nastav´ıme IPv4 adresy na jednotliv´ a rozhran´ı, kde nesm´ıme zapomenout na aktivaci rozhran´ı. Pot´e m˚ uˇzeme pˇrej´ıt ke konfiguraci statick´eho smˇerov´an´ı. Pˇri statick´em smˇerov´an´ı vˇzdy zad´ av´ ame s´ıtˇe, kter´e nezn´ ame. Konfigurace smˇerovaˇce Cisco_R: Cisco_R#configure terminal Cisco_R(config)#interface eth0 Cisco_R(config-if)#ip address 100.0.0.1 255.255.255.240 Cisco_R(config-if)#no shutdown Cisco_R(config)#interface eth1 Cisco_R(config-if)#ip address 100.0.0.17 255.255.255.240 Cisco_R(config-if)#no shutdown Cisco_R(config)#ip route 10.0.0.0 255.255.255.0 100.0.0.18 Cisco_R(config)#ip route 11.0.0.0 255.255.255.0 100.0.0.2

Pokud nakonfigurujeme jednotliv´a rozhran´ı a nastav´ıme statick´e smˇerov´an´ı, m˚ uˇzeme si nechat vypsat smˇerovac´ı tabulku na smˇerovaˇci Cisco_R. Tato tabulka je trochu odliˇsn´ a od smˇerovaˇce Quagga_A. Pˇr´ısluˇsn´ y v´ ypis je kr´acen.

Router_R#show ip route Codes: C - connected, S - static, O - OSPF .... Gateway of last resort is not set

C C S S

100.0.0.0/16 is subnetted, 2 subnets 100.0.0.0/28 is directly connected, Ethernet0 100.0.0.16/28 is directly connected, Ethernet1 10.0.0.0/8 is subnetted, 1 subnets 10.0.0.0/24 [1/0] via 100.0.0.18 11.0.0.0/8 is subnetted, 1 subnets 11.0.0.0/24 [1/0] via 100.0.0.2

3.3

Statick´ e smˇ erov´ an´ı pro IPv6

Protoˇze IPv4 adresy doch´ azej´ı, d´a se pˇredpokl´adat velk´ y z´ajem o smˇerov´an´ı, zaloˇzen´em na IPv6 protokolu. V t´eto kapitole si uk´aˇzeme jednoduch´e nastaven´ı IPv6 statick´eho smˇerov´ an´ı. Zapojen´ı je vidˇet na n´asleduj´ıc´ım obr´azku 2.

Obr´ azek 2. Statick´e smˇerov´ an´ı v IPv6

Na rozhran´ıch se nastav´ı IPv6 adresy a m˚ uˇze se jeˇstˇe zapnout podpora propagov´ an´ı IPv6 prefixu do vnitˇrn´ı s´ıtˇe, tzv. RA (Router Advertisement). N´aslednˇe nastav´ıme statick´e smˇerov´ an´ı pro IPv6. Opˇet nastavujeme ty s´ıtˇe, kter´e nejsou na smˇerovaˇci pˇr´ımo pˇripojen´e. Quagga_A(config)#interface eth0 Quagga_A(config)#ipv6 address 2001:100:11::1/64 Quagga_A(config)#no ipv6 nd suppress-ra Quagga_A(config)#ipv6 nd prefix-advertisement 2001:100:11::/64 Quagga_A(config)#interface eth1 Quagga_A(config)#ipv6 address 2001:100:100::2/64 Quagga_A(config)#ipv6 nd suppress-ra Quagga_A(config)#ipv6 route 2001:100:160/64 2001:100:100:1 Quagga_A(config)#ipv6 route 2001:100:10/64 2001:100:100:1

Podpora pos´ıl´ an´ı IPv6 prefixu je pouze na rozhran´ı smˇeˇruj´ıc´ı do vnitˇrn´ı s´ıtˇe na PC1. Podobn´ ym zp˚ usobem nastav´ıme i dalˇs´ı smˇerovaˇc. N´asleduje v´ ypis smˇerovac´ı tabulky pro IPv6. Quagga_A#show ipv6 route C>* 2001:100:11::/64 is diretly connected, eth0 C>* 2001:100:100::/64 is diretly connected, eth1 S>* 2001:100:160::/64 [1/0] via 2001:100:100::1, eth1 S>* 2001:100:10::/64 [1/0] via 2001:100:100::1, eth1

Nejdˇr´ıve v glob´ aln´ım nastaven´ı povol´ıme IPv6 smˇerov´an´ı. Posl´eze, na jednotliv´ ych rozhran´ıch nastav´ıme IPv6 adresy a aktivujeme IPv6 protokol. N´asleduje z´ akladn´ı nastaven´ı pro smˇerovaˇc Cisco_R. Cisco_R(config)#ipv6 unicast-routing Cisco_R(config)#interface Ethernet 0 Cisco_R(config-if)#ipv6 address 2011:100:100::1/64 Cisco_R(config-if)#ipv6 enable Cisco_R(config)#interface Ethernet 1 Cisco_R(config-if)#ipv6 address 2001:100:160::1/64 Cisco_R(config-if)#ipv6 enable Cisco_R(config-if)#ipv6 route 2001:100:11::/64 2001:100:100:2 Cisco_R(config-if)#ipv6 route 2001:100:10::/64 2001:100:160:2

Pokud nakonfigurujeme jednotliv´a rozhran´ı a nastav´ıme statick´e smˇerov´an´ı, m˚ uˇzeme si nechat vypsat smˇerovac´ı tabulku na smˇerovaˇci Cisco_R. Tato tabulka je trochu odliˇsn´ a od smˇerovaˇce Quagga_A. Pˇr´ısluˇsn´ y v´ ypis je kr´acen. Cisco_R#show ipv6 route Codes: C - Connected, S - Static C 2001:100:100::/64 [0/0] via Ethernet0, directly connected C 2001:100:160::/64 [0/0] via Ethernet1, directly connected S 2011:100:11::/64 [1/0] via 2001:100:100:2 S 2011:100:11::/64 [1/0] via 2001:100:100:2

4

Dynamick´ e smˇ erov´ an´ı pomoc´ı protokolu OSPF

Pˇri dynamick´em smˇerov´ an´ı ja nutno nejdˇr´ıve zvolit vhodn´ y smˇerovac´ı protokol a ten je nutno spr´ avnˇe nakonfigurovat. Na rozd´ıl od statick´eho smˇerov´an´ı, budeme nyn´ı nastatavovat ty s´ıtˇe, kter´e dan´ y smˇerovaˇc zn´a. Smˇerovac´ı tabulka se bude tvoˇrit pr˚ ubˇeˇznˇe, podle toho jak´e informace si budou jednotliv´e smˇerovaˇce vymˇen ˇovat. V´ yhodou dynamick´eho smˇerov´an´ı je jeho pˇrizp˚ usobivost podle moment´ aln´ıho stavu s´ıtˇe. V t´eto kapitole se bl´ıˇze sezn´am´ıme se smˇerovac´ım protokolem OSPF (Open Shortest Path First). Je to otevˇren´ y protokol, vhodn´ y jak pro mal´e s´ıtˇe, tak i pro relativnˇe velk´e s´ıtˇe. Umoˇzn ˇuje rozdˇelovat velk´e s´ıtˇe do tzv, oblast´ı (Area), ve

kter´ ych si smˇerovaˇce vymˇen ˇuj´ı potˇrebn´e informace, na z´akladˇe kter´ ych si kaˇzd´ y smˇerovaˇc vypoˇc´ıt´ a nejkratˇs´ı cesty do pˇr´ısluˇsn´ ych s´ıt´ı. Tyto vypoˇc´ıtan´e informace se n´ aslednˇe objev´ı ve smˇerovac´ı tabulce. OSPF smˇerovaˇc je typick´ ym pˇredstavitel smˇerovac´ıho protokolu typu Link State. Ve sv´e pamˇeti si vytv´aˇr´ı topologii s´ıtˇe, kterou si ukl´ad´a do topologick´e datab´ aze. Kromˇe toho si tak´e vytv´aˇr´ı datab´azi soused˚ u, se kter´ ymi si vymˇen ˇuje potˇrebn´e informace. Z tˇechto z´ıskan´ ych informac´ı spouˇst´ı algoritmus pro v´ ypoˇcet nejkratˇs´ı cesty. Na z´ akladˇe tˇechto v´ ypoˇct˚ u se naplˇ nuje smˇerovac´ı tabulka. Kaˇzd´ y smˇerovac´ı protokol potˇrebuje krit´erium, podle kter´eho posoud´ı, kter´a z v´ıce moˇzn´ ych cest je nejv´ yhodnˇejˇs´ı. Toto krit´erium se naz´ yv´a metrika. OSPF Protokol vyuˇz´ıv´ a jako metriku cenu (cost), nejˇcastˇeji tomu odpov´ıd´a ˇs´ıˇrka p´asma ˇ ım dan´eho rozhran´ı. Tento parametr je moˇzn´e na kaˇzd´em rozhran´ı nastavit. C´ lepˇs´ı metrika, t´ım niˇzˇs´ı ˇc´ıslo. Kaˇzd´ y smˇerovaˇc pravidelnˇe pos´ıl´a tzv. Hello pakety, na z´akladˇe kter´ ych se snaˇz´ı nav´ azat sousedsk´e vztahy s ostatn´ımi smˇerovaˇci. Pokud se podaˇr´ı nav´azat sousedsk´ y vztah se sousedn´ım smˇerovaˇcem, mohou si tyto smˇerovaˇce vymˇenit sv´e topologick´e datab´ aze. Tyto informace se pˇren´aˇsej´ı pomoc´ı LSA (Link State Advertisement) paket˚ u. Po naplnˇen´ı topologick´e tabulky se spouˇst´ı SPF algoritmus a v´ ysledn´e informace se potom mohou objevit ve smˇerovac´ı tabulce [1].

4.1

Konfigurace a testov´ an´ı dynamick´ eho smˇ erov´ an´ı OSPF pro IPv4

V t´eto kapitole si uk´ aˇzeme konfiguraci protokolu OSPF pomoc´ı projektu Quagga. Nastaven´ı IPv4 adres na jednotliv´ ych rozhran´ıch je pops´ano v kapitole pro statick´e smˇerov´ an´ı. Nyn´ı budeme nastavovat pouze OSPF protokol. Pˇri dynamick´em smˇerov´ an´ı zad´ av´ ame ty s´ıtˇe, kter´e smˇerovaˇc zn´a. Na n´ asleduj´ıc´ım obr´ azku 3 je sch´ema zapojen´ı jednoduch´e s´ıtˇe. Zde si ovˇeˇr´ıme funkˇcnost dynamick´eho smˇerov´an´ı na zaˇr´ızen´ıch s naistalovan´ ym a nakonfigurovan´ ym programem quagga. Abychom si ovˇeˇrili spolupr´aci s jin´ ymi zaˇr´ızen´ımi, je zde pouˇzit smˇerovaˇc Cisco, ˇrady 2801. Pro jednoduchost pˇredpokl´ad´ame jednu oblast.

Obr´ azek 3. Dynamick´e smˇerov´ an´ı OSPF v IPv4

N´ asleduje nastaven´ı z´ akladn´ıch parametr˚ u protokolu OSPF na smˇerovaˇci Quagga_A. Quagga_A(config)#router ospf Quagga_A(config-router)#network 100.0.0.0/28 area 0 Quagga_A(config-router)#network 11.0.0.0/24 area 0

Po nastaven´ı pˇr´ısluˇsn´ ych s´ıt´ı, si m˚ uˇzeme zobrazit smˇerovac´ı tabulku. Funkˇcnost s´ıt´ı nakonec ovˇeˇr´ıme testem dostupnosti mezi jednotliv´ ymi c´ılov´ ymi poˇc´ıtaˇci PC1 a PC2. Quagga_A#show ip route ospf Codes: K - kernel route, C - connected, S - static, R - RIP, O - OSPF, I - ISIS, B - BGP, > - selected route, * - FIB route O>* O>*

100.0.0.16/28 [110/11] via 100.0.0.1, eth1 10.0.0.0/24 [110/22] via 100.0.0.1, eth1

4.2

Konfigurace a testov´ an´ı dynamick´ eho smˇ erov´ an´ı OSPF pro IPv6

V t´eto kapitole si uk´ aˇzeme nastaven´ı a testov´an´ı dynamick´eho smˇerov´an´ı OSPF v IPv6 s´ıt´ıch. Budeme opˇet vyuˇz´ıvat stejn´e zapojen´ı, jako pˇri statick´em smˇerov´an´ı. Jednotliv´e IPv6 adresy a dalˇs´ı informace jsou na obr´azku 4.

