Távközlő hálózatok (egyetemi órai jegyzet)

Átírás

1 Távközlő hálózatok (egyetemi órai jegyzet) Írták: Dóbé Péter Groll Bálint Henrik Lakat Máté Nagy András László Nepusz Tamás Varga Edina Szerkesztették és kiegészítették: Kovács Benedek Ludányi Zoltán A tárgyat előadták: Dr. Henk Tamás (1-6. fejezet) Dr. Cinkler Tibor (7. fejezet) Dr. Csopaki Gyula és Dr. Ziegler Gábor (8. fejezet) E jegyzetet lektorálták: Dr. Henk Tamás Dr. Cinkler Tibor BME TTT BME, Műszaki Informatika szak, 2003.

2

3 Tartalomjegyzék TARTALOMJEGYZÉK BEVEZETÉS A TTT TANSZÉK...1 TTT = Távközlési és Telematikai tanszék...1 A tanszék elhelyezkedése...1 A tanszék szerepe az egyetemi oktatásban...1 Oktatás-képzés a műszaki informatikus hallgatók számára: TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK (TH)...2 Előadók, elérhetőségeik:...2 TH oktatási segédanyagok:...2 Magyar nyelvű irodalom:...2 TH követelmények:...2 TH célkitűzése:...3 Tárgy jellege:...3 A tárgy felépítése...4 Kapcsolódó tárgyak: INFORMÁCIÓKÖZLŐ HÁLÓZATOK FEJLŐDÉSE BEVEZETÉS...7 Az egyszerű hálózati modell ALAPTECHNOLÓGIÁK FEJLŐDÉSE...8 Az intelligencia megvalósításának lehetőségei...8 Hosszútávú, nagy kapacitású memóriák...8 Átviteli utak HÁLÓZATOK FEJLŐDÉSE VILÁGSZERTE Elektronikus hálózatok fejlődése...9 Mai helyzet világszerte...9 Mai helyzet Nyugat-Európában Modellezés logisztikai görbe Gazdasági hatások Fejlődés recesszió:...14 Tőzsdei hatások (USA)...14 Tőke kivonás hatása (EU, lásd később)...14 A két hatás eredménye TH FEJLŐDÉSE MAGYARORSZÁGON ig...15 Szolgáltatás...15 Ipar...15 Kutatás és fejlesztés Szolgáltatás...16 Ipar...16 Kutatás és fejlesztés től...17 Bevezetés elnevezések...17 Ipar eleinte...17 Szolgáltatás...17 Ipar folytatás...18 Kutatás és fejlesztés IH TECHNOLÓGIAI ÁTTEKINTÉS BEVEZETÉS TÁVKÖZLŐ HÁLÓZATOK Bevezetés hálózati síkok Keskenysávú távközlő hálózatok...23

4 Távíró hálózat...23 Távgépíró hálózat...23 Távbeszélő hálózat Nyalábolási technikák...25 A nyalábolás...25 FDM hierarchiák...26 TDM hierarchiák...26 A PDH hierarchia...27 Európai hierarchia:...27 Amerikai (transzatlanti) hierarchia...27 Kétirányú átvitel...28 Az órajel előállítása...28 Egy tipikus felépítés, a kodek helye...29 A pleziokron tulajdonság sebességkiegyenlítés...30 Leágaztatás Keskenysávú adathálózatok...33 Példa: X.25 (PPSDN, Public Packet Switched Data Network)...33 Adathálózatok további lehetőségei:...33 Másodlagos adatátvitel...34 ISDN Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok...36 Földfelszíni rendszerek generációi G G GSM (Global System for Mobile communications) G GPRS (General Packet Radio System)...37 Magánhálózatok...38 Műholdas rendszerek Szélessávú távközlő hálózatok...39 SONET/SDH...39 Technológiai háttér optikai kábel...39 Sebességek, szintek...39 A szinkron tulajdonság...40 Leágaztatás, rendezők...40 Megbízhatóság, skálázhatóság...42 SDH és PDH topológia...43 Történeti kiegészítő:...44 Optikai hálózatok...45 ATM hálózatok...45 B-ISDN hálózatok...48 IP alapú hálózatok...48 ATM alkalmazások...48 Egyéb szélessávú hálózatok...50 FR (Frame Relay)...50 DTM (Dynamic synchronous Transfer Mode)...50 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop/Line)...50 IP/PPP over ATM Technológiai összefoglalás technológiai rétegek...52 Réteges modellek...52 TH technológiák SZÁMÍTÓGÉP HÁLÓZATOK Bevezető: IP, TCP, UDP...53 Hálózati réteg: IP (Internet Protocol)...53 Szállítási réteg Klasszikus IP alapú hálózatok...54 Ethernet...54 PPP (Point-to-Point Protocol)...54 Vezérjeles sín, gyűrű (Token bus, Token ring)...54 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)...54 FDDI-II...55 DQDB (Distributed Queue Dual Bus)...55 SMDS (Switched Multimegabit Data Service)...55 Tehát tartósan életképesnek bizonyultak QoS IP hálózatok...56 MPLS (MultiProtocol Label Switching)...56 IntServ, IS (Integrated Sevices (IP network))...57 DiffServ, DS (Differenciated Sevices (IP network))...57

5 VoIP (Voice over IP) Mobil, mozgó IP hálózatok...60 Földfelszíni mozgó IP hálózatok...60 GPRS (General Packet Radio System)...60 EDGE...60 UMTS...60 WLAN-ok...61 Kiépített hálózatok...61 Alkalmi ( ad hoc ) hálózatok...61 Műholdas mozgó IP hálózatok...63 Teledesic Összefoglalás HÁLÓZATOK FELÉPÍTÉSÉNEK ELVEI HÁLÓZATOK ÖSSZEKAPCSOLÁSA...65 Szolgáltatások és hálózatok...65 Összekapcsolások HÁLÓZATOK ELEMEI...68 Elemek...68 A csomópontok lehetséges funkciói...69 A hálózati réteg funkciói HÁLÓZATOK OSZTÁLYOZÁSA...70 Felépítés szerint HÁLÓZATOK FUNKCIONÁLIS MODELLJE...71 Rétegek a hálózat részei szerint...71 Rétegek adatcsere egységi szerint...71 Rétegek funkció szerint...72 Hierarchikusan együttműködő hálózatok funkcionális modellje...73 Tanulságok JELÁTVITELI ÉS FORGALMI KÖVETELMÉNYEK...75 Jelforrás jellemzői BESZÉDÁTVITELI KÖVETELMÉNYEK...76 A cél...76 Sávszélesség...76 Csillapítás...76 Csillapítási ingadozás...76 Jel/zaj viszony...76 Késleltetés...77 Késleltetési ingadozás...77 Fázistolás...77 Frekvencia eltolási hiba...77 Multiplikatív frekvencia hiba...78 Nemlineáris torzítás ANALÓG BESZÉDÁTVITEL FORGALMI JELLEMZÉSE DIGITALIZÁLT BESZÉDÁTVITEL Beszédkódolók típusai...82 Hullámforma kódolók...82 Vokóderek...82 Hibrid beszédkódolók Beszédkódolók jellemzői...83 Bitsebesség...83 Szubjektív beszédminőség...83 Késleltetés...83 Érzékenység bithibára...83 Bonyolultság komplexitás...84 Kvantálási zaj...84 Átlátszóság transzparencia...85 Választható bitsebesség Beszédkódoló ajánlások KÖVETELMÉNYEK DIGITÁLIS CSOMAGKAPCSOLT HÁLÓZATOKBAN...87 Jelforrások jellemzése...87 Minőség jellemzése QoS paraméterek...87 Forgalmi és szolgáltatási osztályok...87 Forgalmi jellemzés adatjelnél...88

6 5. FIZIKAI RÉTEG /4 HUZALOS ÁTALAKÍTÁS Az átvitel...91 Szimplex átvitel...91 Duplex átvitel...91 A hibrid áramkör...92 A hálózat A visszhang...94 Visszhangcsökkentés...94 Visszhangzár...95 Visszhang törlő DIGITÁLIS JELÁTVITEL ANALÓG CSATORNÁN Egyenáramú komponens átvitele...96 Megoldások a DC komponens átvitelére Modulálás...97 Szélessávú átvitel...98 Keskenysávú átvitel FÉMVEZETÉKES ÁTVITEL ÁTVITELI KÖZEGEK Optikai vezetők Csillapítás A vezeték deformálódása Ugrás törésmutatójú szál Torzítások: módusdiszperzió és kiküszöbölése Kromatikus diszperzió SM típusú szálnál Vezeték nélküli átvitel Elhalkulás Élettani hatások A vezetékes és vezeték nélküli átvitel összehasonlítása ÁTVITELI ÉS KAPCSOLÁSI RÉTEG Elvek a hálózati funkciókhoz FORGALOMIRÁNYÍTÁS A forgalomirányítás elemei FORGALOMSŰRÍTÉS Bérelt hálózat Kapcsolt hálózat nagy forgalom esetén Kapcsolt hálózat kis forgalom esetén A FORGALOMIRÁNYÍTÁS ELVEI Hierarchikus forgalomirányítás TORLÓDÁSVÉDELEM Torlódásvédelmi és QoS biztosítási módszerek Összefoglalás TH TECHNOLÓGIÁK PDH HÁLÓZATOK: PDH + PCM PCM alapok E1 Nyalábolás E2 Nyalábolás E1 szinkronizálás PDH előnyök és hátrányok Hátrányok Előnyök Kapcsolás PDH hálózatokban Térkapcsolás kapcsolómátrixszal Térkapcsolás többfokozatú kapcsolóval Térkapcsolás blokkolással Időkapcsolás Időkapcsolás + térkapcsolás ISDN Az ISDN referencia modell Az S-busz működése Vonali kódolás...129

7 Sebességek S-busz kiépítések Keretszervezés Jelzésrendszer HOZZÁFÉRÉSI TECHNIKÁK Beszédsávi modem xdsl (Digital Subscriber Line) Az ADSL működése Az ADSL Protokoll szintű elemzése Kábelmodemek FTTx technikák PowerLine Ethernet Mobil hálózat SDH / SONET Bevezetés PDH A szabvány Topológia Az SDH nyalábolási hierarchia SDH adategységek Bevezetés Az STM-1-es keret E4-es PDH folyam továbbítása STM-1-en keresztül ATM és IP átvitele Hátrányok Multiservice Switching Nagyobb sebességek: VC összefűzés (Concatenation) ATM (ASYNCHRONOS TRANSFER MODE) Bevezetés Az ATM jellemzői Jellemzői Az ATM műszaki alapjai Aszinkronitás Az ATM cella A B-ISDN referencia modell Az ATM réteg A cella irányítása Az összeköttetés forgalmi leírói (forgalom menedzsment) Forgalom menedzsment funkciók Útvonalválasztás ATM hálózatban ATM illesztési réteg: AAL IP over ATM Protokoll beágyazás, RFC Classical IP Over ATM: RFC 1577, RFC LANE v MPLS (Multiprotocol Label Switching) További lehetőségek OPTIKAI HÁLÓZATOK Eszközök Az optikai szál Erősítők Csatolás (iránycsatolók) Kapcsolók, rendezők Szűrők Az optikai hálózatok fejlődése Új irányzatok TÁVKÖZLÉSI SZOFTVEREK JELLEMZŐK AZ SDL Az InRes blokkjai Kapcsolat-felépítés Adatátvitel (Information Transfer) Kapcsolat bontása (Disconnect)...165

8 Az InRes, mint rendszer, blokk és processz A processzek leírása Process Initiator Process Responder Process Coder_ini (Process Initiator Coder) CORBA A CORBA architektúrája ORB Core feladatai ORB services IDL DII (Dynamic Invocation Interface) Interface Repository Object Adapter Szkeleton a szerver oldalon Implementation Repository ASN.1, TTCN TÁVKÖZLÉSI SZOFTVEREK RÉSZEI A különféle FDT-k kapcsolata ASN.1 (ABSTRACT SYNTAX NOTATION, NUMBER ONE) TTCN...179

9 0. Bevezetés 0.1. A TTT tanszék 0. Bevezetés 0.1. A TTT tanszék TTT = Távközlési és Telematikai tanszék Telematika = Telekommunikáció + Informatika. A telematika a telekommunikáció és az informatika konvergenciájának eredménye. (A konvergencia az információs társadalom egy fontos fogalma, különböző tudományágak egymáshoz való közeledését, azok egybefonódását írja le. Ezek a területek egyre közelebb kerülnek egymáshoz, a köztük lévő határvonalak elmosódnak, egymás fejlődésére hatással vannak.) A tanszék elhelyezkedése - IB II. emelet; - IE III. emelet, Duna felöli rész - IL I. emelet - St II. emelet; weblap: A tanszék szerepe az egyetemi oktatásban A tanszék alapjában véve kibocsátó tanszék, ami azt takarja, hogy a felsőbbévesek oktatásában nagyobb súllyal vesz részt. Nagyjából 100 diplomát bocsát ki évente, mely összeg fedi az informatikus, és a villamosmérnöki diplomákat is. A tanszék intenzív ipari, és nemzetközi kapcsolatokkal rendelkezik. Oktatás-képzés a műszaki informatikus hallgatók számára: Eddig: - Mérés labor Most: - Távközlő hálózatok - Beszédinformációs rendszerek (Gordos Géza és munkacsoportja) - Információs rendszerek fejlesztése (Magyar G.) - Számítógép laboratórium Jövő: - két informatikus szakirány, melyek frissítés alatt állnak - választható tárgyak - doktorandusz képzés - kutatás, fejlesztés 1

10 0. Bevezetés 0.2. Távközlő hálózatok 0.2. Távközlő hálózatok (TH) Előadók, elérhetőségeik: Dr. Henk Tamás, docens: tárgyfelelős, előadó: TTT, IE348, tel.: , Cinkler Tibor, adjunktus: társelőadó, a TH honlap rendszergazdája: TTT, IE319, tel.: , cinkler@ttt.bme.hu Dr. Csopaki Gyula, docens: társelőadó: TTT Bock Györgyi, asszisztens, a tárgy adminisztrátora TTT, IE352 (a TTT postarekeszek is itt találhatók), tel.: , bock@ttt.bme.hu TH oktatási segédanyagok: - honlap: adatlap követelmények hallgatói jegyzetek 2 évre visszamenőleg, több verzióban - online könyv bizonyos részletei (szerző: Cinkler, Henk) Magyar nyelvű irodalom: Ezen könyvek az I épület könyvtárában megtalálhatóak! - Online könyv, főszerkesztő Lajtha György: Távközlő Hálózatok és Informatikai szolgáltatások (Telecommunication Networks and Informatics Services) kiadó: Hírközlési és Informatikai Tudományos Egyesület, HTE, Géher Károly főszerk.: Híradástechnika - Műszaki Könyvkiadó, Budapest, Andrew S. Tanenbaum: Számítógép-hálózatok, Panem Könyvkiadó, Budapest, Hosszú Gábor: Internetes médiakommunikáció, LSI oktatóközpont, Budapest, Dárdai Árpád: Mobil távközlés, mobil Internet, Mobil Ismeret, Budapest, 2002 TH követelmények: Az aláírás feltétele a legalább kettes zh eredmény. A tanszék honlapján mintakérdések találhatóak a felkészülés segítésére. ZH: 1. NagyZH 8. hét: 1 lapnak 2 oldalán, kijelölt helyen kell megválaszolni a kérdéseket, a lényeget kiemelve. 1. PótZH 10. hét. Pótlás: a vizsgaidőszak első 3 hetében, vizsgaalkalmakkor. Számonkérés stílusát ábrába öntve (a piramisok szélessége jelentse a tudásmennyiséget, pl. négyes osztályzat követelményét a hármaséhoz hasonlítva: az okszerű összefüggéseket jobban kell ismerni, különböző anyagrészek közti összefüggés is követelmény, és lexikai tudás is több szükséges.) 2

11 0. Bevezetés 0.2. Távközlő hálózatok Vizsgák típusa: Írásbeli vizsgára kell számítani, kivételes esetben szóbelire kerülhet a sor. Alapvetően 6 kérdést kell kidolgozni, a Zárthelyi és a Pótzárthelyi eredménye néhány kivétellel nem számít bele a vizsgajegybe. Ezen kivételek: - 5* zárthelyi írása esetén általában megajánlott 5 jár az illetőnek - ponthatáron számít a zárthelyi eredménye. TH célkitűzése: Számítógép hálózat: (ezentúl SzH): számítógépek összekötésére szolgáló hálózat. Távközlő hálózat (ezentúl TH): távíró-, távbeszélő hálózat, és ezekből kifejlődő hálózatok. A kettő együtt: infokommunikációs hálózat, vagy információközlő hálózat (ezentúl TH). Az alaptárgy felhasználható az infokommunikációs szakmacsoport 4 szakirányában, illetőleg általános ismeretet ad a többi szakiránynak. A tárgyhoz laborképzés is kapcsolódik, ennek az alapképzésben a Mérés labor a képviselője, illetőleg az infokommunikációs szakirányban szakirányos laborok formájában ölt testet, mely 3 félévnyi programozott mérést, szimulációt tartalmaz. Tárgy jellege: - leíró jellegű - okszerű összefüggéseket keres - szemlélet kialakítása + lexika - ipar, szolgáltatás, gazdaságosság, kutatás, fejlesztés, és a jogi szabályozás szempontjai is megjelennek a tárgyban - sok új fogalom! 2 vagy 4 nyelven: a fogalom TH-os megnevezése magyarul, angolosan, angolul, illetve a fogalom SzH-os megnevezése. Pl.: telefon (angolos) = távbeszélő (magyar), mobil telekommunikáció (angolos) = mozgó távközlés (magyar) - előadás látogatása ezért melegen ajánlott - 60% diszciplína, 40% technológiai ismeretek 3

12 0. Bevezetés 0.2. Távközlő hálózatok A tárgy felépítése Álljon itt egy hasonlat a fizika területéről, mely két különböző tárgyalásmódot szemléltet: Eszerint, mikor kísérleteket végzünk, és a tapasztalatok alapján állítunk fel a fizikai törvényeket, akkor az indukció módszerét alkalmazzuk; amennyiben pedig a fizikai törvényeink felhasználásával magyarázzuk meg egy fizikai eszköz működését, akkor a dedukció módszerét alkalmazzuk. Példaként lehet említeni a kísérleti fizikát és a villamosságtant, melyek az indukciót használják, dedukciót használ viszont az elméleti fizika, az elméleti villamosságtan, és az elektronfizika. Lássuk, hogyan adaptálható az ábra az Információközlő hálózatokra: A technológiaorientált tárgyalásmód az egyes hálózati technológiákat ismerteti, miközben bevezeti az egyes hálózati technológiákban alkalmazott hálózati felépítési elveket; míg a diszciplináris tárgyalásmód a hálózatok felépítési elveit ismerteti, és az elvek alkalmazási példáiként hivatkozik az egyes hálózati technológiákra, vagy az elvek felhasználásával hoz létre újabb hálózati technológiákat. A SzH tárgyalása inkább diszciplináris, pl. OSI modell: A Távközlő Hálózatok vegyes tárgyalásmódot fog alkalmazni, az alábbi sorrendekkel: 4

13 0. Bevezetés 0.2. Távközlő hálózatok Kapcsolódó tárgyak: A legfontosabb: - Számítógép-hálózatok Alaptudás szinten követelmény: - Tömegkiszolgálás - Információelmélet - Operációs rendszerek - (Beszédinformációs rendszerek) - Formális nyelvek - Fizika - Digitális technika 5

14 6

15 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.0. Bevezetés 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.0. Bevezetés SzH Computer Network TH Telecommunication Network A kettő együtt: információközlő hálózat, vagy egyszerűen hálózat, angolul Infocommunication Network, de ez a szó nem használatos Amerikában, szemben az IT technology kifejezéssel. Az egyszerű hálózati modell Az ábra elemeinek megnevezése a két hálózati elnevezéssel: TH SzH távbeszélő készülék; számítógép; telephone equipment computer távbeszélő kapcsoló központ, útválasztó; röviden: kapcsoló; router telephone switching exchange, röviden: switch Mindkét elemmel kapcsolatosan általános számítástechnikai igény merülhet fel: - Boole algebra: alapvető feladat - memória. A kettőt együtt az intelligencia szóval jellemezzük. Hagyományosan elmondható, hogy a távbeszélő készülék nem intelligens, viszont a számítógép igen. Ezzel szemben a kapcsoló jóval több intelligenciát tartalmaz, mint egy útválasztó; tehát a SzgH-nál az intelligencia kitolódik a hálózat peremére. A kapcsoló elnevezés az útválasztóval szemben nem jelenti, hogy a kapcsolónak ne lenne útválasztó funkciója. 7

16 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.1. Alaptechnológiák fejlődése 1.1. Alaptechnológiák fejlődése Az intelligencia megvalósításának lehetőségei A Távközlő hálózatokban az eszközök egyik legfontosabb paramétere a megbízhatóság, ezt mindig szem előtt kellett tartani. Egyes technológiák azért nem terjedtek el széles körben, mert ezt nem garantálták. Elektromechanikus világ: eszköze a jelfogó, relé ( relay ), vagy jelfogó logika. Boole algebrát és memóriát ezzel is lehet realizálni, így sorrendi hálózatokat is. Még számítógépet is lehet belőlük építeni (pl.: Kozma László meg is tette.). A központokba építették be, mert a távbeszélő készülékben túl drága lett volna. Elektroncső: nagy meghibásodási arány, nem játszott nagy szerepet. Tranzisztor: jobb, mint a cső, de a megbízhatósággal itt is gondok voltak. Mikroprocesszor: (integrált tranzisztor, vagyis nem egyenként ültetik be) Eleinte itt is voltak bajok a megbízhatósággal, ami a TH-ban nagyon fontos! (A távközlő hálózatok rendszerint még akkor is működnek, amikor más infrastrukturális szolgáltatások már nem. Például egy áramszünet még fejlett országokban sem szokatlan, míg a telefon majdnem mindig rendelkezésre áll. Ez olyannyira igaz, hogy a szerbiai háború alatt egyes falvakban a rádiót a telefonvezetékben folyó árammal működtették.) Jelenleg, mikor mikroprocesszor megbízhatósága már jónak mondható, még mindig meleg tartalékkal dolgoznak, tehát ugyanazt a feladatot 2 processzor végzi. A technológia alapvető paramétere a csíkszélesség, mely jelenleg gyártás szinten kb. 120 nm, laborban kb. 70 nm. Ez a technológia 30 éve exponenciálisan növekszik. Ez vonatkozik az egy lapkára integrálható tranzisztorok számának növekedésére és a vonalszélesség csökkenésére. Mivel a csíkszélesség csökkentése nem mehet minden határon túl, a mikrotechnológia helyét várhatóan a nanotechnológia fogja átvenni. Itt már a molekula belsejében kell vizsgálódni (Schrödinger egyenlet), míg a tranzisztoroknál ez nem szükséges (Maxwell egyenlet). Laboratóriumi körülmények között már ma is intenzíven kísérleteznek a nanotechnológia eszközeivel. Ipari szinten kb re várható a nanotechnológia alkalmazása. Hosszútávú, nagy kapacitású memóriák - Morse: papírtekercs - lyukszalag, lyukkártya -...és így tovább egészen a ma használatos tárolási módokig (Lásd: operációs rendszerek.) Átviteli utak - légvezeték: kb. 10 b/s - sodort érpár, sodort ér-négyes - rádiós átvitel - koaxiális vezeték - optikai vezető: az igazi áttörés, az utóbbi év eredménye. Egy időben jelent meg a mikrotechnológiával, mivel mind az optikai szál, mind a mikrotechnológia fontos alap pillére az anyagtisztaság. Előnye, hogy nagy távolságok, akár 100 km is áthidalható vele. Az optikai vezető sávszélessége jelenleg kb. 1 Tb/s (ipari), kb. 50 Tb/s (labor). Elvi határ: kb. 200 Tb/s (a vezeték tulajdonsága), ezt jelenleg: a lassú végberendezések miatt nem lehet kihasználni. 8

