Számítógép hálózatok Bevezetés Vadász 1 A tárgy célja A modern hálózati technológiák megértése A témakörök Alapok és a fizikai réteg A közeg-hozzáférési alréteg Az LLC alréteg A hálózati réteg A hálózati és a magasabb rétegek Irodalom, segédletek www.iit.uni-miskolc.hu/~vadasz/geial204 Tanembaum: Számítógép-hálózatok, Novotrade- Prentice Hall, 1992 Vadász 2 Számítógép hálózat Autonóm gépek (host, gazdagép) összekapcsolva kommunikációs hálózattal (Communication Network) Az egyik gépen futó alkalmazás üzenetet képes váltani egy másik gép alkalmazásával Elosztott rendszer (a hálózattal szemben): Egyetlen virtuális rendszer, aminek elemei együttműködnek egy feladat megvalósítása érdekében, Ahol a felhasználónak nem kell azonosítania a gépeket, szolgáltatásokat, nem kell ismernie azok helyét Elosztott rendszert lehet hálózaton is megvalósítani Vadász 3 1
Hálózatok összetevői A gazdagépeket összekötő kommunikációs hálózat (Communication Network) elemei Átviteli vonalak csatornák (channels) Kapcsolóelemek Interface Message Processor (IPM), amivel egy gazdagép egy vonalra kapcsolódik Kapcsológépek Olyan számítógép, ami több átviteli vonalhoz kapcsolódik és feladata (üzenet)csomagok továbbítása, átviteli vonalai közötti irányítása Vadász 4 A hálózatok két nagy csoportja Pont- pont közötti kapcsolatokból felépülő Egy csatornán mindig két csomópont kommunikál Az (üzenet)csomagokat a csomópontok tárolják és továbbítják a kívánt irányba (store and forward) Topológiák: csillag, gyűrű, fa, teljes, szabálytalan Vadász 5 A másik csoport Üzenetszórásos csatornára épülő hálózat (broadcast channel) Egyetlen csatornán az összes csomópont osztozik Egy csomópont által feladott (üzenet)csomagot az összes többi veszi, de a csomagbeli címzésből tudják, kinek szól (a többi eldobja). Címmezőkben a feladó és a címzett címe. Vannak speciális címek (valamennyi gépnek szóló, csoport cím) Topológiák: sín, gyűrű, műholdas v. rádiós satellite Vadász 6 2
Alapfogalmak: rétegezettség Az egyszerűbb (strukturált) tervezés érdekében a számítógép-hálózati szolgáltatásokat rétegekbe (layers, szintek: levels) szervezik. Egy réteg - jól definiált szolgáltatásokat biztosítva - elrejti a nyújtott szolgáltatások megvalósításának részleteit. Funkcionális elem (entity): az adott réteg funkcióinak megvalósítása A rétegek között interfész (interface): az alsó réteg által a felsőnek nyújtott elemi műveleteket, szolgálatokat (services) definiálja. Az interfészen keresztül (le és fel) vezérlő információk és adatok adódnak át. Vadász 7 Alapfogalmak: társelemek, protokoll Társelemek (peer entities) a különböző gépeken egymásnak megfelelő rétegben lévő funkcionális elemek Virtuális kommunikáció: a társelemek kommunikációja (a való kommunikáció a fizikai rétegben történik) A kommunikáció szabályait, konvencióit a protokoll (protocol) rögzíti Vadász 8 Hálózati architektúra Rétegek és protokollok halmaza Elegendő információ az implementáláshoz Nem része sem az implementáció, sem az interfészek specifikációja (ezek tervezői döntések a konkrét implementációk során) Társelemek A gazdagép B gazdagép 3. réteg 2. réteg 1. réteg Fizikai közeg Funkcionális elem interfész Virt. komm. a rétegprotokoll szerint Funkcionális elem Vadász 9 Valóságos komm. 3
Szabványosítás, testületek Miért kell szabványosítás? International Standards Organisation www.iso.ch International Telecommunications Union www.itu.int ITU-T (CCIT): Telecomm. standardisations sector Internet Engineering Task Force www.ietf.org Vadász 10 Az ISO OSI referencia modell Open System Interconnection: nyílt rendszerek összekapcsolása Hivatkozási (referencia modell): Megadja a rétegek ajánlott számát és a rétegek funkcióit. Nem határoz meg (konkrét) protokollokat, interfészeket, de a hivatkozási modell ismeretében protokollokat alkothatunk. Vadász 11 Az ISO-OSI rétegek kialakítása A kialakítási szempontok ezek voltak: A rétegek különböző absztrakciós szinteket képviseljenek és jól definiált feladatokat hajtsanak végre. A feladatok megválasztása során szabványokat teremtsenek. Minimális információcsere legyen a rétegek között. A rétegek száma ne legyen túl sok (egyszerűség), de elég sok, hogy egy rétegbe kevés feladat kerüljön. Így lett 7 réteg az ISO- OSI referencia modellben. Vadász 12 4
