13. KOMMUNIKÁCIÓS HÁLÓZATOK

Átírás

1 13. KOMMUNIKÁCIÓS HÁLÓZATOK A mai digitális berendezések egy jelentős része más berendezések közötti adatátvitelt végez. Esetenként az átvitel megoldható minimális hardverrel, míg máskor összetett hardver-szoftver megoldást alkalmazunk. Ilyen összetett rendszerek a kommunikációs hálózatok, ezek akkor válnak szükségessé, ha nagy mennyiségű adatot kell átvinni, több berendezést kell összekötni, nagy sebességet kell biztosítani, a hibákat alacsony szinten kell tartani 1

2 13.1. HÁLÓZATI RÉTEGEK Ismert az OSI (Open System Interconnection nyílt rendszerek összekapcsolása) modell, amely hét rétegre osztja a kommunikációs hálózatot, vagy a TCP/IP modell, amely négy rétegről beszél. A felosztást úgy kell végezni, hogy minden réteg jól definiálható feladatot hajtson végre. A digitális hardverhez csak a hálózat legalacsonyabb rétegeinek, a fizikai rétegnek és az adatkapcsolati rétegnek van köze, így a továbbiakban csak ezekkel a témákkal foglalkozunk. 2

3 A fizikai réteg elemei továbbítják a biteket a kommunikációs csatornán. Az itt felmerülő kérdések fizikai-villamossági jellegűek: milyen feszültségszintekkel reprezentáljuk a logikai 0-t és 1-et, mennyi idő szükséges egy bit továbbításához, az átvitel egy vagy két irányban történhet-e, milyen a lábkiosztás a hálózati csatlakozón 3

4 Az adatkapcsolati réteg eszközei a küldendő adatokat adatkeretekbe tördelik, és ezeket sorrendben továbbítják. A vevő hálózat nyugtázó kerettel jelzi, hogy minden keret megérkezett, ugyanakkor hiba ellenőrzést és javítást végez (checksum és CRC). Rendszerint szükséges bizonyos forgalomszabályozó eszköz, amely tájékoztatja az adót, hogy a vevő tud-e újabb adatokat fogadni. Ezeket a műveleteket rendszerint megfelelő digitális hardver végzi, tekintettel a gyors átvitelre. Minden egyes eszköznek (csomópont) gyárilag beállított címe van. 4

5 A hatékonyabb kommunikáció érdekében olyan protokollt kell kialakítani, amely nem kötődik szorosan az adott hálózati topológiához. Ennek megfelelő harmadik rétegen a hasznos adatokat bele tördelik a második réteg kereteibe. A legismertebb ilyen protokoll az IP. Az itt kialakított csomagok a hasznos tartalom mellett megfelelő fejlécet is tartalmaznak, ebben van az IP cím. A hálózati router-ek működnek a harmadik szinten. Egyaránt szükség van szoftverre és hardverre. A csomagokat először szoftver alakítja ki, majd a hardver közvetíti a hálózaton keresztül. 5

6 A negyedik (transport- szállítási) réteg felel azért, hogy a két csomópont között valóban megtörténjen az adatátvitel. Az adatküldő berendezés átadja az adatokat a szállítási rétegnek és nem foglalkozik tovább az üggyel. A szállítási réteg visel gondot az átvitelről, és addig foglalkozik az üggyel, míg meg nem kapja a visszajelzést az adatok sikeres megérkezéséről. Az itt alkalmazott protokoll leginkább a TCP (transmission control protocol). 6

7 13.2. ÁTVITELI MÉDIUM A fizikai átviteli csatornák elvileg képesek mindkét irányban adatokat átvinni, de ez bonyolítja a csatorna végén szükséges hardvert. Inkább az a jellemző, hogy két darab egyirányú csatornával oldják meg a kétirányú átvitelt. A leggyakrabban alkalmazott átviteli médiumok a sodrott érpár és az optikai szál. A kétirányú kommunikációhoz tehát célszerű két érpárt vagy két üvegszálat alkalmazni. 7

8 A számítógépek összekötésére rendszerint árnyékolás nélküli sodrott érpárokat tartalmazó UTP (unshielded twisted pair) kábeleket használunk. Az első generációs, CAT3 típusú kábelek 10Mbit/s átviteli sebességet tettek lehetővé. A ma leginkább használatos CAT5 típusú kábelekkel 100Mbit/s érhető el. Bevezetési szakaszban vannak a CAT6 típusú kábelek a Gbit/s sebességhez. A sodrott érpár kedvezőtlen tulajdonsága a zajérzékenység és a jel fokozatos csillapítása a távolság növelésével, ezért az UTP kábelek maximális hossza 100 m körüli. 8

9 Az optikai kábelek használatához összetettebb elektronikai eszközök szükségesek, de nagy távolságra sokkal ígéretesebbek a kisebb csillapítás és a villamos zavarokra való érzéketlenség miatt. Az optikai kábelek alapanyaga nagy tisztaságú üvegszál, de rövid távokon műanyag szál is használatos. A központi, vékony üvegszálat egy külső üvegréteg borítja, ennek különböző a fénytörési indexe. A fénytörés szabályainak megfelelően a központi vékony üvegszálba juttatott fény jórészt visszaverődik a külső burkolatról. 9

10 A 10

11 A fény bejuttatását világító dióda (LED) vagy lézer dióda végzi. A lézeres megoldás előnye, hogy az egy hullámhosszú fény egyenletesen terjed az optikai szálban, nem jön létre interferencia a szomszédos impulzusok között a különböző hullámhosszú komponensek különböző terjedési sebességei miatt. 11

