Távközlı Hálózatok. IP szélessávú hozzáférési technikák. Németh Krisztián BME TMIT

Átírás

1 Távközlı Hálózatok IP szélessávú hozzáférési technikák Németh Krisztián BME TMIT

2 Telefonvonali modemek elıfizetıi hurok elıfizetıi hurok A/D törzshálózat D/A A D D A D helyi kapcsolóközpont helyi kapcsolóközpont D Betárcsázós internet (dial-up) de két elıfizetı között is felépíthetı modemes kapcsolat modem: modulator-demodulator kezdetben az egyetlen lehetıség ma: kézenfekvı, de szuboptimális megoldás (D/A/D/A/D) 2

3 Modem történelem Az elsı modem az 50-es években Az Amerikai Légvédelem használta katonai adatok küldésére a telefonhálózaton keresztül Az elsı kereskedelmi forgalomban kapható modem Bell 103 (1962) 300 bps full duplex átvitel ITU-T V.21 További szabványok ITU-T V bps (1980) ITU-T V.22bis 2400 bps (1984) ITU-T V bps (1984) ITU-T V.32bis 14.4 Kbps (1991) ITU-T V ITU-T V.34bis 33.6 Kbps (1994) ITU-T V Kbps downstream, 33.6 Kbps upstream (1996) ITU-T V Kbps downstream, 48 Kbps upstream 3

4 ADSL ADSL = Asymmetric Digital Subscriber Line, aszimmetrikus digitális elıfizetıi vonal Cél: az elıfizetıi hurok kihasználtságának maximalizálása azaz a cél természetesen: $$$$ :) a legnagyobb érték egy távbeszélı-hálózatban!! last critical mile Telefonbeszélgetés (analóg vagy ISDN) és adatátvitel egyidejőleg 4

5 ADSL mőködése Mőködés: FDM: Távbeszélı hálózat adat feltöltés adat letöltés Pontosabban: 0-4 khz hang (4-25 khz védısáv) khz feltöltési sáv 200 khz MHz letöltési sáv De ez csak tájékoztató jellegő Analóg/ISDN tel. elıfizetés esetén más de mindkettı lehetséges!! 25 khz 180 khz van, hogy az adat fel/le átlapolódik függ a zajtól is 1100 khz f 5

6 ADSL moduláció DMT Discrete Multitone Modulation (ITU-T: G.992.1) 1,1 MHz-es frekvenciatartomány 256 csatorna, egyenként 4,3125 khz 0. csatorna POTS (hang) 1-5. csatorna védısáv (üres) A hang és adatátvitel közötti interferenciák elkerülésére a maradék 250 csatornából 1 az upstream, 1 a downstream jelzése a többi a felhasználói forgalomé csatornánként bit (átlag: 8), 4000 baud 250*8*4000 = [b/s] ha rossz az átvitel egy adott csatornán, akkor azt kevésbé, vagy egyáltalán nem használják 6

7 ADSL sebesség Aszimmetrikus: szándékosan, többet töltünk le, mint fel de nem mindig (pl. peer-to-peer, videotelefon) fel: 16 kbps -- 1 Mbps le: 0, Mbps távolságtól függ (legjobb: 2,5 km alatt, legrosszabb: 5 km felett) szolgáltató tovább korlátozhatja ma Magyarországon: 128k/1M,..., 512k/8M 7

8 ADSL topológia felhasználó távbeszélıhálózat ADSLmodem aluláteresztı szőrı + csavart érpár + aluláteresztı szőrı DSLAM BAS IP hálózat1 sávszőrı sávszőrı splitter IP hálózatn DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, digitális elıfizetıi vonal hozzáférési nyaláboló): modem ellenpárja, ATM szinten nyalábol is BAS (Broadband Access Server): bejelentkezések kezelése, ATM - IP átjáró Adatátviteli útból a beszédkodek kihagyva (analóg: tel. központ; ISDN: végberendezés) 8