Az ajánlott 7 réteg 7: Alkalmazási réteg (Application Layer) fájl átvitel, mail, virtuális terminál 6: Megjelenítési (Presentation Layer) kód konverzió, titkosítás, tömörítés (adatformátum kezelés) 5: Viszonyréteg (Session Layer) (megjegyezhető nevek használatát engedjék) 4: Szállítási réteg (Transport Layer) (megbízható end-to-end kapcsolat biztosítsunk nagy hálózaton) 3: Hálózati réteg (Network Layer) útvonal kiválasztás 2: Adatkapcsolási réteg (Data Link Layer) adategységek továbbítása, hiba ellenőrzés, behatárolás, javítás (biztosítsa a hálózati médium elérését) 1: Fizikai réteg (Physical Layer) fizikai közeghez kapcsolódik (vigye át az adatokat bitenként) Vadász 13 1. A fizikai réteg: bitfolyam A bitek kommunikációs csatornán való áthaladásáért felelős Kérdés, funkció Az átviteli közeg Kapcsolódás típus Fizikai topológia Bit szinkronizáció Sávszélesség, kódolás, modulálás Válasz, módszer Fémes vezető, üveg, vezetéknélküli P-2-P, P-2-MP Sín, gyűrű, csillag stb. Aszinkron, szinkron Alapsávú, szélessávú átvitel Vadász 14 2. Az adatkapcsolati réteg: keretek Keretképzés, hibakezelés, adatfolyam vezérlés és szükség esetén csatornamegosztás Alréteg LLC Funkció Keretképzés, behatárolás Kapcsolatok Módszer Beszúrásos, érvénytelen kódos stb. Adatfolyam kontrol, hiba kontrol DLL Logikai topológia Sín, gyűrű MAC Csatorna megosztás Címzés Versengő, ütközéses, statikus Fizikai címek (MAC címek) Vadász 15 5
3. A hálózati réteg: csomagok Forrás- és célállomás közötti útvonal meghatározása NETWORK Funkciók Címzések Kapcsolás Útvonal felfedezés Útvonal választás Módszerek IP címek Csomagkapcsolás (esetleg vonal kapcsolás) Distance Vector, Link State Statikus, dinamikus Vadász 16 4. Szállítási réteg: datagramm, szegmens A viszonyrétegtől kapott üzenetek tördelése-összeállítása (szükség esetén), hibamentes továbbítás valódi forrás-cél társelemhez Funkciók Módszerek TRANSPORT Cím-név feloldás Címterek Szegmensképzés Kapcsolati szolgáltatás A szolgáltatáskérő szerinti Kapcsolat azonosító, tranzakció azonosító Tördelés és visszaállítás Szegmens sorszámozás, hiba kontrol, forrás-cél flow control Vadász 17 5. Viszonyréteg: üzenetek Felhasználói viszonyok szervezése, ezen belül Párbeszédek szervezése (szimplex, fél duplex, vagy duplex), ülés adminisztráció (megjegyezhető nevek használatával kapcsolat megvalósítás: login, kapcsolat azonosítás, a szolgáltatás azonosítása, kapcsolatvesztés felismerés, végül kapcsolat bontás), Tényleges adatátvitel, Szinkronizációs pontok kezelése és retranszmittálás. Vadász 18 6
6. Megjelenítési réteg: üzenetek Az átviendő információ átalakításával (transfer syntax) foglalkozik Kódkonverziókat végez, Bit/bájt sorrendeket alakít át Karakter kód átalakítást, Fájl formátum átalakításokat végez. Végezhet még titkosítási/megfejtési átalakításokat, illetve tömörítést/visszaállítást is. Vadász 19 7. Alkalmazási réteg: üzenetek Üzenetváltási felületet biztosít a felhasználói processzeknek, alkalmazásoknak, Ismert protokollokat használhat Szolgáltatások hirdetése szolgáltatás, Fájl- és nyomtatószolgáltatás, Kommunikációs szolgáltatások, Directory szolgáltatások, Egységes terminál protokoll: távoli géphasználati szolgáltatás, X11 protokoll: grafikus megjelenítés és beavatkozás közvetítés szolgáltatás Stb. Vadász 20 Ismételjük az alapfogalmakat Protokoll Szabályok halmaza, melyek két szeparált elem (entitás) közötti adatcserét szabályozzák (2 elem társalgásához ua. a "nyelvet" használni!) Ebben konvenciók a kommunikáció tárgyáról, az időzítésekről (sebesség, sorrendiség stb.), hogyanjáról stb. A protokolloknak van szintaxisa, szemantikája Protokoll a társ-entitások között (peer-entities) van! Interfész Két réteg között. Leírja az alsó réteg által nyújtott szolgálatokat, az ezek kéréséhez szükséges adatokat és vezérlő információkat, a szolgálatok eredményét adó információkat, ezek "hogyanját" is. Vadász 21 7