17 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Elektronikus hálózatok fejlődése 1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Elektronikus hálózatok fejlődése Ebben az elnevezésben benne foglaltatnak az elektromechanikus hálózatok is. Néhány szabadalom: 1837: Samuel Morse kézi távíró, Morse ABC 1854: David Hughes távgépíró 1876: Graham Bell távbeszélő 1878: Edison, Puskás Tivadar kézi kapcsolású kapcsoló központ 1889: Almon Strowger automata kapcsoló (Megjegyzés: ez az ember egy temetkezési vállalkozó volt, és azért találta fel az automata kapcsolóközpontot, mert egy konkurens temetkezési vállalat vezetőjének felesége ült a kézi kapcsolású központban, így mindig saját férjét kapcsolta haláleset alkalmával.) Az AT&T (American Telegraph and Telephone) monopólium (Bell nyomán) spontán alakult ki, majd a monopólium ellenes törvények értelmében később kötelezték, hogy az Amerikán kívül használt készülékek gyártását Amerikán kívülre helyezze. Így jött létre az ITT (International Telegraph and Telephone), amely főleg Európában gyártott. Ez volt az első lépés a monopol helyzet megszűntetésére Amerikában, amely egyúttal nagy lökést adott az európai fejlődésnek. A II. Világháború alatt Európa lerombolta felépített értékeit, a háború a szakemberek kivándorlásával vagy eltűnésével járt, a gyárak és a berendezések jelentős mértékben elpusztultak. Így ismét az USA-ra helyeződött a hangsúly a távközlés fejlesztésében (tranzisztor, tárolt programú vezérlés, PDH, SDH). Az amerikai dominancia 1980-ig nagyon jelentős volt, és még most is Amerikáé a vezető szerep, de bizonyos területeken (pl. mobil távközlés, ATM, ISDN) Európa előrébb jár. Az 1980-as évek közepén az AT&T-t 7 részre szabdalták ( Bell Baby -k) egy per miatt és ma már nem gyárt semmit. A gyártást a Lucent, majd az Avaya vette át. Mai helyzet világszerte Millió darab Telefon fővonal Mozgótelefon ISDN vonal KábelTV előfizető Internet felhasználó Forrás: European Information Technology Observatory, 2002, EITO; Ami fontos az ábrából: - vezetékes és mobil metszéspont hol van (2001) - mobil nagyon gyors felfutású - vezetékes telítődő. Ami érdekes: az emberek 20%-a használ telefont, 50% soha nem is látott. 9

18 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Elektronikus hálózatok fejlődése Mai helyzet Nyugat-Európában Millió darab Telefon fővonal Mozgótelefon ISDN vonal KábelTV előfizető Internet felhasználó GPRS felhasználó WLAN felhasználó Amit érdemes megfigyelni, hogy Európában megcserélődött az ISDN és a CaTV szerepe. Ezzel kapcsolatosan két dolgot említünk meg. Az USA-ban régebben a CaTV nem nyújthatott távközlési szolgáltatást és fordítva. Az ISDN (Integrated Services Digital Network): Európában terjedt el, mivel európai találmány. 10

19 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Modellezés Modellezés logisztikai görbe Általában a technológiai, társadalmi és természeti képződmények fejlődését egy tipikus fejlődési görbével ( életgörbe ) jellemezhetjük. Egy tipikus fejlődési görbe a következő módon néz ki: Jellemzi a kezdeti exponenciálisan növekvő szakasz, aztán a lineárisan növekvő szakasz, majd a lassú telítődés következik (itt tart például ma a vezetékes távközlő hálózat), és végül az elkerülhetetlen hanyatlás következik. Mindez modellezhető a logisztikai görbével. Ez egy analitikus függvény, melynek vannak szabad paraméterei, így a konkrét problémához illeszthető. A függvény a következő differenciálegyenletnek tesz eleget: dl( t) L( t) k L( t) dt k, ahol t az idő és L(t) a terjedelem, a meredekségi tényező és k a maximális populáció. Az összefüggésben az L(t) tényező a meredekség kezdeti növekedését fejezi ki, amikor egyre több felhasználónak érdemes igénybe venni a szolgáltatást, mert egyre több felhasználóval lehet kommunikálni. A [k - L(t)] tényező másrészről a telítődést fejezi ki, amikor a meredekség csökken, mert az L(t) értéke közeledik a maximális populációhoz. A differenciálegyenlet megoldása: k L( t) 1 m e, ahol: m a kezdeti feltétel, meghatározása a következő egyenletből lehetséges: t k L(0) 1 m. 11

20 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Modellezés Az Európai mozgó távközlésre illesztve a görbét, a következő paraméter-értékek adódnak: (t=0 időpontnak az 1991-es GSM helyzetet véve) k = 415 [millió]; m = 600; L(0) = 0,7; = 0,75/év. Az eredeti, és az illesztett görbe viszonyát mutatja a következő ábra: Ny-Eu. mozgótelefon ellátottsága Logisztikai görbe Millió darab

21 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Gazdasági hatások Gazdasági hatások A mostani helyzet: a távközlő hálózatok elterjedtségét a távbeszélő fővonalak számával lehet lemérni. Ez az egy főre jutó GDP függvényében közelíthető lineáris regressziós egyenessel, amely átmegy az origón: 1000 főre eső fővonalak száma GDP/fő (USD) Argentína Brazília Dánia Norvégia Nagy Britannia Finnország Japán Franciaország Kína Magyarország Németország Világ Olaszország Oroszország Románia Spanyolország Svédország USA A függőleges tengely dimenziója 1000 főre jutó telefonvonalak száma, amit más néven penetrációnak, elterjedtségnek neveznek. Vízszintesen az egy főre jutó GDP-t ábrázoltuk. Az ábra jelentése, hogy minél nagyobb egy ország nettó összterméke, annál fejlettebbek a távközlő hálózatai. Magyarország a görbe fölött van, ez kedvező helyzet. A fejlődést 2 tényező szabályozza: - az alaptechnológiák hogyan fejlődnek - a fizetőképes kereslet hogyan fejlődik. A fizetőképes keresletet kétféleképpen is elemeztük: - hogyan fut fel 1 új szolgáltatás, pl.: mozgó távközlés - egy olyan szolgáltatás, ami már jól bevált hosszú évek alatt, milyen struktúrát vesz fel a fizetőképes kereslet függvényében. 13

22 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.2. Hálózatok fejlődése világszerte Fejlődés recesszió Fejlődés recesszió: Minden gazdasági folyamatra jellemző, hogy a fejlődést időnként recesszió töri meg. Az információközlő hálózatok recessziója 2000 környékén kezdődött, és két oka van. Tőzsdei hatások (USA) A mozgó távközlés gyors fejlődése miatt (kb. 10 év alatt utolérte a vezetékest) a tőzsde túlfutotta magát, a papírérték jobban ment fel, mint ahogy azt a fejlődés később igazolta volna. (Magyarul túlértékelték a fejlődés sebességét.) Az emberek hitelből élnek, a cégek helyzetét a tőzsdén elfoglalt helyük határozzák meg. Az informatika terén a.com ( dot com ) társaságokat érdemes megemlíteni, melyek úgy gondolták, hirtelen meg tudnak majd gazdagodni Internetes szolgáltatásokból. Ellenben a mozgó távközlés fejlődése lelassult, a.com társaságok elbuktak, ez visszavetette a fejlődést az általános kiábrándulás miatt. A szeptemberi események is fékezték a gazdaságot. Tőke kivonás hatása (EU, lásd később) UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, egyetemes mozgó távközlő rendszer): ez egy ígéretes technológia, mely vagy ATM gerinchálózatra épülő, IP-vel kombinált, vagy tisztán IP-s ( all IP ) megoldással 100 kb/s-2 Mb/s-os hozzáférési sebességet garantál (a sebesség az állomás mozgási sebességétől függ). Az ATM+IP telepítése már folyik, a tisztán IP jellegű megoldást most szabványosítják. Ez alapvetően egy számítógépes technológia. Árverésen lehetett az ezzel kapcsolatos koncessziós jogokat megvásárolni az államtól. (Az állam eladta a jogot különféle társaságoknak, esetleg időleges jelleggel.) A koncessziós jogok ára néhány európai országban: Anglia Olaszország Németország 38,2 milliárd euró 12,5 milliárd euró 49,7 milliárd euró Ezek a pénzösszegek hatalmasak, összemérhetőek Magyarország éves jövedelmével. A cégek hitelt vettek volna fel ezen összegek kifizetésére, de a bankok nem hiteleztek, mert nem látták, hogy a befektetés megtérülne, így végül a pénzt a távközlésből vonták el. Ez a lépés túl korainak bizonyult, hiszen még nem volt érett az UMTS, nem volt rá olyan igény, hogy ez a befektetés megtérüljön. (Alapvetően politikai hiba.) Meg kell említeni, hogy Japánban már működik az UMTS-nek megfelelő 3. generációs (3G) rendszer, a Deutsche Telecom T-Mobil vállalata pedig éppen most helyezte üzembe az UMTS rendszert. A két hatás eredménye Az az előny, amit Európa szerzett a GSM révén Amerikával szemben, szertefoszlott. (Az előny abból származott, hogy amerikai mozgó távközlésre vonatkozó szabvány nem bizonyult olyan sikeresnek, mint a GSM.) Mindkét földrészen sok termelő egységet leépítettek vagy bezártak, összességében kb. 50%-os leépítésre került sor. Szerencsére Magyarországot nem érintette jelentősen ez a válság; nálunk nem voltak nagy mértékű leépítések, ugyanis a Magyarországra telepített intelligens termelő egységek (szoftverház, regionális tudásközpont, fejlesztés, kutató labor) világviszonylatban tekintve költség-hatékonyak. A GSM fejlődése nálunk 2000 óta is töretlen. 14

23 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3. Hálózatok fejlődése Magyarországon ig 1.3. TH fejlődése Magyarországon Három időszakra bontható a fejlődés, a vizsgálatot a szolgáltatás, az ipar, és a kutatás szempontjaiból végezzük. A szolgáltatás és az ipar fejlettségének összehasonlításánál két összeg összehasonlításáról van szó: - a szolgáltatásnak van egy szükséglete (mennyi készülék kell a szolgáltatás fenntartásához), ami számszerűsíthető - ezt vetjük össze az ipar előállításával ig Szolgáltatás Lássunk néhány szabadalmat, azok megvalósítását: első megvalósítás első magyar feltaláló szabadalom (USA) megvalósítás Morse reformkor vége Bell kiegyezés után Edison-Puskás A televízió, ill. rádió elődje, a telefonhírmondó 1893-tól üzemelt, csak Magyarországon. Ez a mai kábel-tv előfutárának tekinthető. Hamarabb volt távbeszélő központ Budapesten, mint Bécsben! A telefon elterjedtsége 1938-ban kb. 10% volt, ami a bécsi helyzetnek felel meg, európai összevetésben átlagos. Ipar A Tungsram orosz birodalmi szükségletekre szállított. ITT (International Telegraph & Telephone, az AT&T érdekeltsége) budapesti gyárat telepített Standard néven, mely világszerte kiemelkedőnek számított, ugyanis még az 1950-es években is összesen 12 olyan gyár volt a világon, mely automata távbeszélő központokat gyártott. A Siemens és a Philips is létrehozott gyárakat Magyarországon. Kutatás és fejlesztés Tungsram: magyar tulajdonú gyár, BME, PKI (Posta Kisérleti Intézet, Békéssy György). 15

24 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3. Hálózatok fejlődése Magyarországon Szolgáltatás Gyakorlatilag nem fejlődött, mennyiségileg megmaradt, minőségileg nem változott (1-2 digitális központ), az elterjedtség megmaradt 10% körüli értéken. A nyugati országok embargóval sújtották Magyarországot, hiszen a fejletlen távközlés hátrányt jelentett a hidegháborúban. Az embargós termékekhez csak kis mennyiségben lehetett hozzáférni, pl. a PCM kodek chip és a pontos oszcillátorok is mind COCOM listán voltak (szovjetbarát országba nem exportálható). Mivel nagy mennyiségben nem lehetett megszerezni ezeket a technológiákat, csak egy kis csapat tartotta a lépést a fejlődéssel. A keleti országok egyébként sem tartották fontosnak a távközlést, tehát még azokat az eszközöket sem alkalmazták a gazdasági fejlettségnek megfelelő mennyiségben, melyek nem voltak embargósak. Számukra a nehézipar fejlesztése volt a lényeg. Ipar 1945 után az ipart minden téren államosították. Ekkor történt a legendás Standard koncepciós per is, aminek eredményeképpen még Kozma Lászlót is börtönbe zárták. Magyarország elszakadt a nemzetközi technológiától, így 1990-re éves lemaradást ért el. Az ipar mértéke ugyanakkor jelentős volt, (pl.: Videoton, BHG) mely a KGST piacra termelt. Kutatás és fejlesztés BME: kezdetben jelentős (Bay Zoltán, Kozma László), majd a tudományos képzésben a hangsúly áttevődött az MTA-ra (Magyar Tudományos Akadémia) a műszaki tudomány kandidátusa és a műszaki tudomány doktora tudományos fokozatokért, valamint MTA: kutatóintézeteket hoztak létre, pl.: - KFKI (Központi Fizikai Kutatóintézet) (Simonyi Károly) - SZTAKI (Számítástudományi és Automatizálási Kutatóintézet). Létrehoztak továbbá ipari kutatóintézetet is: TKI (Távközlési Kutatóintézet). Tehát 1945-től jól fejlődött az ipar, majd bár annak volumene tovább bővült, nagy lemaradás jött létre főleg a szolgáltatás területén. 16

25 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3. Hálózatok fejlődése Magyarországon től től Bevezetés elnevezések Nyilvános hálózat: bárhol, bármikor, bárki számára elérhető, ha meg tudja fizetni, akár a fa tetejére is. Magán hálózat: intézmények tartják fent, intézményen belül térítésmentes. Pl.: Műszaki Egyetem belső telefonhálózata. Kapcsolt hálózat esetén mindig valamilyen billentyűzet található a végberendezésen, egy jelzésfolyamat jellemző, mely lebonyolítja a kapcsolatot (felépít, fenntart, lebont; mindez a kapcsolóközponton keresztül). Bérelt hálózat esetén előre meghatározott időre kibérlik a vonalat, megmondják honnan, hova és meddig. Hosszú távú bérleti díj van, nincs szükség a kapcsolat felépítésére. Lehetséges kombinációk: nyilvános kapcsolt, nyilvános bérelt, magán kapcsolt, magán bérelt hálózatok. Például a BME telefonközpontja kapcsolt magán hálózatnak számít. Ipar eleinte Megszűnt az embargó, de ugyanakkor a KGST is. Összeomlott a magyar távközlő ipar ( emberből maradt ). A szakemberek átáramlottak a szolgáltatói szférába. Szolgáltatás A szolgáltatás dinamikusan fejlődni kezdett, az emberek és az épületek az iparból a szolgáltatói szférába csoportosultak át. A szolgáltatáshoz tőkére van szükség, ezt a tőkét elő kellett teremteni valahonnan. A megoldás: privatizáció, monopol koncesszió. Eszközök: dereguláció, távközlési törvény módosítása. Dereguláció: kezdetben volt a Magyar Posta, melyet több lépcsőben felszabdaltak, és végül így alakult: - MATÁV - ANTENNA HUNGÁRIA - MAGYAR POSTA RT. - HIF (Hírközlési Főfelügyelet, a szabályozás gyakorlati kérdéseivel foglalkozik) - minisztériumi képviselet - érdekképviseletek. A Matávot privatizálták, így tudták a tőkét előteremteni ahhoz, hogy a kb. 10%-os elterjedtséget 40%-ra fejlesszék. Hatalmas beruházás volt szükséges: gerinchálózatok, végpontok, kapcsolóközpontok, automatizálás kisebb központokban is, digitalizálás. Ez monopol helyzet nélkül nem térülhetett volna meg. A lemaradás behozásához 6 évre volt szükség, ig megtörtént a kívánt fejlődés, ugyanakkor a befektetés megtérülése is újabb 6 évet vett igénybe. (Tehát a Matáv monopóliuma ig tartott.) A Matávon eleinte kb. fele-fele arányban osztozott a Deutsche Telecom és az Ameritech (Bell Baby), majd a Deutsche Telecom megvásárolta az Ameritech részét is, de az állam továbbra is rendelkezik 15%-kal. (Sőt, az állam ún. aranyrészvényt birtokol, ami a névértéknél több jogot biztosít számára.) A monopol koncesszió hatásköre: minden rögzített állomású kapcsolt, nyilvános beszédátvitel a helyi körzetek nagy részére, a helyközi összeköttetések teljes egészére és a nemzetközi összeköttetések mindegyikére. Így versenyszférában maradt a magán célú hálózat, a nyilvános bérelt beszédátvitel, a mozgó távközlés és az adatátvitel. Korszerű szolgáltatások: VoIP (Voice Over IP, IP feletti beszédhang átvitel): 17

26 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3. Hálózatok fejlődése Magyarországon től Magyarországon a PanTel próbálkozott meg vele, de felmerült a kérdés, hogy sérti-e ezzel a Matáv monopóliumát. A megoldást az jelentette, hogy a szolgáltatás minőségét mesterségesen le kellett rontani (a HIF döntése), hogy megfeleljen a következő paramétereknek: - késleltetés 200 ms sokat kell várni beszéd közben - csomagvesztés 1% ez nem okoz komolyabb gondot az érthetőségben - a késleltetés miatt azonban visszhangelnyomást kell alkalmazni. Az eredmény az lett, hogy kizárólag a nemzetközi mozgó távhívások terén lett létjogosultsága, pl. PannonGSM +0. (Természetesen a MATÁV ezt látva megemelte az előfizetési díjakat, és ezáltal biztosította a versenyképességét a nemzetközi hívások terén.) NIIF (Nemzeti Információs Infrastruktúra Fejlesztési program): 1980 óta létezik, a világ élvonalában van ez a hálózat. Ez egy akadémiai IP hálózat, mely intenzíven fejlődik. Meg kell említeni, hogy VoIP is tervbe van véve. Az állam közvetlenül finanszírozza. ( CaTV: A kábeltelevízió szolgáltatók rossz szemmel nézték, hogy míg a Matáv szolgáltathat kábeltelevíziós szolgáltatást, ők nem szállhatnak be a távközlésbe. Ennek hatására döntést hoztak, melynek értelmében a Matáv csak korlátozásokkal szállhatott be a CaTV üzletágba. Mozgó távközlés: Jelentős mértékben informatikai feladat is: - a hívás információkat 5 évig tárolni kell - számlázás valós időben, pl. Domino rendszer - SMS (Short Message Service, rövid szöveges üzenet szolgáltatás) üzemeltető rendszer. NMT (Nordic Mobile Telecommunication system): Magyarországon 1991 környékére tehető, analóg rendszer, 450Mhz-en. Európában nagyjából 11-féle rendszer működött, melyek inkompatibilisek voltak. GSM (Global System for Mobile Telecommunications, digitális mozgó távközlés világszerte): 170 országban üzemel, 470 szolgáltató, 900 illetve 1800 MHz-en tól Magyarországon oligopól koncesszió: ma 3 cég uralja a mozgó távközlést. Magyarország élvonalbelinek számít a GSM szempontjából, például MMS (Multimedia Message Service, multimédia üzenet szolgáltatás Westel). Ipar folytatás A technológiai lemaradást is be kell hozni, át kell térni az elektromechanikus kapcsolóközpontokról a programvezérelt központokra. Kiépült az arányos ipar. Rendszerválasztó tender, 1992: A Matáv pályázatot írt ki a berendezések szállítására: aki nyert, annak Magyarországon ipart kellett telepítenie a szerződésbeli kötelezettsége végett. 2 nyertes lett, a Siemens és az Ericsson. Ugyan a BHG (Budapesti Híradástechnikai Gyár, az államosított Standard gyár utóda) is pályázott, de nem nyert, így ez a vállalat halálát jelentette. A nyerteseken kívül egyéb cégek is telepítettek ipart, pl.: Nokia, Motorola. Így a magyar ipar ismét fejlődésnek indult. A középvállalati réteg gyakorlatilag hiányzik, ugyanakkor a távközlésben a HW gyártásról a hangsúly áttevődött a SW gyártásra (szoftver házak), hiszen pl. a hívás adatok tárolása komoly informatikai probléma, nem is beszélve arról, hogy kellő adatbiztonságot kell garantálni. Kutatás és fejlesztés A 90-es években a hangsúly visszakerült a BME-re, ahová az új felsőoktatási törvénnyel visszahelyezték a tudományos képzést az MTA-tól Ph.D. (Doctor of Philosophy) képzés formájában. - az ipari TKI (Távközlési Kutatóintézet) leépült, amikor az ipar tönkrement; számos kutatója a BME-n tanít - MTA kutatóintézetei: KFKI (Központi Fizikai Kutatóintézet): kivált belőle a Számítástechnikai Rt., ma rendszerintegrátorként prosperál ( SZTAKI (Számítástechnikai és Automatizálási Kutató Intézet) ma is színvonalasan prosperál ( 18

27 1. Információközlő hálózatok fejlődése 1.3. Hálózatok fejlődése Magyarországon től Regionális központok, fejlesztő, kutató laboratóriumok jöttek létre, mert a magyar szürkeállományra megérte építeni: - regionális mérnöki központok - SW házak - kompetencia központok feladatok támogatására (Compaq) - innovációs központok: Deutsche Telecom T-Systems RIC ( - fejlesztőintézetek - kutató labor. Példaként lehet említeni az Ericsson kutató-fejlesztő intézetét Lágymányoson, valamint jelentős a Nokia és a Siemens laboratóriuma Budapesten, vagy akár a Deutsche Telecom T-Systems RIC is felhozható példának egy tipikus fejlesztő csapatra (kb. 30 fő). (RIC = Regional Innovation Centre) A recesszió ellenére tovább folyik a kutatás és fejlesztés. 19