Obr´ azek 4. Dynamick´e smˇerov´ an´ı OSPF v IPv6

N´ asleduje nastaven´ı z´ akladn´ıch parametr˚ u protokolu OSPF pro IPv6 na smˇerovaˇci Quagga_A. Na tomto smˇerovaˇci jsou kromˇe IPv6 adresy nastaveny vˇsechny parametry v nastaven´ı pro smˇerov´an´ı. Quagga_A(config)#router ospf6 Quagga_A(config-router)#router-id 1.1.1.2 Quagga_A(config-router)#interface eth2 area 0.0.0.0 Quagga_A(config-router)#interface eth4 area 0.0.0.0

N´ asleduje zkr´ acen´ y v´ ypis smˇerovac´ı tabulky na smˇerovaˇci Quagga_A. Jednotliv´e OSPF informace byly z´ısk´any pomoc´ı local-link adres fe80::.. Quagga_A#show ipv6 route C>* 2001:100:11::/64 is directly connected, eth0 C>* 2001:100:100::/64 is directly connected, eth1 O>* 2001:100:160::/64 [110/2] via fe80::21e:f7ff:feac:4a62, eth1, 00:03:14 O>* 2001:100:10::/64 [110/3] via fe80::21e:f7ff:feac:4a62, eth1, 00:03:14

Nejdˇr´ıve v glob´ aln´ım nastaven´ı povol´ıme IPv6 smˇerov´an´ı. Posl´eze, na jednotliv´ ych rozhran´ıch nastav´ıme IPv6 adresy a aktivujeme IPv6 protokol. Na Cisco zaˇr´ızen´ıch se nastavuje vˇetˇsina parametr˚ u na rozhran´ıch. V nastaven´ı pro smˇerov´ an´ı staˇc´ı nastavit pouze parametr router-id. N´asleduje z´akladn´ı nastaven´ı pro smˇerovaˇc Cisco_R. Cisco_R(config)#ipv6 unicast-routing Cisco_R(config)#interface Ethernet 0 Cisco_R(config-if)#ipv6 address 2011:100:100::1/64 Cisco_R(config-if)#ipv6 enable Cisco_R(config-if)#ipv6 ospf 1 area 0 Cisco_R(config)#router ospf 1 Cisco_R(config-router)#router-id 1.1.1.1

OSPF smˇerovaˇce si neust´ale vymˇen ˇuj´ı Hello pakety jednak pro nav´az´an´ı komnunikace a tak´e pro udrˇzen´ı komunikace. Pˇri pouˇzit´ı protokolu IPv6 je pouˇzita multicastov´ a adresa FF02::5. Cisco_R#debug ipv6 ospf hello OSPFv3: Send hello to FF02::5 area 0 on Ethernet0 OSPFv3: Send hello to FF02::5 area 0 on Ethernet1 OSPFv3: Rcv hello from 1.1.1.3 area 0 from Ethernet0 OSPFv3: Rcv hello from 1.1.1.2 area 0 from FastEthernet1

Na n´ asleduj´ıc´ım v´ ypisu je zkr´acen´a smˇerovac´ı tabulka pro smˇerovaˇc Cisco_R. Jednotliv´e informace o jin´ ych s´ıt´ıch byly propagov´any pomoc´ı OSPF protokolu a tzv. local-link IPv6 adresy FE80::... Cisco_R#sh ipv6 route O 2001:100:10::/64 [110/2] via FE80::230:5FF:FE8E:5E4F, Ethernet1 O 2001:100:11::/64 [110/2] via FE80::230:5FF:FE8E:5E19, Ethernet0 C 2001:100:100::/64 [0/0] via Ethernet0, directly connected C 2001:100:160::/64 [0/0] via Ethernet1, directly connected

Funkˇcnost s´ıtˇe si m˚ uˇzeme ovˇeˇrit testem dostupnosti mezi koncov´ ymi zaˇr´ızen´ımi. PC1# ping6 2001:100:11::2 PING 2001:100:11::2(2001:100:11::2) 56 data bytes 64 bytes from 2001:100:11::2: icmp_seq=1 ttl=61 time=1.03 ms 64 bytes from 2001:100:11::2: icmp_seq=2 ttl=61 time=0.540 ms --- 2001:100:11::2 ping statistics --2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1001ms rtt min/avg/max/mdev = 0.540/0.786/1.032/0.246 ms

5

Z´ avˇ er

Tento ˇcl´ anek byl vytvoˇren jako v´ ystup projektu OP VK a tvoˇr´ı ˇc´ast praktick´eho n´ avodu pro pˇredmˇet Praktikum komunikaˇcn´ıch s´ıt´ı I. Softwarov´a ˇc´ast pˇredmˇetu je zaloˇzena na open source projektech. Pro smˇerov´an´ı byl vybr´an projekt Quagga, kter´ y podporuje t´emˇeˇr vˇsechny smˇerovac´ı protokoly. Byla tak´e ovˇeˇrena spolupr´ ace s klasick´ ymi zaˇr´ızen´ımi, jako napˇr´ıklad Cisco smˇerovaˇc ˇrady 2801. Pˇr´ıspˇevek byl naps´ an v s´azec´ım programu LATEX a obr´azky byly nakresleny v programu Dia [4],[5].

Reference [1] Malhotra, R. IP Routing, O’Reilly Media 2002 [2] Ashraf, Z. IPv6 Routing: A Practitioner Approach, LAP LAMBERT Academic Publishing 2013 [3] Quagga [online 24.3.2013] http://www.nongnu.org/quagga/ [4] Lamport, L. LATEX: A Document Preparation System, 2nd edition, Addison-Wesley Professional,1994 [5] Dia [online 24.3.2013] http://projects.gnome.org/dia/

Narrow-band PLC – data channel for AMM/AMR systems in energetics Úzkopásmové PLC – datový kanál pro systémy AMM/AMR v energetice Jiří Mišurec Ústav telekomunikací, FEKT VUT v Brně, Technická 12,

[email protected]

Abstract. The paper describes the possibilities of communication lines for automated data collection from any energy meter installed on the client’s side. There are shown the possibilities of using power lines for AMM/AMR systems on the present time. The Power Line Communication (PLC) technology is other communication channel for the remote data acquisition and control systems. The latest development of PLC allows us to use Power Line technologies (PLT) to transmit the relevant data from a client to the distributor's data access point and further on through the distribution network.

1

Úvod

V poslední době se poměrně intenzivně začíná rozvíjet využití silových rozvodů pro datovou komunikaci. Datová komunikace po silových rozvodech je označována jako PLC (Power Line Communication). Vychází se především z toho, že síťová infrastruktura je velmi rozvinutá a je snaha ji využít i k datovým přenosům. Ve všeobecném povědomí veřejnosti je pak znám termím „internet ze zásuvky“ či jiná zařízení, poskytující datovou komunikaci mezi počítači v domácnosti přes silový rozvod. V této oblasti však dosažené výsledky nejsou přesvědčivé a jiné technologie dosahují podstatně lepších výsledků. Využití silových rozvodů nízkého a vysokého napětí se nabízí jako určitá alternativa k ostatním využívaným komunikačním technologiím jako je v současnosti používaná síť PSTN, GSM, GSM GPRS. Tyto systémy

s kmitočtovým pásmem do 30MHz jsou označovány jako širokopásmové. Naproti tomu úzkopásmové systémy s pásmem do 150kHz jsou doménou především energetických distribučních společností. Tyto systémy nejsou určeny pro všeobecné použití, ale jsou jistou alternativou komunikačních kanálů pro automatizované systémy dálkového sběru dat, řídicích systémů a dispečerských systémů. Příspěvek je zaměřen především na možnosti úzkopásmové datové komunikace po silových energetických rozvodech a problematiku dálkového sběru dat (odběru elektrické energie) pomocí telemetrické sběrové centrály. Vymezení oblasti služeb, které lze pomocí technologie PLC poskytovat je uvedeno na obr. 1. Hovorové služby, jako služební a standardní telefonie, je již z minulosti známa. Nehovorové služby, a to zejména dálkové měření, dálková regulace, dálkový odečet bytových měřičů se dostává do popředí v současné době, kdy zejména s otevřením trhu s elektrickou energií je toto dáno zákonem. Dálkové odečty měřičů kladou zvýšené požadavky na datové kanály.

SLUŽBY

ÚZKOPÁSMOVÉ

HOVOROVÉ (vvn, vn) Služební telefonie Standardní telefonie

NEHOVOROVÉ (vvn,vn,nn) Dálkové měření Dálková regulace Dálkové ovládání Dálková synchronizace HDO Dálkový odečet bytových měřičů Přenos od zabezpečovacích zařízení

ŠIROKOPÁSMOVÉ

TRANSPORTNÍ (vvn + opt. kabel) Přenos datových souborů Přenos sdružených kanálů

PŘÍSTUPOVÉ (distribuční nn síť) Přístup k intranetu Přístup k internetu LAN budovy LAN bytu

Fig. 1. Obr. 1. Datové služby provozované po silnoproudých vedeních a sítích

Základní pojmy dálkového sběru dat v energetice: AMR (Automated Meter Reading) - klasický „dálkový odečet naměřených hodnot“, neuvažuje se procesní řetězec mimo oblast měření. AMM (Automated Meter Management) - filozofie důsledné integrace a využití měření v procesu energetických služeb, obchodování s elektrickou enerdií a řízení energetické sítě. AMI (Advanced Metering Infrastructure) - infrastruktura prostředků pro podporu AMR a AMM, tj. podpora vývoje v oblasti elektroměrů, komunikací a systémů s důrazem na otevřenost a užití mezinárodních standardů, včetně managementu nasazování řešení.

2

Úzkopásmové PLC

Úzkopásmové PLC systémy se využívají pro automatizovaný dálkový sběr dat, disponují přenosovými rychlostmi v řádech jednotek až stovek kbit/s. Využívané pásmo 9 až 148,5 kHz je definováno normou CENELEC a je rozděleno na 4 pásma, která jsou označována písmeny A, B, C, D. Dělení je následující: pásmo A (3 – 95 kHz, pro účely dodavatele elektrické energie), pásmo B (95 – 125kHz, pro privátní účely odběratelů), pásmo C (125 – 140kHz, vyžadován protokol o přistoupení k dohodě, ), pásmo D (140 – 148,5kHz, pro privátní účely odběratelů). V našich podmínkách vše spadá do normy ČSN EN 50065-2-3 (333435) s názvem: „Signalizace v instalacích nízkého napětí v kmitočtovém rozsahu 3 kHz až 148,5 kHz. Všeobecné požadavky, kmitočtová pásma a elektromagnetická rušení“. Pokud je vyžadován protokol o přistoupení k dohodě, systém musí splňovat tyto podmínky :  všechny systémy musí použít kmitočet 132,5 kHz k upozornění, že vysílání pokračuje,  žádný vysílač nesmí vysílat spojitě po dobu přesahující 1 s a po každém vysílání nesmí vysílat znovu po dobu alespoň 125 ms (pozn. vysílání je považováno za řadu signálů, ve kterých není mezera větší než 80 ms),  každý vysílač musí být vybaven signálním detektorem, který detekuje, kdy je pásmo v použití (tj. stav, kdy je na hlavních vstupních svorkách přístroje přítomen jakýkoli signál v pásmu 131,5 - 133,5 kHz trvající alespoň 4 ms),  přístroj může vysílat, jestliže pásmo není využito po dobu v každém případě náhodně zvolenou a rovnoměrně rozloženou mezi 85ms a 115ms s alespoň sedmi možnými hodnotami v tomto pásmu,  k umožnění detekce použitého pásma musí přístroj vysílat svůj signál se spektrálním rozložením v souladu s B přílohou této normy.

3

Struktura přístupové sítě PLC

Základními prvky PLC sítě jsou koncový uživatelský modem, opakovač a centrální řídicí stanice. PLC modem - je koncovým zařízením přístupové sítě, spojuje standardní telekomunikační zařízení, které používá daný uživatel s elektrickým vedením jakožto přenosovým médiem. Na straně uživatele mohou být různá rozhraní pro odlišné komunikační zařízení (ethernet, USB, …). Centrální řídicí stanice - propojuje PLC přístupové sítě s páteřní sítí. Zařízení tedy nespojuje jednotlivá zařízení uživatelů, ale umožňuje komunikaci se sítěmi s rozhraními jako je xDSL, SDH pro spojení vysokorychlostních sítí nebo pro bezdrátové spojení atd. Tímto způsobem se může PLC řídicí stanice spojit s páteřní sítí s odlišnou komunikační technologií. Obvykle tato stanice řídí operace z PLC přístupové sítě. V

mimořádných případech však může kontrolu nad operacemi sítě převzít PLC modem a uskutečnit spojení s páteřní sítí. Opakovač - v některých případech jsou vzdálenosti mezi PLC uživateli v rozvodné síti nízkého napětí a mezi jednotlivými uživateli a řídicí stanicí příliš velké. Proto je nutné síť doplnit opakovači. Opakovače dělí přístupovou síť PLC na několik kmitočtově oddělených částí. Řešení sítě pro dálkový sběr dat z elektroměrů je uvedeno na obr. 2 cca 1500m Trafostanice 22/0.4kV

PLC komunikace ( po vedení nn )

PTSN GPRS GSM Internet .....

Koncentrátor 1. úrovně

cca 1500m

Opakovač

e ac nik n ) mu í v ko den C e PL po v (

cca 1500m

Telemetrickácentrála Řídicí centrála

Trafostanice 110/22kV

cca 1500m

cca 1500m

Opakovač

PTSN GPRS GSM Internet .....

Koncentrátor 2. úrovně Opakovač

Fig. 2. Rozvržení prvků sítě PLC pro komunikaci s elektroměry

4

Výhody a nevýhody úzkopásmového PLC v systémech AMM/AMR

V průběhu posledního desetiletí nastal prudký rozvoj této technologie. Distribuční společnosti v současnosti realizují pilotní projekty PLC určené především pro telemetrické systémy. Dálkový odečet dat je v současnosti nutností, daný zákonnými podmínkami. PLC se jeví jako alternativní datový kanál. Výsledky však zatím neukazují na masové využití. Rozšířením možností o další datový kanál mohou poskytovat energetické společnosti další služby. Datová přípojka je všude tam, kde je potřeba odečítat data

z elektroměru, či řídit síť a je využito stávajícího silového vedení. Síť silových rozvodů je poměrně hustá a instalace systémů je relativně jednoduchá. Úzkopásmové PLC je využitelné pro řízení spotřeby elektrické energie, sledování kvality dodávky elektrické energie, možnost sledování průběhu odběru zákazníkem, dálkové ovládání domácích spotřebičů, úspora nákladů za ruční odečty jejich automatizací, dálkový odečet i pro další subjekty (teplo, voda, plyn), sledování zatížení rozvodu, možnost dálkového odpojování. Nevýhody této technologie lze v současnosti vidět především v těchto problémových oblastech. Stávající silové vedení není dimenzováno pro VF provoz. Existující zařízení PLC mají krátký dosah cca 1000-1500 m (v nn distribuční síti), uplatňuje se nestálost parametrů přenosového média, různé druhy vedení - zemní, vzdušné nebo závěsné. V rozvodech jsou různorodá vedení a přechody mezi jednotlivými typy vedení zvyšují útlum, negativní vliv má použitý materiál vnitřních rozvodů (Cu, Al). Vedení s PLC signálem se chová jako zářič (anténa) a může způsobovat rušení některých zařízení. Jednotlivé fáze se rovnoměrně rozdělují z hlediska zátěže a reálná funkce PLC podporuje provoz na jedné fázi. Nejzazším místem, kam je nutné dovést jiný typ datové komunikace, je první trafostanice. Útlum signálu na celé trase je dán útlumem v samotné trafostanici, na trase (vlastní délka kabelu, různé odbočky) a vstupu do objektu (elektroměr, jističe, proudové chrániče, a jiné) a je nutné jej kompenzovat repeatery. To výrazně zkracuje dosah. Jak je z výčtu vidět, nevýhody prozatím poněkud převažují.

Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT.

5

Literatura

1. X10 home page, X10 Powerline Carrier (PLC) Technology. www.x10.com. 2. Echelon’s home page, www.echelon.com. 3. OPERA project, “D57: Specification of Interfaces between home automation and PLC and between AMR and PLC”. www.istopera.org. 4. C.W. Gellings, K. George, “Broadband over Powerline 2004: Technology and Prospects”, an EPRI White Papers. 5. J. Ramie, “Review of FCC Report & Order 04-245 on Broadband over Power Lines (BPL)”, www.conformity.com. 6. HomePlug powerline aliance home page. www.homeplug.com. 7. M.K. Lee, et. al., “HomePlug 1.0 Powerline Communication LANs – Protocol Description and Performance Results version 5.4”, International Journal of Communication Systems 2000; 00:1-6. 8. OPERA project, “D41: White Paper AMR”. www.ist-opera.org. 9. D.VAM.2 State of the Art in Hardware Architectures, report, IST-2002-50793231. July 2005.

Nulová Konfigurace neboli Autokonfigurace v Síti Pavel Nevlud, Jaroslav Zdralek VSB - Technical University of Ostrava 17. listopadu 15, 70800 Ostrava Czech Republic { pavel.nevlud, jaroslav.zdralek}@vsb.cz

Abstract. Tento příspěvek, popisuje možnosti automatické konfigurace síťových uzlů. Jedná se o přenesení administrátorských prací do algoritm ů, která zajistí nastavení základních parametrů počítače v síti, tak aby mohl komunikovat se ostatními uzly v síti. Keywords: Zeroconf IPv4, zeroconf IPv6, DHCP, linková místní adresa IPv4, linková místní adresa IPv6, NDP

1. Úvod Dnes se požaduje, aby se zařízení konfigurovaly bez manuálního zásahu a následně mohly mezi sebou spolupracovat. Tento princip se označuje jako autokonfigurace a uplatňuje se nejen v počítačích ale i v konfigurování počítačových sítí. V minulosti se adaptéry počítačů musely manuálně konfigurovat pomocí p řepínačů na modulu. Takovýto princip vyžadoval mnohdy vynikající znalosti o funkci celého systému počítače, protože neodborné libovolné nastavení vedlo k nefunkčnosti adaptéru či počítače, v nejhorším případě i k poškození. První snahy o odstranění manuálního konfigurování lze vidět na sběrnici MicroChannel, která byla použita v řadě osobních počítačů PS2 od společnosti IBM, [wiki_03]. Známější princip je z oblasti USB. Dnes totiž jakékoliv USB zařízení připojíme k počítači a automaticky se spustí konfigurace bez manuálního zásahu. V tomto případě se jedná o instalaci speciálních programů, hlavně ovládačů do operačního systému. S tímto principem je spojován termín plug and play, vlož a používej. S principem Plug and Play, zkratka PnP, je možné se dnes setkat na sb ěrnici personálních počítačů PCI, Mini PCI, PCI Express, Mini PCI Express. Tento princip je také využit na rozhraní IEEE 1394 známé jako FireWire, využívají ho karty do notebooku PCMCIA, PC Card a ExpressCard, stav v roce 2013 podle [wiki_03]. S technologií PnP úzce souvisí technologie hot pluggable (hot swap), [wiki_05]. Jedná se o technologii, která umožňuje instalovat hardwarové moduly do systému pod napětím. Využívá se hlavně elektrické specifikace, které musí zajistit nep řerušený chod systému po elektrické stránce a zamezit zničení systému či zasouvajícího modulu. Nejznámější použití technologie hot swap je u USB a diskových polí. USB flash disk připojujeme k notebooku pod napětím, disky v diskových polích je možné vyměňovat pod napětím. Systémy se nemusejí vypínat.

Další pojem je Universal Plug and Play, zkratka UPnP, [wiki_04]. UPnP je soubor protokolů, které dovolují síťovým zařízením jako je osobní počíta č, tiskárny, Internetové brány, Wi-Fi přístupové body a mobilní zařízení se navzájem vyhledávat v síti, navázat spojení a síťové služby pro sdílení dat, vzájemnou komunikaci. UPnP je primárně určen pro místní sítě, je spravován UPnP fórem a dnes je 73-tí částí mezinárodního standardu ISO/IEC 29341. Dnes existuje také soubor technik s názvem zeroconf, zero configuration - nulová konfigurace, [wiki_01]. Jedná se o techniky, které automaticky vytvářejí použitelnou síť s protokolem IP bez manuální intervence a specializovaných konfiguračních serverů. Výsledky těchto snah se publikují jako RFC, což jsou základní dokumenty Internetu. Problematika zeroconf se zaměřuje na sítě od IP úrovně výše, aplikujeme 4. úrovňový model Internetu. Ale s problematikou auto-konfigurace se setkáváme i na úrovni linkové, hlavně u Ethernetu. Technologie Ethernet je dnes dominující technologie linkové vrstvy pro vytvá ření drátových sítí, jde o aplikaci Ethernetu a UTP nebo optického kabelu. Technologie Ethernet má za sebou bouřlivý rozvoj nejen v oblasti přenosových kapacit, ale i na poli auto-konfigurace. V této kapitole se zmíním o auto-negotiation (autovyjednávání) a PoE – Power over Ethernet (napájení přes Ethernet).

2. Auto-negotiation Dnes je běžné, že svůj notebook či jiné zařízení připojíme do po číta čové sít ě UTP kabelem, aniž někde nastavujeme parametry propojení. Pro p řipomenutí, základy Ethernetu jsou: • Existence přenosových rychlostí 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, které jsou plně kompatibilní zdola nahoru. •

Aplikace stromové struktury, kde uzly tvoří routry a switche. Úplný zánik zařízení, typu HUB. Na propojení použití UTP kabelů, popřípadě optických kabelů.

•

Aplikace mnoha provedení s postfixem za definici přenosové rychlosti, 100BASE-TX apod. Jedná se o postfixy T, TX, T4 pro UTP kabely, FX, LX, BX, … pro optické kabely.

•

Zánik principu CSMA/CD, tj. přechod od polovičního duplexu k plnému duplexu.

•

Existence Ethernetu s přenosovými rychlostmi 10 Gbps a 100 Gbps, aplikace switchů, routerů nebo propojení bod - bod.

O autovyjednávání hovoříme pouze do rychlosti 1 Gbps a UTP kabeláži, protože tyto varianty se používají hlavně pro připojení koncových uzlů sítě, jako jsou počíta če, do sítě. Autovyjednávání nám dohodne přenosovou rychlost, poloviční nebo plný duplex, a která strana bude synchronizovat propojení. V případě UTP kabeláže se všechny potřebné informace předávají po UTP kabelu formou elektrických puls ů. Přesná elektrická specifikace je popsána v literatuře IEEE 802.3, [Hernandez_Dell], [N-TRON]. Uživatel se může o existenci této technologie přesvěd čit na noteboocích u konektorů LAN vybavených LED diodami. I když je notebook vypnutý a kabel LAN zasunutý, tyto LED blikají. Switch se snaží s uzlem dojednat parametry spojení.

3. Zerocof pro IP adresu První problém, na IP vrstvě Internet modelu, je získávání IP adresy. Základem celosvětového Internetu jsou veřejné IPv4 adresy. Jedná se při řazení jedine čného čísla uzlu sítě, které je celosvětově jedinečné. V protokolu IPv4 se pro tyto adresy používá termín veřejné IP adresy a v nastupujícím protokolu IPv6 se používá termín globální IP adresy. Ale protokol IPv6 přinesl i nové principy v oblasti adres a s autokonfigurací souvisejí adresy: • Oběžníkové adresy - Broadcast address, tyto adresy v protokolu IPv6 neexistují a byly nahrazeny rezervovanými skupinovými adresami multicast address a protokolem pro vyhledávání sousedů • Link-local address, lokální místní adresy, [wiki_06], [wiki_07]. Jedná se o blok adres, který je daný prefixem fe80::/10, v praxi se častěji používá prefix fe80::/64. Lokální místní adresa je jedinečná pouze na jedné lince. Uzel sítě může mít stejnou lokální místní adresu, pokud je aplikována na různé linky. Jedná se o linkové adresy, které nesmí projít směrovačem router, nejsou směrovatelné. Zbývajících 64 bitů je identifikátor interfece, který může být stanoven několika způsoby, nejen pro linkovou ale i globální adresu: o modifikovaný EUI-64 identifikátor, který lze automaticky vygenerovat z MAC adresy interfejsu, RFC 4862, o o

získán z DHCPv6 serveru, náhodně vygenerován a následná kontrola jedinečnost na lince, aplikace protokolu NDP, RFC 4941,

o manuálně nastaven. • Reserved multicast address, rezervované skupinové adresy. Jedná se o blok rezervovaných adres daných prefixem ff00::/8, za kterým následuje identifikace skupiny. Tyto adresy se vyznačují definicí dosahu, který

vlastně určuje, až kam se tato adresa může šířit. Číslo skupiny centrálně přiřazuje IANA a odpovídá uzlům, serverům a službám v sítí. Na základě lokálních místních v IPv6 vznikly lokální místní adresy v IPv4, RFC 3927, [wiki_07]. Lokální místní adresy v IPv4 jsou definované blokem v rozsahu od 169.254.1.0 do 169.254.254. 255. RFC 3927 definuje rozsah lokálních místních adres jako 169.254.0.0/16 ale s podmínkou, že prvních 256 a posledních 256 adres je rezervováno pro budoucí použití, které dnes nesmí být použity. Lokální místní IPv4 adresa může být přiřazena uzlu pouze, když uzel nezískal IPv4 adresu jinými principy. Zde se myslí hlavně IPv4 adresu z DHCP serveru popřípadě manuální nastavení. Základní vlastnost lokálních místních adres je, že platí pouze na lince a nesmí ji opustit. Router nesmí směrovat lokální místní adresy. Definice lokálních místních adres umožňuje automatické přiřazení IP adres interface. Auto-konfigurace IP adres se chápe automatické přiřazení lokálních místních adres interfejsům v sítí. Tato auto-konfigurace se nazývá bezstavová konfigurace sít ě, stateless configuration. Naproti tomu existuje stavová konfigurace, statefull configuration, dnes se jedná o konfiguraci založenou na DHCP serverech pop řípad ě manuální konfigurace.

4. Auto-konfigurace IPv4 adres Auto-konfigurace pro IPv4 lze pouze vykonat, pokud není dostupný jiný princip konfigurace sítě. Jedná se o stavovou konfiguraci, mezi které pat ří hlavn ě konfigurace pomocí DHCP serveru a manuální konfigurace. Základní kroky automatické konfigurace v síti IPv4 jsou: • Po uvedení do provozu klient vygeneruje zprávu DHCP Discovery a hledá DHCP server. Pokud v sítí existuje jeden či více DHCP serverů, potom oni odpovídají zprávou DHCP Offer. V tomto případě se pokračuje stavovou konfiguraci uzlu a linková místní adresa se nepřiřazuje. V opačném případě, pokud uzel neobdrží nabídku z DHCP serveru, přechází uzel do bezstavové konfigurace uzlu. • Klient si potom vygeneruje náhodné číslo, které použije pro vytvoření lokální místní IPv4 adresy v rozsahu od 169.254.1.0 do 169.254.254.255. Algoritmus pro náhodné číslo je doporučený. Klient si sám sobě přiřadil lokální místní IPv4 adresu. • Klient je povinen zkontrolovat jedinečnost přidělení IPv4 adresy na lince. Toto provede pomocí ARP protokolu. Adresa musí být jedinečná. Uzel je teď připraven komunikovat se svými sousedy na lince.

Pokud později host získá globální směrovatelnou nebo privátní IPv4 adresu, m ěl by upřednostňovat jejich používání. Ale používání prvně přiřazené lokální místní IPv4 adresy je stále možné. Společnost Microsoft používá pro tuto auto konfiguraci IPv4 adres pojem APIPA Automatic Private IP Addressing nebo kratší pojem auto-IP. Nutno si uv ědomit, že přidělení lokální místní adresy je dostatečné pro činnost Windows sít ě v rámci pracovní skupiny. Aplikace NetBIOS nad TC/IP, sítě SMB nebo CIFS, spole čnost Microsoft a Windows for Workgroup, teorie sdílení adresářů a tiskáren. Detailn ější informace o auto konfiguraci IPv4 sítě lze najít v [wiki_07], [MS_01] a [MS_02].