Ismételjük az alapfogalmakat Referencia modell A rétegek ajánlott számát, a rétegek funkcióit adja meg, de nem határoz meg konkrét protokollokat és interfészeket! Hálózati architektúra Rétegek és protokollok halmaza, ami már elég információ az implementáláshoz. Maga az implementáció azonban nem része, még az interfészek specifikációja sem! Vadász 22 OSI modellen alapuló architektúra Vadász 23 OSI modellre alapozott protokollverem Data DU Application A Data ADU Presentation P A Data PDU Session S P A Data SDU Transport T S P A Data TDU Network N T S P A Data Csomag Data Link D N T S P A Data D Keret Physical 10110011100101111011110101010 Bitek Vadász 24 8
Más referencia modellek A DoD (Department of Defense) modell Application Layer Data Host-to-Host (Transport) TCP-H Data Internetwork Layer (IP) IP-H TCP-H Data Network Access (Lan, WAN techn.) MAC-H IP-H TCP-H Data Vadász 25 Szolgálatok (services) Az OSI modell egyes rétegeinek feladata, hogy jól definiált szolgálatokat nyújtson a fölötte lévő rétegnek. Szolgálat elérési pont (SAP: Service Access Point) fogalma: A szolgálatok ezeken keresztül érhetők el. Minden SAP egyedi azonosító címmel rendelkezik Vadász 26 Az általános modell Pl.: N+1. rétegbeli funkcionális elem egy interfész adatelemet (IDU: Interface Data Unit) küld a SAP- on keresztül az N. rétegbeli funkcionális elemnek. N+1. réteg interfész N. réteg IDU ICI SDU SAP ICI SDU Header N-PDU Az N. réteg elemei N-PDU-kat cserélnek N. rétegbeli protokolljaikban. SDU-t esetleg szétdarabolva, fejrésszel ellátva keletkezik P-NDU. SDU SDU: szolgálati adatelem PDU: protokoll adatelem ICI: interfész-vezérlő információ Vadász 27 9
A szolgálatok típusai Összeköttetés alapú szolgálat (connection oriented) összeköttetés felépítés, használat, lebontás. Két variáns: Sorrendhelyes kapcsolat. üzenetsorozat (üzenethatárok megmaradnak), bájt-sorozat (nincsenek üzenethatárok). Vadász 28 A szolgálatok típusai Összeköttetés mentes szolgálat (connectionless service) Az üzenetek (üzenet darabok) cél és feladó címet tartalmaznak, egymástól függetlenül továbbítják őket. Eredmény: Nem sorrendhelyes kapcsolat. Mindkettő lehet nyugtázott (megbízható), vagy nyugtázatlan (megbízhatatlan) Vadász 29 Szolgálat-primitívek Valamely szolgálatot primitívek, azaz műveletek halmazával írhatunk le. Az OSI modellben 4 primitív osztály: Kérés (request): egy funkcionális elem valamely tevékenység végrehajtását kéri. Bejelentés (indication): egy funkcionális elemet informálni kell egy eseményről. Válasz (response): egy funkcionális elem válaszolni akar egy eseményre. Megerősítés (confirm): egy funkcionális elemet informálni kell a kérésről. Vadász 30 10
Szolgálat-primitív példák Megerősítetlen (nyugtázás nélküli) szolgálat: csak kérés- bejelentés, válasz- bejelentés (ábra) Kérés: felső réteg kérése az alsó felé valamiért Bejelentés: alsó réteg bejelentéssel értesül a kérésről (hogy kérés történt : kérés bejelentés) Válasz: a másik felső réteg válaszol Bejelentés: a felső réteg a válaszról bejelentéssel értesül (válasz bejelentés) Megerősített szolgálat: kérés, bejelentés, válasz, megerősítés (ábra) Vadász 31 Megerősítetlen (nyugtázás nélküli) szolgálat Megerősített (nyugtázott) szolgálat Kérés n+1-ből n-be Kérés n+1-ből n-be Bejelentés n-ből n+1-be A hoszt B hoszt Bejelentés n-ből n+1-be Bejelentés n-ből n+1-be Kérés n+1-ből n-be Kérés n+1-ből n-be Megerősítés n-ből n+1-be A hoszt B hoszt Bejelentés n-ből n+1-be Válasz n+1-ből n-be idő idő Vadász 32 Egy "hétköznapi" példa Milli nénit telefonon teára hívom. Megerősített összeköttetés létesítés megerősítetlen adat-továbbítással és összeköttetés bontással [Tanenbaum, p.44] Jelölések: C.K: Connect.Kérés C.B: Connect.Bejelentés C.V: Connect.Válasz C.M: Connect.Megerősítés D.K: Data.Kérés D.B: Data.Bejelentés DC.K: Disconnect.Kérés DC.B: Disconnect.Bejelentés Vadász 33 11
