Hálózatok I. Várady Géza Műszaki Informatika Tanszék Iroda: K203 Email: varady.geza@mik.pte.hu
Vezeték nélküli előfizetői hurok LMDS Milliméteres hullámok miatt tiszta rálátás kell Falevelek felfogják Eső is elnyeli A fenti rendszereket az IEEE 802.16 vezeték nélküli WAN definiálja
Trönkök, multiplexelés Gazdaságosság fontos Kábelfektetés költségei Fizikai kihúzás, munkagépek, munkások Kábel sávszélessége minimálisan befolyásolja az árat Multiplexelés Frekvenciaosztásos (FDM) Időosztásos (TDM)
Trönkök, multiplexelés AM rádiós műsorszórás jó példa mindkettőre: Frekvenciatartomány felosztva (500 khz 1500 khz) FDM Néha zene szól, néha egy kis reklám TDM FDM Hangcsatornak sávszélessége: 3000 Hz Multiplexálásnál 4000 Hz-re van szükség (választósáv) Néha így is lehet áthallás (vágások nem élesek)
FDM Trönkök, multiplexelés
FDM Trönkök, multiplexelés Bizonyos fokig szabványos rendszer világszerte Elterjedt szabvány szerint 12 db 4000 Hz-es csatorna FDM-el 60 khz és 108 khz között (ill. 12 khz és 60 khz között) csoport (group) 5 db csoport = főcsoport (supergroup) (60 csatorna) CCITT: 5 főcsoport = mestercsoport (master group) Bell-rendszer: 10 főcsoport = mestercsoport (600 csat.) AT&T: 6 mestercsoport = jumbo csoport (3600 csat.) Van olyan szabvány, ami 230000 csatornát tud multiplexelni
Trönkök, multiplexelés WDM (Wave Division Multiplexing hullámosztásos multiplexálás) FDM speciális változata Optikai szálakban használatos Teljesen passzív rendszer nagy megbízhatóság Optikai rács
Trönkök, multiplexelés WDM (Wave Division Multiplexing hullámosztásos multiplexálás) 1990 ből származik Első kereskedelmi felhasználás: 8 x 2,5 Gbps-es csatorna 1998: 40 x 2,5 Gbps-es csatorna 2001: 96 x 10 Gbps-es csatorna ( 960 Gbps ~ 96 GBps ~ 140 db 1CD-s DivX-es film másodpercenként) 2010: 200 csatornás rendszer laborban, 160-as piacon, 40 Gbps-es csatornák (~1000 db 1CD-s DivX-es film másodpercenként) DWDM (Dense WDM, sűrű WDM) Nagy csatornaszám Hullámhosszak távolsága kicsi (pl. 0,1 nm)
Trönkök, multiplexelés WDM miért népszerű Az optikai/elektronikus jelátalakítás sebessége a felső korlát, de ezt passzív eszközökkel multiplexálva (párhuzamosítás!) a csatornák számával lineárisan növelhető a sávszélesség Elvi határ egy szálon: 2500x10Gbps (1 bit/hz esetben, de ennél lehet jobbat, ráadásul a szálak többnyire kötegben mennek, pl. 64 szálas kábel..) Optikai erősítők 1000km-enként szükségesek csak, nagyon gyors a működés
Trönkök, multiplexelés TDM (Time Division Multiplexing időosztásos multiplexálás) Sok réz-alapú vezeték van kihelyezve, ki kellene használni WDM-hez optika kell, FDM-hez analóg technika TDM csak digitális áramkörökkel megoldható, de csak digitális jeltovábbításra alkalmas (így AD, DA átalakítók kellenek az előfizetői hurkok felhasználásához) Analóg beszédjel digitalizálás, nyalábolása Bejövő analóg jelet egy kodek (kódoló dekódoló) digitalizálja 8 bites értékek sorozatára 4000 Hz sávszélességű csatornáról 8000 mintát veszünk másodpercenként (Nyquist) (125 μs / minta)
Trönkök, multiplexelés Analóg beszédjel digitalizálás, nyalábolása Fentiek neve: PCM (Pulse Code Modulation impulzuskód moduláció), ez alkotja a modern telefonhálózatok lelkét Digitális technikák elterjedésével a CCITT (ITU- T) nem jutott dűlőre a PCM nemzetközi szabványról manapság sok inkompatibilis rendszer fut még
Trönkök, multiplexelés T1 vívő (Észak-Amerika, Japán, Korea) 24 beszédcsatorna egybe nyalábolva Körforgásos TDM, majd ezt küldik a kodekre Minden csatorna 8 bitet tud a kimeneti folyamba tenni, 7 adat 1 vezérlés, azaz 7*8000=56kbps a sebesség A keret 24x8 bitből + 1 bit szinkron áll: 193 bit / 125 μs 1,544 Mbps sebesség Keretszinkron jel: 01010101010101.. Ez egy 4000Hz-es analóg szinusz jel lenne, analóg szűrők kiszűrnék
Trönkök, multiplexelés T1 vívő (Észak-Amerika, Japán, Korea)
Trönkök, multiplexelés T1 vívő (Észak-Amerika, Japán, Korea) Adatátvitel esetén 23 csatornát használnak, a 24.- ben egy speciális szinkronjel megy, ezt gyorsabb újraszinkronizálás miatt kell bevezetni E1 vívő (mindenhol máshol) 24 helyett 32 csatorna, amiből 30 adat, 2 pedig jelzés 2048 Mbps-es sebesség Hogy lehetne a csatornánkénti bitek számát csökenteni?