28 20

29 2. Technológiai áttekintés 2.0. Bevezetés 2. IH technológiai áttekintés 2.0. Bevezetés Miért építsünk hálózatokat? Különböző információ típusok átvitelére: - üzenet (SMS, MMS, , távirat) - (pár)beszéd - (tömörített) videó - adat. Eleinte egy adott információtípushoz fejlesztették a hálózatokat, arra pedig a szolgáltatást. Egy adott hálózatot azonban másfaja információk továbbítására is használhatunk, pl. távbeszélő hálózaton modem segítségével adatot lehet átvinni: ezt másodlagos felhasználásnak nevezzük. Ez a szemlélet nagyjából 100 éven keresztül volt meghatározó. Ezután a hálózatokat többféle információtípus együttes átvitelére tervezték. Egy ilyen integrált hálózat többféle információt is átvihet. Ilyen például az ISDN technológia, mely integrált szolgáltatásokat nyújt. 21

30 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Hálózati síkok 2.1 Távközlő hálózatok Bevezetés hálózati síkok A távközlő hálózatok felépítése hierarchikus. Régebben több rétegig is felment, manapság az ábrán látható hierarchia van alkalmazásban, mivel a digitális technológiával így gazdaságos hálózatot építeni. - gerinchálózat: szekunder és primer központok között - hozzáférői hálózat: előfizetők és a helyi központok között - központ-közi hálózat vagy törzshálózat: helyi központok + primer + szekunder között (Előfizető = subscriber; primer/szekunder központ = primary/secundary exchange.) Sávszélesség alapján a hálózatokat két csoportba oszthatjuk: a hálózat típusa rögzített hozzáférés mozgó hozzáférés törzshálózat keskenysávú 2 Mb/s-ig 64 kb/s-ig 140 Mb/s-ig szélessávú 2 Mb/s-tól 64 kb/s-tól 140 Mb/s-tól 22

31 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Keskenysávú hálózatok Keskenysávú távközlő hálózatok Távíró hálózat - információ típusa: üzenet - a papírtekercs eltárolható - a csomópontokban útválasztást kellett megoldani - probléma: a csomópontokban lévő ütközés következik be, ha ketten azonos vonalat kívánnak használni egyszerre, ezt hívjuk üzenet szintű ütközésnek A megoldást az üzenetkapcsolás tárol és továbbít (store and forward) elv szolgáltatta: ütközés esetén az egyik üzenetet eltették a fiókba, majd később továbbították, ezáltal létrejött az első üzenetkapcsolt hálózat. A rendszer teljes mértékben kézi kapcsolású volt, az útvonal-irányítást is kézzel végezték. (Útvonalirányításra már itt is szükség volt, mivel egy üzenet természetesen több úton is eljuthatott a címzetthez.) Távgépíró hálózat - adó: egyszerű lyukszalag olvasó berendezés - vevő: írógépszerű eszköz, lyukszalagra dolgozott (távgépíró) Kezdetben kézi üzenetkapcsolást, később valós áramkörkapcsolást alkalmaztak. Az áramkörkapcsoláshoz fel kell építeni egy áramkört, ehhez tárcsázni kellett, így megjelent a hívás fogalma. A tárcsázás kézi módú volt, és valós áramkörkapcsolt hálózat jött létre. Minden előfizetőnek külön távírószáma volt. 23

32 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Keskenysávú hálózatok Hátrányok: - ütközés léphetett fel hívás szinten (hívástorlódás) - így romlott a hálózat kihasználtsága. Előnyök: - gyorsabb átvitel vált lehetővé - kétirányú kapcsolat: párbeszédre is jó - a minőség javult, a kihasználhatóság romlott. Ez a továbbiakban is jellemző lesz: a minőség és a kihasználtság egymásnak ellentmondó követelményeket támaszt a hálózattal szemben. Itt jelenik meg a fairness fogalma is, miszerint az egyenlő hozzáférési esély biztosítása mellett kell jó kihasználtságot elérni. Távbeszélő hálózat Alapvetően kétirányú beszédátvitelre született, ahol egyetlen szempontként az érthetőség szerepel. (Az például nem szempont, hogy felismerhető legyen a beszélgető partner személye is, vagy akár csak a neme). Ehhez a 0,3-3,4 khz-es frekvenciasávot kell továbbítani, bár az emberi beszéd ennél nagyobb, 6-7 khz-ig terjedő sávval rendelkezik. (A fül sávszélessége pedig még ennél is nagyobb: khz-ig is kiterjed.) A lefoglalt tartomány tehát f = 3,1 khz. Ezt védősávval egészítették ki a nyalábolás miatt, így csatornánként f = 4 khz-es sávszélesség adódott. A kapcsolóközpont lehet: - analóg módon megvalósított - digitális; melyhez a jel digitalizálása szükséges. Mivel általában a hozzáférői hálózat analóg, és a törzshálózat digitális, így a PCM beszéd kodek a helyi központban található. Ezzel szemben a GSM és ISDN hálózatok esetén a hozzáférői hálózat is digitális, a PCM kodek kitolódik a végberendezésbe. (Ez régebben túl drága lett volna.) A PCM kodek: A beszédhang mintavétele f = 4 khz, emiatt f = 8 khz-cel kell mintavételezni. Minden minta 8 biten kvantálódik, így adódik a 64 kb/s-os átviteli sebességigény. Az 1 kb/s átviteléhez szükséges sávszélesség gyakorlatilag nagyjából 1 khz (bár elméletileg elég lenne 500 Hz is), így adódik az átvitelhez szükséges 64 khz. Miért jó az a pazarlás, hogy az eredeti, analóg 4 khz-es sávszélességű jel helyett a digitális, 64 khz sávszélességű jelet továbbítjuk, azaz 16-szoros romlást érünk el? Mert így alkalmazhatóvá válik a digitális technika. A digitális technika előnyei: - gazdaságos gyártás: nem kell beállítani, hangolni - kicsi a fogyasztás - ma már jó a megbízhatóság - amikor nyaláboljuk a jelet bizonyos mértéig a kapcsolás és nyalábolás kombinálható (együtt elvégezhető)....és hátrányai: - a beszéd kodek késleltetése további megoldandó probléma - ezen felül természetesen a sávszélesség növekedése is előnytelen. 24

33 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák Nyalábolási technikák Alapvető nyalábolási technológia a multiplex hierarchiák (nyalábolási rangsorok) alkalmazása. Hálózatok tervezésében két elvet kell egyszerre alkalmazni: - a demokratikus (egyenrangú) elvet, hiszen alapértelmezésben a felhasználókat egyenrangúként kell kezelni - a hierarchikus (rangsor szerinti) elvet, mivel ez nagy mennyiségű felhasználó kiszolgálása esetén nélkülözhetetlen. A nyalábolás Nyalábolásnál azt használjuk ki, hogy az átviteli közeg sávszélessége nagyobb, mint amit egy csatorna igényel. Az ábrán látható példában a helyi központba vonal fut be, de mivel igen kicsi a valószínűsége, hogy egy időben 1000-nél több vonalra legyen szükség, így a két központ között elég ennyit fenntartani. Ennek a hálózatnak a forgalmi kihasználtsága nagyobb, mint a hozzáférői hálózaté, de sávszélességének kihasználása még mindig nem elég nagy. A két központ közötti vonalon úgynevezett forgalomsűrítés jön létre. A központközi vezetékek számának csökkentésére a vezeték többszörös kihasználása, a nyalábolás ( multiplexálás ) jelenti a megoldást. Alapvető nyalábolási módszerek: - SDM: (Space Division Multiplex, térosztású nyalábolás): egyszerűen vezetékeket összefogunk egy kábelbe - FDM (Frequency Division Multiplex, frekvencia osztású nyalábolás) - TDM (Time Division Multiplex, időosztású nyalábolás) - CDM (Code Division Multiplex, kódosztású nyalábolás). Az ábrán sűrűn szaggatott vonallal jelzett hívás lebonyolítása a következő három lépésre tagolható: - a hívás engedélyezése (CAC, Call Admission Control), vagy más néven beléptetés - erőforrások lefoglalása (mindkét kapcsolóban és a központközi hálózaton is szükség van a 4 khz-es sávszélesség biztosítására, így valós áramkörkapcsolást kell alkalmazni) - bontás. Mivel a multiplexerek transzparensek a rendszer szempontjából, nyalábolt esetben is jellemző ez a folyamat. A multiplexerek esetleg annyiban térhetnek el a fenti megoldástól, hogy néhol multiplexálási zajok jelentkezhetnek, ami az ábra felső részén ábrázolt rendszerben nem volt jellemző. A rendszer a demokratikus elvet követi. 25

34 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák Általában mivel nagy mennyiségű felhasználót kell összekapcsolni, és biztosítani kell a rendszer skálázhatóságát multiplex hierarchiát alkalmaznak: az I. jelenti a primer, a II. a szekunder, III. a tercier multiplexereket. Előnyei: - különböző feladatokra azonos (szabványos) építőelemeket lehet használni - skálázható, területileg szétosztható, így gazdaságosabb megoldás: nem kell minden előfizetőhöz hosszú kábelt kihúzni, lehetővé válik a fokozatos begyűjtés. (Pl. a Műegyetemen a D épületben van az egyetemi központ, míg Ch és I épületekben van kihelyezett fokozat.) FDM hierarchiák Ez egy analóg technológia, mára elavult. (Magyarországon 1990-ig ez volt.) Pl.: csatorna nyalábolásához, csatornánként 4 khz-cel számolva 40 MHz adódik. Mivel hierarchikus felépítésről van szó, minden hierarchiaszinten újabb védősávokat kellett beiktatni, így a számított 40 helyett 60 MHz szükséges a beszédcsatorna átviteléhez. Rengeteg szűrő szükséges a rendszerhez, mert minden multiplex és demultiplex művelethez szűrőkre van szükség. (Az analóg berendezések mint például a szűrő előállítása igen drága, mivel hangolni kell őket.) TDM hierarchiák Időosztásos, de szintén sávszélesség növekedést eredményez, vagyis ismét a vezeték beszédsávnál nagyobb sávszélességét használja ki. Például: - PDH: keskenysávú technika. - SONET/SDH: szélessávú technika. (később kerül tárgyalásra). 26

35 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák PDH A PDH hierarchia (Plesiochron Digital Hierarchy, pleziokron digitális hierarchia), 1967, Bell Laboratórium. A pleziokron szó jelentése: majdnem egyidejű. Hasonló szavak: - szinkron egyidejű - aszinkron nem egyidejű - pleziokron majdnem egyidejű A PDH valós áramköralapú rendszer. Többféle hierarchia létezik: európai, amerikai, japán (USA variáns) és transz-atlanti. Európai hierarchia: hierarchia szint 0 E1 E2 E3 E4 E5 névleges 0, sebesség [Mb/s] (PCM) (34>8x4!!!) beszédcsatornák = = = =1920 száma 7680 átviteli közeg szimmetrikus kábel csavart érpár koaxiális kábel földfelszíni és műholdas rádió fénykábel Az E betű az európai rendszerre utal. Koaxiális kábel esetén km-es szakaszonként kell jelfrissítőt (regenerátort) használni. Megfigyelhető, hogy az igényelt sávszélesség jobban nő, mint azt a csatornaszám-többszöröződés igényelné. Ez a pleziokron tulajdonság miatt van. A pleziokron rendszerek legnagyobb gerinchálózati sebessége 140 Mb/s, mert koax kábellel ez kivitelezhető, és a PDH gerinchálózatok kiépítésének korában fénykábel még nem létezett, míg a rádiós gerinchálózati megoldás csak kisegítő vagy tartalék jelleggel használták. Amerikai (transzatlanti) hierarchia hierarchia szint 0 T1 T2 T3 T4 névleges sebesség [Mb/s] beszédcsatornák = = = 672 száma 4032 A T betű a transmission szóra utal. Koaxiális kábellel csak T3-at lehet átvinni, ezért lett az amerikai gerinchálózat 45 Mb/s-os. T4 csak rádiós átvitellel lenne kivitelezhető. Az Európában használatos rendszer szemmel láthatóan nagyobb sebességű gerinchálózattal működik. A korszerűbb, gyorsabb eszközök tették lehetővé, hogy az európai rendszerben jobban kihasználják a koax kábel adta lehetőségeket, mivel az később került bevezetésre. Ugyanakkor politikai okai is vannak, hogy különbözik a két rendszer: a CCITT-ben (később ITU-T) leszavazták az amerikai rendszert. (De Gaulle: Európa legyen az európaiaké! ) Így az európai iparnak kellett előállítania a berendezéseket, és nem az amerikaiak öntötték el kész termékekkel a piacot. Ennek köszönhetően nyert teret több ismert európai távközlési nagyvállalat, pl.: Alcatel, Siemens, Nokia, Ericsson. Fontos megjegyezni, hogy az európai és amerikai kodek is eltér egy kicsit. Az elsőt A-törvényű -nek, a másodikat -törvényű -nek hívják. (Lásd: Györfi, Győri, Vajda: Információelmélet, o., 2.3. ábra.) 27

36 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák PDH Kétirányú átvitel A teljesség kedvéért meg kell említeni, hogy a nyalábolásnál mindkét irányban történő adatforgalmat külön nyalábolják. Tehát míg a hozzáférői hálózatban elég 1 vezeték pár (2 vezeték) a kétirányú kapcsolathoz, a törzshálózatban irányonként van 1 vezeték pár, így az átvitelhez 2 koax (4 vezeték) szükséges. A később tárgyalásra kerülő leágaztatást is mindkét irányba el kell végezni. Az órajel előállítása Az órajel előállításához oszcillátorokat (rezgéskeltőket) kell alkalmazni, melyek szinuszos jelet állítanak elő. A szinuszos jel bementként szolgál egy komparátornak (túlvezérelt erősítő), melynek kimenetén előáll a négyszögjel: Az oszcillátor lehet többféle, attól függően, hogy milyen elemekből állítják össze: pontosság: - R-C L-C kvarckristály atomi óra Amikor a PDH-t készítették, még csak a kvarckristály állt rendelkezésre. A kvarckristály a mechanikai rezgést és az elektromágneses teret képes egymásba átalakítani. A kívánt frekvenciát általában csiszolással állítják be (kb. 5 MHz). A kvarc azonban idővel öregszik, frekvenciája változik. A kristályokat éppen ezért mesterségesen öregbítik még a gyártás során, így egy kristály előállításának átfutási ideje 9 hónapig is eltarthat. Ezen felül üzem közben állandó hőmérsékleten tartják (aláfűtik ún. kályházó elektronika segítségével), mivel az állandó hőmérséklet is növeli a kvarc pontosságát. Meg kell említeni, hogy még ez a technológia is embargós volt. 28

37 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák PDH Az órajelekkel a következő műveleteket lehet megvalósítani (tranzisztorok segítségével): +, -,,. A frekvenciaszorzás megvalósítása PLL (Phase Locked Loop, fáziszárt hurok) áramkörrel történik, amely VCO-ból (Voltage Controlled Oscillator, feszültségvezérelt oszcillátor) és fázisdetektorból épül fel. Amennyiben fáziskülönbség alakul ki, akkor a fázisdetektor kimenete megváltozik. (Lásd: szabályozástechnika.) A frekvencia itt nyolccal szorzódik, mivel az osztóban a 8 művelet lett megvalósítva. Egy tipikus felépítés, a kodek helye A jelölt órajelek azonosak, ha azonos számú vonallal vannak megjelölve, például látható, hogy az egymáshoz tartozó hálózati kapcsolók és multiplexerek azonos órajellel vezérelhetőek, hiszen valós fizikai távolságuk kicsi. A forgalomkoncentrátor feladata, hogy kimenetére az aktív előfizetőket kapcsolja. Figyeljük meg, hogy a bemeneten 10 5 vonal van, a kimeneten pedig csak Erre a forgalmi tömörítésre azért van lehetőség, mert nagyon kicsi az esélye, hogy a bemeneti vonalak közül egyszerre több aktív, mint a rendelkezésre álló kimenetek. Lásd: valószínűség-számítás, tömegkiszolgálás. A PCM kodek elhelyezkedése a hierarchiában igen fontos kérdés, mivel utána a teljes hálózat lehet digitális. Központi kérdés, hogy mi az olcsóbb: 10 3 PCM kodek analóg csomagkoncentrátorral, vagy 10 5 PCM kodek digitális csomagkoncentrátorral? Eleinte a PCM kodeket a kapcsolók és az I. hierarchiaszint (primer központ) közé helyezték, a primer központ bemenetére. Ekkor elég volt órajeleket eljuttatni a I, II, III, IV, hierarchiaszintekre. (Az első multiplexer 29

38 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák PDH a kapcsoló elé is elhelyezhető, ha a kodek is előtte van.) Később áttették a kodeket a kapcsolóközpontok és a forgalomkoncentrátorok közé. Ekkor már kombinálták a kapcsolást és a multiplexelést A PCM ezután a forgalomkoncentrátor és az előfizetők közé került, a forgalomkoncentrátorba. Így nagyságrendileg több kodekre van szükség, de a forgalomkoncentrátor is lehet digitális! Egyes rendszereknél, pl. GSM, ISDN természetesen elhelyezhető a beszédkodek az előfizető készülékébe is. A nyalábolás és útvonalválasztás általában többszintű is lehet: A pleziokron tulajdonság sebességkiegyenlítés Miért kell sebességkiegyenlítés? Mert szabadonfutó oszcillátorok vannak, az időosztáshoz pedig fázisban és frekvenciában is egyeznie kell a jeleknek. A hierarchiát ábrázoló képen látható, hogy kétféle órajelet jelöltünk. A kétféle jelölés azt szimbolizálja, hogy földrajzilag máshol helyezkednek el a kapcsolóból és primer központból álló egységek, így a távolság miatt nem ugyanaz az órajel jut el hozzájuk. A szürke buborékkal körülvett egység egy szinkron egység (forgalom koncentrátor, kapcsoló, primer központ) elemei földrajzilag közel vannak, ugyanazt az órajelet kapják; a működés szinkron módon történhet. Mivel a II. szintű központoknak különböző földrajzi helyekről érkező, és így különféle órajelű jelek fogadására is késznek kell lenniük (vastag vonallal jelölt becsatlakozások), így történhet meg, hogy nagyobb sebességre van szükség a következő szintű multiplexelt jelnek, mint amit a beszédcsatornák sokszorozódása megkövetelne. (A koaxiális kábelek késleltetése nagyon ingadozó!) Például az E2-E3 szintek között 4-szereződik a beszédcsatornák száma, a szükséges átviteli sebesség pedig több mint 4-szeres lesz (32 Mb/s helyett 34 Mb/s). (Az európai hierarchia szinteken az első szinten 30 bemenetű, a többi szinten pedig 4 bemenetű multiplexerek vannak.) Látható, hogy a multiplexer minimális órajelét a bemeneten előforduló lehető legnagyobb órajelhez választjuk és még tűrést is hagyunk rá. A nyalábolás után nyert jel órajelet viszont mivel a nyalábolási órajel választja meg így nem a bemeneti sebességek, hanem a kimeneti sebesség négyszerezéséből adódik. Innen a pleziokron elnevezés, és ez az eredete az átviteli sebesség növekedésének. A megvalósítás rugalmas tárral lehetséges: 30

39 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák PDH Ez a tár képes arra, hogy más sebességgel olvassák ki a benne rejlő adatokat, mint amilyennel beírták. Természetesen töltő biteket kell ehhez beszúrni. Ahhoz, hogy a vevő oldal is meg tudja ezeket különböztetni az adatbitektől jelző biteket is át kell vinni. A bit beékelési technológiát angolul bit stuffing -nak nevezik, az amerikai irodalomban pedig justification néven terjedt el. (Itt tulajdonképpen két órajel van, az egyik a saját, a másik a bemenettel szinkronizált.) Egy multiplex fokozaton tehát át kell vinni minden hierarchiaszinten: - a jelet, ami az információt hordozza - töltő biteket melyeket a sebességkiegyenlítés céljából szúrtunk be - jelző biteket megmondja, hogy hova szúrtunk be - jelzés biteket (csak az I. hierarchiaszinten, 30 helyett 32 csatorna van), a kapcsolat átviteléhez szükséges - CRC hibajavító kód - szolgálati csatorna - keretszinkront (a PDH minden hierarchiaszinten újrakeretez): az összes többi fent felsorolt bit helyét a keretszinkronhoz viszonyítjuk; e nélkül lehetetlen lenne a demultiplexálás. Sebességkiegyenlítésre csak a II. hierarchiaszinttől felfele van szükség, hiszen az I. hierarchiaszint földrajzilag közel van a forrásához (az I. szintig bezárólag szinkron rendszer, csak utána pleziokron), tehát az I. szinten a kapcsolás és multiplexelés összefonódik. Amennyiben a beszédkodek a végberendezésben van (GSM, ISDN), az órajelet a helyi központ adja a végberendezések számára. Meg kell említeni, hogy a PDH alapjában véve multiplex technológia, de kapcsoló funkciót az első PDH szinten elláthat. Leágaztatás Egy másik fontos hátránya a PDH-nak a leágaztatás nehézsége: Mivel a rendszer hierarchikus felépítésű, és nem teljesen szinkron, így egy alacsonyabb keret visszanyeréséhez szintről szintre ki kell bontani a kereteket. A töltőbitek miatt minden szinten eltolódhatnak a keretek határai, így minden szinten újra vissza kell nyerni az órajelet! Így például az ábrán látható esetben: - le kell bontani a kereteket: E4 E3 E2 - ki kell cserélni a keret tartalmát - vissza kell építeni az egész keretrendszert. 31

40 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Nyalábolási technikák PDH Ez a PDH legnagyobb hátránya. Akkoriban mégiscsak a PDH-t választották, mivel a teljes szinkronra a megoldást az jelentette volna, ha minden központ szinkronban működik, és az átvitel késleltetése állandó. Az órajel problémát egy mesteroszcillátorral és PLL-ekkel akkoriban is meg lehetett volna oldani. A bajt az adat átvitele jelentette, ugyanis a koax kábel késleltetése függ a környezeti hatásoktól, így aztán nem volt érdemes szinkronizálni az oszcillátorokat sem. A szinkron megoldás lehetőségét majd az optikai szál nyújtja. 32