5. Auto – konfigurace IPv6 adres Postup přidělování IPv6 adres je jiný v porovnání IPv4. Nutno vzít v úvahu dobu vzniků obou protokolů a zkušenosti s používáním. Bezstavová auto konfigurace v prostředí IPv6 využívá definice lokálních místních adres, multicastových adres s definovaným dosahem, Neighbor Discovery Protocol – NDP a v neposlední řadě schopnosti interface automaticky generovat identifikátor interface a to bu ď jako modifikovaný EUI-64 (nebo náhodné číslo prověřit). Nutno se také zmínit, že jeden interface v síti IPv6 může mít přiřazeno IPv6 adres kolik chce, počet přiřazených IPv6 adres a ani typy není specifikován. Každému interface, který je p řipojen do IPv6 sít ě se přiřazuje lokální místní adresa IPv6. Základní kroky pro automatické konfigurace v IPv6 podle RFC 2462 a[tcpipguid_01] jsou: • Vygenerování lokální místní adresy. Prefix je fe80::/8, identifikátor interface je generován jako modifikovaný EUI-64 identifikátor nebo náhodné číslo. • Test jedinečnosti vygenerované lokální místní adresy. Pro test se použije NDP protokol, který je součástí ICMPv6 protokolu. Interface vyšle zprávu Neighbor Solicitation a pokud dostane odpověď Neighbor Advertisement to značí, že IPv6 adresa je použita na lince. Uzel vygeneruje novou adresu a provede opět kontrolu. • Kontaktování místního routru. Pro získání globálního prefixu se kontaktuje router. Uzel čeká na zprávu Router Advertisement, která je v pravidelných intervalech vysílaná routrem nebo vygeneruje Router Solicitation. Odpověď je Router Advertisement. Zprávy pocházejí z NDP protokolu. • Host přijme Router Advertisement, prvně na základě této zprávy rozhodne o dalším způsobu konfigurace. Pokud je jeden z příznaků M nebo O nastaven, potom se přechází na stavovou konfiguraci. • Vytvoření globální IPv6 adresy, zpráva Router Advertisement obsahuje směrovací prefix či prefixy. Host na jejich základě sestaví globální IPv6

adresu či adresy. Jako identifikátor interfejsu se použije identifikátor z lokální místní adresy. Upozorňuji, že směrovací prefixy jsou časově omezené a v čase se mění, problematika přečíslování IPv6. Automatická konfigurace zajišťuje omezené možnosti konfigurování uzlu sítě, minimálně tak, aby uzel byl schopen komunikovat v rámci lokální linky.

6. Závěr Uvedený příspěvek představuje možnost auto konfigurace síťových prvků a představuje trend do budoucnosti. Je zde naznačen základní princip autokonfigurace jak pro získání IPv4 adresy, tak pro získání IPv6 adresy.

Poděkování Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT.

Literatura [IEEE802.3] IEEE 802.3, clause 28, page 221, "Physical Layer link signaling for AutoNegotiation on twisted pair" Note: Download of PDF is free, but behind a Captive portal. [online 2013-04-07 http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.3-2008_section2.pdf [Hernandez_Dell] Hernandez, R.: Gigabit Ethernet Auto-Negotiation, [online 2013-04-07], www.dell.com/powersolutions, [online 2013-04-07], http://www.ethermanage.com/ethernet/pdf/dell-auto-neg.pdf; [N-TRON] Ethernet Auto-Negotiation; [online 2013-04-07], http://www.ntron.com/pdf/ethernet_autonegotationwp.pdf, [MS_01] Description of Automatic Private IP Addressing in Windows Millennium Edition, [online 2013-04-07], http://support.microsoft.com/kb/307287/cs [MS_02] Windows 7 and Network Connectivity, [online 2013-04-07], http://technet.microsoft.com/cs-cz/itmanagement/ff765029 [RFC 2462] IPv6 Stateless Address Autoconfiguration, [online 2013-04-07], http://tools.ietf.org/html/rfc2462 [RFC 3927] Dynamic Configuration of IPv4 Link-Local Addresses, [online 2013-04-07], http://tools.ietf.org/html/rfc3927 [RFC 4862] IPv6 Stateless Address Autoconfiguration, [online 2013-04-07], http://tools.ietf.org/html/rfc4862 [RFC 4291] IPv6 Addressing Architecture, [online 2013-04-07], http://tools.ietf.org/html/rfc4291 [RFC 4941] Privacy Extensions for Stateless Address Autoconfiguration in IPv6, [online 201304-07], http://tools.ietf.org/html/rfc4941 [wiki_01] http://en.wikipedia.org/wiki/Zeroconf, [online 2013-03-01] [wiki_02] http://en.wikipedia.org/wiki/Autoconfiguration, [online 2013-03-01]

[wiki_03] http://en.wikipedia.org/wiki/Plug_and_play, [online 2013-03-01] [wiki_04] http://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Plug_and_Play, [online 2013-03-01] [wiki_05] http://en.wikipedia.org/wiki/Hot_swap, [online 2013-03-01] [wiki_06] http://en.wikipedia.org/wiki/IPv6_address, [online 2013-03-01] [wiki_07] http://en.wikipedia.org/wiki/Link-local_address, [online 2013-03-01] [tcpipguid_01] http://www.tcpipguide.com/free/ t_IPv6AutoconfigurationandRenumbering.htm, [online 2013-03-01]

Kontrola rádiového spojení v systému GSM Roman Šebesta Katedra telekomunikační techniky, FEI, VŠB – Technická univerzita Ostrava 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba [email protected]

Abstract. Fyzická vrstva systému GSM, která je umístěna na první ze sedmi vrstev modelu OSI, obsahuje velmi komplexní funkce. Fyzické kanály jsou zde definovány pomocí vícenásobného přístupu s časovým dělením TDMA. Nad fyzickými kanály je definována řada logických kanálů, které jsou přenášeny v příslušných časových intervalech (time slotech) fyzických kanálů. Logické kanály poskytují mnoho funkcí, jako přenos užitečného zatížení, signalizaci, vysílání obecných informací o systému, synchronizaci či přiřazení kanálu. Tento příspěvek se zabývá měřením na rádiovém kanálu souvisejícím s jednou z důležitých funkcí na rádiovém rozhraní, kterou je kontrola rádiového spojení - Radio Subsystem Link Control. Keywords: GSM, MS, TCH, BCCH, handover, buňka.

1

Radio Subsystem Link Control

Radio Subsystem Link Control [1] je jedna z nejdůležitějších funkcí na rádiovém rozhraní související s měřením kvality přijímaného signálu sloužícím pro: ─ výběr buňky, ─ handover, ─ řízení vysílacího výkonu. V režimu bez aktivního spojení (idle) mobilní stanice MS kontinuálně monitoruje nosné BCCH servisní (stávající) buňky a okolních buněk, aby byla schopna vybrat buňku, se kterou může s největší pravděpodobností komunikovat. Během spojení (dedicated – TCH nebo SDCCH) slouží funkce měření kanálů a řízení výkonu pro udržení a optimalizaci rádiového kanálu. Funkce řízení rádiového spojení se provádějí prostřednictvím signali-

začníhoo kanálu SA ACCH, v jehhož blokovéém formátu jsou pro tyyto účely definovvána dvě polle: ─ výkonnová úroveň ň, ─ timinng advance TA. T Ve směru od sítě k uživateli (ddownlink) tato t pole ob bsahují hodnnoty, jak byly přiiděleny ze strany s sítě (B BSS - Base Station Sub bsystem). V opačnném směru (uplink) MS S vkládá sv vé stávající používané p hhodnoty. Monitorrované nam měřené kvallitativní hod dnoty jsou přenášeny v datové části blooku SACCH H.

Obr. 1. : Blokový formáát SACCH.

Řízení rádiového r sp pojení můžee být princiipiálně rozděleno do tříí částí: ─ sběr naměřených n h dat a jejichh zpracován ní; ─ řízeníí vysílacího o výkonu; ─ řízeníí handoveru u. V případě aktivního spojení jssou periodiccky obdržen ny naměřenéé hodnony jako aktu uální průměrrné hodty (každdých 480 ms), které jsoou vypočten noty. Tyto T naměřřené údajee slouží prro řízení vysílacího výkonu k adaptiivnímu přizzpůsobení vý výkonu MS a BSS. Nássledně jsou naměřené hodnnoty společn ně s výsledkky procesu řízení výko onu poskytnnuty pro potřebyy procesu haandoveru, kkterý rozhod duje, zda je handover ppotřebný či nikoliv.

2

Měření na rádiovém kanálu

Úkolem MS je identifikovat dosažitelné základnové stanice a proměřit jejich příslušné přijímané úrovně signálu a kvalitu rádiového kanálu. V režimu idle tato měření slouží k výběru aktuální základnové stanice (naslouchání PCH – Paging Channel). V režimu dedicated jsou naměřené údaje přenášeny prostřednictvím kanálu SACCH směrem k základnové stanici jako tzv. measurement report/measurement Inko [2]. Tyto informace slouží jako vstupní údaje pro algoritmus řízení vysílacího výkonu a handoveru. Proměřuje se: ─ stávající kanál ve směru uplink a downlink (TCH nebo SDCCH), ─ nosné BCCH, které jsou kontinuálně vysílány s konstantním výkonem na všech BTS ve všech time slotech. Seznam nosných frekvencí BCCH sousedních BTS se nazývá BCCH Allocation (BA) a je poskytnut každé MS prostřednictvím její aktuální BTS. Identita buňky (cell identity) je vysílána jako BSIC (BTS Identification Code) prostřednictvím kanálu BCCH. Do paměti SIM karty MS je možno uložit až 36 nosných BCCH a jim odpovídajících hodnot BSIC. K popisu kvality rádiového kanálu používá systém GSM dva parametry: 1. RXLEV (Received Signal Level) – úroveň přijímaného výkonu měřená v dBm. Výkon přijímaného signálu je měřen kontinuálně MS i BTS v každém přijímaném burstu (základní přenosová jednotka systému GSM odpovídající přenosu 156,25 bitu na účastnickém kanálu – jednom time slotu) v rozmezí -110 dBm až -48 dBm (viz. tab.1). Příslušné hodnoty RXLEV jsou získány průměrováním. 2. RXQUAL (Received Signal Quality) – kvalita přijímaného signálu měřená jako bitová chybovost BER (Bit Error Ratio) v procentech měřená před korekcí (viz. tab.2). BER před korekcí může být určena různými způsoby. Např. využitím 26 bitové tréninkové sekvence dat, která slouží pro účely ekvalizace v systému GSM nebo prostřednictvím opakovaného zakódování dekódovaných, chybně přijatých datových bloků a jejich srovnáním s přijatými daty. Data před korekcí jsou reprezentována 456 bitovými bloky. Příslušné hodnoty RXQUAL jsou získány průměrováním.

Tabu ulka 1. Měřenýý rozsah úrovní přijímaného sig gnálu.

Tabulka T 2. Měěřený rozsah bittové chybovosti.

2.1

K Kanálové měření během m režimu idle. i

Existujíí dvě možnéé situace: 1. MS nemá n k dispo ozici žádné informace o síti (kteréé BCCH nossné jsou v danné oblasti vy yužity) – M S musí proh hledávat všeech 124 ráddiových kanállů systémů GSM, G měřitt jejich výko onové úrovn ně signálu a vypočítat průměr p z neejméně 5 poosledních měření. m Jakm mile jsou vyhhledány

nosné přijímaných BCCH, MS se začne synchronizovat s každou z nich a číst systémové informace přičemž začíná s BCCH s nejvyšší hodnotou RXLEV. 2. MS má na SIM kartě uložen seznam nosných BCCH – urychlí se nastavení týkající se aktuální polohy (výskytu) MS. Pokud MS nenalezne žádnou z uložených BCCH nosných, začne s normálním vyhledáváním (viz. první případ). MS může uložit několik seznamů z nedávno navštívených sítí. 2.2

Kanálové měření během režimu dedicated.

Měří se v průběhu vytvořeného spojení na přenosových kanálech (TCH) nebo na signalizačních kanálech (SDCCH) a to v intervalu trvání kanálu SACCH, který obsahuje 104 TDMA rámců v případě kanálů TCH (480 ms) nebo 102 TDMA rámců (470,8 ms) v případě kanálů SDCCH. Naměřené hodnoty RXLEV a RXQUAL se zprůměrují a přenesou směrem k BTS prostřednictvím kanálu SACCH jako measurement report/measurement info. Hodnoty RXLEV a RXQUAL měří na příslušném uplinku rovněž BTS. Do measurement reportu jsou zahrnuty pouze bezpochybně zjištěné nosné BCCH. BTS může provést rozhodnutí o handoveru, které je založeno na: ─ naměřených hodnotách RXLEV a RXQUAL; ─ vzdálenosti MS od BTS; ─ momentálním rušení na nevyužitých time slotech. Rozhodovací algoritmus pro handover nebyl zahrnut do standardu GSM. Síťoví operátoři mohou používat algoritmy, které optimalizují jejich síť nebo místní situaci. Standard GSM dává pouze základní doporučení, které vyhovuje minimálním požadavkům pro rozhodovací algoritmus handoveru. Tento algoritmus definuje prahové hodnoty, které musí být překročeny v jednom nebo druhém směru, aby se dospělo k bezpečnému rozhodnutí o provedení handoveru a aby se zabránilo vzniku tzv. ping-pong handoverům, které oscilují mezi dvěma buňkami. Ačkoli rozhodovací algoritmus je součásti Radio Subsystem Link Control, jeho projednávání je odloženo a je zpracováno společně se signalizací handoveru.