Milli nénit teára hívom 1. C.K: Tárcsázok 2. C.B: Kicsöng a telefon 3. C.V: Milli felveszi 4. C.M: A csöngés abbamarad 5. D.K: Hívom teára 6. D.B: Milli hallja 7. D.K: Mondja, eljön 8. D.B: Hallom 9. DC.K: Leteszem a kagylót 10. DC.B: Hallja, letettem Vadász 34 A fizikai réteg - alapfogalmak Átviteli mód Alapsávú: az adatjeleket diszkrét elektromos v. fényimpulzus formájában viszik át. Lehet jeltorzulás. A csatornakapacitást egyetlen adatjel továbbítására használják. Pl. 4 feszültségszint: 4 jelzés 4 fényintenzitás: 4 jelzés stb. Szélessávú: jellemző az analóg átvitel. Az adatjeleket vivőhullámokra ültetik, és 3 jellemző (amplitúdó, frekvencia, fázis) valamelyikét változtatva hozzák létre a jelzést (modulálnak). Pl. 2 amplitudószint + 4 fázisváltozás: 8 jelzés (kombinált moduláció) Vadász 35 A fizikai réteg - alapfogalmak A csatorna adatátviteli (bitátviteli) sebessége [bps] Átvitt adatmennyiség [bit] idő [sec] A csatorna jelzési sebessége (1 másodpercre eső jelzésváltozások száma) [baud] Átvitt jelzés szám [db] idő [sec] Vadász 36 12
A fizikai réteg - alapfogalmak Csatorna jelterjedési sebesség [m/sec] Jelterjedés távolsága [m] idő [sec] Csatorna sávszélesség A legmagasabb és legalacsonyabb átvitt frekvenciák különbsége Egy valóságos csatorna sávkorlátozott Teljesítményveszteség miatt (a jel által egy adott frekvencián (Furier együtthatók) szállított energia veszteségei miatt) Beépített szűrők miatt is lehet Vadász 37 Maximális adatátviteli sebesség Zajmentes, sávkorlátozott csatornán elérhető maximális adatátviteli sebesség Nyquist (1924) bizonyította Ha tetszőleges jelet H sávszélességű alul-áteresztő szűrőn átengedünk, akkor szűrt jelből másodpercenként 2H-szor mintát véve az eredeti jel teljesen visszaállítható. Ebből: Max_adatátviteli_sebesség= 2 H log 2 V ahol H: a csatorna sávszélessége V: a jel diszkrét értékeinek száma (jelzések száma). (Azaz V érték log 2 V bitet hordozhat.) Vadász 38 Zajos sávkorlátozott csatorna C. Shannon (1948) határozta meg a véletlen (termikus) zajjal terhelt csatornákra az elméleti maximális adatátviteli sebességet (információelméleti megfontolások alapján) Max_elérhető_adatátvit_seb= H log 2 (1+S/N) ahol H: a csatorna sávszélessége; S/N: a jel-zaj viszony (signal-to noise ratio) S: jelteljesítmény; N: zajteljesítmény, Vadász 39 13
A jel-zaj viszony A jel-zaj viszonyt általában decibelben (db) adják meg, ami S/N db = 10 log 10 S/N Azaz S/N S/N db 1 0 10 10 100 20 1000 30 Vadász 40 A Shannon korlát Zajos sávkorlátozott csatornán a maximális adatátviteli sebesség független a jelszintek (jelzések) számától, a mintavételezési gyakoriságtól A gyakorlatban a Shannon korlát megközelítése is nehéz! Az előző 30 db-es csatorna tipikus hangátviteli telefonvonal, ezen 9600 bps már elfogadott, és ez is csak V=4 jelszintes (egy jelzés 2 bitet hordozhat) 4800 baudos jelzés-sebességű csatornán érhető el. A Shannon korlát információelméleti megfontolásokból származik és érvényességi köre rendkívül széles. Vadász 41 A fizikai közegek Az átviteli közegek. Céljuk: a nyers bitfolyam szállítása Jellemzőik: az elérhető adatátviteli sebesség Az erősítés nélkül áthidalható maximális távolság, a zavarvédettség, megbízhatóság (mechanikai tulajdonságok), üzenetszórásra, pont-pont átvitelre, esetleg mindkettőre való alkalmasság, ár, költségek. Vadász 42 14
Az átviteli közeg Fémes vezetők (elektromos áram) Sodrott érpár Koaxiális kábel Üveg, műanyag (fényhullámok) Fiber optic Vezeték- nélküli átvitel (elektromágneses hullámok) mikrohullám, műholdas stb. Vadász 43 Sodrott érpár Elsősorban pont- pont kapcsolatra. Telefondrót Közeli központig (2-4 Km), modulált átvitel, néhány Mbps (pl E1: 2,048 Mbps), közepes zavarvédettség és megbízhatóság, olcsó megoldás. Vezető Sodrás: nem sodrott Dielectrikum vezetők "antennák"; Ér védő a sodrás csökkenti Fonat védő közöttük az Köpeny interferenciát. Vadász 44 STP STP (Shielded TP) árnyékolt csavart érpár Az ér-védő árnyékolás földként használható Csökkenti az interferenciát és áthallást (jó zavarvédettség, jó megbízhatóság) Növeli (azonban) a csillapítást. Nagy sebességű átvitelnél (pl. Token Ring) Valamivel drágább Vastagabb kötegek Vadász 45 15