41 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Keskenysávú adathálózatok Keskenysávú adathálózatok Adattovábbítást meg lehet oldani akár áramkör kapcsolt, akár csomagkapcsolt módon. Az első megvalósítás: PCSDN (Public Circuit Switched Data Network, nyilvános célú áramkör kapcsolt adathálózat). Megvalósítható PDH alapon, így n 64 kb/s sebesség valósítható meg. Az adatjelre jellemző a csomósodás, börsztösség ( burst = löket). A felépített áramkör kihasználtsága így változó, ingadozó. Elmondható, hogy az emberi párbeszéd 30-40%-os kihasználtságot biztosít, és ez az arány az adatnál még rosszabb, így az adatot csomagokra bontva érdemes szállítani. Csomagkapcsolást használva a csomópontok bemenetén, vagy a csomópontok belsejében, vagy a csomópontok kimenetén csomag szintű ütközés jön létre. Látszólagos áramkör alapú csomagkapcsolás esetén van: - hívásengedélyezés (jelzés) - erőforrás foglalás (csomóponti számítási és tároló kapacitás, valamint útszakasz kapacitás) - bontás. Ugyanakkor másik látszólagos áramkör is létrejöhet ugyanazon útszakaszon, tehát erőforrás foglalás történik, amely a csomópontok és útvonalak kapacitását megosztja az egyes látszólagos áramkörök között. A csomagok mindig ugyanazon az útvonalon haladnak, így kicsi lesz az ingadozás. IP-nél nincs előzetes útvonal-kiépítés, látszólagos áramkörfoglalás. Példa: X.25 (PPSDN, Public Packet Switched Data Network) Ez az IP elődjének mondható. - csomag alapú - látszólagos áramkörkapcsolt - a fémvezetékes közeg miatt gyenge minőségű, így minden csomópontba hibajavítást építettek - ugyancsak minden csomópontban volt áramlásvezérlés - sebességek: - hozzáférői hálózaton: 16 kb/s - gerinc hálózaton: 64 kb/s - második rétegben a HDLC módosított változatát alkalmazták: LAP-B (Link Access Procedure Balanced, kapcsolat elérési eljárás kiegyenlítéssel). (Lásd: Tanenbaum: 81. o.) Adathálózatok további lehetőségei: - bérelt hálózat (leased line, LL) - magánhálózat (private network, PN) 33

42 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Keskenysávú adathálózatok Másodlagos adatátvitel - elsődleges adatátvitel: arra használják a hálózatot, amire tervezték - másodlagos adatátvitel: beszéd, műsorátvitelre tervezett hálózaton adatot is átviszünk (pl. modemmel). A távbeszélő hálózaton ezzel a technikával 2,4 kb/s-33,6 kb/s sebességű adatátvitelt lehet megvalósítani. Mivel a távbeszélő hálózatban két helyen van PCM kodek, és ezzel együtt sávszűrő, továbbá a kvantálás nem egyenletes és PCM szakasz sebessége 64 kb/s, így adódik ez a kisebb sebesség. (Ha a vevő a központban van, akkor csak 1 kodeken kell áthaladnia az adatnak, és egy kicsivel gyorsabb sebesség érhető el.) ISDN (Integrated Services Digital Network, integrált szolgáltatású digitális hálózat.) Kezdetben nem tudták, milyen népszerű lesz, az üzletemberek a rövidítést az I Still Don't know mondattal jellemezték, majd mikor beindulni látszott, akkor ezt az I See Dollars Now mondatra cserélték. Lássunk egy ábrát ezzel kapcsolatban, mely a technológiák piacképességét ábrázolja: Az ISDN igazán végül nem terjedt el, mert nem volt rá fizetőképes kereslet. A teljes előfizetői hurkot digitálissá teszi, a kodek a végberendezésben található. Többféle információt lehet átvinni rajta: - adat - beszéd - videó. A szabvány többféle csatornát is definiál, de a gyakorlatban két fő csatornaterjedt el: - B csatorna (Basic, alap csatorna): valós áramkör alapú PCM/PDH, 64 kb/s - D csatorna (Data, adat csatorna): X.25 szerű csomag kapcsolt, 16 kb/s sebességű. Mivel jelzést is kell továbbítani, adat továbbítására csak 9,6 kb/s áll rendelkezésre. A D csatorna részére külön protokollt hoztak létre: LAP-D (Link Access Procedure for the D channel). Az alapkiépítés a 2B+D csatornakombináció, ez = 144 kb/s-os hozzáférési sebességet jelent. Az ISDN egyik problémája a többsebességű kapcsolás ( multirate switching ) megvalósítása (csak az ajánlásban van, a valóságban nem valósították meg). Miután nem csak 2B+D hozzáférés lehetséges, hanem n B+D is, így minden n-re meg kellene oldani a kapcsolás, útvonalválasztás problémáját. Végül az n=2-re és n=30-ra valósították meg. n=30 esetben (30B+D) legtöbbször bérelt vonalról van szó, így a kapcsolást nem kell elvégezni. n=2 esetben pedig két B csatornára bontják a kapcsolatot, azokat külön kapcsolják, majd a másik oldalon egyesítik ismét a két csatornát (nem átlátszó módon). A többsebességű kapcsolás problémaköre rengeteg problémát jelent; ha valóban megvalósítanák, nagyon elbonyolítaná a kapcsolóközpontokat. 34

43 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Keskenysávú adathálózatok ISDN Levonható a konzekvencia: az áramkörkapcsolás nem hatékony, ha több sebességet kell kapcsolni, így az adatátvitelnél a csomagkapcsolás lesz a célravezető, mert: - az adat csomós (börsztös) - többféle sebességet lehet kapcsolni (majd ATM esetén látható példa). (További részletek: Tanenbaum: 165. o.) 35

44 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok Az információ továbbítása vezeték nélkül két átviteli közegen képzelhető el: - földfelszíni rendszerrel - műholdas rendszerrel. Földfelszíni rendszerek generációi 1G Például NMT (Nordic Mobile Telecommunication system). Ennél a rendszernél analóg volt a hozzáférői hálózat, a terület cellákra van osztva. (A cellás megoldás megmaradt a későbbiekben is.) Hierarchikus frekvenciaosztás történik: minden szomszédos cellának más a frekvenciája, és a cellákon belül tartózkodó felhasználók is mind különböző frekvenciákat kapnak meg. A frekvenciákat a nem szomszédos cellákban újrahasznosítják. Ha a felhasználó átmegy a cellahatáron, ún. átadást ( hand over ) kell véghezvinni, melynek során a készülék felügyeletét az egyik cella központja átveszi a másiktól. Az egy cellán belüli hierarchikus felosztás a következőképpen néz ki: A hozzáférés elnevezése FDMA (Frequency Division Multiplex Access). A cellás megoldás előnyei: - frekvencia újrahasznosítása - kisebb kisugárzott teljesítmény elég - így kevésbé káros az egészségre - valamint kisebb méretű lehet a készülék (tápellátás biztosítható kisebb teljesítményű áramforrással). 2G GSM (Global System for Mobile communications) A 90-es évek elején jelent meg. A végberendezés is digitális lett, a kodek a végberendezésben található. Jellemzői: - TDM + FDM hozzáférés - beszédhang sebesség: 13 kb/s. A sebességcsökkenés ára a nagyobb késleltetés. (Azért kell alacsony sebességet tartani, mert a drága rádiós sávszélességgel spórolni kell). Távbeszélő hálózatba áttérve GSM-PCM átkódolás szükséges - adat sebesség: 9,6 vagy 14 kb/s. Az adatjel nem megy át beszédkódolón, mert az adatjel már a végberendezésben kikerüli azt. Több csatorna is összekapcsolható adatátvitel céljából, így n 14 kb/s érhető el, de maximum 56 kb/s, mivel a távbeszélő gerinchálózaton 64kb/sec a határ. 36

45 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok Mivel az n 14 kb/s-ot így sikerült egy PCM beszédcsatornába tenni nincs szükség többsebességű kapcsolásra. Az n 14 kb/s sebességű átvitelnél HSCSD-ről beszélünk (High Speed Circuit Switched Data). Amennyiben viszont n csatornát használunk adatátvitelre, akkor mind az n frekvenciasávot lefoglaljuk. Az adat börsztössége miatt ez pazarlás. A rendszernek különböző szolgáltatásai vannak: - SMS: Short Message Service, rövid szöveges üzenet szolgáltatás - MMS: Multimedia Message Service, multimédia üzenet szolgáltatás - WAP: Wireless Application Protocol, vezetéknélküli alkalmazás protokoll, egyszerűsített www böngészésre. Ez a hálózat már integrált szolgáltatású hálózatnak tekinthető, de ezt a gyakorlatban nem szokták hangsúlyozni. (További részletek: Tanenbaum: 295. o.) 2.5G GPRS (General Packet Radio System) GPRS = általános csomagalapú rádió rendszer. Ezen a ponton szakítottak az áramkörkapcsolással történő adatátvitellel. GSM alapon működik, a beszédátvitel továbbra is a GSM hálózaton történik. Az adatátvitelhez külön IP alapú hálózatot építettek, így megszűnt a 64 kb/s-os felső határ (nem PDH-n megy az adat, hanem IP alapú gerincen). Amikor nincs adatforgalom, akkor nem kell foglalni a frekvenciasávokat, így más állomás használhatja. Természetesen ütközés felléphet. A végberendezésnek akár IP cím is kérhető! Így a gerinc egyesített távközlő és számítógépes hálózat: - IP alapú csomagkapcsolt adathálózat - PDH alapú valós áramkör kapcsolt beszédhálózat. Az átvitel az eddigi gyakorlatban nem lehet nagyobb, mint 56 kb/s, viszont olcsóbb lett, hiszen a csomagkapcsolás nagyobb hálózati kihasználtságot biztosít. (A technológia megenged magasabb sebességeket is, hiszen nincs 64 kb/s-os korlátozó tényező, mivel az adat nem PDH-n keresztül megy.) Tehát a GPRS egyelőre csak olcsóbb mint a HSCSD GSM adatátvitel, de nem gyorsabb annál! A spirális fejlődés a kapcsolási technikák terén is megfigyelhető: 37

46 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Mozgó keskenysávú távközlő hálózatok Magánhálózatok Ezek a mozgó, keskenysávú távközlő hálózatok különösen fontosak az ún. készenléti szolgálatok részére, pl.: tűzoltóság, rendőrség, mentőszolgálatok és a katasztrófaszolgálatok számára. Általános tulajdonságok: - áramkörkapcsolt hálózatok kisebb hívásblokkolással - nem demokratikus rendszer, jellemző a hívás prioritás (előnyben részesítés) - a hálózatban van diszpécserszolgálat - szelektív hívás: hívás csoportokat lehet definiálni - nagy megbízhatósági követelmények - nagyobb adatbiztonság szükséges (az illetéktelen lehallgatások megelőzésére). A forgalomsűrítés miatt természetesen itt is felléphet hívásblokkolás. A blokkolás valószínűsége az Erlang formulákkal modellezhető (lásd: tömegkiszolgálás). Mivel itt készenléti rendszerekről van szó, szigorúbb tűrést írnak elő a hívásblokkolás valószínűségére, mint a nyilvános hálózatoknál. A világon 3-féle hálózat van: GSMPRO (GSM Professional): az Ericcson rendszere. Ez van Magyarországon is kiépítve, pl. a Westel rendszerét a szállítmányozók is használják. A teljes rendszerre: kb hívásból 1 lehet blokkolás. TETRA (Terrestrial European/Enhanced Trunked RAdio, földfelszíni európai/emelt szintű trönkölt rádió): a Motorola, és a Nokia rendszere. A trönk (magyarul törzsáramkör) az az áramköri szakasz általában a gerinchálózati szakasz a hagyományos távközlésben ahol forgalomsűrítés történt. Valójában itt nem egészen erről van szó. A trönkölt rádió esetében a trönk azt jelenti, hogy a hozzáférői rádió csatornák időben megosztva működnek igény szerint, tehát blokkolás fordulhat elő. Egy csatornát igénybe vehet hol az egyik felhasználó, hol a másik felhasználó pont úgy, mint a GSM-nél, csak ennek a nevében így hangsúlyozzák, hogy trönk. TETRAPOL (TERA-POLice): Francia rendszer, a rendőrség kezdte ott használni. Műholdas rendszerek Elvileg elkülönülnek a műsorszóró rendszerektől (fizikailag lehetnek egy műholdon). A műholdak nem együtt forognak a földdel, ezért több műhold kell, hogy mire az egyik kilép, a másik átvehesse a szerepét. (Ez keskenysávú távközlő rendszereknél igaz, szélessávúnál lesznek olyanok, melyek a földdel együtt mozognak.) Cél: földfelszíni mozgó, globálisan lefedő rendszer. (900 MHz-cel le van fedve Magyarország, de 1800 MHz-es rendszerrel nem is lesz. A gyéren lakott vidékek és az óceánok egyáltalán nem fedhetők le földfelszíni rendszerrel.) Egyelőre nem piacképesek a műholdas rendszerek a fénykábel megjelenése előtt nagy volt a jelentősége, de ekkor sem a mozgó távközlésben. Több rendszer is létezik, pl.: - Iridium: az irídium atomszerkezetéről kapta a nevét. Eredetileg 77 műholdat terveztek fellőni (az irídium periódusos száma). Végül csak 66 műhold látja el a feladatot, és 11 tartalék műhold kering 750 km magasságban. Sebessége eleinte 2,4 kb/s volt, így ez a rendszer elhalálozott, és áttértek 9,6 kb/s-ra. (A gond az volt, hogy mire fellőtték a műholdakat, addigra már elavult a technika.) - Global Star: 64 kb/s-re tervezték, 48 műholddal. Kevesebb műhold kell, mint az Iridiumnál, mivel ezúttal távolabb keringenek a műholdak: földfelszín felett 1500km. 38

47 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok SONET/SDH Szélessávú távközlő hálózatok SONET/SDH Synchronous Optical NETwork (USA, ANSI), Synchronous Digital Hierarchy (EU, CCITT / ITU-T). Megmaradt Európa és Amerika kettőssége, de már nem olyan éles, mint régen. (Ajánlott irodalom: Tanenbaum: 149. o.) Technológiai háttér optikai kábel A technológiához kellett az optikai kábel megjelenése (a 70-es évek végén). Egészen addig azt hitték a fizikusok, hogy az üveg csillapítása túl nagy ahhoz, hogy hosszú távú átvitelre lehessen használni. Kételyeik szertefoszlottak miután nagy tisztaságú üveget sikerült előállítani. Ennek eredményeképpen: - széles sávú átvitel vált lehetővé - kedvező hibaarány: 10-9, mivel az optikai kábelben nincs áthallás. (A rádiós távközlésben ez 10-3, koax esetében pedig 10-5 az áthallások miatt). - késleltetése állandó, nem függ a környezeti paraméterektől! (Ez a szinkronitás legfontosabb követelménye!) A 80-as évek közepétől a 90-es évek elejéig technológiai burjánzás rajongta körbe az optikai átvitelt. Nagyjából 2000-re letisztult a kép, kialakultak azok a technológiák, melyek tartósan felhasználhatóak. Először PDH rendszerekben alkalmazták, de rájöttek, több lehetőséget kínál, így a PDH fejlesztését abbahagyták, mert: - a PDH keveset fordít a biztonságra - minél több csatornát multiplexálnak annál többet kell fordítani a biztonságra - a szinkron rendszer egyszerűbb, és ez nagy sebességeknél igen fontos szempont. Ez egy alapvetően nyaláboló rendszer, ekvivalens azzal, mint hogyha egy csomó vezetéket kihúznánk. Azért, hogy ne kelljen sok vezetéket kihúzni, időosztásban nyalábolást végzünk, de itt nem történik sem kapcsolás, sem forgalomsűrítés, ezért szokták teljesen transzparens transzport hálózatnak (átlátszó szállító hálózat) hívni. (Tulajdonképpen a PDH felső hierarchia szintjei is ugyanígy viselkednek, csak a legalsó szinten történhet kapcsolás. Nem kötelező, hogy ott történjék, de történhet. PDH rendszerekben forgalomsűrítés is lehetséges, tehát a legalsó szint nem átlátszó, de a többi magasabb szint igen. Például: a PDH és az SDH is átvisz IP forgalmat.) Sebességek, szintek SONET szintek STS-1 STS-3 STS-12 STS-48 STS-192 SDH szintek STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 névleges átviteli sebesség beszédcsatornák száma átviteli közeg 52 Mb/s 155 Mb/s 622 Mb/s 2,5 Gb/s 10 Gb/s 672 USA: = 2016 EU: 1920 EU: = 7680 földfelszíni és műholdas rádió optikai kábel EU: = EU: = A SONET/SDH ott kezdődik, ahol a koaxos PDH véget ér. Az optikai kábelek által elérhető felső határt egyelőre a lézeroszcillátorok sebességes szabja meg, mivel a be és kikapcsolódáshoz itt is idő kell, a levágás nem éles. A 2,5 Gb/s-os átvitel jóval olcsóbb a 10 Gb/s-nál, így inkább azokból építkeznek. A táblázat nagyobb távolságokra ( km) tartalmazza az átviteli közeget, rövid szakaszokon természetesen lehet alkalmazni koaxot is, hiszen ott a késleltetési ingadozás is kicsi, és ezért nem zavaró. 39

48 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok SONET/SDH A rövidítések jelentése: - STS: Synchronous Transport Signal, szinkron átvitelre szolgáló jel - STM: Synchronous Transport Module, szinkron átvitelre szolgáló egység. Látható, hogy az amerikai rendszer kicsit nagyobb sebességen kezdődik, mint ahol az amerikai koaxos PDH gerincsebesség véget ér, nem 45 Mb/s-on. Azért lett 52 Mb/s az átviteli sebesség, hogy a 45 Mb/s fölé elég nagy fejlécet tudjanak tenni, a biztonság érdekében. Az eredeti táblázat nem így nézett ki, de az Európaiak kérték, hogy illeszkedjen az Európai PDH rendszerhez, így az ANSI módosította a szabványt. A táblázatból fejből tudni kell: - először háromszorozás, majd négyszerezés - névleges sebességek nagyságrendileg - ezekből a beszédcsatornák száma kiszámítható. Magyarországon eleinte kiépült a PDH (1992-től), majd ráépült az SDH (1995-től) (Matáv, PanTel, Hungaronet, akadémiai háló). Magyarországon az SDH hálózat jól kiépítettnek mondható. A szinkron tulajdonság Egy mester-oszcillátorhoz szinkronizáljuk az összes órajelet PLL-lel. Az órajel jöhet műholdról is, pl. GPS (Global Positioning System, globális helymeghatározó rendszer). Az órajel változhat üzemeltetőnként, körzetenként (pl. más lehet a Matávé, meg a PanTelé), viszont körzethatáron mindenképpen sebességkiegyenlítést kell végezni bitbeékeléssel. Az ábrán is látható módon itt pontos négyszerezés valósul meg. Egy órajel van, abból helyes fázisú és frekvenciájú órajel származtatható minden hierarchia szinten. Leágaztatás, rendezők A rendszer szinkron tulajdonsága miatt egyszerűen lehet lebontani a nyalábolt folyamot, ha csak egy részről van szó. Egy alacsonyabb összetevő így egy lépésben kivehető, nincs szükség szintenkénti újraszinkronizálásra. (Nem kell minden szinten visszanyerni az órajelet, mivel az mindenhol azonos.) A képen egy ún. add-drop multiplexer (ADM) látható. Úgy képzelendő el az egész hierarchia, mintha nagy dobozokba kisebb dobozokat tennénk, abba még kisebbeket, stb. A PDH esetében minden doboz egymásba van zárva (mint az orosz baba). Az SDH esetében csak a legfelső doboznak van fedele, a többi doboz csak a rekeszekhez hasonlóan helyezkedik el benne. 40

49 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok SONET/SDH SDH esetében készíthető vezérelhető digitális rendező: DXC, DCC (Digital Cross Connect). Ennek rajzjele nem tévesztendő össze a kapcsolóközpont jelével. A különbség az, hogy az X aljáról elmaradnak a talpacskák! A digitális rendezőt a hálózatmenedzser vezérli, ő szabja meg, hogy kit kivel kell összekötni. (Pl.. havonta vezérli, amikor a forgalom annyira megváltozik, hogy érdemes átrendezni az erőforrásokat). A rendező egybe van építve a nyalábolóval, így kisebb sebességű összetevőket is ki lehet venni: Minden vonal egyéni sebességen rendezhető, a rendezés szoftver úton vezérelt. (Emlékezzünk: a PDH-nál a kapcsolást csak az első szinten lehetett megvalósítani, az utána lévő szinteken merev a hierarchia, nem rendezhető vezérelhető módon!) 41

50 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok SONET/SDH Tehát az SDH multiplexer a bemeneten széles palettát tud fogadni. Ez nem jelenti, hogy minden SDH multiplexer föl lenne készítve bármilyen bemenet fogadására, hiszen ez eléggé költséges lenne, így a bemenetek típusa a gyártás során eldől, vagyis amikor megrendelik az SDH multiplexert, közlik a gyártóval, hogy milyen bemeneteket szeretnének kezelni, és ő ehhez készíti el a berendezést. PDH vagy ATM vonalnál sebességkiegyenlítés kell, ezt általában bitbeszúrással oldják meg. Az SDH tehát egy transzparens transzporthálózat (átlátszó szállítóhálózat), időosztásos nyalábolást használ. (Itt hangsúlyozzuk ki újra, hogy a legalsó PDH szint nem átlátszó a lehetséges kapcsolás miatt, a többi igen.) Megbízhatóság, skálázhatóság A képen látható módon az SDH multiplexer automatikusan tud szakaszt tartalékolni, ez beépített funkciója. Ez egy védelmi kapcsolás. Híváskapcsolás nincs, és nem is lesz, hiszen a PDH pleziokron tulajdonságát magasabb szinten nem lehet szinkronná változtatni! (Ismét utalunk rá, hogy a magasabb PDH szinteken nincs híváskapcsolás; sőt, ott még a többsebességű kapcsolás is lehetséges!) A védelmi kapcsolás lényege: hiba esetén automatikusan vált akár vonalak, akár jelfrissítők között tehát nemcsak multiplex, de regenerátor szakaszra, is tartalékol. A fenti ábrán egy tipikus elrendezés látható, általában 1 üzemi és 2 tartalék szakasz van. A rendszer valós áramkör alapú. A híváskapcsoláshoz ugyanis szükség lenne a bit szintű órajelre. A másik ok, amiért nincs benne híváskapcsolás, az az, hogy a többsebességű kapcsolás megvalósítása nehéz (lásd: ISDN). A rendszer rugalmasságát a rendező biztosítja. Jellemző egy rendezőkből álló hálózati mag, mely sűrűn összekötött topológiájú. A hálózatmenedzser változtathatja a központi útvonalat, de ez a híváshoz képest sokkal ritkábban történik, csak a forgalmi statisztika tartós megváltozása esetén. Az ábrán jól megfigyelhető a tipikusan elkülönülő kapcsolási és rendezési sík a kettő együtt biztosítja a valós áramkörkapcsolást. 42