9 ADSL topológia felhasználó távbeszélıhálózat ADSLmodem aluláteresztı szőrı + csavart érpár + aluláteresztı szőrı DSLAM BAS IP hálózat1 sávszőrı sávszőrı splitter IP hálózatn DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer, digitális elıfizetıi vonal hozzáférési nyaláboló): modem ellenpárja, ATM szinten nyalábol is BAS (Broadband Access Server): bejelentkezések kezelése, ATM - IP átjáró Adatátviteli útból a beszédkodek kihagyva (analóg: tel. központ; ISDN: végberendezés) 9

10 Triple Play Triple Play marketing elnevezés egy IP szolgáltatásra mely magába foglalja a következı három szolgáltatást: Internet 5 Mb/s a cél legalább Televízió jellemzıen legalább 3 TV csatorna egyidejő vétele háztartásonként Telefónia Voice over IP (VoIP) Inkább egy üzleti modell, mintsem egy technológiai szabvány Quad(ruple) Play Ugyanez a három szolgáltatás, de vezetéknélküli közegen keresztül is 10

11 Triple play ADSL-en analóg PSTN végberendezés (vagy ISDN NT) IP/Ethernet home gateway aluláteresztı szőrı + helyi hurok PC IP/Ethernet sávszőrı analóg IP/Ethernet splitter TV set top box VoIP végberendezés hang, videó prioritást élvez az adatforgalom felett pl. külön-külön ATM VC mindhárom extra szolgáltatások, pl: video-on-demand = virtuális videotéka igény szerinti sávszélesség hozzárendelés 11

12 Kábeltelevíziós Internetelérés

13 Korai kábeltelevíziós rendszerek Ötlet az 1940-es évek végén (USA) Jobb vétel a külvárosokban és a hegyek között élıknek Közösségi antennás televízió Community Antenna Television CATV Egy dombtetın elhelyezett nagy antenna Egy erısítı: fejállomás (head end) Koaxiális kábel Családias üzletág, bárki telepíthetett ilyen szolgáltatást Ha több elıfizetı csatlakozik: újabb kábelek és erısítık Egyirányú átvitel, a fejállomástól a felhasználók felé 13

14 A kábeltévé fejlıdése 1970-re több ezer független rendszer (USA) 1974-ben elindul az HBO, kizárólag kábelen Több új kábeles csatorna hírek, sport, fızés, stb. Nagyvállalatok elkezdik felvásárolni a létezı kábelhálózatokat, új kábeleket fektetnek le Kábelek a városok között a hálózatok egyesítésére Hasonló ahhoz, ahogy a távközlı iparban a század elején összekötötték a helyi központokat a távolsági hívások végett Késıbb a városok közötti kábeleket nagy sávszélességő fényvezetı szálakra cserélik 14

15 HFC rendszer HFC - Hybrid Fiber Coax (fényvezetı-koax hibrid) Fényvezetı-koax hibrid rendszer Fényvezetı szálak a nagy távolságok áthidalására Koaxiális kábel az elıfizetıkhöz Fényvezetı csomópont (Fiber Node: FN) Elektro-optikai átalakító a fényvezetı és villamos rész közötti csatolásnál 15

16 Internet a kábeltévén A kábelhálózat üzemeltetık elkezdték bıvíteni a szolgáltatásaikat Internetelérés Telefonszolgáltatás (VoIP) Át kell alakítani a hálózatot Az egyirányú erısítıket kétirányú erısítıre kell cserélni mindenhol A fejállomást fel kell fejleszteni Egy buta erısítıbıl egy intelligens digitális számítógéprendszer Nagysebességő optikai szálakat csatlakoztat egy ISP hálózatához (Új név: Cable-Modem Termination System (CMTS)) 16