UTP UTP (Unshielded Twisted Pair) árnyékolatlan csavart érpár Közepes zavarvédettség és megbízhatóság Valamivel olcsóbb, könnyű szerelni Tipikus 10BaseT Ethernet kábelezéshez 4 vezeték, adás és vétel ág, max 100 m, alapsávú impulzusátvitel Vadász 46 UTP kategóriák Category 1: hangátvitel, telefonok Category 2: adatátvitel, 4Mbps, 1 MHz, régi tokenes LAN Category 3: hangátvitel, és régebbi 10BaseT (10Mbps, 16 MHz) Category 4: tipikus a 10BaseT és a tokenes hálózatokban, 20 MHz Category 5: most ez a kedvelt. Képes 100 Mbps- re (Fast Ethernet), ezért a 100BaseT hálózatban használják. 100 MHz. (3-4 csavarás- inch) Vadász 47 Koaxiális kábel Mind pont-pont, mind üzenetszórásra alkalmas Tipikus TV és LAN alkalmazás. Ethernet - üzenetszórásos 10Base5 Vastag Ethernet 10Base2 vékony Ethernet Felépítés rézmag, szigetelő dielektrikum, fonott külső vezető, műa. burok Vadász 48 16
Koaxiális kábelek Tipikus hullámimpedanciák: 50 : adat és rádiós kábel 75 : TV koax, 93 : ARCNET kábel (Novell) Alapsávú átvitel esetén: 10 Mbps (Ethernet): 500 m: vastag koax, 187 m: thin koax. Moduláltan: kb 150 Mbps, 100 Km távolságig Kábeltelevízió használja a moduláltat műsorszórás Számítógép kapcsolat Vadász 49 Koax kábel A koax kábel (1 ponton földelni) jó zavarvédettségű, jó megbízhatóságú. Közepesen drága (a thin E olcsóbb, mint az UTP). Üzenetszórásos csatorna (bus) kialakítás koax kábelen: egyetlen tápvonal, a végén hullámimpedanciával lezárni. Nagyimpedanciás csatlakozások (transciever: adó-vevő), feszültségfigyelés, áramgenerátoros hajtás. T dugó, vagy rászúrható, vámpír csatlakozás (működés közben is) BNC csatlakozó és adapter Vadász 50 Optikai kábel Hajszálvékony üveg (szilikát) szál, fényhullámokat "vezet" Kiváló zavarvédettség, jó megbízhatóság. 100 Mbps- 2000 Mbps szinte természetes, de már demonstráltak 4 Gbps- t 10 km távolságon Tipikusan pont- pont kapcsolatokra. Magas költségek (csatlakozások, toldások, adók/vevők). Csatlakozók: FC SC ST Vadász 51 17
Az optikai kábel Hajszálvékony üveg (szilikát) szál. Mag (magasabb törésmutató), magátmérő: 2-125 µm (tipikus: 62,5 µm) alacsonyabb törésmutató kívül (clad) (tipikus átm: 125 µm). Laser/light 2-125 µm Cladding Üveg mag (core) Speciális védőburkolat Beesési szög Visszaverődési szög Vadász 52 Fénykábelek A fény a kritikus szög alatt visszaverődik, fölötte: elnyelődik Látható fény frekvencia: közel 10 8 MHz: potenciálisan óriási sávszélesség! A fényhullámhossz és a magátmérő viszonyától függően lehet Multimódusú (Non Axial), vagy Monomódusú (Single; Axial) üvegszálas kábel. Vadász 53 Multimódusú szál Magátmérő > fényhullámhossz A fény a határfelületeken visszaverődve halad, a különböző hullámhosszú fényhullámok különböző időben érkeznek (modal dispersion). Szokásosan az adó: LED (Light Emitting Diode), vörös látható (hullámhossz: 850 nm), a vevő fotodióda/tranzisztor. Áthidalható < 10 Km, opt. Ethernet 2 Km, FDDI Adatátviteli sebesség: < 1 Gbps (eszközfüggően több is). Vadász 54 18
Monomódusú (axial) szál Magátmérő = fény hullámhossz hullámőrző tulajdonság: a fény elhajlik a szállal. Az adó félvezető lézer, infravörös 1300 nm hullámhossz, kisebb csillapítás, nagyobb áthidalható távolság, kb. 100 Km. Gyors, az adatátviteli sebesség < 10 Gbps (eszközfüggően több is lehet). Vadász 55 Vezetéknélküli átvitel 10 2 Hz 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12 10 13 10 14 1015 10 16 Csavart érpár Telefonszolgálat Coaxális kábel AM rádio FM rádio és TV Földi mikrohullámú Satellite Optical fiber Rádio Microhullám Infravörös Ultraviola Látható Elektromágneses hullámok terjedése a "levegőben" (nem kell fizikai összeköttetés) Nagy távolságokra is Vadász 56 URH rádió Kis távolságú, alacsony sebességű mobil összeköttetés a bázis állomás és a terminálok között. Kielégítő rendelkezésre állás, időjárás és pozíciófüggő bit-hiba arány. Radio field of coverage of base station BS F 2 F 3 F 1 F 2 F 3 F 1 F 2 F 3 F 1 BS = Base station F 2 F 3 F 1 F 2 = User computer/terminal F 1, F 2, F 3 = Frequencies used in cell Vadász 57 19