51 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok SONET/SDH SDH és PDH topológia PDH: Alapjában véve pont-pont alapú a gerinchálózat kiépítésére alkalmas. Tekintsünk egy nagyvárosi PDH törzshálózati példát. A helyi központok egy csillagpontot képező központon, az úgynevezett tandemközponton keresztül vannak összekötve, így egy csillag struktúrát kapunk. A hálózat jobb megbízhatósága érdekében azonban két csillagpont van és így kettős csillag struktúra jön létre. A jobb forgalmi megoszlás miatt haránt összeköttetéseket is beiktatnak, amelyek akár körbe is érhetnek, ilyenformán gyűrű topológiát formálva. A gyűrű azonban gyakorlatilag csak a szomszédos vagy közeli helyi központok között szállít forgalmat, mert a távolabbi helyi központok között a csillagpontok felé megy a forgalom. Így végül egy igencsak szövevényes hálózat adódik, de hangsúlyozni kell, hogy korántsem egy teljes gráfról van szó, vagyis nincs mindenki mindenkivel összekötve. Ilyen topológiával modellezhető a MATÁV budapesti PDH alapú központközi hálózata is, a hálózatbiztonság érdekében az egyik tandem központ Budán (Városmajor központ), a másik Pesten (Angyalföld központ) van. SDH: A gerinchálózati területet például SDH gyűrűkkel fedik le, az ábrán két ilyen gyűrűt tüntettünk fel. A gyűrűket vezérelhető digitális rendezők kötik össze legalább két csomópontban a jobb hálózat megbízhatóság érdekében. 43

52 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok SONET/SDH A struktúrát formáló gyűrűk belül kétirányúak lehetnek. Ha szakadás történik, akkor automatikusan visszahurkolnak a csomópontok; így bár feleződik a sebesség, viszont a hálózat nem esik ketté. Ezt nevezik kettős gyűrűnek (double ring), vagy más néven öngyógyító gyűrűnek (self-healing ring) is. Felmerül a kérdés, hogy SDH gerinchálózat miért lehet gyűrű alapú, míg PDH gerinchálózat csillag topológiájú vagy szövevényes hálózat. A válasz igen egyszerű: - a gyűrű struktúra pazarolja a sávszélességet, és a PDH-hoz képest az SDH-ban annyi plusz sebességhez jutunk, hogy ez nem okoz problémát - a gyűrűk rugalmas összekapcsolásához vezérelhető digitális rendezőkre van szükség, ami a PDH technológiában nem áll rendelkezésre. Történeti kiegészítő: Magyarországon 1992-tõl létrehozták a PDH gerinchálózatot, majd kb tõl kiépítették az SDH-t is. Ezt megelőzően idehaza nem volt se fénykábel, se koaxális PDH rendszer. Magyarországon a PDH és a fénykábel egyszerre jelent meg; nem úgy, mint a nyugat-európai országokban. A PDH-ban a szinkronizálás azért nem lehetséges, mert a koax késleltetési ingadozást idézhet elő, de Magyarországon ez nem így van, mert egyszerre telepítették a fénykábeleket és a PDH rendszereket. Tehát lehetne szinkronizálni az oszcillátorokat; meg is teszik, de ez nem azt jelenti, hogy ettől a rendszer még ne maradna PDH. Természetesen ki lehetett volna dolgozni Magyarország számára egy olyan rendszert, hogy az 1. szinttől kezdve végig szinkron az egész hálózat (fénykábelre alapozva), de ez a nemzetközi rendszerekhez nem illeszkedett volna. (Természetesen itt nem csak Magyarországról van szó, hanem sok olyan országról, ami ezt a lépést egyszerre tette meg.) Ez a szabványosítás tipikus problémája: szükség van rá a technológiák elterjedéséhez, de utána merevvé teszi a technológiát. 44

53 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok Optikai hálózatok Optikai hálózatok Részben a csomópont is optikai (emlékezzünk, SDH-nál csak a vezető üvegszál!) Sebesség: - először is TDM-et alkalmaznak, melynek a kimenetén 10 Gb/s jelenhet meg. (A gyakorlatban a 2,5 Gb/s-os rendszer olcsóbb lehet.) - a TDM után még WDM-et is alkalmaznak, mely pl. 160 különböző hullámhosszat tehet bele az üvegszálba. Ha több mint 10 hullámhossz kerül multiplexálásra, akkor a technológiát DWDM-nek (Dense WDM) nevezik, de ez csak egy elnevezés, nincs jelentősége - a kettő szorzataként kapjuk az átviteli sebességet, mely így 1,6 Tb/s-ra adódik, mely 20 millió beszédcsatornát jelent, de természetesen nem csak beszédátvitelre használják - a rendezéshez speciális vezérelhető optikai rendezőt használnak: OXC (Optical X(=cross) Connect). (Később lesz még szó róla bővebben.) A WDM és FDM technikák tulajdonképpen teljesen azonosak, a különböző elnevezések különböző szemléletmódból származnak. Az optika sokáig a fizikusok kezében volt, ők hullámhosszban számolnak, míg a rádiós alkalmazások révén a frekvencia hamar átkerült a mérnöki terminológiába. A fizikusok abban gondolkoznak, hogy egy adott szerkezet hogyan működik, ehhez az elektromágneses hullámok hosszát kell összehasonlítani az anyagi méretekkel. A mérnököket nem érdekeli, hogy hogyan működik, csak alkalmazni szeretnék, így a jelet inkább frekvenciában írják le, mivel az jobban jellemzi az adódó jelsebességeket. Továbbá a műszaki alkalmazásokban gyakran hivatkoznak a sávszélességre, ami a modulációval történő eltolás során a hullámhosszal szemben állandó. A két mennyiség egyébként tejesen megfeleltethető egymásnak. A PDH, SDH, WDM rendszerek megtartják az áramkör kapcsolt, illetve csomagkapcsolt jelleget magasabb szinteken is, ezért mind átlátszóak. A spirális fejlődés itt is megfigyelhető: - először volt a térosztás (SDM), amikor még annyi kábel volt az oszlopokon, hogy szinte eltakarta az eget - utána kitalálták a frekvencia osztású nyalábolást (FDM) - rájöttek, hogy kevesebb szűrő kell, hogyha ugyanezt időosztásban csinálják meg (TDM) - most a TDM + WDM / FDM rendszerek a legfejlettebbek. ATM hálózatok ATM = Asynchronous Transfer Mode, aszinkron átviteli eljárás. A fénykábel megjelenése tette lehetővé. (Néhány érdekesség: Tanenbaum: 83. o.) 1988-ban született az első ATM szabvány (CCITT). A kapcsolható sebesség hamar 155 Mb/s-ról 600 Mb/s-ra, majd 2,5 Gb/s-ra nőtt. Kicsi, egyforma méretű csomagokat használ, melyet itt cellának neveznek. A cellaméret: 53 byte, ebből - 48 byte hasznos teher - 5 byte fejléc. A cellák pl. 155 Mb/s sebességgel, szünet nélkül követik egymást. Ezen szemszögből tehát szinkronnak mondható. Viszont a cellák néha üresek, vagy csak félig vannak megtöltve. Az üres cellákat azért kell átvinni, hogy a vevő a szinkronizációt fenntarthassa. Tehát a rendszer azért aszinkron, mert nincs külön órajel, hanem magával az adattal (a cellákkal) szinkronizálunk. 45

54 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok Optikai hálózatok A vízszintes tengely szemlélteti az idő múlását. A vastag vonalkák jelzik (cellahatárok), hogy szigorú ütemben, szünet nélkül érkeznek a cellák. Minél több adatot tartalmaz a cella, annál jobban be van satírozva. Látható, hogy a negyedik cella teljesen üres, mégis átvitelre került. ATM MPX, mint statisztikus multiplexer: Az alábbi ábrán látható egy ATM multiplexer, mely két adatfolyamot multiplexál. Ha a bemeneti adatokban vannak üres cellák, a kimeneten is lesznek, de sokkal kevesebb, mint a bemeneteken volt. Ha nem lennének üres cellák a kimeneten is, akkor állandóan torlódások lennének a hálózatban. Néha még így is vannak, ezért tárolókat alkalmaznak. Mivel a tároló kapacitása véges, így túlcsordulás esetén egyes cellák akár el is veszhetnek. ATM cellakapcsolás: A kapcsolás látszólagos áramkör alapú, azaz a csomagok mindig ugyanazon az útvonalon mennek: A hívás során az ATM kapcsoló (switch) feladatai: - CAC hívásengedélyezés - útvonal választás (routing) - erőforrás foglalás (resource capacity provision/allocation): - átviteli kapacitás - processzor kapacitás - tároló kapacitás - rendszabás (policing): a hálózat méri a bejövő forgalmat, és ha valamely adatfolyam a díjszabásban rögzített korlátot túllépi, akkor a torlódás veszély miatt a kapcsoló úgy intézkedik, hogy tároló túlcsordulás esetén az illető adatfolyam csomagjait nagyobb valószínűséggel dobják el ez leginkább a prioritások csökkentésével érhető el - díjszabás (accounting). 46

55 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok Optikai hálózatok Sebesség granularitás: Granularitás (szemcsésség) = többféle sebességfokozat, amely finom lépésekben szabályozható. Itt az üres cellák arányával igen jól lehet szabályozni a sebességet, így tetszőleges sebesség kialakítható. (Ellentétben az ISDN-nel, ahol a többsebességű kapcsolás gondot jelentett!) Rendezés: Elviekben az ATM egy olyan eszköz, ami tud nyalábolni, rendezni, kapcsolni. Rendezésnél nem a felhasználó vezérel mint kapcsolásnál hanem a hálózatmenedzser, és nem naponta, hanem ritkábban (kb. havonta). Gyakorlatban ugyan ki van dolgozva az ATM kapcsolási rendszer is, de nem terjedt el, csak a rendezés. A megvalósítása ún. ATM DXC-vel történik. A nyalábolás gyakorlatában két mód terjedt el: - Virtual Circuit/Channel (VC): látszólagos áramkör - Virtual Path (VP): több látszólagos áramkörből áll (max VC) A VP használatának előnyei: - hatékonyabb kapcsolás vagy rendezés (nem kell az összes VC-t külön kezelni) - a hálózat menedzselhetőségét javítja. Elvileg lehetséges VC-VP változatok: (X = rendező, talpas X = kapcsoló.) A szakmai közgondolkozásban leginkább a VP rendező és a VC kapcsoló terjedt el, de ha nem kell kapcsolni, mint például bérelt vonalak esetén, akkor VC kapcsoló helyett is VC rendezőt használnak, így legtöbbször VCX és VPX használatos. A cellák kis, egyforma méretének következményei: VC-VP koncepcióval a rendezés/kapcsolás gyorsan és hatékonyan megvalósítható. Míg az X.25-nél hibajavítás és torlódásvédelem van minden csomópontban, ATM-nél az átvitt adatokra még hibaellenőrzést sem alkalmaznak az egyes csomópontokban, de a fejlécet CRC hibaellenőrzés védi. Torlódás védelem közvetve azért van, pl. erőforrás foglalás útján, de ez sokkal gyorsabb jeltovábbítást tesz lehetővé, mint X.25-nél, hiszen csak a beléptetéskor kell elvégezni. ATM bemenetek: - nyers ATM cella (keretezés nélkül): 25 vagy 155 Mb/s - PDH, SONET, SDH keretezésű jelek: n 64 kb/s-2,5 Mb/s - 25 Mb/s LAN, 100 Mb/s FDDI - ADSL - rádiós interface-ek (felszíni és műholdas is lehet) 47

56 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok Optikai hálózatok Az ATM QoS-t garantál: Az ATM fontos tulajdonsága, hogy QoS-t (Quality of Serive, szolgáltatás-minőség) garantál. Ez a távközlő hálózatok szempontjából fontos, mert a biztosított minőségért magasabb díjat lehet számlázni. A minőséget statisztikusan jellemzi: - a csomagvesztés valószínűsége - a várható késleltetés - a késletetés ingadozása. A QoS garanciának eszközrendszere szokás szerint: hívásengedélyezés, útvonalválasztás, erőforrás foglalás, rendszabás. B-ISDN hálózatok B = broadband, szélessávú. Miután megjelent, az egyszerű ISDN-ből N-ISDN lett ( narrowband ). Amennyiben csak ISDN szerepel, akkor az alatt továbbra is N-ISDN-t értünk. A CCITT 1990-ben ATM alapra akarta helyezni B-ISDN megoldást, de ez valójában sosem valósult meg. A tervek szerint sokféle QoS-t lett volna képes garantálni a felhasználás célok és egyéni kívánságok függvényében. Egyelőre úgy tűnik, hogy az IP legyőzi, mert alkalmazásai révén gyorsabban terjed, és 1990 óta az IP útválasztó sebessége utolérte az ATM kapcsoló sebességét. (A hivatkozási modell megtekinthető: Tanenbaum: 85. o.) IP alapú hálózatok Ma már egy IP router 10 Gb/s-ot is képes teljesíteni akár SDH, akár WDM interfészen, vagyis utolérte az ATM-et sebességben. A széleskörű elterjedtség és a gyors fejlődés okai főleg a rá épülő alkalmazásokban találhatóak meg (www, Internet: 1994 körül robbant be). Az ATM ezek hatására visszaszorult, de még mindig létezik. ATM alkalmazások 1. ATM gerinchálózatok: rugalmassá lehet tenni a hálózatot, javítja a kihasználhatóságot: Ha általában csak két 140 Mb/s-os bemenet aktív a négyből, akkor ez pazarló megoldás, helyette ajánlott a következő: 48

57 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok Optikai hálózatok (Fontos, hogy az alkalmazhatóság függ a statisztikától!) 2. ADSL 3. UMTS: - IP over ATM (IP ATM felett): szabvány szinten kész, tervezik, gyártják, küszöbön áll - all-ip (teljesen IP alapú): még csak szabványosítás alatt áll. 49

58 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok Egyéb szélessávú hálózatok Egyéb szélessávú hálózatok FR (Frame Relay) Az X.25 és ATM közt helyezkedik el, mert az X.25 és az ATM is látszólagos áramkör alapú. X.25 FR ATM minden csomópontban hibát ellenőriz és a hibás keretet eldobja minden csomópontban hibát javít csomópontokban nem foglalkozik a hibával A FR jobb minőségű vezetékre épült (koax, optikai), így minden csomópontban elég az ellenőrzés. Az X. 25, ATM alapjában véve Európában terjedt el, a FR az USA-ban (de néhol még Magyarországon is előfordul, pl. Matáv: kerettovábbítás bérelt vonalon, n 64 kb/s). Sebessége 1,5 Mb/s-45 Mb/s. (A FR lassabb, mint az ATM.) (A FR működéséről nem sokkal bővebben: Tanenbaum: 82. o.) DTM (Dynamic synchronous Transfer Mode) Nagyjából 1990-re tehető, Svédországban dolgozták ki. Az alapötlet az volt, hogy dinamikusan lehessen változtatni az időréseket (börsztönként), így változó hosszú, de szinkron időréseket használ. A 2000-ben bekövetkezett piacszűkülés végképp kiszorította, az ATM és az IP a DTM-t is legyőzte. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Loop/Line) Cél: az előfizetői hurkok kapacitásának gazdaságossá tétele. (Példaképpen említendő a Japán távközlés: elhatározták, hogy minden házhoz üvegszálat vezetnek el, de ez főleg a recesszió és a végberendezések drágasága miatt nem sikerült.) Ismétlő kérdés: modemes átvitel mitől lassú? Válasz: a 4 KHz LPF + PCM miatt. Eredménye: max. 64 kb/s. Az ADSL vázlata: A szűrők feladata a beszéd és adatcsatornák szétválasztása. (Számítógép-hálózatokból POTS splitter néven szerepelt.) Aszimmetria: - letöltés: 0,1-8 Mb/s - feltöltés: kb/s Ezek technológiai korlátok, Magyarországon: 384 kb/s (le) és 64 kb/s (fel) terjedt el. 50

59 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Szélessávú távközlő hálózatok Egyéb szélessávú hálózatok A távbeszélő sávra 80 khz van elkülönítve, így ISDN jelátvitelre is alkalmas, nem csak beszédre. IP/PPP over ATM Az ADSL technikában elsősorban használatos megoldás. Granularitás: mit is jelentett az, hogy az ATM szemcsés? A sávszélesség az ATM technikában finom lépésekben változtatható, így ez a technológia lehetővé tenné, hogy hívásonként változtassuk a hozzáférői sebességet a szükségnek, a kábelezés adta lehetőségnek és a díjszabásnak megfelelően. A technológia mára adott, de a gyakorlatban eddig ezt a lehetőséget még nem használják. 51

60 2. Technológiai áttekintés 2.1. Távközlő hálózatok Technológiai összefoglalás rétegek Technológiai összefoglalás technológiai rétegek Réteges modellek SzgH tárgynál: funkcionális alapú rétegezés volt. TH: nincs ilyen egységes modell, ahányféle hálózat, annyiféle funkcionális modell létezik. A távközlésben inkább a technológiai rétegezés szemlélete terjedt el. Példák: Az alsó réteg a felsőnek szolgáltatást nyújt, ehhez újrakeretezést hajt végre. A felső szint igénybe veszi az alatt lévőt. Az SDH réteg skálázhatóságot nyújt: sok felhasználó, nagy sebességtartomány vagy nagy terület esetén. A másik fontos szempont a menedzselhetőség: - főleg a gerinchálózatokban fontos: ATM, SDH, optikai - akkor kell menedzselni, ha a forgalmi statisztika tartósan megváltozik, illetőleg hálózati meghibásodás esetén. TH technológiák - QoS: megbízhatóság díjszabás ellenében - áramkört hoznak létre (valós vagy látszólagos) - OSI-szerű ábrán mutatjuk be az egyes rétegek hangsúlyát: a réteg szélessége megfelel a réteg bonyolultságának: A hálózati forgalmi modell szerint a felhasználó működése független a hálózattól. (Már most utalunk rá, hogy ez a SzH-ok körében majd nem lesz így! Lásd: TCP, a következő oldalon.) 52

61 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Bevezető 2.2. Számítógép hálózatok Bevezető: IP, TCP, UDP Alap: IP, illetve TCP/IP protokoll család. Hálózati réteg: IP (Internet Protocol) - forgalomirányítás (útválasztás formájában) - nincs torlódásvezérlés - adatcsomag (datagram) alapú átvitel: visszük a csomagokat, de útvonalat nem építünk ki. Nem megbízható, bár létezik olyan IP, ami lépéseket tesz a minőség irányába. Jelenleg az IPv4-et használják, de lassan bevezetésre kerül az IPv6 is a következő változtatásokkal: - címbővítés - mobilitás - biztonság. A váltást mindenféleképpen ki fogja kényszeríteni az a tény, hogy lassan elfogynak az IPv4 címek. (Részletek: Tanenbaum: IPv4: 448. o., IPv o.) Szállítási réteg - TCP (Transmission Control Protocol, átvitel szabályozó protokoll) - UDP (User Datagram Protocol, felhasználói adatcsomag protokoll) Jellemzők: TCP: - szállítási rétegben: forgalomszabályozás, hibajavítás, sorrendezés - lenyúlik a hálózati rétegbe a torlódásvezérlés révén (szükség esetén visszaveszi a sebességet), így viselkedése adaptív. Ez az adaptivitás a legfontosabb, hiszen ezáltal a hálózat visszahat a felhasználóra. - leginkább adat átvitelére használjuk UDP: - nem baj, ha időnként egy-egy csomag elveszik (pl. beszédátvitelnél nem számít) - sokkal fontosabb paraméter a késleltetés - valós idejű ( real time ) adatok átvitelére használjuk (Bővebben: Tanenbaum: 560. o.) TCP + UDP egy hálózatban: ha a TCP látja, hogy nagy a forgalom, akkor visszavonul. Ennek hatására mindkettő javul, hiszen a TCP visszavette a sebességet, így több sávszélesség marad az UDP-nek. Számítógép hálózatok tervezéséhez mind a mai napig nincs kiforrott méretezési módszer (TH-nál van: az Erlang formulák, lásd tömegkiszolgálás). A TCP ami manapság a legmeghatározóbb adaptivitása miatt alapvetően nem lehet a felhasználókat modellezni. Lássuk, hogy alakulnak a komplexitási viszonyok a számítógép-hálózatok esetében: A TH-okkal ellentétben itt a hálózati réteg felett sokrétű alkalmazások helyezkednek el. 53

62 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Klasszikus IP alapú hálózatok Klasszikus IP alapú hálózatok Ethernet sebesség átviteli közeg hálózat 10 Mb/s vastag koax LAN 100 Mb/s vékony koax LAN 1 Gb/s csavart érpár MAN 10 Gb/s fényszál MAN Közvetlenül optikai hálózathoz csatlakoztathatók, alapvetően hozzájárult az IP elterjedéséhez, még ma is használják. (Lásd még: Tanenbaum: 306. o.) PPP (Point-to-Point Protocol) Fontos az Internet hozzáférés szempontjából, biztosítja, hogy az egyes felhasználók külön-külön hozzáférést kapjanak. (Tanenbaum: 259. o.) Vezérjeles sín, gyűrű (Token bus, Token ring) Biztosítják, hogy mindenki kiszolgálásra kerüljön és ne lépjen fel éhezés. Vezérjeles sín: - 1,5 Mb/s, illeszkedik az USA PCM-hez - 10 Mb/s Vezérjeles gyűrű: - 1,4 Mb/s - 16 Mb/s Sebességben nem fejlődtek az Ethernet fölé, főleg iparban alkalmazzák, ahol az éhezés nem megengedett. (Tanenbaum: 318. o., 324. o.) FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Magyarul: fényszállal szétosztott adat határfelület. Kötött topológiájú hálózat, nem jól skálázható! Hasonlít az SDH-hoz az öngyógyító tulajdonságon keresztül, itt viszont a rendezés nehezebb, és ezáltal több gyűrű nehezen kapcsolható össze. LAN-okban és MAN-okban is használható, bár inkább az utóbbiakban szokták. (Pl.: BME , ELTE, Közgáz.) Sebessége 100 Mb/s. (Tanenbaum: 351. o.) 54

63 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Klasszikus IP alapú hálózatok FDDI-II Szinkron megoldás, valós idejű követelményt próbálták megvalósítani. PCM keretek is szállíthatóak rajta. Egyik FDDI sem terjedt el, az ATM és az SDH legyűrte őket. Ma inkább TH-okon visznek IP-t. DQDB (Distributed Queue Dual Bus) Lefordítva: kettős sín elosztott várakozási sorral. Főleg MAN-okban alkalmazzák. Nincs központi intelligencia, mindenki figyeli, hogy melyik csomópont várakozik a régóta, így elkerülhető a kiéhezés. Ez sem skálázható, mert kötött struktúrájú! (Tanenbaum: 333. o.) SMDS (Switched Multimegabit Data Service) Magyarul: kapcsolt többmegabites adatátviteli szolgáltatás. Sebessége: 45 Mb/s. Kapcsolók beiktatásával képes több DQDB összekötésére. VPN (Virtual Private Network) is kialakítható belőle. (Tanenbaum: 78. o.) Tehát tartósan életképesnek bizonyultak - Ethernet - (ATM) - IP - SDH - PDH 55