17 Internet a kábeltévén A koax kábel osztott közeg, több elıfizetı egyszerre használja A telefonhálózatban mindenki rendelkezik saját érpárral (elıfizetói hurok) A TV mősorok elosztásánál ez nem fontos üzenetszórás van (broadcast) Internetezésnél a felhasználók osztoznak a közegen Verseny a felhasználók között Másfelıl a koax kábel sokkal nagyobb sávszélt biztosít mint a csavart érpár Megoldás: több darabra osztunk egy hosszú kábelt Minden szakaszt közvetlenül egy fényvezetı csomóponthoz kötünk A fejállomás és a fényvezetı csomópontok között a sávszélesség nagyon nagy Ha nincs túl sok felhasználó egy szakaszon, a forgalom kezelhetı marad Ma tipikusan elıfizetı egy szakaszon További felosztás várható ahogy nı az elıfizetık száma és a forgalom 17

18 Spektrumkiosztás A kábelhálózatot nem lehet (egyelıre) kizárólag internetezésre használni Sokkal több a tévénézı mint az internetezı ügyfél A városok szabályozzák mi mehet a kábelen, a tévészolgáltatás kötelezı Fel kell osztani a frekvenciákat a TV és az internetelérés között Európa TV sávok alsó határa 65 MHz 8 MHz széles csatornák PAL és SECAM rendszerek nagyobb felbontása miatt (PAL - Phase Alternating Line) (SECAM - Système Electronique Couleur Avec Mémoire) Felbontás: 768 x 576, 25 fps USA, Kanada FM rádió: MHz kábeltévé-csatornák: MHz 6 MHz széles csatornák, védısávval együtt NTSC - National Television System Committee Felbontás: 720 x 480, fps 18

19 Spektrumkiosztás Modern kábelek 550 MHz felett is mőködnek, gyakran 750 Mhz felett is Megoldás: feltöltés 5-65 MHz (ez Európában, USA: 5 42 MHz között) A magasabb frekvenciák a letöltéshez 19

20 Aszimetrikus átvitel, házon belüli topológia A TV és rádió mind lefele halad A fejállomástól a felhasználó felé Felfele olyan erısítık melyek az 5-42 MHz-es tartományban mőködnek Lefele az 54 MHz feletti tartományban mőködı erısítık Aszimetrikus rendszer, nagyobb downstream mint upstream Ezt itt mőszaki okok befolyásolják, nem úgy mint az ADSL-nél! Topológia lakáson belül: a TV készülék zavaró alacsonyfrekvenciás jeleket bocsát ki koax koax TV felüláteresztı szőrı + koax Ethernet kábelmodem koax PC 20

21 Moduláció Koax kábel, szükség van analóg modulációra Minden 6-8 MHz-es csatornát QAM-64-el modulálnak Quadrature Amplitude Modulation Ha kivételesen jó minıségő kábel, akkor QAM MHz-es csatornán QAM-64-el: kb. 36 Mbps A fejlécek nélküli sávszélesség 27 Mbps QAM-256-al nettó kb. 39 Mbps 8 MHz-es európai csatornán arányosan több A feltöltési csatorna a QAM-64-hez nem elég jó Túl sok zaj a felszíni mikrohullámú rendszerek, CB-rádiók, stb. miatt CB = Citizen Band, magyarul walky-talky QPSK moduláció Quadrature Phase Shift Keying Csak két bit szimbólumonként (a QAM-64-nél 6, a QAM-256-nál 8) Sokkal nagyobb az upstream és a downstream közötti különbség 21

22 Kábelmodem Két Interfész egy a PC és egy a kábelhálózat felé A modem és a PC között 10 Mbps Ethernet kábel, néha USB A jövıben valószínüleg integrált modemek A kezdetekben minden hálózatüzemeltetınek saját modemje, melyet egy technikus telepített Nyílt szabvány kellett CableLabs Versenyhelyzethez vezet a modemek piacán Csökkennek az árak Ösztönzi a szolgáltatás terjedését Ha a felhasználó telepíti a modemet, nem kell kiszállási költség A legnagyobb kábelszolgáltatók szövetsége DOCSIS szabvány Data Over Cable Service Interface Specification EuroDOCSIS európai változat Sokan nem örültek neki Nem tudták tovább drágán bérbe adni modemjeiket a kiszolgáltatott elıfizetıkek 22