3

Závěr

V prostorách Katedry telekomunikační techniky je umístěna základnová stanice BTS mobilního operátora T-Mobile se speciálně upraveným nastavením sloužícím pro potřeby laboratorní výuky. Měření úrovní přijímaného signálu a měření bitové chybovosti v pohotovostním režimu a v režimu během spojení je zahrnuto v rámci výuky jako jedno z laboratorních měření. Poděkování Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT. Použité zdroje 1. Ebersprächer, J., Vögel, H., Bettstetter, Ch.: GSM-Switching, Services and Protocol, John Wiley & Sons, 2003 2. Digital cellular telecommunications system (phase 2+), mobile radio interface layer 3 specification

Laboratorní Výuka Pobočkových Ústředen Pavel Šilhavý Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně, Česká Republika [email protected]

Abstract. Tento článek se věnuje problematice inovace výuky předmětu Telekomunikační a informační systémy. Předmět je zaměřen na problematiku telekomunikačních systémů, ústředen, signalizací, atd. Věnuje se rovněž problematice pobočkových ústředen (PBX), a to zejména nejperspektivnějších softwarových ústředen s otevřeným kódem (Open Source). V článku je uvedena koncepce výuky. Rozebrána je zejména koncepce a obsah laboratorních cvičení. Keywords: Telekomunikační systémy, Laboratorní výuka, pobočkové ústředny, PBX, Softwarové pobočkové ústředny, Open Source, Asterisk, FreeSwitch, YATE.

1

Úvod

V současné době dochází ke konvergenci datových a telekomunikačních sítí. Mezi všemi zaujímá přední místo technologie Ethernet. Díky finanční dostupnosti, svému širokému rozšíření a jednoduchosti implementace slouží právě tato technologie jako základ telekomunikačních sítí typu VoIP (Voice over IP), jež v současné době úspěšně nahrazují analogové či digitálních ISDN přípojky. Díky vývoji hardware mohou být klasické pobočkové ústředny nahrazovány softwarovými pobočkovými ústřednami, jež mohou být implementovány do běžných PC, serverů či embedded systémů. Pro vazbu na klasické PSTN (Public Switched Telephone Network) sítě s okruhovým spojováním je již nutno doplnit tyto systémy specifickým telefonním hardwarem. Jedná se o PCI či PCIe karty s analogovým rozhraním POTS (Plain Old Telephone Service), ISDN-BRI karty, E1 karty, GSM brány, transkódovací karty a další. Právě výrobci tohoto specifického hardware jsou dnes hlavními sponzory Open Source projektů. Například firma Digium je hlavním sponzorem dominantního Open Source PBX projektu Asterisk [1], firma Sangoma projektu FreeSwitch [3]. Snahou je tedy zachytit tento trend a umožnit studentům v rámci laboratorních cvičení seznámení jak s výrobky klasických výrobců (např. Alcatel, Siemens, Panasonic), tak s Open Source projekty. V laboratorních úlohách se tak studenti mohou seznámit s těmito ústřednami a projekty, použitými rozhraními PSTN, TDM a VoIP technologií a protokoly. Polovina laboratorních cvičení je věnována softwarové pobočkové ústředně Asterisk, neboť se jedná o nejrozšířenější Open Source PBX. Pro vytvoření představy o možnostech vazby jednotlivých systémů, přehledu různých rozhraní a protokolů je v laboratoři vytvořena experimentální telekomunikační síť, kterou uvádí Obr. 1. Jak je patr-

Obr. 1. Zapojení experimentální telekomunikační sítě

no z obrázku, experimentální síť zahrnuje ústředny výrobců Alcatel, Siemens, Panasonic, 2N a dalších, Open Source projekty Asterisk [1], FreeSWITCH [3], YATE [2] a většinu běžně využívaných rozhranní a protokolů v telekomunikační technice. Rovněž obsahuje experimentální signalizační síť SS7, skládající se z jednoho STP (Signaling Transfer Point) a čtyř SSP (Signaling Switching Point).

2

Systém výuky předmětu

Výuka předmětu Telekomunikační a informační systémy zahrnuje přednášky, exkurzi, laboratorní cvičení a samostatný projekt. Při absolvování všech částí studenti získávají kromě všeobecného přehledu nejpoužívanějších technologií i nejmodernější poznatky z oblasti telefonie. V laboratorních cvičeních si pak prakticky seznámí s rozhranními, signalizacemi, pobočkovými ústřednami tradičních výrobců, pobočkovými ústřednami s otevřeným kódem, s možnostmi jejich konfigurace a získané zkušenosti následně prověří samostatný projekt. Blok přednášek zahrnuje: Pobočkové telefonní ústředny, Open source PBX, Účastnické sady, přenašeče, hardware pro Open Source PBX, PSTN signalizace, VoIP signalizace, IP telefonie – Zajištění kvality a bezpečnosti, Veřejné telefonní ústředny v národní síti, číslovací plán, Služby PBX, Spojovací pole, Teorie hromadné obsluhy, Řídicí prvky spojovacích systémů, systémy odolné vůči poruchám. Látka je vždy doplněna příklady implementace dané problematiky v konkrétních ústřednách se zřetelem na Open Source projekty. Připomínky k obsahu výuky pak studenti mohou vyjádřit anonymně prostřednictvím informačního systému a rovněž při závěrečné

zkoušce je položena nepovinná otázka tykající se hodnocení a inovace předmětu. Některé komentáře z minulých let již přispěly k inovaci předmětu. Studenti absolvují během předmětu exkurzi přímo na pracoviště telekomunikačního poskytovatele. Studenti tak máji možnost propojit teoretické poznatky s praktickými. Zároveň si osvojují komunikační schopnosti při kladení dotazů na pracovníky z praxe. V této části výuky si většinou studenti uvědomí, že osvojení si probírané látky (např. i základní terminologie) je velmi důležité pro komunikaci s odborníky z praxe. Laboratorní cvičení je tvořeno celkem dvanácti úlohami. Prvních šest laboratorních úloh je zaměřeno na práci s pobočkovou ústřednou Asterisk [1]. Tuto část studenti absolvují jednotlivě, neboť pro každého studenta je připraveno individuální pracoviště, které uvádí Obr. 2. Každé pracoviště obsahuje počítač s osazenou analogovou kartou Digium a nainstalovanou ústřednou Asterisk, analogový telefon a VoIP telefon. Po absolvování pěti cvičení věnovaných PBX Asterisk následuje samostatný projekt, při kterém studenti prokáží získané dovednosti. Další část je tvořena šesti úlohami realizovanými na ústřednách tradičních výrobců a s pomocí dalších Open Source projektů [2-3]. Druhou část studenti realizují po dvojicích. Zde se mohou studenti seznámit s hardware pro Open Source PBX a konfiguraci pobočkových ústředen Panasonic KX-NCP500, Siemens HiPath 3500, Alcatel-Lucent OmniPCX Enterprise a implementací PBX Asterisk na embedded systému. Názvy laboratorních úloh uvádí následující seznam: 1. PBX Asterisk - Úvod, SIP, IAX, DAHDI, jednoduchý číslovací plán 2. PBX Asterisk - Pokročily číslovací plán a makra 3. PBX Asterisk – Trunkování 4. PBX Asterisk - Pokročile služby PBX 5. PBX Asterisk - Pokročilé přístupové a skriptovací možnosti 6. PBX Asterisk - Samostatný projekt 7. PBX Siemens HiPath 3500, E1 Q – signalizace 8. DAHDI, signalizace SS7 a měření na ÚSa - Asterisk + YATE 9. PBX Alcatel-Lucent OmniPCX Enterprise 10. PBX Asterisk Embedded systém 11. Sangoma - Wanpipe, SMG, analýza ISDN BRI -Asterisk + FreeSWITCH 12. PBX Panasonic KX-NCP500 Jak je patrno ze seznamu, druhá polovina laboratorních cvičení zahrnuje seznámení s Open Source projekty Asterisk [1], FreeSWITCH [3], YATE [2] a hardwarem pro tyto projekty vyráběným firmami Digium, Sangoma a Xorcom. Rovněž si studenti osvojí konfiguraci ústředen dominantních výrobců telekomunikační techniky, a to Alcatel-Lucent PBX OmniPCX Enterprise, Panasonic PBX KX-NCP500 a Siemens PBX HiPath 3500.

Obr. 2. Ukázka jednoho z pracovišť pro výuku pobočkové ústředny Asterisk.

3

Závěr

V tomto článku byla prezentována koncepce výuky předmětu Telekomunikační a informační systémy. Jak již bylo uvedeno, snahou je komplexně seznámit studenty s problematikou telekomunikačních systémů se zřetelem na nové trendy v této problematice, zahrnující zejména fenomén softwarových ústředen s otevřeným kódem, který umožňuje studentům hlubší pohled do problematiky telekomunikačních systémů bez nutnosti nákupu specifického hardware. Zejména tato část předmětu patří pro dnešní studenty k nejzajímavějším a každoročně je kladně hodnocena. Mezi další přínosy těchto systémů s otevřeným kódem je možnost laboratorní výuky dříve cenově nedostupných technologií. Příkladem je vytvořená výuková sít se signalizačním systém č. 7. Tento článek byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062.

Literatura 1. Meggelen, J.V, Smith, J., Madsen, L. Asterisk™ The Future of Telephony. Sevastopol: O'Reilly Media, Inc., 2005. ISBN 0-596-00962-3. 2. YATE - Main – Documentation. [online], [cit. 2013-15-03]. Dostupné z http://www.yate.null.ro. 3. FreeSWITCH - Main – Documentation. [online], [cit. 2010-15-03]. Dostupné z http://wiki.freeswitch.org/wiki/Main_Page.

Využití výukového systému v laboratořích předmětu Přístupové a transportní sítě Vladislav Škorpil, Josef Jeřábek Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, Technická 10, 616 00 Brno Email: [email protected],

[email protected]

Abstract: Článek popisuje využití výukového systému Tutor TIMS (Telecommunication Instructional Modelling System) v laboratořích předmětu Přístupové a transportní sítě. Tento předmět je zařazen v bakalářském studijním oboru Teleinformatika FEKT VUT v Brně v rozsahu 26P-26L. TutorTIMS je založen na systému zásuvných modulů, které jsou potřebné pro aktuální měření. Následuje propojení těchto modulů a výsledek se ihned zobrazí v reálném čase. K dispozici je též softwarová verze a nemodulová aplikace Biskit, přičemž všechny tři možnosti jsou ve výuce využívány. V práci je popsána laboratorní úloha s názvem Linkové kódy. Keywords: Tutor TIMS, Přístupové a transportní sítě, Linkové kódy, NRZ, RZ

1

Úvod

Hlavním cílem zařazení výukového systému Tutor TIMS do laboratorních cvičení předmětu Přístupové a transportní sítě je podpora uplatňování nových vzdělávacích metod a nových poznatků v oblasti komunikačních systémů. Inovativní zařazení systému TIMS vzniklo po podrobné analýze, v úvahu byly brány především nejnovější poznatky získané při studiu zahraniční literatury a odborných časopisů a využity byly znalosti z četných navštívených konferencí. Počítá se též s využitím v kombinovaném studiu a v univerzitě třetího věku. Článek vychází především z literatury [1] a [2]. Systém TIMS je popsán ve firemní dokumentaci [3], [4], [5], [6], [7], [8] a [9]. 1.1

TutorTIMS – Advanced

Tutor TIMS – Advanced je placená softwarová verze programu. Podporuje všechny volitelné funkce aplikace a je nainstalována v laboratoři SC 5.35 v nových prostorách FEKT na ulici Technická 12 v Brně. Zde je i licenční server s připojeným USB hardwarovým klíčem, který je nezbytný pro provoz jednotlivých klientských aplikací v síti. Aplikace je dodávána společně s krátkým flashovým tutoriálem, který vysvětluje základní funkce, dále pak s uživatelským manuálem jednotlivých modulů a také s množstvím předpřipravených experimentů, které lze dále upravovat.

K aplikaci TutorTIMS – Advanced se lze také alternativně připojit přes program vzdálená plocha. Na terminálovém serveru term.utko.feec.vutbr.cz se nachází operační systém MS Windows Server 2008 standard a je zde také zpřístupněna softwarová verze TIMS. Pokud má uživatel vytvořený účet s příslušným oprávněním, může využívat TutorTIMS – Advanced v podstatě odkudkoliv, kde je připojení k internetu. 1.2

Hardwarová verze TIMS

Hardware verze TIMS (Telecommunication Instructional Modeling System) je vlastně kompletní laboratorní prostředí pro studenty kurzů telekomunikací, zpracování signálů a bezdrátových sítí, zobrazena je na Obr.1. Jediným potřebným dodatečným zařízením je osciloskop. Už od svého založení v roce 1971 poskytuje TIMS studentům telekomunikací a elektrotechniky praktickou zkušenost se skutečným modelovacím systémem telekomunikační teorie a techniky. Tento systém je navržen způsobem, aby ho bylo možné neustále rozšiřovat a aktualizovat tak, aby implementoval nejnovější vývojové trendy v digitálních a analogových modulacích a v kódování. TIMS modeluje matematické rovnice, které reprezentují elektrické signály, nebo modeluje blokové diagramy reprezentující telekomunikační systémy. Úkolem TIMS je praktickým způsobem ozřejmit koncept telekomunikačních teorií.

Obr.1. Jednotka TIMS-301

Obr.2 Jednotka Biskit TIMS

1.3

Biskit TIMS

Výukový systém Biskit Tims je nemodulová verze, která umožňuje méně sofistikovaná zadání a jeho výhodou je především nižší cena. Názornost řešení je obdobná jako u ostatních verzí, obtížněji se však realizují vlastní nápady. Zobrazen je na obr.2

2

Linkové kódy v systému TIMS

Cílem této laboratorní úlohy je seznámení se s linkovými kódy, jejich používání a dekódování. Úloha slouží také k seznámení se s moduly LINE-CODE ENCODER a LINECODE DECODER. 2.1

Teoretický rozbor

Teoretický rozbor vychází z [10] a [11]. Existuje mnoho důvodů k používání linkového kódování. Každý z kódů, které budou níže probrány, nabízí jednu nebo více z následujících výhod: Tvarování a posun spektra bez modulace či filtrování - toto je důležité v aplikacích s telefonními linkami např. kde přenosová charakteristika je silně utlumena pod frekvencí 300 Hz.