64 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok QoS IP hálózatok MPLS QoS IP hálózatok MPLS (MultiProtocol Label Switching) Gerinchálózati technológia, támogatja a menedzselhetőséget, opcionálisan a minőséget is. Az USA-ban terjedt el az ATM helyett. Az ábrán látható, hogy a klasszikus IP hálózaton a csomagok útvonala változhat, de általánosságban elmondható, hogy többnyire ugyanarra mennek. Ekkor jött az ötlet, hogy minek értékeljük ki a címeket minden csomópontban, hiszen ez egy időigényes feladat. Ötlet: rögzítjük az útvonalat, és egy virtuális útvonalat (VP, Virtual Path) készítünk. A kapcsolás címke szerint (a virtuális útvonal címe szerint) történik. LSP (Label Switched Path): címke kapcsolt útvonal, a címke az útvonalat jelöli ki, nem a felhasználót; a csomag elé csak az új címkét tartalmazó fej kerül. Különbségek az ATM és az MPLS között: - MPLS: dinamikus útvonalkezelés - ATM: statikus, amíg fel nem bontjuk a kapcsolatot, addig marad az útvonal - MPLS-ben nincs hívás, az útvonal kijelölés megjegyzi, hogy merre mennek az IP csomagok, és eszerint építi ki az útvonalat - MPLS: új útvonalhoz csupán egy új címke kell; periodikusan lekérdezi az útválasztókat, hogy mennyire foglaltak, vagy van-e hiba, így alkalmazkodik a hálózathoz, dinamikus útvonalkezelést valósít meg (ellentétben az ATM-mel, amely vagy áramkör vagy permanens áramkör kapcsolású). Miért többprotokollos? Ez inkább csak egy szándék volt, az IP annyira elterjedt, hogy ez egyelőre még mindig nincs más protokollra megvalósítva. A fent említett dinamikus útvonalkezelésre pl. az RSVP-t (ReSource reservation Protocol) alkalmazzák. Ez egy MPLS-től függetlenül is használható erőforrás foglaló protokoll. (Az IETF 1997-ben szabványosította.) Periodikus lekérdezésen alapul, a lekérdezések kb. 30 mp-enként követik egymást, de valószínűségi alapon. Az MPLS célkitűzései: - az útválasztók címkiolvasásának gyorsítására találták ki 1992-ben. Azóta ennél sokkal jobb címkiolvasási módszereket is kifejlesztettek, így ez ma már nem cél. - menedzselhetőség (LSP): kötegeljük az IP összeköttetéseket, így az RSVP mellett a hálózatmenedzser is megváltoztathatja az erőforrás foglalásokat - erőforrás foglalható: 1 LSP-re lehet erőforrást foglalni - VPN (Virtual Private Network, látszólagos magánhálózat) hálózat valósítható meg címkekapcsolt útvonalakkal Fejlődés: valós áramkör látszólagos áramkör dinamikus útvonalkezelés datagram TH: felhasználó = 4kHz, kiszámítható, forgalmuk modellezhető, stacioner, felhasználás alapú díjszabás SZH: dinamikusan viselkedik, nincs tartós erőforrás foglalás, a felhasználó is dinamikus, átalány díjas díjszabás. 56

65 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok QoS IP hálózatok IS, DS IntServ, IS (Integrated Sevices (IP network)) IS = integrált szolgáltatású IP hálózat, IETF szabvány. Még csak kísérleti hálózatok léteznek. Minden egyes TCP, UDP portokhoz tartozó forgalomra, illetve annak útvonalára: - külön hívásengedélyezést kell kérni - több vonal egyetlen folyammá fogható össze, ha azonos úton haladnak - ezekhez a folyamokhoz foglalnak erőforrásokat, pl. RSVP-vel. Előnye: Igény szerinti sebességet és minőséget (késleltetés, késleltetési ingadozás, csomagvesztés) garantál. Hátránya: Nem skálázható, hiszen minden csomópontban külön erőforrást foglal minden folyamra, inkább csak LAN célokra alkalmas. DiffServ, DS (Differenciated Sevices (IP network)) DS = megkülönbözetett szolgáltatású (IP hálózat), szintén IETF szabvány. Az alapvető cél a skálázhatóság volt. Ezzel igyekszik kiküszöbölni az IS hátrányát. DS tartományokat ( domain ) hoznak létre, és kétféle hálózati csomópontot különböztetnek meg: belső és határ csomópont. A határcsomópontok feladatai: - hívásengedélyezés, CAC (Call Admission Control) - rendszabás (policing): feladata a szerződés feltételeinek betartását felügyelni, pl. ne használhasson nagyobb sávszélességet az, aki kisebbet fizetett ki. A CAC történhet: - elosztott módon - központosított információtárolásos módon ún. Bandwith Broker (sávszélesség ügynök) segítségével - osztályokba sorolás alapján. (Az IPv4 fejlécben például van egy ToS (Type of Service) érték, mely kitöltése alapján megtörténhet az osztályba sorolás.) A határcsomópontok a kisebb várható forgalom miatt képes elvégezni ezen feladatokat. A belső csomópontok feladatai: Prioritást kezel a határcsomópontok által megvalósított osztályba sorolás alapján. Sokkal kevesebb feladata van, mint a határ csomópontnak, így a nagyobb belső forgalmat is le tudja bonyolítani. A DS tartományok szerepe: Leginkább gerinchálózati megoldás, pl. egy üzemeltetőnek lehet egy tartománya. Nem elterjedt, vannak mintahálózatok, de egyelőre nem lehet tudni, hogy fejlesztik-e tovább. A tervezők egyelőre IS LAN + DS tartományokból álló gerinchálózat felépítésben gondolkodnak. 57

66 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok QoS IP hálózatok VoIP VoIP (Voice over IP) (Beszédátvitel Internet felett) Sokféle megoldás létezik, de ami szabvány szinten ki van dolgozva: - IETF: SIP (Session Initiation Protocol, viszonylétesítő protokoll) A szabványosítás már folyamatban van, egyelőre még nem valósult meg. Az UMTS-ben lehet, hogy ezt fogják alkalmazni. - ITU-T: H.323, ajánlás család. (Az ITU-T inkább ajánlásokat és nem szabványt szokott kibocsátani.) A H.323 ajánlás család: ISDN-szerű jelzésrendszert használ, és van beléptetés is (CAC). A használt berendezések a következők: - átjáró (gateway): ez valósítja meg a hívásengedélyezést tartalmaz egy kb. 10 kb/s-os kodeket is (mivel az átjáró egy analóg távbeszélő készülékhez csatlakozik), a késleltetés kb. 20 ms az átjáró végzi a 2/4 huzalos átalakítást és a visszhangkezelést a jitter csökkentésére van egy tároló ( dejitter buffer ), ennek köszönhetően a késleltetés ingadozás mértéke csökken, viszont járulékos hatásként megnő a késleltetés. A tipikus késleltetés 50 ms körüli. - tartományvezérlő (gatekeeper): tartományonként egy ilyen van, itt központosított információk tárolódnak az egyes átjárókban végzett hívásengedélyezésekről. Tehát azt vezérlik, hogy az átjárók hogyan végezzék a beléptetést. - központi vezérlő: több tartomány kezelésére Multimédiás szolgáltatások az ajánlásban már léteznek, de a gyakorlati megvalósulás még kérdéses. Multimedia Control Unit (MCU, multimédia vezérlő egység): tartományonként egy ilyen van, ha multimédiás szolgáltatás is van. Ezeknek a berendezéseknek a tervezési nehézségét az adja, hogy figyelembe kell venni, hogy itt folyamatosan változik a sávszélesség, míg a beszédnél adott volt. A H.323 alapú VoIP berendezéseket már gyártják, és folyamatosan telepítik. A H.323 ajánlás szerint működő berendezésekkel már Magyarországon is léteznek magánhálózatok. Az akadémiai hálózatra (egyetemek, MTA intézmények és közgyűjtemények IP alapú hálózata), továbbá a kormányzat és az önkormányzatok közötti IP hálózatra is folyamatban van a H.323 szerinti VoIP megoldás telepítése. Nyilvános hálózatban történő alkalmazást tekintve itt utalunk vissza a PanTel és a MATÁV közötti versengésre 2000 körül (1ásd Információközlő hálózatok fejlődése). Kérdés: Miért nem elegendő egyszerűen egy beszédkodekkel előállított csomagokat IP hálózaton átvinni? SzH: - a klasszikus IP-ben minden forgalmat beengedünk - a kiszolgálás best effort, legjobb szándék szerint történik - így QoS-t nem biztosít, de ha -t vagy nagyobb állományokat küldünk, akkor ez nem is fontos - beszédátvitel esetén a minőséget csak az IP hálózat túlméretezésével lehet általában elfogadható értéken tartani, ha nem alkalmazunk QoS IP megoldásokat. TH: - nem enged be mindenkit, csak annyit, amennyit jól tudunk kiszolgálni - a minőség biztosításának érdekében erőforrást kell foglalni - a minőséget garantáljuk - pénzt kérni azért lehet, amit garantálunk - erőforrást foglalni csak akkor lehet, ha pénzt kérünk ezért. Ez nem jelenti azt, hogy TH-ban mindig garantáljuk a QoS-t. Pl.: decemberben péntek délután hirtelen nagy hó esik, és mindenki egyszerre telefonál, hogy elkésik, akkor bedugulhat a hálózat, ugyanis olyan sokan akarják hirtelen igénybe venni a szolgáltatást, hogy összeomlik a hálózat. Tehát a minőséget valószínűségi alapon fogalmazzák meg a TH-ban is. 58

67 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok QoS IP hálózatok VoIP Az, hogy a hálózatot milyen forgalomra méretezzük költségérzékeny. A H. 323 távközlési szemléletű megoldás: a tartományban ismerni kell a tartomány terheltségét, vissza kell juttatni az útvonalválasztóhoz. Pl. akadémiai hálózatokban: ingyenes az Internet hozzáférés, de ha megvalósítják a beszédszolgáltatást, az nem lesz ingyenes. Mérlegelni kell majd az árat és a minőséget a távbeszélő hálózat szolgáltatásához képest. 59

68 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Mozgó IP hálózatok Földfelszíni mozgó IP hálózatok Mobil, mozgó IP hálózatok Földfelszíni mozgó IP hálózatok GPRS (General Packet Radio System) Volt róla szó a GSM-nél. EDGE (Enhanced Datarate GSM Evolution technology, megnövelt adatsebességű GSM technológia.) A modulációs állapotok számát felemelik, 8 PSK-t alkalmaznak. Hatásai: - megnő a sebesség - a jel/zaj viszony romlik, így csökken a hatótávolság a cellán belül a bázisállomás szűkebb körzetére. A hatótávolságán kívül csak GPRS-t vagy HSCSD-t nyújt. Sebességek: kb/s: maximum 100 km/órával mozgó egység esetén kb/s: maximum 250 km/órával mozgó egység esetén UMTS (Universal Mobile Telecommunication System, egyetemes mozgó távközlő rendszer) Cél: a nagyobb sebesség ne csak a bázisállomás közelében, hanem az egész cellában valósuljon meg. Eszköze: WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access): azaz szélessávú kódosztásos hozzáférés. A GSM szabvány TDMA + FDMA alapú hozzáférést biztosít, nagy adathozzáférési sebesség esetén azonban a WCDMA hatékonyabb eljárás. Kódosztás: minden felhasználóhoz kódot rendelnek egy ortogonális kódkészletből, amelyet az adóban és a vevőben egyaránt alkalmaznak. Az ortogonalitás révén a vevő egyértelműen kiválasztja a számára küldött jelet. A hasznos sávban az egyik és a másik felhasználó spektruma átfedi egymást, vagyis azonos sávon más kódolást alkalmaznak. Előnye: a felhasználó spektruma szét van kenve, így keskenysávú zavarjelre nem érzékeny. (Lásd: a kódelmélet tárgy második fele). Frekvenciasáv közepének névleges értéke: kb MHz. Sebesség: kb/s 250 km/h-ig - 2 Mb/s sétáló sebességen A hatósugár nem csökken annyira, mint az EDGE-ben. 60

69 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Mozgó IP hálózatok Földfelszíni mozgó IP hálózatok WLAN-ok (Wireless LAN, vezeték nélküli LAN) A szabványosítást leginkább az IEEE végezte 1997 körül. A szabványok IEEE x (x = a, b, g, i...) néven kerültek forgalomba, már berendezések is kaphatóak! Két altípust különböztetünk meg: Kiépített hálózatok - rögzített adók vannak, ehhez rádiós úton mozgó egységek csatlakozhatnak - hatósugara: 300 m teljesítmény ISM sávok közepének névleges értékei USA 1 W 0,9 GHz 2,4 GHz 5,5 GHz Európa 100 mw 0,4 GHz 2,4 GHz 5,5 GHz Ezek a frekvenciasávok úgynevezett ISM sávok (Industry, Scientific, Medical; ipari, tudományos, orvosi), és nem engedélykötelesek. Ipari berendezések, például egy mikrosütő (ami a 2,4 GHz-es sávban működik) zavarhatja az ilyen sávban működő WLAN rendszert, ezért azt úgy kell kialakítani, hogy ez mégse okozzon problémát. Például frekvenciaugratást vagy szétkent spektrumot kell alkalmazni. A b szabvány vonatkozik a 2,4 GHz-es sávra. Ezzel ma: - fizikai rétegben 11 Mb/s - hálózati rétegben 5,5 Mb/s sebesség valósítható meg. A a szabvány az 5,5 Ghz-es sávban dolgozik, itt: - fizikai rétegben 55 Mb/s - hálózati rétegben 32 Mb/s a megvalósítható sebesség. Magyarországon is telepítik, pl.: a Mindentudás egyeteme alkalmából az I épületben, a Ferihegyi és a Budaörsi reptereken, üzletekben, stb. Kitérő: példák mozgó rendszerek sávszélességére, ha nem csak a névleges sávközepet tekintjük: mozgó állomások bázisállomások GSM 900 MHz: MHz MHz GSM 1800 MHz: MHz MHz ISM 2,4 GHz: ,5 MHz ISM 5,5 GHz: MHz Alkalmi ( ad hoc ) hálózatok Ennek a technikának alapvető tulajdonsága, hogy minden végberendezés egyben útválasztó is! Még nem forrott ki, de rengeteg kutatás folyik főleg a haditechnikában, ahonnan indult. Általában Master-Slave (mester-szolga) viszonyok vannak. (Ilyenkor új problémaként jelentkezik a mester esetleges meghibásodása. Pl. tipikus hálózat lehet a hadiiparban egy tank csapat. A mester szerepét játszó tank kilövése után is működnie kell a hálózatnak.) 61

70 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Mozgó IP hálózatok Földfelszíni mozgó IP hálózatok ETSI (European Telecommunication Standard Institute) Az IEEE-n kívül az ETSI is kidolgozott egy szabványt WLAN-okra. Ez a HiperLAN (HIgh PErformance Radio LAN, nagy teljesítőképességű rádiós LAN). Először a HiperLAN érte el a nagy sebességű tartományt, csak aztán az IEEE a. A b addigra már nagyon elterjedt, és ez segítette a 11a-t is, így a HiperLAN gyártás eddig még nem indult meg. Bluetooth ( a kékfogú ) (Ez egy skandináv kezdeményezés, nevét Harald the Bluetooth viking királyról kapta, aki a viking törzseket egyesítette Skandináviában.) Cél: PC + kiegészítők (fejhallgató, nyomtató, kisebb számítógép, mozgó készülék) vezeték nélküli összekapcsolása. Az ISM 2,4 GHz-es sávjában működik, tehát WLAN eszközökkel zavarják egymást, így köztük legalább 1 m-es távolságot kell tartani. A hatósugár alapértelmezésben 10 m, de kiegészítő egységgel megnövelhető akár 100 méterre is. Maximálisan 8 (1 mester, 7 szolga) Bluetooth egységből hálózat építhető ki ( piconet ). Ennek jellemzői: - automatikusan keres mestert - a résztvevő egységek között lehet parkoló szolga is (tehát olyan, amelyik csak a szinkron fenntartására szolgál, de az adatforgalomban nem vesz részt) - maximális névleges sebessége 1 Mb/s. A picohálózatok is összeköthetőek, ilyenkor beszélünk szétszórt hálózatról (scatternet). Az összekötést ilyen esetben átjárók (gateway) végzik. Mind a piconet, mind a scatternet alkalmi hálózat. 62

71 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Mozgó IP hálózatok Műholdas mozgó IP hálózatok Műholdas mozgó IP hálózatok Teledesic 1990-ben alapították a Teledesic Corporation-t (Craig McCaw, Bill Gates), terveik szerint 800 műholdból alkottak volna globális mozgó számítógép-hálózatot, ez azonban megmaradt a terv szintjén, több okból: - drága - sok ideig tartana fellőni - a rádiócsillagászok tiltakoztak, hogy a műholdak leárnyékolnák a világűrt. A mai elképzelés szerint csak 30 műholdra lenne szükség, de magasabbra kellene fellőni azokat (kb km), a tervek szerint ez 2005-re készülne el. A feltöltés 128 kb/s-100 Mb/s közötti sebességgel zajlana, a letöltés pedig 720 Mb/s-mal, álló végberendezések esetén, de felhasználható lenne például a repülésben és a hajózásban is, csomagkapcsolt üzemmódban. Hátránya, hogy az UMTS azonos sebességet jobb áron biztosít. Lehetnek azonban olyan földrészek, ahová nem érdemes földfelszíni UMTS-t telepíteni; ott a Teledesic egy érdekes megoldás lehet. 63

72 2. Technológiai áttekintés 2.2. Számítógép-hálózatok Összefoglalás Összefoglalás Az SzH technológiák három csoportra oszthatóak: - klasszikus IP alapú hálózatok (pl. Ethernet, lassan kifutja magát), de ez a legérettebb technológia - mozgó IP alapú hálózatok: itt sok fejlődés várható még, de azért érettebb technológiának tekinthető - QoS IP alapú hálózatok: éretlen technológia, sok fejlesztés van. Az egyes technológiák általában rétegekben épülnek egymásra, pl.: (Fontos: ez technológiai, nem funkcionális rétegezés!) Itt az optikai hálózat kivételével mindegyik SzH technológia. A rendszerben az MPLS biztosítja a menedzselhetőséget. 64

73 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.1. Hálózatok összekapcsolása 3. Hálózatok felépítésének elvei Most lássuk, hol tartunk az anyagban: - eddig: technológia orientált tárgyalás (szubjektív) - mostantól: diszciplináris tárgyalás, vagyis elvekből indulunk ki, technológiát csak példaként említünk Hálózatok összekapcsolása Ebben a fejezetben információközlő hálózatok (SzH és TH) összekapcsolási elveivel foglalkozunk. Az SzH-t és TH-t akár külön-külön, vagy akár vegyesen is összekapcsolhatjuk. Szolgáltatások és hálózatok - hordozó szolgáltatás/hálózat (bearer service/network): - nincs végberendezés - nincs alkalmazás - átlátszó adatátvitelt biztosít pl.: 64 kb/s-os átlátszó adatátvitel, ahol nem törődünk azzal, hogy milyen a végberendezés - távszolgáltatás, távszolgáltató hálózat (teleservice): - van végberendezés - van alkalmazás pl.: távbeszélő szolgáltatás Összekapcsolások A hálózatok összekapcsolásánál az összekapcsolt hálózatok szolgáltatásait tekintve kétféle összekapcsolás lehetséges: - egyenrangúan együttműködő hálózatok - hierarchikusan együttműködő hálózatok Egyenrangúan együttműködő hálózatok: két távszolgáltató vagy két hordozó hálózat között jön létre, vegyes hálózat nem létezik. Struktúrája: E: TH-ban együttműködtető egység (IWU, interworking unit), SzH-ban átjáró (gateway). 65

74 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.1. Hálózatok összekapcsolása Az összekötés oka kétféle lehet: - technológiai eltérés: pl. ha az 1. egy távbeszélő szolgáltató, a 2. pedig egy mobilszolgáltató hálózata - igazgatási eltérés: pl. ha az 1. a Matáv, a 2. a Vivendi hálózata. Elvileg mindkettő távbeszélő szolgáltató, mégis illeszteni kell ezeket. Előfordulhat, hogy mind technológiai, mind igazgatási eltérés van (pl. Matáv Westel). Hierarchikusan együttműködő hálózatok: létrehozható hordozó-hordozó hálózatok, vagy hordozótávszolgáltató hálózatok között. Általános struktúrája: Látható, hogy mindkét végberendezés az 1. hálózatban (a távszolgáltató hálózatban) található, csak a köztük lévő úton szerepel egy hordozó szolgáltatást nyújtó hálózat (a 2. hálózat) is. A kettő között értelemszerűen ismét illesztésre van szükség az együttműködtető egység használatával. A hierarchikus összekapcsolás akkor indokolt, ha az 1. és 2. hálózat technológiája különbözik (pl. PDH és SDH hálózatok: SDH-ban soha nincs végberendezés), ehhez esetleg társulhat igazgatási eltérés is: Ha a PDH-ba még azt is beleértjük, hogy a kimenet az előfizetőé különösen ISDN esetén akkor ez egy távszolgáltató hálózat. Abban az esetben, ha kimegy egy adatszolgáltatás formájában a felhasználóhoz, de már nem értjük bele a faxkészüléket, ami a végén van, akkor mindkettő hordozó hálózat. Elfajult esetben az 1. hálózat el is tűnhet, ilyenkor V1 közvetlenül az együttműködtető egységhez csatlakozik (például ilyen a modemezés: a végberendezés a számítógép, a számítógép-hálózat elfajul, az együttműködtető egység a modem, a 2. hálózat pedig a telefonhálózat). Az együttműködtető egységet ilyenkor illesztő egységnek (adapter unit) nevezik: 66

75 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.1. Hálózatok összekapcsolása Példák: 1. Hierarchikusan együttműködő hálózatok előfordulhatnak például: - a távközlő hálózatok digitalizálásánál, amikor az átmeneti idejére digitális távszolgáltató szigeteket kötünk össze lefedő analóg hordozó hálózattal - vagy hasonlóan az IPv6 hálózat várható bevezetésénél is, az IPv4 és IPv6 hálózatok illesztésénél. IPv6 távszolgáltató szigeteket fognak összekötni lefedő IPv4 hordozó hálózattal, magyarán az IPv6 csomagok kapnak még egy IPv4 fejlécet, és úgy viszik át. Ezt a SZH-ok világában alagutazásnak (tunneling) hívják. 2. Komplikáltabb példa: másodlagos adatátvitel Matáv és Vivendi ügyfél között. Tegyük fel, hogy modemmel szeretnénk összekapcsolódni egy másik felhasználóval, aki azonban a Vivendi előfizetői közé tartozik. Ekkor az ábrán látható módon egy PDH hálózaton keresztül csatlakozunk a Matáv PDH hálózatához, mely aztán egy SDH hálózaton viszi át az adatot. Tehát egy hierarchikus együttműködés valósul meg: az SDH hálózat hordozó szolgálatot nyújt a PDH-nak. Ezután a Matáv PDH hálózata össze van kapcsolva az E23 együttműködtető egységen keresztül a Vivendi hálózatával. Az E24 együttműködtető egység viszont egyenrangú összeköttetést valósít meg, mivel itt csupán igazgatási eltérés van, így a fenti példában a hierarchikus és egyenrangú összekötések kombinációja adja a megoldást. Ennek a felépítésnek a réteges modellje a következő ábrán tekinthető át: 67