23 Csatlakozás Csatlakozásnál a modem pásztázni kezdi a letöltési csatornákat A fejállomás egy speciális csomagban idınként elküldi a rendszer paramétereit az újonnan kapcsolódó modemek részére A modem bejelentkezik a fejállomásnál A fejállomás kijelöli az új modem feltöltési és letöltési csatornáit Ezt késıbb lehet változtatni, például a terhelés kiegyenlítése miatt Több modem ugyanazon a feltöltési csatornán Az elsı csomag a modemtıl az ISP-hez megy IP címet kér, DHCP protokollon keresztül Dynamic Host Configuration Protocol 23

24 Versenyhelyzetes feltöltés -- 1 A modem megméri milyen távol van a fejállomás Távolságbecslés (ranging) mint a ping Szükség van rá az idızítések miatt A feltöltési csatornát az idıben miniszeletekre osztják (minislot) Minden felfele haladó csomag egy vagy több minislot-ban A minislot-ok hossza hálózatonként más és más Tipikusan 8 byte felhasználói adat egy minislot-ban A fejállomás rendszeresen bejelenti mikor új minislot-csoport kezdıdik A kábelen való terjedés miatt nem egyszerre hallják meg a modemek Mindenki ki tudja számítani mikor volt az elsı minislot kezdete Minden modemhez hozzárendelve egy speciális minislot melyben feltöltési sávszélességet igényelhet Több modem ugyanazon a minislot-on 24

25 Versenyhelyzetes feltöltés -- 2 Ha a modem csomagot akar küldeni, szükséges számú minislot-ot igényel Ha a fejállomás elfogadja, a nyugtában megmondja mely minislot-okat jelölte ki Ha további csomagokat akar küldeni, a fejlécben új minislot-okat kérhet Ha az igényléskor ütközés, nincs nyugta Vár egy véletlen ideig és újra próbálkozik Minden egymás utáni kudarc után a max. idı duplázódik 25

26 Versenymentes letöltés Letöltésnél csak egy küldı, a fejállomás Nincs versenyhelyzet, nincs szükség minislot-okra Nagymérető forgalom lefelé Nagyobb, 204 byte-os rögzített csomagméret Ebben Reed-Solomon hibajavító kód 184 byte a felhasználói adatoknak 26

27 Biztonságos kommunikáció A kábel egy osztott közeg Bárki megnézheti a mellette elhaladó forgalmat Hogy a szomszédod ne hallgatason le, a forgalom kódolva mindkét irányban Meg kell egyezni a modem és a fejálomás között egy közös titkosítási kulcsban Két idegen között, egy osztott, lehallgatható közegen 27

28 Kábel vs. DSL ADSL kábeles elérés közeg sodrott érpár koax sávszél közel azonos* elérés (csak az dedikált sávszél osztott közeg elsı routerig...) lefedettség tel. kp. közelében kábeltv területen bárhol biztonság fizikai elválasztás titkosítás több ISP gyakori, törvény is ritkább * kábeltelevíziós elérés ma Magyarországon: 512/128 kb/s /1024 kb/s (le/fel) Összességében: több a hasonlóság, mint a különbség Várható jövı: optikai szálak mind nagyobb térhódiátsa FTTC: Fiber to the Curb (optikai szál az elosztódobozig), pl. VDSL(2) FTTH: Fiber to the Home (optikai szál a háztartásig) 28

29 WLAN WLAN = wireless LAN (vezetéknélküli helyi hálózat) IEEE* x (x=a,b,g,i,...) becenév: WiFi (Wireless Fidelity, vezeték nélküli hőség??) repterek, szállók, cégek, BME is hot spot Frekvencia: ISM sáv *IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers, Villamos- és Elektronikai Mérnökök Intézete 29