Obnovení bitových hodin (časování) může být zjednodušeno. Eliminace stejnosměrné složky - toto umožňuje AC spojení mezi jednotlivými stupni (jako v telefonních linkách). Schopnost detekce chyb Využití šířky pásma - možnosti posílání vyšší rychlostí než jiné schémata přes stejnou šířku pásma. Modul LINE-CODE ENCODER slouží přinejmenším jako rozhranní mezi signály TTL úrovně vysílače a mezi těmi z analogového kanálu. Podobně modul LINE-CODE DECODER slouží jako rozhranní mezi analogovými signály v přenosovém kanálu a signály požadovanými digitálním přijímačem, které mají TTL úrovně. 2.2

Moduly

Dva nové moduly, které budou představeny, se nazývají LINE-CODE ENCODER a LINE-CODE DECODER. V této úloze nebude pojednáváno o tom, jak probíhá samostatné kódování a dekódování. To už je na studentovi, aby prozkoumal průběhy jednotlivých kódů a porovnával je s původní TTL posloupností. V digitálních přenosových systémech je konečné digitální zpracování prováděno na signálu před tím, než je připojen na analogový kanál, ačkoliv zde může probíhat současně i tvarování průběhů a pásmové omezení. Proto v systému TIMS modul LINE-CODE ENCODER přijímá TTL vstup a výstup je přijatelný pro přenos přes analogový kanál. Více o modulech LINE-CODE ENCODER a LINE-CODE DECODER naleznete v [4]. Na výstupu kanálu je signál se standardní TIMS analogovou úrovní (nebo menší). Signál může být narušen šumem a obnoven detektorem (v systému TIMS se jedná o modul DECISION MAKER). Nakonec výstup z detektoru přichází na vstup modulu LINECODE DECODER a ten jej převede opět na binární TTL formát. Předcházející linkovému kodéru může být kodér zdroje s odpovídajícím dekodérem zdroje na straně přijímače. Modul LINE-CODE ENCODER slouží jako zdroj systémových bitových hodin. Ty jsou řízeny signálem master clock o frekvenci 8,333 kHz z modulu MASTER SIGNALS a dále je signál master clock podělen faktorem 4, kvůli odvození nezbytných vnitřních časovacích signálů o frekvenci 2,083 kHz. Výsledná frekvence 2,083 kHz je použita jako vhodný zdroj TTL signálu pro systémové bitové hodiny. Protože modul LINE-CODE DECODER musí přijatý signál zpracovat, přináší časové zpoždění. Proto poskytuje i znovu načasované bitové hodiny v případě, že by bylo potřeba nějakého dalšího zpracování. 2.3

Dostupné linkové kódy

Pro TTL vstupní signál jsou k dispozici následující výstupní signály z modulu LINECODE ENCODER: NRZ-L (non-return to zero - level): bipolární signál, jenž je oproti zdrojovému signálu pouze odlišný v měřítku. NRZ-M (dtto - Mark): bipolární signál s přechodem na začátku každé „1“ a beze změny při „0“. „M“ odkazuje na inverzi při značce. Jedná se o diferenciální

Obr. 3 Linkové kódy v systému TIMS

kód. Dekodér správný výstup nezávisle na polaritě na vstupu. UNI-RZ (uni-polar - return to zero): Jedná se o signál, který má nulový výstup, pokud je vstupem „0“ a má pulzy s poloviční šířkou pokud je vstup „1“. Tento průběh má významnou stejnosměrnou složku. BIP-RZ (bipolar return to zero): Jedná se o tříúrovňový signál, kde výstup je pulz s poloviční šířkou „+Ve“, pokud je na vstupu „1“. Pokud je na vstupu „0“, tak na výstupu je pulz s poloviční šířkou „-Ve“. Pro každý pulz platí, že je zde návrat k nulové hladině v druhé polovině každé bitové periody. RZ-AMI (return to zero - alternate mark inversion): Jde o tříúrovňový signál, kde pulz s poloviční šířkou je na výstupu, pokud je na vstupu „1“ a nulová hladina na výstupu pokud je vstup „0“. Toto by bylo stejné jako UNI-RZ, ale dodatečně je zde inverze polarity každého střídavého výstupního pulzu. Pro každý vstup v prostředku intervalu. BiΦ-L (biphase - level): Jinak nazýván také Manchester. Jde o bipolární ±V volty. Pro každý vstup „1“ je odpovídající přechod od „+V“ k „-V“ v prostředku „0“ je odpovídající přechod z „-V“ do „+V“

DICODE-NRZ ( Di-code non-return to zero): Tříúrovňový signál. Pro každý přechod vstupního signálu existuje výstupní pulz s opačnou polaritou než předcházející pulz. Pokud není na vstupu žádný přechod, tak na výstupu je nulová úroveň. Linkové kódy nabízené modulem LINE-CODE ENCODER jsou zobrazeny na Obr.3 . Výstupní průběhy jednotlivých kódů mají upraveny amplitudy, kvůli přizpůsobení pro analogový TIMS kanál. Pokud připojíme tyto průběhy (výstup z modulu LINE-CODE ENCODER) na vstup modulu LINE-CODE DECODER, tak jsou dekódovány zpět do originální TTL posloupnosti. Nehledě na druh použitého linkového kódu, je zvykem omezení pásma těchto průběhů před tím, než jsou poslány do přenosového kanálu nebo do modulátoru. Jakmile je použito pásmové omezení, tak jsou jednotlivé pulzy rozprostřeny v časové ose a interferují se sousedními pulzy. Tyto interference vyvolávají problém mezisymbolových přeslechů ISI (inter-symbol interference). Studie ISI je mimo rozsah tohoto textu a v praxi nemůže být ignorována. Pásmové omezení (např. tvarováním pulzů) může být provedeno vhodně navrženým filtrem, kterým je možné kontrolovat i ISI. Resetování modulu LINE-CODE ENCODER a DECODER po připojení master clock nebo po přerušení hodin není striktně nezbytné pro všechny kódy. Ale je to mnohem jednodušší to udělat pro všechny kódy, než si pamatovat pro které kódy je to nezbytné. 2.4 Pokyny k měření Na Obr.4 je zjednodušené schéma zapojení. Není zde zdrojové kódovaní či dekódování, kanál v základním pásmu a ani detekce. Pro účel tohoto experimentu je to ovšem dostatečné a potvrzuje to operace modulů linkového kódování.

Obr.4. Zjednodušené schéma zapojení Pokud byl zvolen určitý kód a zpráva byla úspěšně dekódována bez chyby, měl by být zahrnut do přenosové cesty i modul BUFFER AMPLIFIERS. Připojením tohoto modulu dojde ke změně polarity v přenosovém kanálu. Pokud nedojde ke změně

dekódované posloupnosti, je použitý kód necitlivý na změnu polarity. Všimněte si, že modul LINE-CODE DECODER vyžaduje pro úspěšné dekódování vstupní signál s amplitudou blízko TIMS analogové vztažné úrovně (±2 Vpp). V normálních aplikacích je toto zajištěno, protože modul dostane vstupní signál z modulu DECISION MAKER. Prostudujte TIMS Advanced Modules User Manual kvůli více detailům o modulech LINE-CODE DECODER a ENCODER. Zvolte krátkou posloupnost vysílacího zdroje (modulu SEQUENCE GENERATOR) Zobrazte si výchozí posloupnost z modulu SEQUENCE GENERATOR a porovnejte ji s dekódovanou posloupností z výstupu DATA modulu LINE-CODE DECODER. Volte jednotlivé druhy kódů a jejich průběhy i s původní posloupností zaznamenejte graficky do technické zprávy. Zobrazte i spektrum příslušného kódu. Body b) až d) proveďte i v softwarové verzi TIMS, případně přizpůsobte schéma zapojení softwarové verzi.

3

Závěr

Při inovaci laboratorních cvičení předmětu Přístupové a transportní sítě je kladen důraz především na základní pojmy a operace nutné pro přenos dat jako jsou modulace signálu, klíčování a typy kódování. Pro inovaci výuky laboratorních cvičení byl zvolen systém Emona TutorTIMS a to jak jeho hardwarová verze Emona TutorTIMS-301, tak jeho softwarová verze od firmy Emona Instruments, konkrétně TutorTIMS Advanced. Díky tomuto modelovému systému lze provádět a pochopit velké množství úloh týkajících se telekomunikačních přenosů, modulačních a kódovacích schémat, generování signálů, apod. Výsledné hodnoty, v případě hardwarové verze, lze zobrazit v reálném čase na připojeném osciloskopu nebo pomocí speciálního programu přímo na obrazovce počítače, kde je možno s naměřenými průběhy a hodnotami dále pracovat. Softwarová verze provádí celou simulaci i zobrazení výsledných průběhů a hodnot na počítači.

Poděkování Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně akreditovaných kurzů ICT.

Literatura 1. JEŘÁBEK, J. Optimalizace telekomunikačního výukového prostředí. VUT, Brno 2008 2. ŠKORPIL, V. Zavedení nového výukového systému do laboratorních cvičení. Závěrečná zpráva projektu FRVŠ. VUT, Brno 2008 3. HOOPER, T. Communication System Modelling with TIMS : Volume A1 Fundamental Analog Experiments. 4.9. aktualiz. vyd. Austrálie : Emona Instruments Pty Ltd, 2005. 186 s.

4 ALFRED, Breznik , MANFREDINI, Carlo. TIMS-301 USER MANUAL & BASIC MODULES. 1.6. vyd. Sydney (Austrálie) : EMONA INSTRUMENTS PTY LTD, 2004. 31 s. 5 ALFRED, B., MANFREDINI, C. TIMS ADVANCED MODULES and TIMS SPECIAL. APPLICATION MODULES. 3.6. vyd. Sydney (Austrálie) : Emona Instruments Pty Ltd, 2005. 138 s. 6 Instructor`s Manual to accompany Communication Systems Modelling with TIMS. 1.1 : Volumes A1, A2, D1, & D2. přeprac. vyd. Sydney (Austrálie) : Emona Instruments Pty Ltd, 2005. 77 s. 7 EMONA TIMS - Main features of TIMS [online], PDF dokument: Dostupný z WWW: . 8 EMONA TIMS [online] - domovská stránka projektu. Dostupný z WWW: . Net*TIMS Guide. 2.3. vyd. Sydney (Austrálie) : Emona Instruments Pty Ltd, c2005. 10 s. PDF dokument: Dostupný z WWW: . 9 PicoScope - User Guide. 1.7. vyd. St Neots (UK) : Pico Technology Ltd, c2006. 10 ŠEBESTA, V. Teorie sdělování. 2. VUTIUM, Brno 2001. 92 s. 11 PUŽMANOVÁ, R. Moderní komunikační sítě A-Z. Computer Press, Brno 2007

Technologie Any Transport over MPLS v rámci výuky předmětu Širokopásmové sítě Petr Machník VŠB – Technická univerzita Ostrava, Katedra telekomunikační techniky, Ostrava, Česká republika, [email protected]

Abstrakt. Technologie AToM (Any Transport over MPLS) umožňuje přenos rámců 2. vrstvy modelu OSI přes síť postavenou na technologii MPLS. Tento článek popisuje základní vlastnosti této technologie a ukázku její praktické realizace v rámci laboratorní výuky předmětu Širokopásmové sítě. Popsaná síť zajišťuje přenos ethernetových rámců, které přísluší do různých sítí VLAN, přes MPLS síť. V návodu k laboratorní úloze je ukázán postup konfigurace jednotlivých síťových zařízení a způsob ověření funkčnosti celého řešení. Klíčová slova: Any Transport over MPLS, emulace virtuálního kanálu, L2 VPN, Multiprotocol Label Switching, pseudovlákno.

1

Úvod

Vedle technologie MPLS VPN (Multiprotocol Label Switching Virtual Private Network), která vytváří VPN sítě pro provoz na 3. vrstvě modelu OSI (což jsou především IP pakety), vznikla potřeba přenášet přes MPLS jádro sítě poskytovatele síťové služby i data 2. vrstvy – Frame Relay, Ethernet, PPP, HDLC rámce nebo ATM buňky. Řešením je technologie Any Transport over MPLS (AToM) [1], která umožňuje vytvářet VPN sítě typu bod-bod pro data 2. vrstvy. Taková situace nastane, pokud je například přístup ze zákaznické sítě do sítě poskytovatele realizován technologiemi jako Frame Relay nebo ATM a současně je jádro sítě poskytovatele postaveno na MPLS. Technologie AToM byla vytvořena firmou Cisco v roce 2000. Následně byla standardizována organizací IETF. Výhodou technologie AToM je, že zákazník nemusí provádět žádné změny na svých hraničních zařízeních, která posílají provoz na 2. vrstvě k poskytovateli, a současně poskytovatel může beze změn využít MPLS jádro své sítě, kde může současně fungovat technologie MPLS VPN. Všechno mají totiž na starosti jen PE směrovače. Podobnou funkci jako AToM, tj. vytvářet VPN síť pro data 2. vrstvy, má i například technologie L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol). Ta ale tuneluje čistou IP síť, zatímco AToM přenáší data přes MPLS síť. Architektura sítě AToM (viz. obrázek 1) je založena na tzv. pseudovláknech, která emulují funkci a vlastnosti dané technologie 2. vrstvy, jejíž data jsou přenášena. Pseudovlákna vytváří tunel typu bod-bod přes MPLS síť mezi hraničními PE (Provider Edge) směrovači. Výsledkem je, že se zákaznické hraniční směrovače CE (Customer Edge) navzájem vidí jako přímo připojené na 2. vrstvě.