76 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.2. Hálózatok elemei 3.2. Hálózatok elemei A hálózat fogalmát több különböző rétegben is értelmezhetjük: - fizikai rétegben beszélünk a fizikai hálózatról - adatkapcsolati réteg: pl. hogy helyezkednek el a MPX-ek. Ilyenkor egy MPX egy csomópont. - hálózati rétegben: forgalmi vagy logikai hálózatról. A fizikai és a forgalmi hálózat között például az a különbség, hogy a logikai hálózat kizárólag a hálózati elemeket és a köztük lévő összeköttetéseket tünteti fel, de nem foglalkozik azzal, hogy pl. a kábelek merrefelé mennek. Ezt illusztrálja az alábbi ábra: Az első ábra egy logikai hálózat, de ennek lehetséges egy olyan fizikai megvalósítása, ahol a négyzetnek csak a négy oldala mentén ásunk árkokat, és az átlókhoz tartozó vezetékeket is ezekben az árkokban vezetjük el. A továbbiakban a hálózati réteghez tartozó forgalmi hálózat elemeit definiáljuk. Elemek - csomópontok (node): - speciális bemeneti és kimeneti csomópontok - több bemenettel és kimenettel rendelkezők - útszakaszok (link): - egyirányú (szimplex) - kétirányú (duplex) - hálózati végberendezések (network termination): - végberendezések (terminal unit/equipment) - együttműködtető egységek (interworking unit, IWU) - illesztő egységek (adaptor unit) - hálózati csatlakozó pontok (interface): - határcsomópont (edge node): rajta keresztül csatlakozik a végberendezés - belső csomópont (core node) A hozzáférési hálózat (access network) a határcsomópont és a végberendezés között van. A belső csomópontok alkotják a törzshálózatot (core network). (Megjegyzés: kis következetlenség van ebben a felépítésben: itt az elemeknél bele van értve a végberendezés is a hálózatba, 3.1.-ben nem. Általában beleértjük.) 68

77 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.2. Hálózatok elemei A csomópontok lehetséges funkciói - jeltárolás - jel törlése (pl. csomag eldobása) - jel átalakítása (pl. másolás, vagy valamiféle konverzió) - továbbküldés: - egyetlen kimeneti útra (egyesadásos, unicast csomópont) - továbbküldés több kimeneti útra (többesadásos, multicast csomópont) - továbbküldés az összes kimeneti útra (szórt adásos, broadcast csomópont) A hálózati réteg funkciói - forgalomirányítás: ha a csomópontok útválasztó képességgel rendelkeznek. (A különbség a forgalomirányítás és az útválasztás között az, hogy egy hálózatban mindig csomópontok összességéről van szó, melyek egyedül csupán útválasztó képességgel rendelkeznek.) - torlódásvédelem: ennek módját a forgalom jellemzői és a QoS követelmények döntik el. A hálózati réteg szempontjából lehet: - összeköttetéses hálózati réteg: - valós áramkör alapú (pl. távbeszélő hálózat) - látszólagos áramkör alapú (pl. ATM) - dinamikus útvonal alapú (pl. MPLS) - összeköttetés-mentes hálózati réteg: pl. IP hálózatok, ahol túlméretezéssel védekeznek a torlódás ellen (hiszen nincs eszköz a tervezésre és a minőség garantálására!) Mindkét módszer (összeköttetés megvalósítása vagy túlméretezés) drága. A forgalom jellege és a QoS követelmények döntik el, hogy a torlódást mi módon érdemes kezelni. A hálózati rétegen kívül bármely más réteg is lehet összeköttetéses vagy összeköttetés-mentes. A minőséget az egyes rétegek együtt határozzák meg. A csomagvesztést például magasabb réteg összeköttetéses megvalósításával is ki lehet küszöbölni, de ha a késleltetés egy alacsonyabb rétegben létrejött, azt magasabb rétegben már nem lehet csökkenteni. 69

78 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.3. Hálózatok osztályozása 3.3. Hálózatok osztályozása Felépítés szerint Elektronikus hírközlő hálózatok Műsorközlő hálózatok nincs forgalomirányítás, szórt adásos csomópontok Információközlő hálózatok van forgalomirányítás Műsor szétosztó hálózatok (1) Műsorszóró hálózatok (2) Műsorelosztó hálózatok (3) analóg digitális analóg digitális CaTV interaktív CaTV Távközlő hálózatok áramkör alapú torlódásvédelem keskenysávú szélessávú Számítógép hálózatok áramkörmentes torlódásvédelem klasszikus IP QoS IP mozgó IP A digitális műsorközlést az Antenna Hungária várhatóan egy-két éven belül bevezeti, Angliában pl. már jól működik. (1) A műsor szétosztás azt jelenti, hogy van egy stúdió, és a stúdióból eljuttatjuk a jelet - több adóhoz, pl. a TV műsort sugározzák nem csak a Széchenyi-hegyen, de Tokajon is, ezért szét kell osztani. Ezt a példában az Antenna Hungária végzi. - több kábelfejhez, amelyek a kábelhálózatot táplálják. (2) A műsorszóró hálózatokban az adók sugározzák a jelet elég nagy körzetekben. (3) A műsor elosztó hálózat nem más, mint a kábel TV hálózat. Interaktív kábel TV: kiépülőben van. A megrendelő választja a műsort, vagy esetleg bele is szólnak abba, hogy a film hogyan folytatódjon. Ilyenkor kiegészítő forgalomirányítás lehetséges. TH: összeköttetéses hálózati réteg: - valós vagy - látszólagos áramkör alapú torlódásvédelem SzH: összeköttetéses vagy összeköttetés-mentes hálózati réteg, de áramkör mentes akkor is, ha a hálózati réteg összeköttetéses: - UDP/IP: nincs torlódásvédelem - TCP/IP: ismétlési lehetőség végberendezések között, továbbá a TCP végberendezések közötti forgalomszabályozást és hálózati torlódásvédelmet is megvalósít sebességszabályozás révén - QoS IP: dinamikus útvonal alapú (összeköttetéses hálózati réteg), vagy nincs is útvonalkezelés, de mindig van hívásengedélyezés (CAC). 70

79 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.4. Hálózatok funkcionális modellje 3.4. Hálózatok funkcionális modellje Az OSI modellben a rétegek háromféle szempont szerint különíthetőek el: - hálózat részei szerint - adatcsere egység szerint - funkció szerint. Rétegek a hálózat részei szerint réteg: - szomszédos csomópontok között - hálózatvégződés és határcsomópont között - illesztőegység és végberendezés között - 3. réteg: hálózati határcsomópontok között a hálózat belsejében réteg: hálózati végződések között, ami: - vagy végberendezés - vagy illesztő egység, ha hordozó hálózatról van szó Rétegek adatcsere egységi szerint - 1. réteg: bitalapú kommunikáció - 2. réteg: keret alapú kommunikáció réteg: csomag alapú kommunikáció 71

80 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.4. Hálózatok funkcionális modellje Rétegek funkció szerint OSI modell 7. Alkalmazási réteg 6. Megjelenítési réteg 5. Viszony réteg 4. Szállítási réteg (2) 3. Hálózati réteg 2. Adatkapcsolati réteg (1) 1. Fizikai réteg Réteg funkciók távszolgáltatás forráskódolás, titkosítás iránykezelés (szimplex/duplex), összehangolás (szinkron) ismét forgalomszabályozás, nyalábolás / bontás forgalomirányítás, torlódásvédelem közegmegosztás, forgalomszabályozás, hibakezelés adó-vevő funkciók, jelátvitel, 2/4 huzalos átalakítás Internet hibrid modell 5. Alkalmazási réteg 4. Szállítási réteg (4) 3. Hálózati réteg 2. Hálózat elérési réteg (3) 1. Fizikai réteg TH (IH) modell (5) 5. Alkalmazási réteg 4. Illesztési réteg (9) 3. Kapcsolási réteg (8) 2. Átviteli réteg (7) 1. Fizikai réteg (6) Részhálózatok rétegterjedelme Szállító törzshálózat (10) Kapcsolt törzshálózat (11) Hozzáférői hálózat (12) Az OSI modellt számítógép-hálózatok modellezésére dolgozták ki; kb. 12 éve még azt gondolták, hogy az OSI protokolljait fogják használni a számítógép hálózatokban. Egy funkció megjelenhet több rétegben is, de a különböző rétegekben eltérő tartalommal, pl: az OSI modellben: (1) Az adatkapcsolati rétegében is lehet nyalábolás/bontás a csomópontok közötti vonalak szintjén. (2) A szállítási rétegében a nyalábolás több útvonal összefogását jelenti (pl. az MPLS címkekapcsolása felfogható ennek). Internet modell: (3) A hálózat elérési rétegben itt címzés is van, ezért ez belenyúlik az OSI hálózati rétegébe. (4) A szállítási réteg mindkét irányban átnyúlik, lefelé a torlódásvédelem miatt. TH modell: (5) A TH, IH modellben az adatcsere egység szerinti nézet felborul, mert előfordulhat, hogy nincs is csomag, de néha még keret vagy bit sincs (pl. tisztán analóg esetben.) (6) 2/4 huzalos átalakítás szükséges, mivel a hozzáférő hálózat 2 huzalos, a gerinchálózat 4 huzalos (7) A vezérelhető digitális rendező forgalomirányítást is végez, ezért nyúlik át az OSI hálózati rétegébe. (8) A kapcsolási rétegben a kapcsoló forgalomirányítást és torlódásvezérlést végez. (9) ATM hálózatokra jellemző. Részhálózatok: (10) Nagy kapacitású, tipikusan optikai. Kevés réteget foglal magába, így gyors és megbízható. (11) Kisebb sebességre képes, PDH kapcsolót is tartalmaz. (12) Bonyolult, nem megbízható, lassú. A Tanenbaum könyv a TH-t beleérti a fizikai rétegbe, vagyis a SzH részének tekinti. Mi nem ezt a szemléletmódot követjük. (Ahogy a Számítógép-hálózatok tárgy sem egy félévvel ezelőtt.) Az adatcsereegységektől eltekintünk, a többit rétegelkülönítő szempontot vesszük figyelembe. Nincs egységesen kidolgozott funkcionális réteges szemlélet! 72

81 3. Hálózatok felépítésének elvei 3.4. Hálózatok funkcionális modellje Hierarchikusan együttműködő hálózatok funkcionális modellje Az OSI szerű funkcionális modell egyféle hálózati technológiára vonatkozik, ehelyett tekintsünk többféle hálózati technológia hierarchikus együttműködését. Például IP/MPLS alapú kapcsolt törzshálózatot tekintünk SDH szállító hálózattal. A hálózat belső csomópontban a hálózati réteg a legmagasabb réteg. Hogyan modellezzük az alsóbb rétegeket hierarchikus hálózat felépítés esetén? Az általános szemlélet a szakirodalomban az MPLS-t 2. rétegbeli technológiának tekinti, csak azért, mert az IP réteg alatt van, és az IP 3. rétegbeli protokoll. A TH tárgyban viszont abból indulunk ki, hogy az MPLS forgalomirányítást végez, ami hálózati rétegbeli funkció, tehát az MPLS is és az IP is a 3. rétegben helyezkedi el. Sőt, még az SDH is belenyúlik a hálózati rétegbe a DXC forgalomirányító képessége miatt. Így a réteghatárok szempontjából a funkcionális szemléletet tartjuk meghatározónak. Másik példa: Tanenbaum még az 1. rétegbe is leviszi az TH kapcsolót. Erre utaltunk, amikor azt mondtuk, hogy a TH-t a SzH részének tekinti, a lényegében a fizikai réteg közegének. Tanulságok Az OSI modell funkcionális, így homogén technológiájú számítógép-hálózatok modellezésére alkalmas. Távközlésben ez a szemlélet az említett ellentmondások miatt nem terjedt el minden hálózatra. Figyeljük meg, hogy több technológia esetén ismétlődnek az egyes rétegek! 73

82 74

83 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények Egy IH jelátviteli és forgalmi követelményeinek analíziséhez a következő fogalmakat kell ismerni: - a hálózatba bemenő forgalmat vizsgált forgalomnak (foreground traffic) nevezzük. A bemenő forgalom rendelkezik: - jelforrás jellemzőkkel - forgalmi jellemzőkkel. - a kijövő forgalmat vett jelnek nevezzük, és ezzel szemben QoS követelményeket támasztunk - mindezek mellett a hálózatban van még további forgalom is, amit háttérforgalomnak (background traffic) nevezünk. A megfigyelés során egy jelet beengedünk az információközlő hálózatba, majd a vett jel paramétereit vizsgáljuk. A hálózatban jellemző háttérforgalom hatását is vizsgálni kell, hiszen a minőségi követelményeknek meg kell felelni nagy háttérforgalom esetén is. Így az analízis során a következő kérdésekre keressük a választ: - új forgalom beléptetésekor a meglévő forgalom minősége szenved-e kárt? - új forgalomra biztosítható-e az eddig fennálló minőség? Ha a fenti két szempont bármelyike miatt kijelenthetjük, hogy sérülnek a minőséggel szemben támasztott követelmények, akkor az új forgalmat nem engedjük a hálózatba. Jelforrás jellemzői (A jelek és az általuk hordozott információ típusai.) Analóg: - (pár)beszéd (voice) - FDM nyalábolt - műsorjelek - zenei csatorna - másodlagos adatátvitel - digitális jel analóg csatornán - tápáram (távtáplálás esetén) A távtáplálás azt jelenti, hogy az eszköz működéséhez szükséges áramot is a hálózaton keresztül biztosítjuk. Ilyen elven működnek a távbeszélő készülékek vagy a jelfrissítők. Digitális: - digitalizált beszédjel - audio + video - adatjel - adattömbök (file) - LAN összeköttetés - TDM nyalábolt jel - TDM + FDM jel (pl. GSM, optikai) - CDM (UMTS) - jelzés (signaling) (pl. analóg tárcsázás) 75

84 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.1. Beszédátviteli követelmények 4.1. Beszédátviteli követelmények A cél A beszédátvitel során az elsődleges cél az, hogy a mondatok érthetőségének aránya 95-97% legyen. Ez szubjektív mérési módszerekkel mérhető. Ezzel a céllal kb. ekvivalens az, hogy a szótagok érthetőségének aránya kb. 60% legyen; kicsit pontosabban 55-78%. (Ennyi elég, mert a nyelv elég redundáns, és az agy sokszor kipótolja a nem érthető szótagokat). A szótagérthetőség szubjektív mérése egyszerűbb, mert nagyobb a hibázás aránya. A szubjektív mérés még így is komplikált, így gyakran helyettesítő módszereket alkalmaznak, pl.: digitális beszédfeldolgozás révén. Fontos, hogy az érthetőségen kívül más szubjektív követelményt nem támasztunk, így nem követelmény az sem, hogy felismerhető legyen a beszédpartner, vagy akár annak neme. Sávszélesség Tapasztalati úton megállapították, hogy a fenti követelmény akkor még pont teljesül, ha a beszédjel sávszélességét a 0,3-3,4 khz-es tartományban korlátozzuk, miközben a többi, alábbiakban felsorolt paraméterekre is engedünk meg tűrést. Csillapítás A szabadtéri közvetlen kommunikáció során a távolság négyzetével arányosan csökken az érzékelt hangteljesítmény. Távbeszélőkészülék alkalmazásakor gyakorlatilag nincs távolság a fül és a hallgató, valamint a száj és a mikrofon között, ezért az akusztikus csillapítást a beszédátviteli rendszerekben valósítják meg mesterségesen kb db-es csillapítással. (A csillapítás a 2/4 huzalos átalakításnak amúgy is természetes következménye, de erről később lesz szó, a fizikai rétegben.) Csillapítási ingadozás Csillapítás ingadozás alatt a csillapítás változását értjük a frekvencia függvényében. Két tipikus érték: - sávközépen (1020 Hz) maximum 2 db lehet - sávszélen akár 15 db is. A CCITT specifikáció az alábbihoz hasonló lépcsős karakterisztikát írja elő: Jel/zaj viszony A zavaró jel típusától függően két értéket specifikáltak: - nem érthető zaj esetén maximum db - érthető zaj (pl. áthallási zaj, visszhang) esetén pedig maximum db lehet. (Az érthető zajt az agy nehezebben korrigálja.) Érthető zaj két okból keletkezhet: - áthallás két áramkör között - visszhang (vezetékesben csak nagy késleltetés esetén van, pl műholdas átvitel). 76

85 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.1. Beszédátviteli követelmények Késleltetés Az egyirányú késleltetés nem haladhat meg: ms-ot, ha van visszhangkezelés - 12,5 ms-ot, ha nincs visszhangkezelés Valójában a kétirányú késleltetés számít, de az egyirányút szokták specifikálni. (A visszhang kezelés módjáról később lesz szó, elöljáróban annyit említünk, hogy két lehetőség közül választhatunk: visszhangtörlés és visszhang zár. Visszhang zár esetében gondot jelent, hogy ez a megoldás zavarja a másodlagos átvitelt, ezért ezt pl. egy modemes kommunikációban kiiktatják egy automatikus csatorna korrektorral (ún. sávon belüli jelzés segítségével. Példaképpen említjük meg, hogy a GSM beszédkodek késleltetése 20 ms, így itt elengedhetetlen a visszhang kezelés megoldása, vagy emlékezzünk rá vissza, hogy ezt már a VoIP-nél is említettük.) Késleltetési ingadozás Az ingadozást lehet mérni frekvencia szerint, és időben is. Amennyiben a frekvencia függvényében vizsgáljuk az ingadozást, a következő paraméterek kellenek az érthető beszédátvitelhez: - sávközépen maximum ±30 ms - sáv szélén maximum ±60 ms. Egy érdekes effektust lehet itt megemlíteni, miszerint, ha egy nagy frekvenciájú jel késleltetése sokkal kisebb, mint egy kis frekvenciájú jelé. Szélsőséges esetben elképzelhető lenne, hogy a magas jel, bár később keletkezett a forrásban, leelőzi az utána keletkezett mélyet, így időben maximum ±30 ms engedélyezett. (Ez a jelenség a Számítógép-hálózatok tárgyban fázisfutás néven szerepelt.) Fázistolás A fázistolási karakterisztikának az alábbi ábrához hasonlóan kell kinéznie: Ez egy nemlineáris torzítás. (A lineáris torzítások függvénye egy az origón átmenő egyenes.) Lényeges, hogy egyenes szakasszal legyen jellemezhető a 0,3-3,4 khz-es tartományban. (A késleltetési ingadozás paramétere a fáziskarakterisztika meredeksége.) φ 0 értéke tetszőleges lehet, mert az emberi fül a fázisra nem érzékeny. (A beszédkeltés felfogható modulációnak, a hallás pedig egyszerű burkoló demodulációnak, ami a fázisra nem érzékeny.) Frekvencia eltolási hiba A frekvencia eltolódás a jel spektrumának az eltolódását jelenti valamelyik irányba: - beszédnél maximum 20 Hz lehet - másodlagos adatátvitelnél pedig 7 Hz (mivel a modemeknek a vivőjelet könnyen meg kell találniuk). 77

86 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.1. Beszédátviteli követelmények Ennek a paraméternek a legnagyobb jelentősége az FDM rendszerekben van, hiszen FDM esetén a multiplexer oldalon eltoljuk a spektrumot, a vevő oldalon pedig visszatoljuk a helyére. Ez a jellemző a két eltolás együttes pontosságát jellemzi. Multiplikatív frekvencia hiba A fázistolás zsugorodása 0,9-szeres, nyúlása 1,1-szeres lehet. Ez a nyávogó magnó esete: a frekvenciák megszorzódnak a multiplikatív frekvencia hibával. Nemlineáris torzítás Ennek a torzításnak a magyarázata azon alapszik, hogy minden erősítőeszköz telítésbe vezérelhető, így az átviteli karakterisztika nem egyenes, a kivezérlési tartomány széle felé elgörbül. Meg kell jegyezni, hogy a lineáris torzításhoz az nem elég, hogy ez a karakterisztika egyenes legyen, még az is kell, hogy átmenjen az origón! 78

87 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.1. Beszédátviteli követelmények A nemlineáris torzítást jellemző Krill-faktor értéke maximum 30% lehet. Ezt a faktort úgy kapjuk, hogy a bemenetre névleges amplitúdójú szinuszos jelet adunk, és megmérjük a kimenő jelet, ahol egy belapult szinusz fog jelentkezni. Ebben megmérjük a magas harmonikusok teljesítményét és elosztjuk az alapharmonikusok teljesítményével. A Krill-faktor értékét 10W-nál szokták megadni. (Hi-Fi berendezéseknél ezért kell nagy teljesítményű eszközt vásárolni, ha jó minőségű visszajátszásra van igényünk; ugyanis egy 100W-os eszközt 10W-ra kivezérelve alacsony torzítást produkál. Ezekben a berendezésekben a Krill-faktor értéke 0,5-1%.) A nemlineáris torzítás okai: a hangot szénmikrofonnal alakítják elektromos jellé. A szénmikrofon a legelső erősítő, mely elektromechanikus elven működik: szénszemcsék vannak a mikrofonban, a membránlemezen. A hang ezeket a szénszemcséket összenyomja, így az ellenállás kisebb lesz, mert jobban érintkeznek a szénszemcsék. A szénmikrofonon egyenáram folyik át, és váltóáramú teljesítményt ad le. A leadott teljesítmény nagyobb, mint a hang energiája, és még túl is vezérlik, hogy minél nagyobb legyen. Normál hangerőnél a váltóáramú teljesítmény 1 mw. Légvezetéken így 1000 km hidalható át. 79