30 ISM sáv ISM = Industrial, Scientific, Medical -- ipari, tudományos és orvosi ingyenes, engedély, bejelentés sem kell hozzá max. 1 W (USA), 100 mw (Eu) szórt spektrum kötelezı USA MHz ,5 MHz MHz Eu 433,05-434,79 MHz ,5 MHz MHz Eu 900 Mhz: GSM 2,4 GHz: mikrosütık! Mo: 5,8 GHz: katonai célra foglalt A rádiófrekvencia szőkös erıforrás, ezért a spórolás, pl. közös tartomány szórt spektrumú adás Ennek fényében az ISM megléte nagy dolog! 30

31 WLAN sebességek Szabvány Sáv Sebesség a fizikai rétegben Hasznos sebesség IEEE ,4 Ghz, infravörös 2 Mb/s 1,2 Mb/s IEEE a 5,8 GHz 54 Mb/s 32 Mb/s IEEE b 2,4 GHz 11 Mb/s 5,5 Mb/s IEEE g 2,4 GHz 54 Mb/s 22 Mb/s Korábban elterjedt: b A legújabban használt: g BME-n is egyre több helyen 31

32 WLAN: infrastruktúra alapú mód AP: Access Point, hozzáférési pont ı irányítja a kommunikációt BSS: Basic Service Set, alap-szolgáltatáskészlet ESS: Extended Service Set, kiterjesztett szolgáltatáskészlet DS: Distribution System, elosztó rendszer nincs direkt komm. az állomások között BSS3 DS AP BSS1 átjáró AP BSS2 AP ESS külsı hálózat 32

33 WLAN: alkalmi mód alkalmi = ad hoc nincs rögzített infrastruktúra direkt kommunikáció az állomások között minden állomás útválasztó is jelenleg is több nyitott kérdés 33

34 II. Harald Blaatand a Kékfogú, i.sz Viking király, Dánia és Norvégia egyesítése PC/telefon és perifériák összekapcsolására IEEE max. 723,1 kb/s (v1.*), 2,1 Mb/s (v2.0) max 8 egység: pikohálózat (piconet) több pikohálózat: scatternet (szétszórt h.) átjárókkal nem használják ISM ez is 2,4 GHz zavarják egymást a WLAN-nal! 34

35 WiMAX = Worldwide Interoperability for Microwave Access (kb. világmérető együttmőködés a mikrohullámú hozzáférésért ) IEEE /2005 WLAN (WiFi) szerő, de városi hálózati méretekben (MAN) 2-11 ill GHz Egy adó/vevı max 50 km-t sugarú területet fedhet le Esetenként a direkt rálátás sem szükséges de mikrohullám révén ez célszerő mégis Átviteli sebesség: max 70 Mb/s de: megosztva az összes felhasználó között UMTS konkurense lehet 35

36 7. Mobil távközlı rendszerek Földfelszíni mobil számítógép-hálózatok Mőholdas mobil információközlı hálózatok Mobiltelefon-hálózatok áttekintése Elsı generációs mobiltelefon-hálózatok GSM (2G) UMTS (3G) Mobil, zárt célú hálózatok 36

37 Mőholdas mobil információközlı hálózatok Bázisállomás a mőholdon Elıny: Hátrány: nagy földfelszíni lefedettség drága nagyobb késleltetés nagyobb teljesítmény 37

38 Mőholdas mobil információközlı hálózatok Hálózattípusok: SzgH és TH is Hálózatrészek Gerinchálózat rögzített állomások, nagy sebesség Hozzáférési hálózat mozgó állomások, kisebb sebesség ezt nézzük most 38

39 Mőholdpályák Pálya alakja: kör ellipszis (egyik gyújtópontban a Föld) Pályamagasság elvileg bármi azonban: légkörön kívül kell: az fékezne nem hirtelen ér véget, nehéz meghatározni a tetejét (pedig ez jogilag is érdekes lehet) kb km van Allen sugárzási övek elektromosan töltött részecskékbıl belsı: 3200 km körül (proton) külsı: km körül (elektron) túl nagy magasság felesleges 39