Földi mikrohullámú Közepes, vagy nagy távolság áthidalása (költséges kábel helyett), stabil állomások között, ahol van mikrohullámú rálátás. Nagy sebesség, időjárásfüggő. föld földi állomás közötti direkt vonal Mikrohullámú adó/vevő torony Két földi állomás között távolság kb. 50 km Vadász 58 Távközlési műholdak Mikrohullámú átvitel (nagytávolságú számítógép hálózatokhoz is) földi állomás és műholdak között. nagy sebesség (bár időjárásfüggés: az eső elnyel) van, gond a magas terjedési késleltetés. Transzponder: bizonyos spektrumot figyelnek, erősítenek és visszaadnak (interferenciaelkerülés miatt más spektrumon, különböző polarizációval). Nemzetközi egyezmények a frekvenciasávokra. Geostacionárius műholdak kb. 36000 Km magasságban: 250-300 msec késleltetést is okozhatnak. Három műhold az egész földet "lefedheti". Vadász 59 Műhold frekvenciák Optimális az 1-10 GHz. Alatta atmoszférikus zajok, elektromos eszközök zajai; Fölötte erős atmoszférikus csillapítás. C band 4/6 GHz "fölfelé" (uplink) 5.925-6.425 GHz "lefelé" (downlink) 3.7-4.2 GHz KU band 12/14 GHz (nagyobb trasponder érzékenységet kíván) uplink 14-14.5 GHz downlink 11.7-12.2 GHz Vadász 60 20
Lézeres optikai Kistávolságú, stabil telepítésű (pl. épületek között), nagy sávszélesség, időjárásfüggő. Vadász 61 A közeg kiválasztásának tényezői Sávszélesség és adatátviteli sebesség: a szükségletünknek megfelelőt válasszuk Távolság: figyelembe venni, milyen távolságot hidalhatunk át. Figyelembe kell venni a késleltetést is! Minőség: tolerálhatók bizonyos hibák, vagy sem (zavarvédettség, megbízhatóság) Üzenetszórásra való alkalmasság Költség: a közeg és az eszközök különböző költségűek Vadász 62 Hasonlítsunk össze Földi rádiós Lézeres Mikrohull Műholdas Adatátv. sebesség 16 Kbps 10 Mbps 100 Mbps 500 MHz, több 500 Mbps Áthidalható táv. 10-50 Km 1-2 Km 100 Km kontinensre Késleltetés 3 µs/km - 3 µs/km 250-300 msec Zavarvédettség Megbízhatóság közepes jó jó Kiváló Üzenetszórás alkalmas Pont-pont Pont-pont alkalmas Ár Vadász 63 21
Alapfogalmak átviteli mód Átviteli mód Alapsávú: az adatjeleket diszkrét elektromos v. fényimpulzus formájában viszik át. A csatornakapacitást egyetlen adatjel továbbítására használják. A bitfolyamot kódolni kell. Szélessávú: jellemző az analóg átvitel. Az adatjeleket vivőhullámokra ültetik, és 3 jellemző (amplitúdó, frekvencia, fázis) valamelyikét változtatva hozzák létre a jelzést: modulálnak. Vadász 64 Alapsávú impulzusátvitel: jelkódolás Egyszerű bináris jelkódolás bináris értékekhez a jelszintek (feszültség vagy áram): pl. 1: 1 V; 0: 0 V Probléma szinkronizálás, ha csupa 0 jön (nincs jelváltozás). Ezen segíthet pl. a Manchester kódolás Vadász 65 Manchester kódolás A Manchester- kódolás Minden bitperiódus 2 részre oszlik, mindig van átmenet: 1: magas-alacsony, 0: alacsony-magas átmenet. Hátránya: kétszeres sávszélesség igény (fele olyan széles impulzusok). Különbségi Manchester kódolás (a M- kódolás variánsa) 1: a bitidő elején hiányzó átmenet, 0: a bitidő elején jelenlévő átmenet és a bitidő közepén mindig van átmenet! Vadász 66 22
Példa 3 különböző jelkódolásra A bitidő közepén: 1: ; 0: 1: bitidő elején hiányzó, 0: bitidő elején meglévő, és közepén mindig! Vadász 67 Jelek modulálása Ilyen kell pl. analóg távbeszélőrendszeren való digitális jelátvitelhez A távbeszélőrendszer: nyilvános kapcsolt hálózat az egész világot behálózó (analóg) kapcsolt-vonali hálózat Gond a digitális jelek analóg kapcsolt- vonali továbbítása. Modem (modulátor- demodulátor) kell. Feladata: kapcsolat felépítés és bontás (mint a telefon) tárcsázás, sávon belüli jelzés DTMF jelek a digitális bitfolyam modulált vivőjellé alakítása (és vissza). Vadász 68 Digitális bitfolyam modulált vivőjellé alakítása Modulációs módszerek. A szinuszos vivőhullámon amplitúdó moduláció: a vivőjel amplitúdóját változtatják; frekvencia moduláció: a vivőjel frekvenciáját változtatják; fázis moduláció: a vivőjel fázisát változtatják. És kombinált. Vadász 69 23
A moduláció formái Vadász 70 Kombinált amplitúdó és fázis moduláció 0, 90, 180 és 270 fokos fázisonként (4 db) két amplitudó szint: ez 8 lehetséges jelzés. Ez 3 bit/baud-os technika. 30 fokos fázisváltások, ezekből 8-hoz egy, négyhez két amplitudó szint: 16 jelzéskombináció lehet. Ez 4 bit/baud-os technika. Ez 2400 baud-os vonalon 9600 bps-t biztosít. Vadász 71 Analóg jelek digitális vonalon A telefóniában a trönkökön digitális átvitel van... Viszont az előfizetői hurkok analógok. Szükséges tehát kódoló- dekódoló (coder- decoder: codec): ami analóg jeleket digitális bitsorozattá (és vissza) alakítja Vadász 72 24