Trönkök, multiplexelés Hogy lehetne a csatornánkénti bitek számát csökenteni? A jel viszonylag lassan változik Elég lehet a jel értékek helyett a különbséget küldeni Különbségi impulzuskód-moduláció (diff. Impulse code modulation) 128 bit kvantálási szinten a 16 bit változás ritka, így elég lehet a 7 bit helyett 5 bit (32 bitnyi változást fog át - +- 16 bit) Ha nagyobb az ugrás, több mintavétel után érjük be beszédnél ez nem zavaró
Trönkök, multiplexelés Különbségi impulzuskód-moduláció egy változata: deltamoduláció (delta modulation) Különbség +-1 bit lehet (1 itet elég átküldeni) Túl gyors változás információvesztés
Trönkök, multiplexelés Fejlettebb változat: prediktív kódolás (predictive encoding) Eddigi minták értékét extrapolálva megjósoljuk a következő mintát, és az ettől való eltérést küldjük át A vevő oldalon ugyanezen algoritmussal kell a jóslást végezni T1-es csatornákat T2, T3, T4 csatornákban lehet nyalábolni
SONET/SDH Trönkök, multiplexelés 1985 Bellcore kidolgozza a szinkron optikai hálozat (Syn. Opt. NETwork) szabványát 1989 SONET szabvány + CCITT ajánlások szinkron digitális hierarchia (Syn. Dig. Hier.) SONET 4 fő célja Különböző vivők együttműködtetése USA, EU, Japán digitális rendszereinek kompatibilissá tétele Digitális csatornák további nyalábolási szintjeinek meghatározása (ekkor még T3 volt csak, T4 elméletben) Üzemeltetési, adminisztrációs, karbantartási eljárások kidolgozás, implementálása
SONET/SDH Trönkök, multiplexelés 10-9 sec pontos órára időzítve (alcsatornák időréseket kapnak) (ATM pl. szinkron nélküli) SONET keret alapja: 810 byte-os blokk (125 μs-onként), mely mindenképp kimegy STS-1 (synchronous transport signal-1) 810x8=6480 bit / sec * 8000 = 51,84 Mbps A többi szint ennek a többszöröse (pl.: STS-192: 9953.28 Mbps )
Kapcsolási módok Külső eszközök: előfizetői hurok, trönkök Belső eszközök: kapcsolók Vonalkapcsolás Csomagkapcsolás Vonalkapcsolás (circuit switching)
Kapcsolási módok Vonalkapcsolás (circuit switching) Eleinte kézi kapcsolás ( Strowger - temetkezési vállalkozó) Később automata kapcsolók Csomagkapcsolás
Vonalkapcsolás Kapcsolási módok A hívójelnek és visszaigazolásnak körbe kell érnie a valós adatátvitel előtt ez sokszor nem kivárható (pl. bankkártyás fizetés) Kapcsolat után a késleltetés a fizikai tulajdonságokból adódik csupán Kapcsolat felépülése után nem kapunk foglalt jelet
Kapcsolások időzítése (a) vonalkapcs. (b) Üzenetkapcs. (c) Csomagkapcs. Kapcsolási módok
Kapcsolási módok Üzenetkapcsolás (message switching) Load and Store: adatblokkot átküld, ha megérkezett, router tárolja és továbbküldi amint lehet Első példa: távíró lyukszalag beolvasva, továbbküldve, ott kijön, újra beolvassák, tovább neve: tépőszalagos központ (torn tape office) Üzenetkapcsolásban az adatblokk méretét nem korlátozzuk, routereknek nagy tárolókapacitással kell rendelkeznie Adatblokk ez miatt percekre is foglalhatja a router vonalait interakció nem garantált
Kapcsolási módok Csomagkapcsolás (packet switching) Szigorú felső korlát a csomagokra Routerbe nem kell diszk, elég az operatív tár A vonalak túl hosszan nem blokkolódnak, interaktív kapcsolatra alkalmas A kisebb csomagok miatt az üzenet első csomagját már akkor küldhetjük, amikor a második még nincs kész késleltetés kisebb, áteresztőképesség nagyobb A csomagok nem biztos, hogy azonos úton haladnak, a sorrendjük megváltozhat (ez nem igaz a virtuális áramkörökre, amelyek szintén csomagokkal kommunikálnak, de a sorrend garantált,van viszont kapcsolat kiépítés szakasz)