Jak je názorně ukázáno na obrázku 2, jsou k rámcům 2. vrstvy při přenosu MPLS sítí přidány dvě značky. Vnější značka – tunnel label – slouží k přenosu MPLS síti po dané LSP (Label Switched Path). Vnitřní značka – virtual circuit label nebo též pseudowire label – identifikuje na výstupním PE směrovači virtuální kanál, na který se má daný rámec poslat. PE směrovače vytváří mezi sebou cílená LDP spojení, která slouží k výměně značek používaných pro identifikaci výstupního virtuálního kanálu. Pro výměnu tunelových značek lze použít standardní protokol LDP (Label Distribution Protocol) nebo RSVP (Resource Reservation Protocol). Druhý z uvedených protokolů je využit v případě současného nasazení technologie MPLS TE (Multiprotocol Label Switching Traffic Engineering).

Obr. 1. Architektura sítě AToM

Obr. 2. Přenos rámce sítí AToM

2

Zadání laboratorní úlohy

V této kapitole bude uvedeno zadání laboratorní úlohy z předmětu Širokopásmové sítě vyučovaném na Katedře telekomunikační techniky VŠB – Technické univerzity Ostrava. Tato laboratorní úloha se věnuje praktické realizaci technologie AToM v podobě přenosu ethernetových rámců přes síť MPLS v rámci různých sítí VLAN (Virtual Local Area Network). Síť je realizována s využitím síťových zařízení Cisco. Sestavte síť dle obrázku 3 a přiřaďte IP adresy všem zařízením v síti s využitím adres z rozsahu 10.0.0.0/16 pro síť poskytovatele síťové služby a 192.168.0.0/16 pro tři pobočky sítě zákazníka. Na směrovačích aktivujte směrovací protokol OSPF (Open Shortest Path First). Mezi směrovači zprovozněte technologii AToM pro přenos ethernetových rámců mezi VLAN v zákaznických sítích. Na přepínačích aktivujte sítě VLAN.

Obr. 3. Schéma zapojení sítě používající technologii AToM

Zkontrolujte funkčnost zapojení. Zkontrolujte správnost směrování podle protokolu OSPF. Prozkoumejte obsah tabulek LFIB, použité značky v MPLS oblasti a vytvoře-

né L2 virtuální kanály (pseudovlákna). Zachyťte pomocí programu Wireshark komunikaci mezi směrovači.

3

Postup řešení

Nejprve se provede standardní konfigurace všech směrovačů a jejich rozhraní (včetně rozhraní loopback). Podrozhraní (subinterface) se aktivují hromadně v režimu konfigurace rozhraní, na podrozhraní se v této síti nekonfigurují žádné IP adresy. Dále je nutné aktivovat směrovací protokol OSPF. RA(config)#router ospf 1 RA(config-router)#network 10.0.0.0 0.0.0.255 area 0 RA(config-router)#network 1.1.1.1 0.0.0.0 area 0 RB(config)#router ospf 1 RB(config-router)#network 10.0.1.0 0.0.0.255 area 0 RB(config-router)#network 2.2.2.2 0.0.0.0 area 0 RC(config)#router ospf 1 RC(config-router)#network 10.0.2.0 0.0.0.255 area 0 RC(config-router)#network 3.3.3.3 0.0.0.0 area 0 RD(config)#router ospf 1 RD(config-router)#network 10.0.0.0 0.0.0.255 area 0 RD(config-router)#network 10.0.1.0 0.0.0.255 area 0 RD(config-router)#network 10.0.2.0 0.0.0.255 area 0 Do režimu konfigurace OSPF se lze dostat zadáním příkazu router ospf 1, kde 1 je číslo OSPF procesu a pro naše potřeby bude vždy 1. Údaj 0.0.0.255 je tzv. wildcard maska. Na pozicích, kde jsou ve wildcard masce nuly, jsou v síťové adrese bity definující síť. Na pozicích, kde jsou ve wildcard masce jedničky, jsou v síťové adrese bity definující hosty. V podstatě jde o jakousi inverzně zapsanou síťovou masku 255.255.255.0 (/24). Údaj area 0 udává číslo OSPF oblasti. Pro naše potřeby bude vždy použita jen oblast číslo 0. Aktivace MPLS se provede na každém rozhraní uvnitř MPLS oblasti následujícím způsobem: RA(config)#interface fastethernet 0/1 RA(config-if)#mpls ip RB(config)#interface serial 0/1/0 RB(config-if)#mpls ip RC(config)#interface fastethernet 0/1 RC(config-if)#mpls ip

RD(config)#interface fastethernet 0/0 RD(config-if)#mpls ip RD(config)#interface fastethernet 0/1 RD(config-if)#mpls ip RD(config)#interface serial 0/1/0 RD(config-if)#mpls ip Mezi směrovači na okraji MPLS sítě je třeba vytvořit cílené LDP relace. Jako identifikátory vzdálených směrovačů se použijí adresy jejich loopbackových rozhraní. RA(config)# mpls ldp neighbor 2.2.2.2 targeted ldp RA(config)# mpls ldp neighbor 3.3.3.3 targeted ldp RB(config)# mpls ldp neighbor 1.1.1.1 targeted ldp RB(config)# mpls ldp neighbor 3.3.3.3 targeted ldp RC(config)# mpls ldp neighbor 1.1.1.1 targeted ldp RC(config)# mpls ldp neighbor 2.2.2.2 targeted ldp L2 virtuální kanály se vytvoří mezi hraničními směrovači MPLS oblasti (LER) s využitím jejich podrozhraní (subinterface), která se vytvoří zvlášť pro každý VLAN, který existuje v připojené zákaznické síti. RA(config)# interface fa0/0.10 RA(config-subif)# encapsulation dot1q RA(config-subif)# xconnect 2.2.2.2 10 RA(config)# interface fa0/0.20 RA(config-subif)# encapsulation dot1q RA(config-subif)# xconnect 3.3.3.3 20 RB(config)# interface fa0/0.10 RB(config-subif)# encapsulation dot1q RB(config-subif)# xconnect 1.1.1.1 10 RB(config)# interface fa0/0.30 RB(config-subif)# encapsulation dot1q RB(config-subif)# xconnect 3.3.3.3 30 RC(config)# interface fa0/0.20 RC(config-subif)# encapsulation dot1q RC(config-subif)# xconnect 1.1.1.1 20 RC(config)# interface fa0/0.30 RC(config-subif)# encapsulation dot1q RC(config-subif)# xconnect 2.2.2.2 30

10 encapsulation mpls 20 encapsulation mpls

10 encapsulation mpls 30 encapsulation mpls

20 encapsulation mpls 30 encapsulation mpls

Na přepínačích je třeba vytvořit příslušné sítě VLAN. Na rozhraních směrem ke směrovačům se vytvoří trunky. Rozhraní, k nimž jsou připojeny počítače, se nastaví do

režimu „access“. Následuje vzorová ukázka konfigurace, u ostatních přepínačů vypadá konfigurace analogicky: SA(config)# vlan 10 SA(config)# vlan 20 SA(config)# interface fa0/1 SA(config-if)# switchport mode trunk SA(config-if)# switchport trunk allowed vlan 10,20 SA(config)# interface fa0/2 SA(config-if)# switchport mode access SA(config-if)# switchport access vlan 10 SA(config)# interface fa0/3 SA(config-if)# switchport mode access SA(config-if)# switchport access vlan 20 Informace o komunikaci s ostatními směrovači pomocí LDP protokolu lze zjistit příkazem: RA#show mpls ldp neighbor Tabulku LFIB (Label Forwarding Information Base) lze zobrazit pomocí příkazu: RA#show mpls forwarding-table Kontrola vytvořených L2 virtuálních kanálů (pseudovláken) se provede příkazem: RA#show mpls l2transport vc MPLS značky použité pro identifikaci virtuálních kanálů (pseudovláken) lze zjistit pomocí příkazu: RA#show mpls l2transport binding

4

Závěr

V tomto článku byly uvedeny základní vlastnosti technologie AToM. Jedním z možných využití této technologie je přenos ethernetových rámců příslušejících do různých sítí VLAN. Sítě VLAN nemusí být omezeny jen na lokální síť, ale mohou být použity i ve vzdálených sítích. Propojení těchto vzdálených sítí je pak realizováno přes síť poskytovatele síťové služby, který k tomuto účelu použije technologii AToM. Technologie AToM umožní přenos celých ethernetových rámců včetně identifikátoru VLAN. Podle hodnoty identifikátoru VLAN se rámcům přiřadí speciální MPLS značka – pseudowire label – k identifikaci použitého pseudovlákna mezi PE směrovači.

Postup vytvoření takovéto sítě je v článku detailně popsán. Tato úloha je součástí inovované výuky předmětu Širokopásmové sítě na Katedře telekomunikační techniky VŠB – Technické univerzity Ostrava. Poděkování. Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT.

Literatura 1. De Ghein, L.: MPLS Fundamentals. Cisco Press, Indianapolis (2007).

Úvod do správy komunikačních systémů pomocí MML jazyka AMO Miroslav Vozňák, Filip Řezáč Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB-Technická univerzita Ostrava 17. listopadu 15/2172, 708 33 Ostrava Poruba {miroslav.voznak, filip.rezac}@vsb.cz

Abstrakt. Příspěvek se zabývá úvodem do programování pomocí AMO (Administration and Operation Language), který je zařazen do výuky v předmětu “Komunikační systémy v podnikových sítích“. Kurz byl vytvořen na základě požadavku z praxe a vzájemné dohody se společností Siemens jako volitelný předmět pro studenty posledního ročníku studijního programu IKT v oboru ”Telekomunikační technika”. Praktická cvičení probíhají v laboratoři fakulty FEI vybavené patřičnou technologií společnosti Siemens, která zajišťuje její modernizaci. Student po absolvování kurzu ”Komunikační systémy v podnikových sítí” je schopen provádět základní administraci pomocí AMO jazyka. Příspěvek se jednak zabývá syntaxí AMO příkazu a jednak základními příkazy nejčastěji užívaných účastnických konfigurací. Keywords: AMO, MML, Hipath4000, Subscriber, HFA, SIP, Cornet

1

Úvod

MML (Man Machine Language) jazyky jsou zpravidla vytvářeny za účelem standardizace rozhraní pro správu telekomunikačních či síťových zařízení pomocí příkazového řádku. Obecnou definici můžeme najít v doporučení ITU-T řady Z.300 [1], přičemž specifikaci syntaxe popisuje ITU-T Z.315 [2]. Mezi MML jazyky patří AMO (Administration and Maintenance Operation Language), který slouží pro správu komunikačních systémů Hipath4000 výrobce Siemens. Kromě Hipath4000 se pomocí AMO mohou konfigurovat rovněž již dnes nedodávané tel. ústředny jako je Hicom300, Hicom300E či Hicom300H. Syntaxe AMO je známá již více než 25 let, základní konstrukce zůstává identická, pouze se mění rozsah parametrů u jednotlivých verzí. Původní prostředí jazyka AMO, pro které byl vyvíjen, je operační systém RMX (Real-time Multitasking eXecutive), za jehož vznikem stojí společnost Intel a později RTOS (Real-Time Operation System). V tomto příspěvku si vysvětlíme konstrukci AMO příkazu a vytvoření běžně se vyskytujících poboček Hipath4000.

2

Syntaxe AMO

Obecná syntaxe AMO začíná klíčovými slovy “verb-noun“ oddělenými pomlčkou, přičemž první vyjadřuje požadovanou aktivitu (např. change, delete, add, atd ..) a druhé specifikaci určení (např. SCSU – Subscriber Configuration of Switching Unit). AMO užívá pro noun nejčastěji výrazy: add, delete, change, display, activate, deactivate, regenerate, které se dají zkrátit, stačí napsat alespoň první tři písmena, čili add, del, cha, dis, act, dea a reg. Kromě toho existují i další méně využívané jako např. start, stop, execute, collect, input, dialog, input, output. Co se týče nounů, tak těch je zhruba dvě stě a každý syntaxe obsahuje parametry s hodnotou (Parametr=hodnota) a těchto parametrů je několik tisíc [3], [4]. Syntaxe AMO vypadá následovně: Verb-Noun:Parameter1=Value1,…,ParameterN=ValueN; Pokud znám pořadí parametrů v AMO příkazu, tak lze zadávat přímo jejich hodnoty ve formě: Verb-Noun: Value1, Value2,Value3…, ValueN; Parametry se dělí na povinné (required), bez jejichž zadání nelze příkaz provést a parametry nepovinné (optional), které se zadávat nemusí a použije se výchozí hodnota (default value). Středník na konci příkazu umožňuje přeskočit všechny nepovinné parametry. Dalšími speciálními znaky jsou spojovník “&” zřetězující více hodnot, např. 2001&7845 a rozsah “&&”, kterým např. zadám rozsah hodnot 2001&&2099. Další speciální znak „$” umožňuje uložení a vyvolání proměnné anebo “?“ pro získání interaktivní nápovědy, čili třetím způsobem zadání AMO příkazu může být interaktivní komunikace s vyvoláním nápovědy k jednotlivým parametrů, např. při změně datumu:
komfortnní uživatelské prostředí vččetně nápověd dy. AMO přík kaz je vykonánn přímo v RMX, pood kterým běží SWU (Swiitching Unit) a případně další d servery jjako ADS (Adminisstration Serverr), VMS (Voiicemail Server), atd ... Kon ncepce hipath44000 používá krom mě RMX i další d OS UW77 (UnixWaree), ve kterém běží webovýý server a umožňujee uživateli ko onfigurovat syystém přes weebové rozhran ní dostupné prrotokolem HTTPS, jak j v UW7 tak k v RMX jsouu vlastní datab báze, které mu usí být mezi ssebou synchronizovvány, což znáázorňuje obr. 1. Po vypln nění menu ve webovém foormuláři v UW7 je zaslán z AMO příkaz p do RMX X, čili primárn ní DB je RMX X.