88 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.2. Analóg beszédátvitel 4.2. Analóg beszédátvitel forgalmi jellemzése Itt elsősorban a törzshálózat méretezéséről lesz szó, leginkább a Tömegkiszolgálás tárgyban tanultakra alapozunk. (Elméleti alapok: Györfi, Páli: Tömegkiszolgálás informatikai rendszerekben; 60. o., o.) A vizsgálathoz sok felhasználót kell tekintenünk, és a vizsgálatot kizárólag a forgalmas órákra kell szűkítenünk. A forgalom mennyisége egy nap folyamán a következőképpen néz ki: (A fenti görbe hétköznapokra jellemző, elsősorban munkahelyekkel sűrűn tűzdelt körzetekre.) A forgalmas órákra és a minimális forgalmú órákra is az jellemző, hogy a hívások születési és halálozási aránya megegyezik (a görbe felfutó szakaszában több születés van, mint halálozás, a lefutó szakaszban pedig pont fordítva). Ezek szerint ezen a részen a hívások száma stacionárius, tehát modellezhető Poissonfolyamattal. (Számunkra szerencsés, hogy a legnagyobb terheltségű időszakban a folyamat stacionáriusnak tekinthető, mivel éppen erre az időszakra kell terveznünk.) Sok felhasználóra ( nagy populáció ) azért van szükség, mert sok felhasználó esetén a forgalmi görbe teteje kisimul. A forgalom jellemzésére a következő adatokat használjuk: - hívás gyakoriság: pl. λ=3 1/óra. Jelentése: 3 hívás történik óránként. - átlagos tartási idő: pl. h=3 perc. A tartási idő exponenciális eloszlású valószínűségi változóval modellezhető. - forgalomintenzitás: A=λ h. Pl. A=3 1/óra 3 perc = /perc 3 perc = Ez azt jelenti, hogy forgalmas órában a vonal az idő 15%-ában foglalt. Röviden ezt úgy mondjuk, hogy a forgalom értéke 0,15 Erlang. Az [Erl] nem dimenzió, csak jelölés; olyan, mint a db vagy a radián. A gyakorlati esetekben ismerjük az előfizetők számát és tudjuk, hogy mekkora blokkolódási valószínűséget szeretnénk elérni (pl. B h =0.001). Innen a tömegkiszolgálásból ismert Erlang-formula segítségével a kapcsoló mátrix mérete és a központi hálózat kapacitása kiszámítható. Ez a hálózattervezés egyik alapfeladata. Eredményként adódhat például az, hogy 10 5 felhasználó esetén a forgalmas órában a forgalom intenzitás olyan mértékű, hogy elég 10 3 vonal. Ekkor a híváskoncentrátorunk 10 5 bemeneti és 10 3 kimeneti vonallal rendelkezik. 80

89 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3. Digitalizált beszédátvitel 4.3. Digitalizált beszédátvitel A TH tantárgyban ez alatt a címszó alatt elsősorban a beszéd kodek alkalmazásával és használatával foglalkozunk. Az elvi alapokat az Információelmélet tárgy foglalta össze, a témával a Beszédinformációs rendszerek tárgy foglalkozik bővebben. A beszédkodek négyhuzalos rendszerelem, amelynek vázlata a következőképpen néz ki: Mivel a kodek mindenképpen négyhuzalos rendszerelem, vezetékes hozzáférés esetén 2/4 huzalos átalakításra van szükség, pl.: - analóg végberendezés esetén: mikrofon és hallgató, 4/2 huzalos átalakítás, 2 huzalos helyi áramkör, 2/4 huzalos átalakítás, kodek, helyi központ (analóg hozzáférői hálózat és digitális törzshálózat), - ISDN végberendezés esetén: mikrofon és hallgató, kodek, 4/2 huzalos átalakítás, 2 huzalos helyi áramkör, 2/4 huzalos átalakítás, helyi központ (teljesen digitális hálózat). A 2/4 huzalos átvitel részleteit a fizikai réteg tárgyalásakor mutatjuk be. A GSM mozgó távközlésben a kodek a végberendezésben helyezkedik el, a hálózat teljesen digitális és logikailag végig 4 huzalos. 81

90 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3. Digitalizált beszédátvitel Beszédkódolók típusai Beszédkódolók típusai A beszédkódolóknak (a továbbiakban gyakran röviden csak kódolók) több fajtája is ismeretes: - hullámforma kódolók (waveform codecs) - vokóderek (vocoders), azaz szintetikus beszédtömörítők - hibrid kódolók (hybrid codecs). Hullámforma kódolók A hullámforma kódolókra jó példa a PCM kódoló, amely kiindul egy sávkorlátozott analóg jelből (pl. a telefonvonalon 0,3-3,4 khz-re szűrt jelből), ezt másodpercenként 8000-szer mintavételezi, majd kvantálja. (Kétféle kvantálási függvényt szoktak használni: Amerikában a μ-törvényűt (μ-law), Európában pedig az A- törvényűt (A-law)). A kvantált jelet 8 biten kódolja, így a kapott jel 64 kb/s-os átviteli sebességet igényel. Hullámforma kódoló még az ADPCM (Adaptive Differential PCM, adaptív különbségi PCM) kodek is. A DPCM kódolás azt jelenti, hogy nem a mintavett jel értékét, hanem két egymást követő minta különbségét kódoljuk, vagyis a jel meredekségét. Az ADPCM kódolás ezt adaptívvá teszi: ha a jel görbéje tartósan meredekebb, akkor nagyobb lépcsővel kvantálja a jel meredekségét. Műveletigényesebb kódolás, de 32 vagy akár 16 kb/s-os szükséges sebességet is el lehet így érni. Vokóderek A vokóderek közül az LPC-10-et (Linear Predictive Coding) érdemes ismerni, amely 2,4 kb/s-os átviteli sebességgel valósítja meg a jeltovábbítást, azonban a minősége hagy némi kívánnivalót maga után. (Ez a vokóder az 1970-es években jelent meg katonai fejlesztésként, ahol a minőség nem volt kívánalom.) A vokóderek másik nagy fajtája a formáns beszédkódolók. Hibrid beszédkódolók A hibrid beszédkódolók kompromisszumot jelentenek a sebesség és a minőség között. Néhány példa: - CELP (Code Excited Linear Prediction) - RPE (Regular Pulse Excitation) - VSELP (Vector-Sum Excited Linear Prediction) (Ajánlott irodalom: Györfi, Győri, Vajda: Információ és kódelmélet, o.) 82

91 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3. Digitalizált beszédátvitel Beszédkódolók jellemzői Beszédkódolók jellemzői Bitsebesség Ez a 2,4 kb/s (LPC-10) és 64 kb/s (PCM) közötti széles skálán változhat. (Általában jellemző, hogy minél kisebb a sebesség, annál nagyobb a késleltetés.) Szubjektív beszédminőség (MOS, Mean Opinion Score, átlagolt értéklő pontok) Szubjektív alapon több emberrel leosztályoztatják az átvitel minőségét egy 5-ös skálán (1 = rossz (bad), 5 = kiváló (excellent)), majd ezeket átlagolják. Az értékelés során két tipikus szempont a hangzásminőség és a beszéd érthetősége. Az egyes kódolási technikák MOS pontszámai az alábbi ábrán láthatóak: Látható, hogy a hibrid kódolók jobbak mind a hullámforma kódolóknál, mind a vokódereknél, azonban bonyolultabb megvalósítani azokat. Tehát kicsi (2-4 kb/s) jelátviteli sebesség esetén inkább vokódereket, nagy jelátviteli sebességnél (32-64 kb/s) inkább hullámforma kódolókat alkalmaznak, mivel itt a MOS pontszámok különbsége viszonylag kicsi. A 4-32 kb/s sebességtartományban hibrid kódolókat használnak. Késleltetés Az alkalmazott tömörítési algoritmus komplexitásától függ. - PCM-nél 0,125 ms (mivel meg kell várni, amíg egy PCM keret összeáll ) - vokódereknél akár 80 ms is lehet. Érzékenység bithibára Az átvitt bitek elromlása eltérő mértékben vehető észre a vevő oldalon visszaállított beszédben különféle kódolók alkalmazása esetén. Az egyes kódolókat azzal a küszöb hibaaránnyal (BER, Bit Error Rate), jellemezzük, amely még eltűrhető az átvitelben a beszédérthetőség szempontjából. PCM kodeknél ez az érték maximum 10-4 lehet, ez fémvezetékkel és optikai kábellel minden további nélkül megvalósítható. Rádiós átvitellel viszont gondokba ütközünk, hiszen ezen átviteli közeg hibaaránya kb. 10-3, ami egy nagyságrenddel kisebb a megkívántnál. (Ezt vettük az SDH technológiai hátterénél is). A megoldást a hibajavító kódolás alkalmazása adja. Ezt a módszert a kódelméletben hibajavító kódolásnak hívják, de a számítógép-hálózatok terén FEC (Forward Error Correction) néven terjedt el. (A részletekről az említett témakörökhöz tartozó tárgyakban tanultuk.) Megjegyzés: a számítógép-hálózatokban általában ARQ-t (Automatic Repeat request, automatikus ismétlés kérés) alkalmaznak, és nem FEC-t. A FEC-t olyan helyeken alkalmazzák, ahol valamilyen valós idejű követelménynek kell megfelelni, vagy más okból nem lehetséges az ismétlés (például multicast, azaz többesadás esetén, ahol az esetleges ismétlések hamar leterhelnék az egész hálózatot). Bővebben: Tanenbaum: 228. o. 83

92 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3. Digitalizált beszédátvitel Beszédkódolók jellemzői Bonyolultság komplexitás Ezt a paramétert több tulajdonság együtt határozza meg. Ezek közül néhány: - a kodek megvalósításához szükséges műveletek száma (MIPS, Million Instructions Per Second) - az eszköz memória-kapacitás igénye - a kodek chip fizikai mérete - a chip ára - teljesítmény igény vagy fogyasztás. Az utolsó paraméter csökkenthető, ha ravasz módon csak akkor tartjuk bekapcsolva a kodeket, amikor szükség van rá. Ehhez szükségünk van egy eszközre, melynek neve beszéddetektor (VAD, Voice Activity Detector). A beszéddetektor feladata, hogy megkülönböztesse a beszédet a zajtól. Egy ilyen eszköz alkalmazása növeli a kodek komplexitását, viszont csökkenti a teljesítményfelvételét. Kvantálási zaj Ez a valóságban nem zaj, csak torzítás, mivel függ a jeltől. A zaj elnevezés onnan ered, hogy célszerű zajjal modellezni. A modellezés a következőképpen fest: adott az analóg hangforrás, kódoljuk PCM-mel, a csatornán hozzáadódik valamilyen zaj, ami miatt bithiba keletkezik, így a vevőoldalon zajos analóg jelet kapunk vissza. (Tehát a modellben torz PCM kódolás és hibátlan csatorna helyett tökéletes PCM kódolást és zajos csatorna szerepel.) A kvantálási zajból két paraméter is származtatható az alábbiak szerint. Többszöri kódolás (tandemezés) A PCM szabványt úgy alakították ki, hogy a kódolás/dekódolás műveletét többször is el lehessen végezni. Ezt nevezik tandemezésnek, egy tandemezés egy oda-vissza kódolást jelent. Ez inkább egy múltbeli probléma, melynek oka az, hogy a PCM-et először csak digitális szigetekként vezették be, így megeshetett, hogy egy jel többszörös tandemezésen esett át: Az európai PCM-et úgy tervezték meg, hogy egy jelen összesen 13 tandemezést lehessen rajta végrehajtani. Ez leginkább a bitek számának függvénye, ami így a PCM esetén 8 bit lett. Meg kell említeni, hogy más PCM kodekek is léteznek, például az Amerikában használatosban nincs külön jelzéscsatorna az első PDH hierarchia szinten, így a csatornák bitjeiből lopnak el egyet-egyet erre a célra. Az első öt keretet teljesen átviszik 8 biten, ez 40 bitet jelent. A hatodik keretben egy bitet elcsennek, így ez 7 bit hasznos adatot jelent. Így összesen 6 keretre jut 47 bit. Ezen két szám hányadosából kijön, hogy az amerikai rendszer 7 5/6 biten kvantál. Természetesen ezzel az amerikai rendszer kevesebbszer tandemezhető, csak 12- szer. Létezik 7 bites PCM is, ezt a megoldást a globális űrtávközlésben alkalmazzák. (Általában egy egyszerű 8 bites PCM kodeket használnak, csak az LSB bitet nem viszik át.) Ez a megoldás 10-szeres tandemezhetőséget biztosít. Ezzel az 1 bites spórolással a műholdas távközlésben sávszélességet lehet megtakarítani, mivel a műholdas sávszélesség nagyon drága; másrészről itt nem is kell olyan sokszor tandemezni, mivel egy műhold nagy területek áthidalására képes. Az így kialakult átviteli sebesség 56 kb/s. 4 bites ADPCM estén az átviteli sebesség 32 kb/s-ra adódik. Ezzel a technológiával 11-szeri tandemezés lehetséges. (Az 1980-as évek közepén jelent meg, digitális.) A 3,5 bites ADPCM ismét a globális űrtávközlésben kerül alkalmazásra, 7-szer tandemezhető. Átkódolási probléma Meg kell említeni az átkódolás problémáját, melyet szintén a kvantálási zajjal lehet jellemezni. Példaképp vizsgáljunk meg egy olyan szituációt, amelyben egy európai GSM hálózatból beszélgetünk egy Amerikában tartózkodó személlyel: 84

93 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3. Digitalizált beszédátvitel Beszédkódolók jellemzői Mint látható, sok kódolásra van szükség, és a kódolások nem homogének, így a kvantálási zaj akkumulálódhat. Szerencsére az ábrán látható átviteli lánc jó minőségű, így az egész átviteli lánc minőségét lényegében a legrosszabb minőségű kodek, azaz a GSM kodek határozza meg. (A kvantálási zajról bővebben: Györfi, Győri, Vajda: Információ- és kódelmélet, 73. o.) Átlátszóság transzparencia Az a probléma, hogy a beszédkodeket alapvetően beszédátvitelre optimalizálták, így kérdés lehet, hogy pl. másodlagos adatátvitel esetén hogyan viselkedik. Ebből a szempontból vizsgálva a kodekeket, az alábbi következtetésekre juthatunk: - PCM, ADPCM, hullámforma kódolók: igaz, hogy ezeket beszédre optimalizálták, de másodlagos adatátvitelre is viszonylag jól használhatók, eléggé transzparens - vokóderek: teljesen alkalmatlanok, egyáltalán nem transzparensek - hibrid kodekek: szintén nem alkalmasak másodlagos átvitelre, ezek sem transzparensek - GSM és ISDN adatátvitel esetén kikerüljük a kodeket, így ez a kérdés nem vetődik fel. Választható bitsebesség Ha változtatható bitsebességű kódolást alkalmazunk, akkor adaptívvá válik a jelforrás. (Ilyen adaptivitással már találkoztunk a számítógép-hálózatok terén a TCP-nél.) Ez az adaptivitás a következőkben nyilvánul meg: foglalt hálózat esetén az a kompromisszum születik, hogy átvisszük a jelet, csak gyengébb minőségben (kisebb bitsebességű kódolást alkalmazunk). Ebben az esetben a hálózatot és a jelforrást együtt kell optimalizálni. A hálózattervezés lényegesen megnehezül, hiszen a hálózat foglaltsága kihatással van a felhasználóra, így innentől az Erlang formula nem használható a felhasználók modellezésére. 85

94 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.3. Digitalizált beszédátvitel Beszédkódoló ajánlások Beszédkódoló ajánlások Rengeteg ajánlás született, ig több, mint 21 féle, ezek közül néhányat tekintünk át. A felsorolás nem időrendi, inkább logikai alapon van felépítve. ajánlás év típus, elv bitsebesség késleltetés bonyolultság MOS [kb/s] [ms] [MIPS] ITU-G PCM 64 4,3 0,125 0,34 ITU-G ADPCM 32 4,0 0, ITU-G LD-CELP 16 4,0 0, GSM-FR (ETSI) 1989 LTP-RPE 13 3,7 20 2,5 GSM-EFR (ETSI) 1995 ACELP 13 4, ITU-G CSACELP 8 4, US-Government 1977 LPC-10 2,4 2,2 22,5? Az első az 1972-es PCM. Itt gyakorlatilag csak a mintavételi tételt alkalmazták és nemlineáris kvantálást, így adódott a bitsebessége. Ennek a legjobb a beszédminősége, és igen alacsony számításigénnyel rendelkezik (Akkoriban még számított a bonyolultság!) Késleltetése igen csekély, és ez a késleltetés is csupán a keretezésből adódik. A következő bejegyzés az ADPCM (Adaptive Differential PCM, adaptív különbségi PCM kódolás). Erre azért volt szükség, mert meg szerették volna duplázni a törzshálózaton folytatható beszélgetések számát. Ez a kódolás már kihasználja az emberi beszéd mintái közt lévő rövid és hosszútávú korrelációt is. Minősége még ennek is jó, viszont bonyolultsága radikálisan meg nőtt a PCM-hez képest. Az ITU-G.728-nál az LD-CELP (Low Delay CELP) elvet alkalmazták, ami már nem hullámforma, hanem hibrid kódoló. Sebessége lemegy 16 kb/s-ra, de továbbra is 4,0 MOS-t nyújt. (Ez beleillik a MOS grafikonba.) A késleltetés és a bonyolultság is tovább nő, így fizetni kell a bitsebesség csökkenésért. A negyedik sor a GSM-FR (Full Rate) ajánlást mutatja be. A sebesség 13 kb/s, a MOS érték leromlott 3,7-re, a késleltetés pedig felment 20 ms-ra. Itt már a kodek késleltetésének értéke nagyobb a kritikus 12,5 ms-nál, így ezekben az eszközökben a visszhangkezelést meg kell oldani. Az alkalmazott technológia LTP-RPE (Long Term Predictive Regular Path Excitation). Azért esett a választás erre a technológiára, mert viszonylag alacsony a MIPS értéke (2,5). Mivel a kodek a hordozható végberendezésben van, ez a szempont domináns volt akkoriban. Az ajánlást az ETSI bocsátotta ki, az ITU nem vette át. Így utólag kicsit elhamarkodottnak tűnhet, mert ilyen sebességhez jobb minőségű kódoló is készíthető. Ez egy európai kezdeményezés volt azzal a céllal, hogy az európai GSM hálózat minél hamarabb üzembe helyezhető legyen. (Egy érdekes hasonlat: Churchill a radarok fejlesztésekor a következő instrukciókat adta: legjobb megoldás nincs, a második legjobbat nincs idő kivárni, a harmadik legjobb megoldás kell, az, ami most kész van, mert jönnek az ellenséges repülők, amelyeket időben észre kell venni.) A következő a GSM-EFR (Enhanced Full Rate) ajánlás ig fejlődött annyit a mikrotechnológia, hogy megengedhették maguknak a nagyobb számításigényű kodek használatát, így 13 kb/s-on elérték a 4,0 MOS-os értéket, bár a késleltetés maradt 20 ms. Az alkalmazott technológia az ACELP (Adaptive CELP) névre hallgat. Figyeljük meg, hogy az ITU még ehhez sem adta nevét, ez is ETSI szabvány, mint az előző. Az utolsó előtti bejegyzés már ismét az ITU nevéhez fűződik, ez az ITU-G.729. Egyértelműen látszik, hogy szinte minden paraméterben felülmúlja a felette sorban lévőt. A 20-as MIPS érték nem visszariasztó, hiszen ekkoriban már 15-öt tudtak csinálni, tehát ez nem egy nagyságrendi lépés. A felhasznált technológia a CSACELP (Conjugate Structure Algebraic CELP). Az utolsó bejegyzés egy érdekesség, mely azt szemlélteti, hogy már 1977-ben is sikerült egy 2,4 kb/s-os kodeket készíteni, ha nem is túl jó minőségben. (Mivel ezt kormányzati/katonai alkalmazásra szánták, a nem a minőség volt az elsődleges szempont.) Tehát beszéd átvihető ekkora sebességen is, természetesen az árát meg kell fizetni. 86

95 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.4. Digitális csomagkapcsolt hálózatok 4.4. Követelmények digitális csomagkapcsolt hálózatokban Jelforrások jellemzése Börsztös jelforrások (csomók, löketek alakulnak ki): - videofon: 64 kb/s - 2 Mb/s esetén biztosítanak elfogadható képminőséget, ha a partnerek nem tesznek hirtelen mozdulatokat, és a képen nincsenek nagy változások - videokonferencia: 5 Mb/s - digitális TV: Mb/s - MPEG-1: 1,5 Mb/s - MPEG-2: 10 Mb/s A jelforrás jellemzése több szinten is lehetséges: - hívás szinten: akkor lehetséges, ha történik hívásengedélyezés a hálózatban, - löket szinten: a löketeket a következő paraméterekkel jellemezzük: - r max : maximális kapacitás - r átl : átlagsebesség - r max / r átl = börsztösség (burstiness), a csomósodás mértéke. Tipikus értéke 1 és 200 között van. Az 1-es érték a beszédjelet jellemzi, a forgalomtípus neve CBR (Constant Bit Rate, állandó bitsebesség); a 200-as érték például tömörített videójel esetén jelentkezik, a forgalomtípus neve VBR (Varying Bit Rate, változó bitsebesség). - t max : a löket maximális hossza. Értéke a 0, s tartományban változhat. - csomag szinten: a csomag hosszával jellemzünk. - bit szinten: a paraméter a BR (Bit Rate). A csomósodás sajnos aggregált forgalom (több forgalom nyalábolása) esetén sem tűnik el. Minőség jellemzése QoS paraméterek Digitális jeleknél a minőséget a következőkkel jellemezhetjük: - csomagkésleltetés, jele: T, általában PD-nek (Packet Delay) nevezik, de ATM esetén ettől eltérően a CD (Cell Delay) elnevezés használatos. - csomagkésleltetés ingadozás, jele: T. PDD (PD Deviation). - csomagvesztés arány PLR (Packet Loss Ratio): csomagvesztés történik például, ha megtelik a tároló. - téves csomagkézbesítési arány PIR (Packet missinsertion Ratio): ez előfordulhat, ha a csomag fejléce sérül meg. - hibaarány BER (Bit Error Rate). A késleltetés ingadozás átváltható késleltetésbe tároló ( dejitter buffer ) használatával, így a specifikáció során mindkettőt meg kell adni. Forgalmi és szolgáltatási osztályok Az alábbi táblázatban az egyes osztályok és azok jellemzői olvashatóak. beszéd tömörített videó adat érzékenység érzékeny nem érzékeny késleltetésre bitsebesség állandó változó A videó jelet maga a tömörítés teszi csomóssá. Adatjelnél előfordulhat, hogy van minimális sebességigény, pl. TCP összeköttetés fenntartása esetén. 87

96 4. Jelátviteli és forgalmi követelmények 4.4. Digitális csomagkapcsolt hálózatok A hálózat ezeket az információtípusokat különböző forgalmi osztályokba sorolja, és ennek alapján osztja szét a rendelkezésre álló kapacitást. Forgalmi jellemzés adatjelnél A vizsgálathoz tekintsük az alábbi ábra bal oldalát: távközlésben aggregált (nyalábolt) forgalom esetén a forgalmi ingadozás csökken, mivel általában sztochasztikus és ergodikus folyamattal modellezhető. A jobb oldalon a TCP összeköttetések vizsgálata látható: nagyobb számú összeköttetést vizsgálunk, de ettől nem lesz kisebb az átlag körüli ingadozás. Erre a jelenségre mondtuk azt, hogy a csomósodás az aggregált forgalomra is megmarad, így a forgalmi méretezést nem lehet kielégítően elvégezni. Miért van ez így? Szemléltetésül tekintsük az alábbi példát. Azt szeretnénk, hogy a lassú összeköttetésen a két, r 1 és r 2 forgalmakkal jellemzett szerver oldali gép egyenlő mértékben osztozzon. 88