Kapcsolási módok Csomagkapcsolás (packet switching) Kieső útvonalakra kevésbé érzékeny, alternatív utakat keres (erre találták ki) Virtuális áramköröknél előre foglalhatunk sávszélességet (QoS!) Torlódás csomagkapcsolt rendszerben az adatátvitel közben is megtörténhet, virtuális áramkörökben csak előtte, a kiépítésnél, közben nem, vonalkapcsolásnál nincs torlódás, legfeljebb várni kell a vonalra (foglalt jelzés) Csomagkapcsolásnál nem foglaljuk a sávszélességet feleslegesen (jó kihasználtság, nem garantált minőség vagy garantált minőség, rossz kihasználtság)
Kapcsolási módok Csomagkapcsolás (packet switching) Kieső útvonalakra kevésbé érzékeny, alternatív utakat keres (erre találták ki) Virtuális áramköröknél előre foglalhatunk sávszélességet (QoS!) Torlódás csomagkapcsolt rendszerben az adatátvitel közben is megtörténhet, virtuális áramkörökben csak előtte, a kiépítésnél, közben nem, vonalkapcsolásnál nincs torlódás, legfeljebb várni kell a vonalra (foglalt jelzés) Csomagkapcsolásnál nem foglaljuk a sávszélességet feleslegesen (jó kihasználtság, nem garantált minőség vagy garantált minőség, rossz kihasználtság)
Kapcsolási módok Csomagkapcsolás (packet switching) Nem transzparens (a vonalkapcsolás az) Olyan sebességgel megy, amit a szolgáltató megenged (autópálya és vonat példa) Számlázás mehet az átvitt adat mennyisége szerint (vonalkapcsolásnál a távolság és foglalási idő alapján)
Kapcsolási módok
Mobiltelefon rendszer A vezetékes hálózatok lehetnek több Gb-esek, de fix végpontok közt működnek A mai ember mozgás közben akarja a kommunikációt A mobil kommunikáción túl a mobil adatátvitel is igény Mobiltelefonok fejlődése Analóg továbbítás Digitális továbbítás Digitális továbbítás + adattovábbítás Analóg rendszer USA-ban szabványos volt, EU-ban nem Digitális rendszer EU-ban szabványos, USA-ban több szabvány is fut
Mobiltelefon rendszer EU-ban a mobiltelefonok jobban elterjedtek Okok Külön körzetszám van, felismerhető mi mobil, hívó fizet (USA-ban keverednek a számok, a hívott is fizet, sokan nem akartak ezért mobilt) EU-ban egy rendszer, USA-ban több EU-ban a feltöltőkártyák révén sok fiatalnak van telefonja
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1946 St. Louis első autótelefon rendszer Átkapcsolásos (Push to Talk): adót és vevőt egy gombbal kapcsoljuk (CB) 1 adótorony a városban, egyetlen csatorna 1960 IMTS (Improved Mobile Telephone System javított mobiltelefon rendszer) 1 adó (200 W) 23 csatorna (150-450 MHz) ez kevés, sokszor várni kellett Külön adó és vevő frekvencia, így nem kellett gombbal kapcsolni 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) Bell fejlesztés, analóg rendszer Japánban TACS, Egyesült Királyságban MCS-L1 néven ment
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) Földrajzi területet cellákra osztották (Cell Phone), 10-20 km-es átmérővel (digitális rendszerekben ennél kisebb, belvárosokban 300-1000 méter között) Minden cella olyan frekvenciahalmazt használ, melyet egyik szomszédja sem (távolabbi cellák használhatják ugyanezen frekvenciákat egyik nagy előnye a cellás rendszereknek) A cellák sűrítésével a fentiek okán is a kapacitás sokszorozható, a telefonok adóerőssége minimalizálható (kis akku, kis telefon) A cellák további osztását mikrocellás felosztásnak hívják, ezek sokszor mobil tornyok, melyeket műholdas kapcsolattal kötnek be (nagyobb koncertek események helyére telepítenek mobil tornyokat)