Analóg beszédcsatornán digitális adatok Az analóg beszédcsatorna 0-4 KHz a sávszélesség, ez (Nyquist szerint) 8000 minta/sec-kel visszaállítható. Azaz 125 µsec/minta (125 µsec-enként egy keret), és ezt egy 8 bites (USA-ban 7 bites) számmá konvertálni PCM (Pulse Code Modulation) a neve Egy hangcsatorna 2*4K*8 64 Kbps sebességű (Amerikában csak 7 bit ott csak 56 Kbps) Szabványos PCM sebességek USA, Japán (CCITT, Bell System) T 1 : 1,544 Mbps 24 PCM csatorna T 2 : 6,312 Mbps T 3 : 44,736 Mbps T 4 : 274,176 Mbps Európa (CCITT) E 1 : 2,048 Mbps : 30PCM + 2 jelzés csat. E 2 : 8,848 Mbps E 3 : 34,304 Mbps E 4 : 565,148 Mbps Vadász 73 PCM vivők A T1 vivő 24 PCM csatornát nyalábol egy csatornán 7 adat + 1 vezérlőbit, 56 Kbps; egy keret: 24 * 8 bit + 1 keretképzési bit = 193 bit; 1 keret (193 bit)/ 125 µsec: 1,544 Mbps Az E1 vivő 30 PCM+2 jelzéscsatornát nyalábol a 125 µsec-os keretbe 32*8 bites minta; 256 bit / 125 µsec: 2,048 Mbps Szabványos PCM sebességek USA, Japán (CCITT, Bell System) T 1 : 1,544 Mbps 24 PCM csatorna T 2 : 6,312 Mbps T 3 : 44,736 Mbps T 4 : 274,176 Mbps Európa (CCITT) E 1 : 2,048 Mbps : 30PCM + 2 jelzés csat. E 2 : 8,848 Mbps E 3 : 34,304 Mbps E 4 : 565,148 Mbps Vadász 74 Kódolási rendszerek Hogy lehetne kódolással az átviendő bitek számát csökkenteni? Különbségi impulzus- modulációval (differential pulse code modulation): az aktuális és a megelőző minta különbségét viszik át Delta modulációval: csak 1 bittel jelzik, hogy a jel nő, vagy csökken (lemaradhat) Prediktív kódolással (predictive encoding): előző néhány értékből extrapolálva megjósolják a következő értéket, majd az aktuális és a becsült érték különbségét továbbítják. A dekódoló is ugyanezzel a módszerrel becsül. Vadász 75 25
Alapfogalmak: kommunikációs módok Három mód ismert: Szimplex Csakis egy irányban továbbítják az adatokat Half duplex Mindkét irányban, de felváltva továbbítják az adatokat Protokoll kell a konverzációhoz Full duplex Szimultán mindkét irányban mehet a forgalom Vadász 76 Kapcsolási technológiák Connection Circuit Switching Message Switching Datagram Switching Virtual Circuit Switching Vadász 77 Vonalkapcsolás Vonalkapcsolt hálózat Kapcsolat felépítés (connection) a végpontok között (hátrány: ez időigényes lehet), a dedikált vonalon kommunikáció a végpontok között (előny: nincs csat. elérési késleltetés, nincs torlódás), végül kapcsolat bontás. Impulzusszerű (burst-ös) forgalom esetén nem kedvező (kihasználatlanság léphet fel). Pl. a nyilvános kapcsolt telefon hálózat ilyen. Vadász 78 26
Üzenetkapcsolás Üzenetkapcsolt hálózat Teljes üzenet feladása megtörténik, a csomópontok tárolják, majd továbbítják (storeand-forward) az üzenetet. Nincs korlát az üzenet méretére. Nagy késleltetés (nem interaktív, nem lehet valós idejű), bár prioritások kialakíthatók, továbbá nagy tárolókapacitás igény a csomópontokon. A torlódás kontrollálható, jól kihasználja a mediát, Vadász 79 Csomagkapcsolás Csomagkapcsolt hálózat Felülről korlátos méretű csomagokat (packets) állítanak elő az üzenetek feldarabolásával. A csomópontok között kapcsolaton (link-en) "dinamikusan osztoznak" a csomagok Korlátos tárolókapacitás igény a csomópontokon, kisebb késleltetés lehetséges (interaktív kommunikációra is alkalmas). Nagyobb lehet az átbocsájtó képesség. Átlapolt működés valószínű (hosszabb üzenet első csomagjait már feldolgozzák, mikor a többit még csak adják). Vadász 80 Virtuális vonalkapcsolás Csomagkapcsolás, de logikai útvonal alakul ki a végpontok között, a csomagok ugyanazt az útvonalat használják (ezért feladási sorrendjükben érkeznek). Hasonlít a vonalkapcsoláshoz, de az útvonal nem dedikált (más csomagok is osztoznak egyes linkeken). A logikai útvonal létesítéséhez kapcsolat felépítés kell! Szembesítve a datagram kapcsolással: ennél minden csomag függetlenül továbbítódik, sorrend "felborulhat" (rendező protokoll kell), nem kell kapcsolat felépítés. Vadász 81 27