12 Nem terjed az egész fénymennyiség azonos útvonalon, hanem különböző helyekről visszaverődve, zegzugos úton, így különbségek lesznek az utak hosszában, ami szintén interferenciához vezet. Az egymódusú kábel központi üvegszála nagyon vékony, 8-10µm, ezeknél a visszaverődés hatása elenyésző. A magas ár miatt mégis többnyire vastagabb (62,5µm) üvegszállal készítik az optikai kábelt, ezek a többmódusú kábelek. 12

13 13.3. CSATORNA KÓDOLÁS A nagysebességű soros adatátvitel UART-hoz hasonló berendezést kíván, amely a párhuzamos adatokat sorossá alakítja és viszont. A Gbit/s sebességű átvitelnél alkalmazott átalakítók serdes (serializer, deserializer sorosító, párhuzamosító) néven ismeretesek. Ilyen céleszközök vannak gyártásban, de megvalósíthatók FPGA eszközökben is, megfelelő hardveres programozással. Egy általános tömbvázlat az ábrán látható. 13

14 A 14

15 Ezek az eszközök egy alacsonyabb frekvenciájú órajelet kapnak és belső PLL (7.2.2.) segítségével szintetizálják az adatok soros küldéséhez szükséges magasabb frekvenciájú órajelet. A fogadó oldalon nem áll rendelkezésre bejövő órajel, hanem azt a beérkező bitsorból kell visszaállítani. Hogy ez megvalósítható legyen, az adatokat nem az eredeti, hanem kódolt formában kell küldeni. Létezik olyan kódolási eljárás, amelynél a logikai szintek váltásának száma megközelítőleg állandó, nem függ a tényleges adatoktól. 15

16 A kódolás nem csak az órajel kinyerése miatt fontos. Az átviteli médium rendszerint olyan igényt támaszt, hogy nagyjából egyenlő nullát és egyest vigyünk át, függetlenül a tényleges adatoktól. Léteznek olyan kódolási és dekódolási módszerek, amelyek a fenti igényeket kielégítik. Egy ilyen eljárás a scrambling (titkosítás). 16

17 A felső ábrán egy scrambler logikai rajzát látjuk, amely a folyamatosan érkező biteket úgy módosítja, hogy az átviteli vonalra hasonló számú nulla és egyes kerüljön. A feladatot egy LFSR (3.6.3.) segítségével oldja meg. A vételi oldalon egy hasonló szerkezetű LFSR (descrambler) állítja vissza az eredeti biteket. A bemutatott jelfeldolgozás ugyan egy soros eljárás, de felfogható párhuzamosként is: pl. vizsgálható nyolc bites csoportok átvitele. 17

18 A 18

19 13.5. ÁTVITELI TOPOLÓGIÁK Az adatátviteli hálózatok lehetnek egyszerű pontpont megoldások egy küldő- és fogadó egységgel. Sok esetben kettőnél több berendezés kommunikál egymással, ilyenkor hálózatról beszélünk. Különböző hálózati topológiákat mutat be az alábbi ábra. A bus (sín) szerkezet a leggyakoribb itt minden berendezés ugyanazt a fizikai médiumot használja (pl. egy sodrott érpár). 19

20 A ring (gyűrű) szerkezetnél minden berendezés két szomszédjával tart kapcsolatot. Az átvitel rendszerint egyirányú, egyik szomszédtól csak fogadjuk az adatokat, a másiknak küldjük. A mesh szerkezet több kötést tartalmaz, így az átviteli lehetőségek is nagyobbak (gyorsabb kommunikáció, alternatív elérési utak). A star (csillag) típusú hálózatnál a központi hub kapcsolatot tart minden szomszédos berendezéssel. Az egyes perifériák csak a megfelelő hub-on keresztül érhetnek el más berendezéseket. 20

21 A 21

22 13.6. HÁLÓZATI PROTOKOLLOK A digitális berendezések (elsősorban számítógépek) ma rendszerint nem független egységek, hanem különböző módon kommunikálnak (adatokat visznek át) más közeli és távoli eszközökkel. Az átvitel magasabb szintű szervezése protokollok formájában van szabványosítva. 22

23 ETHERNET HÁLÓZAT Az ethernet a legelterjedtebb szabvány a számítógép hálózatokra. Léteznek 10-, 100-, 1000Mbit/s megoldások, a legújabb szabvány a 10Gbit/s átvitelre vonatkozik. A szabványok leírják az adatcsomagok szerkezetét (ábra). A preamble egy hét bit hosszúságú bevezető, egy további bit jelzi a keret kezdetét. A keret fő részei a fejléc, a hasznos adatok és a záró rész. 23

24 A keretek szokásos hossza 64 byte-tól 1518 byteig terjedt korábban, de a mai megoldások ennél többet is lehetővé tesznek. A fejléc tartalmazza a küldő és a fogadó egység címét. 24

25 A 25

26 Az ethernet közös átviteli médiumot használ több küldő-fogadó egységre (csomópont). Az esetleges ütközéseket a berendezések a pontban leírt módon hárítják el. Az egyes adatsíneket bridge (híd) köti össze. A hidak a második kommunikációs rétegben (13.1.) működnek, nyilvántartást vezetnek arról, hogy a híd melyik oldalán melyik berendezés aktív. A hídon keresztül végzett kommunikáció mellett végezhető helyi adatátvitel is (ábra). 26

27 A 27