40 Mőholdpályák 3 fıbb mőholdmagasság: LEO: MEO: GEO: Low Earth Orbit, alacsony magasságú pálya km Medium Earth Orbit, közepes magasságú pálya km Geosynchronous Earth Orbit, geostacionárius pálya km (kb.= km) egyenlítı felett, csak egy ilyen pálya! 40

41 Mőholdpályák Magasabb pályák elınyei: kevesebb mőhold elég Magasabb pályák hátrányai: nagyobb késleltetés nagyobb csillapítás, nagyobb teljesítmény kell GEO ezeken felül: nem kell antenna követés nincs mőholdváltás de: sarkok nem fedhetıek le 41

42 International Maritime Satellite Telecommunication, nemzetközi tengerészeti mőholdas rendszer 1979 óta késıbb szárazföldi is 4 db GEO mőhold, globális lefedés Különféle végberendezések, de általában nem kézben hordozhatóak Beszédátvitel Adatátvitel: max. 492 kb/s 42

43 Iridium Kézi készülékek, elsısorban beszédátvitelre Adatátvitel: 2,4 kb/s 66 db mőhold eredetileg: irídium, 66: diszprózium globális lefedettség 780 km: LEO március (másfél év után): csıd földi hálózatok túl gyorsan fejlıdtek, rossz marketing egy év után, Pentagon segítségével újra üzemben Rádiócsillagászatot zavarja OH molekulák emissziós frekvenciája melletti fr. 43

44 Kézi készülékek, elsısorban beszédátvitelre Adatátvitel: 9,6 kb/s 48 mőhold 1414 km -- LEO A kézi készülékek ha lehet, földi rendszert (pl. GSM) használnak ha nem, akkor a mőholdast Nincs mőhold-mőhold kapcsolat: Globalstar Iridium 44

45 Thuraya GSM/mőholdás átkapcsolás Kézi készülékek, elsısorban beszédátvitelre Adatátvitel: 9,6 kb/s, max 144 kbps -- csomagkapcsolt 1 db GEO mőhold!!! központ: Egyesült Arab Emirátusok 99 országot fed le 45

46 ICO Tervezett rendszer, 1995 óta 10 db mőhold km: MEO + ICONET: földi hálózat. Nincs mőhold-mőhold komm. Beszéd- és 144 kb/s adatátvitel Rendszerindítás mikor?? 2000-ben egy sikertelen, 2001-ben egy sikeres mőhold fellövés legújabb terv: 1 db GEO mőhold 46

47 Teledesic Terv: világmérető, szélessávú szg-h. Craig McCaw Bill Gates al-waleed bin Talal: Szaudi herceg Mőholdak száma: 840, 288, 30, 10? Pálya: LEO, majd MEO Adatsebesség: fel: 128 kb/s Mb/s le: akár 720 Mb/s Késıbb egyesülés az ICO-val 2003: gyakorlatilag megszőnik a cég frekvenciákat visszaadják 47

48 GPS Global Positioning System, globális helyzetmeghatározó rendszer (nem kifejezetten távközlés) Az USA Védelmi Minisztériuma üzemelteti de bizonyos korlátozásokkal polgári célokra is használható Mőholdak: 24 mőhold km pályamagasság Pontosság: 95%-ban 10m-nél jobb vízszintesen, 16 m-nél jobb függılegesen ±340 nanosec. a pontos idıhöz (UTC, Universal Time, Coordinated, koordinált egységes idı) képest 48

49 Az Európai Unió és az Európai Őrügynökség (European Space Agency, ESA) közös vállalkozása Polgári célú globális helyzetmeghatározó rendszer Kb. 3,4 milliárd Euró értékő beruházás Tervezett mőholdak: 30 mőhold km magasan Terv szerint a szolgáltatás 2008-tól kezdıdik Jelenleg a próbamőholdak tesztje folyik, elsı sikeres pályára állítás: dec