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) (a) Betük: frekvenciahalmazok (b) mikrocellás felosztás
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) Minden cella közepén egy bázisállomás van, ehhez kötődnek a telefonok a cellában Bázisállomás: számítógép + antenna + adóvevő Bázisállomás legalább egy MTSO-val (Mob. Tel. Switching Office) áll kapcsolatban (MTSO a helyi központ megfelelője) Egy telefon logikailag egy cellához kapcsolódik Ha kimegyünk a cellából, és bemegyünk egy másikba, akkor a cellák egymás közt megbeszélik, kihez mentünk be, ő átvesz (handoff) és felszólítja a készülékünket a csatornaváltásra --- egész 300 ms
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) A rendszer agya az MTSO Soft handoff: amíg új kapcsolat nincs, a régi él Hátrány: 2 frekvencián egyszerre kell működnie a készüléknek Előny: a beszéd nem szakad Hard handoff: régi eldobja, új felveszi. Ha nem elég gyors, megszakad néha előfordul, első és második generációs készülékek így működnek AMPS Csatornák: 832 duplex csatorna (szimplex párok), adás: 824 MHz és 849 MHz között, vétel: 869 MHz és 984 MHz között, minden csatorna 30kHz sávszélességű, AMPS FDM-et használ az elkülönítésre Hullámhossz itt 40 cm körüli, növények elnyelik, épületek visszaverik Többutas elgyengülés itt is él (multipath fading)
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) 832 csatorna beosztása Vezérlés (bázistól mobil felé) felügyelet 21 csatorna, PROMban Hívás (bázistól mobil felé) bejövő hívás Hozzáférés (kétirányú) hívásfelépítés, csatornakiosztás Adat (kétirányú) beszéd, fax, adattovábbítás 832 csatornából a cellás leosztás miatt egy cellában a beszédcsatornák száma 45 körül mozog Híváskezelés Mobilkészülék 32 bites gyári számmal és 10 jegyű hívószámmal rendelkezik (PROM) 3 jegyű körzet, 7 jegyű előfizetői szám Bekapcsoláskor a 21 vezérlőcsatornából kikeresi a legerősebbet
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) Híváskezelés Bekapcsolás után a telefon szétküldi a 32 bites egyedi azonosítóját és a 34 bites hívószámát (innentől tudnak róla a cellák a környéken) A fenti és egyéb vezérlőinformáció digitálisan megy, hibajavító kóddal, a beszéd analóg Bázisállomás jelenti a bejelentkezést az MTSO-nak, rögzíti a telefon helyzetét (amit kb. 15 percenként befrissít ne bujkáljunk bekapcsolt telefonnal a hatóságok elöl ) Hívás A kért számot be kell ütni és hívás gombbal elküldeni Hozzáférési csatornán elmegy a kért és a saját számunk MTSO keres egy csatornát a hívott felé, jelez neki, mi pedig megkapjuk a csatorna számát, odaváltunk és várjuk, hogy felvegye
Mobiltelefon rendszer első generációs, analóg átvitel 1982 AMPS (Advanced Mobile Phone System fejlett mobiltelefon rendszer) Híváskezelés Bejövő hívás Hívott fél MTSO-jához bejön a kérés, MTSO a telefon cellájához tartozó bázisállomáson keresztül kéri a hívottat, jelentkezzen, Ha él, válaszol, Ha válaszol, az MTSO megadja, melyik csatornán hívják, az átvált ide, és csörög. Ha felvesszük, a másik fél már az adott csatornán bent van, és beszélhetünk.