O Obr. 1. Notifik kace pomocí AM MO pro synchro onizace DB mezzi RMX a UW77.

Hipathh4000 pro svů ůj běh nakoneec UW7 nepottřebuje a danáá oblast s OS se dá vypnout, syystém lze prov vozovat na RM MX/, opačně to provést nelze. Pokud jee proveden AMO přííkaz na vstupu u (krok 1), taak evokuje jed dnak změnu hodnot h ve vlaastní DB v RMX a jednak j je zasllán do UW7, kde je nakon nec provedenaa změna ve vvlastní DB UW7 (Informix). UW7 7 provádí konntrolu změn v nativní DB RMX R a to pom mocí AMO příkazu UPLOL U či UP PLO2, krok 6.. Za zmínku stojí, s že RMX X i UW7 se děělí o jeden fyzický procesor, p byť více v jádrový a více vláknov vý. Jak jsm me již zmínilli výše, tak cíílem je zvlád dnutí AMO přříkazu, které umožňuje efektivní správu komu unikačního sysstému v příkaazovém řádku bez nástavboových grafických uživatelských u rozhraní r GUI .

3

Konfigurace účastníků pomocí SCSU/SBCSU (Subscriber Configuration of Switching Unit)

AMO SCSU a SBCSU umožňuje provádět zřizování, modifikaci či smazání účastnické konfigurace. Účastníci Hipath4000 můžou být zřízeni na následujících třech základních rozhraních rozhraních: - U analogové dvouvodičové rozhraní, účastnická dvoulinka se smyčkovou signalizací, s automatickým rozpoznání typu volby (posledních deset let výhradně DTMF) a s přenosem čísla volajícího CLIP (FSK, ITU-T V.21), ve smyčce impedance 500, 750 či 1,5 kΩ v závislosti na typu použité účastnické sady, Upo digitální dvouvodičové rozhraní, signalizace Cornet TS, jedná se o proprietární rozhraní fy Siemens, ale je využíváno i jinými výrobci např. českým výrobcem 2N Telekomunikace, kromě aktuálně dostupných koncových zařízeních na trhu z řady OpenStage T a OptiPoint500 je rozhraní určeno i pro starší řady Optiset. - Ethernet (10/100/1000), aplikační protokol SIP s možností připojení jakéhokoliv zařízení kompatibilního s RFC 3261 anebo HFA (Hipath Feature Access) protokol, který je proprietární, vychází z H.323 standardu s funkcí tunelovaného Cornet protokolu a je podporován na přístrojích řady OpenStageHFA či Optipoint400/600 (do přístrojů existuje i FW s podporou SIP). Kromě výše uvedeného je pochopitelně možné zřizovat i ISDN účastníky, což je v dnešní době již zcela raritou a v kurzu se věnujeme pouze vysvětlení a procvičení síťování, kde je technologie ISDN v oblasti M/LE (Medium/Large Enterprise) stále majoritní. V dalších podkapitolách se budeme věnovat postupům, jak pomocí AMO příkazu zkonfigurovat jednotlivé účastníky. Při konfiguraci pomocí AMO platí jednoduchá zásada, analogové přístroje spravují pomocí AMO SCSU, veškeré ostatní pomocí SBCSU. 3.1

Analogový účastník

Pro analogová koncová zařízení se používá AMO SCSU (Subscriber Configuration of Switching Unit). Rovněž lze vytvořit virtuálního účastníka pomocí INS=FLOAT, takovýto účastník neobsazuje fyzický port, čili je bez přiřazeného PEN (Port Equipment Number). Pokud je takovémuto účastníkovi přiřazen PIN, tak s tímto PINem s může přihlásit na kterémkoliv přístroje, realizovat hovory na účet své domovské stanice či vzdáleně nastavovat její přesměrování. PEN prezentuje HW adresu v systému a má strukturu LTG-LTU-SLOT-CCT. CCT (Circuit) představuje konkrétní port modulu (karty), spravuje se příkazem AMO BCSU (Board Configuration of SWU), modul obsazuje SLOT (pozici v rámu) a jeden rám obsazený moduly představuje LTU (Line Trunk Unit). Skupina LTU spravovaná jedním koordinačním procesorem je sdružena v LTG (Line Trunk Group).

Rovněž je možné vytvořit účastníka jako odhlášeného bez přiřazené pozice pomocí parametru INS=SIGNOFF a takovéhoto účastníka přihlásit posléze přímo z telefonního přístroje pomocí kódu zřízeného v AMO PERSI (Personal Identification) anebo pomocí CLI příkazem AMO DSSU (Device Switch of SWU). Moduly, které podporují analogové přístroje jsou SLMA, SLMA1, SLMA2, SLMA3, SLMA24, SLMAC, SLMAR a SLMAV, jejich popis lze nalézt v dokumentaci [4]. ADD-SCSU:STNO=2707,PEN=1-1-1-3,DVCFIG=ANATE,DPLN=0,ITR=0, COS1=11,COS2=11,LCOSV1=3,LCOSV2=1,LCOSD1=1,LCOSD2=1; Výše uvedený AMO příkaz představuje přidání analogové pobočky s číslem (STNO Station Number) 2707 na pozici PEN 1-1-1-3 nakonfigurované jako analogový terminál ANATE. Účastník je zřízen s přístupem do číslovacího plánu DPLN (Dial Plan) číslo 0 ve skupině ITR=0 (Internal Traffic Restriction Group), jeho třída služeb COS (Class of Service) je nastavena na 11, a to jak pro případ denního oprávnění COS1, tak i nočního COS2. Co se týče přístupu na odchozí vedení/kanály přes LCR (Least Cost Routing), tak to je dáno nastavením LCOSV, opět pro denní a noční, přičemž LCOSV jsou spravovány pomocí AMO COSSU a LCOSV1=3 umožňuje volání v rámci ČR a LCOSV2 jej omezuje pouze na interní volání v rámci podnikové sítě ústředen. Stejný přístup je použit pro data LCOSD, pro hovory ale nemá význam tento parametr řešit a je v zásadě jedno, jaká třída mu bude nastavena. DEL-SCSU:STNO=2707,CMIND=ALL; Výše je uveden příklad smazání pobočky 2707, a to všech dat CMID (Individual Station Features). 3.2

Digitální účastník na Upo rozhraní

Jak jsme se již zmínili na začátku kapitoly, tak můžeme na Upo konfigurovat přístroje OpenStage T, OptiPoint500 či Optiset, čili ty, které využívají Cornet protokol. Konfigurace je provedena v AMO SBCSU. Některé parametry byly vysvětleny již v předchozí podkapitole v AMO SCSU, takže se omezíme pouze na rozdíly. ADD-SBCSU:STNO=2708,OPT=OPTI,CONN=DIR, DVCFIG=OPTIP500, PEN=11-2-23, COS1=31,COS2=31,LCOSV1=3,LCOSV2=1,LCOSD1=1,LCOSD2=1, SSTNO=Y, Parametr OPT=OPTI definuje typ terminálu, který je připojen přímo na port CONN=DIR a v konfiguraci OptiPoint500 DVCFIG=OPTIP500. Poslední parametr SSTNO (Secret Station Number) způsobí trvalé potlačení zobrazení čísla volajícího, přičemž pomocí SSTNO=ONLYEX0 lze nastavit trvalé zamezení pouze pro odchozí volání přes trunk. Co se týče třídy služeb COS, tak je zvolena jiná třída z toho důvodu, že digitálnímu přístroji můžeme dát přístup k více doplňkovým službám, ty se

spravují pomocí AMO COSSU či SDAT (Administration of Scubscriber Attributes and Data). Rozhraní Upo obsahují moduly SLMO, SLMO24, SLMOQ či SLMOP. 3.3

IP účastník s protokolem HFA

Hipath Feature Access je signalizace využívající H.323 a má tu příjemnou vlastnost, že umožňuje tunelovat Cornet protokol, k čemuž se využívá zpráv FACILITY, protože signalizace volání H225.0/Q.931 užívaná v H.323 vychází z ITU-T Q.931, stejného doporučení, který je použit pro CornetTS. IP telefony komunikují přes modul STMI/STMI či STMI4 (Station/Trunk Module IP). Zprávy lze snadno analyzovat i síťovým analyzátorem Wireshark a práce s HFA je komfortní jak z hlediska administrace systému, tak především z hlediska uživatelského. Design přístrojů Optipoint400 vychází z digitálních OPtiPoint500 a OpenStageHFA zase z OpenStage T, přístroje vypadají na první pohled identicky, nabízí stejný rozsah služeb a mají stejné ovládání, uživatel tak nepozná rozdíl, který je ovšem zásadní. V případě HFA se jedná o IP telefon a přístroj vyžaduje příslušný FW, zmíněné přístroje mají možnost volby FW pro SIP či HFA. V případě velkého množství IP telefonů je výhodné používat nástroj Deployment Server (DLS), pomocí kterého lze provádět hromadné upgrady, změny v přihlášení či nastavení kodeků a mít přehled o umístění IP telefonů. Pokud se vhodně nakonfiguruje DHCP server s tím, že IP telefon se o existenci DLS dozví z option43 (vendor-specific-option), tak IP telefon sám kontaktuje DLS, který jej zkonfiguruje (autokonfigurace/provisioning), tím pádem odpadá individuální nastavovaní přístrojů, které byť je záležitostí několika minut, tak v případě např. sítě MPSV o cca 11 tis. IP telefonech, dostává případná změna IP adresy STMI úplně jiný časový rozměr. ADD-SBCSU:STNO=2709,OPT=OPTI,CONN=IP2, DVCFIG=OPTIIP, COS1=31, COS2=31,LCOSV1=3,LCOSV2=1,LCOSD1=1,LCOSD2=1, IPPASSW="klokan123",IPCODEC=G711P; Připojení přes IP je zvoleno parametrem CONN=IP2 (IP2 je pro novější typ STMI2 či STMI4), konfigurace přístroje je DVCFIG=OPTIIP. Dalším potřebným parametrem je heslo IPPASSW="klokan123" individuálně nastavitelné pro každého účastníka a posledním je volba preferovaného kodeku (G711 v našem případě, konfigurace celé sady kodeků a portů jde přes AMO CGWB). 3.4

IP účastník s protokolem SIP

Jádro SIP protokolu je popsáno v RFC 3261 a k SIPu je dostupná řada kvalitních knih [5], [6]. V případě Hipath4000 je funkčnost doplňkových služeb u SIP účastníku značně limitována. Podporovanými službami jsou: CLIP/CLIR, COLP/COLR, Call Hold/Call Retrieve, Call Transfer. SIP účastník nemůže být členem HT (hunting groups), v týmových skupinách nemůže být konfigurován jako šéf (šéfsekretářké soupravy), nemůže být členem skupin převzetí volání PU (pick-up groups), není mož-

né napojení či poklepání do hovoru. Na SIP účastníka funguje sice zpětné volání, ale nemůže funkci CCNR/CCBS vyvolat. ADD-SBCSU:STNO=2732,OPT=FPP,CONN=SIP,DVCFIG=S0PP,COS1=31, COS2=31,LCOSV1=3,LCOSV2=1,LCOSD1=1,LCOSD2=1,PROT=SBDSS1, OPTIDX=10,IPCODEC=G711P,PASSWD="delfin1699",USERID="2732", SECZONE="vsb.cz", AUTHREQ=Y; Ve výše uvedeném vytvoření SIP účtu je důležité zvolit CONN=SIP a OPT=FPP, konfigurace zařízení je zcela nelogicky S0PP a protokol SIP je namapován na profil OPTIDX=10 protokolu PROT=SBDSS1. Uživatelské jméno se volí v USERID a v našem případě je pro jednoduchost shodné s tel.č., klíčové je zvolit AUTHREQ=Y, aby proběhla autentizace metodou Digest, kde je nutné definovat realm jako SECZONE, ten nemá nic společného s doménou, jde pouze o parametr do hashovací funkce.

4

Závěr

V příspěvku byla vysvětlena syntaxe AMO a základní příkazy pro konfiguraci účastníků v AMO SCSU a SBCSU, a to pro analogová koncové zařízení, digitální s rozhraním Upo a protokolem Cornet a nakonec IP telefony s protokolem HFA a SIP. V dalších příspěvcích z oblasti komunikačních systém v podnikových sítích se zaměříme na doplňkové služby, funkce pro práci v týmu a pokročilé služby využívající integrace hlasových komunikací a informačních systémů.

Poděkování Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně akreditovaných kurzů ICT.

Literatura 1. Man Machine Language, Introduction to the Man-Machine Language. ITU-T recommendation Z.301, 1988. 2. Input (Command) Language Syntax Specification, ITU-T recommendation Z.315, 1988. 3. Siemens AG: Service Documentation, OpenScape 4000 V6 AMO-Description, Part. No A31003-H3160-S101-1-20, Munich, 07/2010. 4. Siemens AG: Service Documentation, OpenScape 4000 V6 Feature Description, Part. No A31003-H3160-S103-1-20, Munich, 08/2010. 5. H. Sinnreich, A. B. Johnston, R. J. Sparks, SIP Beyond VoIP: The Next Step in the IP Communications Revolution, VON Publishing LLC, 334 pages, 2005. 6. D. Sisalem, J. Floroiu, J. Kuthan, U. Abend, H. Schulzrinne, SIP Security, Wiley, 1 edition, 350 pages, 2009.