Virtual Circuit Switching A 1.3 1.2 1.1 2.3 2.2 2.1 1.3 1.2 1.1 virtual circuit #1 2 4 2.3 2.2 2.1 B C B Logikai kapcsolat (logical connection, virtual circuit: VC) létesül két állomás között. A csomagok a VC számmal és a sorszámukkal címkézettek A 1 3 virtual circuit #2 5 C Vadász 82 Datagram Switching A B.3 B.2 B.1 C.3 C.2 C.1 2 B.3 B.2 B.1 B.3 B.2 4 C.3 C.2 C.1 B C B Minden csomag függetlenül továbbítódik A csomagok a cél címmel és a sorszámukkal címkézettek. Sorrendjük "felborulhat". A 1 C.1 B.1 3 C.3 C.2 5 C Vadász 83 Gyors vonalkapcsolt hálózat: ISDN ISDN (Integrated Services Digital Network): integrált szolgáltatású digitális hálózat Kialakítási cél volt: integrálni a hang és a digitális átviteleket; a távbeszélőrendszert újratervezni ezért a CCITT szabványosította (nem az ISO). 1984- ben jóváhagyták, 1988- ban finomították Olyan, mint a vonalkapcsolás, csak nagyon gyorsan épít/bont... Vadász 84 28
Az ISDN alapgondolata A digitális bitcső (digital bit pipe), amin a bitek mindkét irányban folyhatnak Külön jelzéscsatorna a kapcsolat menedzselésére, de ha a kapcsolat felépült, tetszőleges digitális adat (telefon, fax, digitális adat, pl. kép stb.) továbbítható. A bitcső nyalábolható: időosztásos multiplexeléssel több független csatornát támogat. Vadász 85 A felépítés 2 vezeték (192 Kbps), fiber NT: Network Termination 8 vezetékes ISDN busz, 2 adás, 2 vétel, 4 táp; passzív, max 1 km ISDN központ Előfizetői végződés (NT) T U Az NT után lehet ISPBX, ami S referenciapontos eszközöket, pl. LAN-t kapcsolhat... Címezhető ISDN eszközök A címeket az NT osztja ki bekapcsoláskor. Az ISDN bitcsőhöz a "hozzáférést" is az NT intézi. A T interfészhez max 8 TE1 berendezés csatlakozhat. Vadász 86 A felépítés U T ET LT REG NT1 TE1 TE1 U,T,S,R: referenciapontok ET: Központvégződés (Exchange Termination) LT: Vonalvégződés (Line Termination) NT1: 1-es hálózatvégződés NT2: 2-es hálózatvégződés TA: Végberendezés illesztő (Terminal Adaptor) TE1: ISDN végberendezés (Terminal Equipment No1) TE2: Nem ISDN végberendezés REG: Regenerátor NT2 S TA TE1 R TE2 TA R TE2 Vadász 87 29
CCITT csatornatípusok A: 4 KHz-es analóg telefoncsatorna B: 64 Kbps PCM csatorna hang és adatátvitelre C: 8 v. 16 Kbps digitális csatorna D: 16 v. 64 Kbps digitális csatorna az átvivő sávon kívüli jelzések számára E: 64 Kbps digitális csatorna az átvivő sávon belüli jelzések számára H: 384 v, 1536 v. 1920 Kbps digitális csatorna Szabványos kombinációk: 1) Alaphozzáférés: 2 B + 1 D 16 2) Primer hozzáférés: USA és Japan: 23 B +1 D 64 (~ T1) Európa: 30 B + 1 D 64 (~E1) 3) Hibrid: 1 A + 1 C (gyakorlatilag nem használják) Vadász 88 Gyakorlat 1. feladat Adatátviteli sebesség Mekkora jel-zaj viszony lehet egy E1 vivő 50 KHz-es sávszélességű vonalon? 2. feladat Kódolás Vázoljuk a jelváltozásokat a következő bitsorozatnál: 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 a) bináris, b) Manchester és c) különbségi Manchester kódolásnál! Vadász 89 Gyakorlat 3. feladat Adatátviteli sebesség Milyen max jel-zaj viszonyra számíthatunk egy telefonvonal esetén, ha azt PCM csatornán továbbítjuk? 4. feladat Adatátviteli sebesség Egy adatátviteli csatorna sávszélessége 30 MHz, melyen legfeljebb 120 Mbps sebességgel kívánunk adatokat továbbítani. a) Legalább hány jelet kell tudnunk megkülönböztetni a fizikai közegen ezen max adatátviteli sebesség eléréséhez? b) Mennyi lehet a maximális jelsebesség a csatornán? c) Ezen max sebességhez milyen minimális jel-zaj viszonyt kell biztosítani? Vadász 90 30
Gyakorlat 5. feladat Adatátviteli sebesség Egy modem működési diagramjának adatpontjai a következő koordinátákkal adott: a) (1,1); (1,-1); (-1, 1); (-1, -1) b) (0, 1); (0, 2) Hány bps adatátviteli sebességet érhet el a modem ilyen paraméterekkel 1200 baud-os jelzéssebesség esetén? Milyen modulációt használ a modem? Vadász 91 Gyakorlat 6. feladat Vonal és csomagkapcsolás összehasonlítása X bit üzenet továbbítása vonalkapcsolt, ill. csomagkapcsolt hálózaton történik adott paraméterekkel. Időket keresünk, összehasonlítjuk, melyik a jobb. A paraméterek, Áramkör felépítési idő jelölések: Vonalkapcsolt hálózat Adatátviteli sebesség Ugrások száma s [sec] b [bps] k Csomagkapcsolt hálózat Ugrásonkénti késleltetés (feldolgozási idő) Csomagméret Adatátviteli sebesség d [sec] p [bit] b [bps] Kérdések: Mekkora lesz a késleltetési idő (az első bit mikor érkezik)? T k =? Mekkora lesz az adatátviteli idő? T átv =? Vadász 92 31