Széchenyi István Főiskola Győr, Hédervári út 3. Hartványi Tamás Kovácsházy Tamás Számítógép hálózatok I. A jegyzet a Számítógép hálózatok c. tantárgy előadásai alapján készült. Szerkesztette: Éder Zsolt Győr, 2001. szeptember
A valóságban történő folyamatos technológiai változások miatt a jegyzetben szereplő témák között régebbi technikák is előfordulnak, de csak az alapoktól kiindulva juthatunk el a 3. évezred technikájához. Az előadások időbeli korlátjai miatt csak a leglényegesebb témaköröket ismertetjük, a lehető legnagyobb részletességgel. Felhasznált Irodalom: Andrew S. Tanenbaum: Számítógép-hálózatok I, II (Novotrade kiadó Kft., 1992, ISBN: 963 585 162 6) Bánhidi Árpád Dobai József Váradi Zoltán: Az Integrált Szolgáltatású Digitális Hálózat SZIF, 1998 Jegyzetet Hartványi Tamás és Kovácsházy Tamás előadásai alapján készítette Éder Zsolt. Hartványi Tamás hartvany@rs1.szif.hu Kovácsházy Tamás khazy@mit.bme.hu Éder Zsolt pumuckly@freemail.hu A jegyzet kiadásáért felelős: Hartványi Tamás Minden szerkesztői gondosság ellenére a jegyzetben előfordulhatnak hibák. Kérem, hogy ezeket a fenti e-mail címen nekem jelezzék. Hartványi Tamás - 2 -
Tartalomjegyzék TARTALOMJEGYZÉK... 3 1. BEVEZETÉS... 6 2. SZÁMÍTÓGÉP HÁLÓZATOK... 7 2.1. A SZÁMÍTÓGÉPES HÁLÓZATOK ALKALMAZÁSA, CÉLJA... 7 2.2. HÁLÓZATOKRÓL ÁLTALÁBAN... 8 3. TELEKOMMUNIKÁCIÓS HÁLÓZATOK, ÉS SZOLGÁLTATÁSOK... 9 3.1. A HANG ÁTVITELE (TELEFON)... 11 3.1.1. A vonalkapcsolt adatátvitel... 12 3.1.2. Csomagkapcsolt adatátvitel... 12 3.1.3. Üvegszál... 13 3.2. ÁTVITELI PROBLÉMA... 13 3.3. ELŐFIZETŐI VONAL FESZÜLTSÉG KÉPE (TÁRCSÁS KÉSZÜLÉK ESETÉN)... 14 3.4. A CSOMAGKAPCSOLT ADATÁTVITEL:... 15 3.4.1. Az átvitel folyamata... 15 3.4.2. Csomag... 15 3.4.3. Szolgáltatások:... 16 3.5. SZÓRT ADATÁTVITEL:... 17 3.5.1. INMARSAT rendszer... 17 3.6. HÁLÓZATOK:... 17 4. SZABVÁNYOSÍTÁS... 18 4.1. A SZABVÁNYOSÍTÁS FOGALMA:... 18 4.1.1. A legalsóbb szint: üzemi szabvány... 18 4.1.2. Nemzeti szabvány... 18 4.1.3. Nemzetközi szabvány... 18 4.2. A SZABVÁNYOSÍTÁS MENETE... 19 5. A HÁLÓZATOK... 20 5.1. EGY HÁLÓZATBAN TÖBB SZOLGÁLTATÁS... 20 5.2. ISO-OSI MODELL... 20 5.2.1. A rétegek feladatai... 22 5.2.1.1. A fizikai réteg... 22 5.2.1.2. Az adatkapcsolati réteg... 22 5.2.1.3. Hálózati réteg... 22 5.2.1.4. Szállítási réteg... 22 5.2.1.5. Viszonyréteg... 22 5.2.1.6. Megjelenítési réteg... 22 5.2.1.7. Alkalmazási réteg... 22 6. AZ ISO-OSI MODELL RÉTEGEI... 23 6.1. A FIZIKAI RÉTEG... 23 6.1.1. Az adatkommunikáció elméleti alapjai... 23 6.1.2. Zaj... 25 6.1.3. Fizikai közegek:... 25 6.1.3.1. A vezetékes adatátvitel problémái, védelmi szempontok... 25 6.1.3.2. Biztonság... 26 6.1.3.3. Vezetékek felépítése... 26 6.1.4. Vezeték nélküli adatátvitel... 28 6.1.5. Kapcsolatok, felépítse... 29 6.1.5.1. Bitfolyamok... 29 6.1.5.2. Kapcsolódás a fizikai közeghez... 30 6.1.5.3. Kapcsolatok típusa:... 30 6.1.5.4. Csatornák... 31 6.2. ADATKAPCSOLATI RÉTEG (KÖZEG-HOZZÁFÉRÉSI ALRÉTEG)... 34 6.2.1. Szolgáltatás primitívek:... 34-3 -
6.2.2. Hibajelzés, hibajavítás... 35 6.2.3. Keretképzés probléma:... 35 6.2.4. ETHERNET... 36 6.2.4.1. Ethernet története... 36 6.2.4.2. A kábelek korlátozásai, keretképzés... 37 6.2.4.3. Ethernet, IEEE 802.3 szabvány... 38 6.2.4.4. Ethernet keretképzés:... 39 6.2.4.5. A hálózati kommunikáció... 39 6.2.4.6. A rendszer hatékonysága:... 40 6.2.4.7. Számítógépes hálózati elemek... 41 6.2.5. A hálózati aktív elemek... 43 6.2.5.1. A Token gyűrű, és a CSMA/CD összehasonlítása... 43 6.2.5.2. Repeater (Jelismétlő)... 43 6.2.5.3. Bridge (Híd)... 44 6.2.5.4. Switch (kapcsoló)... 45 6.2.6. A fizikai és adatkapcsolati réteg összefoglalása... 46 6.3. HÁLÓZATI RÉTEG... 47 6.3.1. Hálózati réteg protokoll... 47 6.3.2. Forgalomszabályozás, forgalomirányítás.... 48 6.3.2.1. Forgalomirányítási algoritmusok... 49 6.3.2.2. Forgalomszabályozás... 49 6.3.2.3. Torlódásvezérlés... 50 6.3.3. Egyéb eszközök a hálózati rétegben... 50 6.3.3.1. Router... 50 6.4. SZÁLLÍTÁSI RÉTEG... 51 6.4.1. A szállítási réteg funkciói... 51 6.4.1.1. Szolgáltatás minősége (Quality of Service: QOS)... 52 6.4.1.2. Az átvitel hibavalószínűsége (hiba/bit)... 52 6.4.1.3. Prioritás... 52 6.4.1.4. Védelem... 52 6.4.1.5. Rugalmasság... 52 6.4.2. Kapcsolat felépítés/lebontás lépései... 53 6.4.3. Címzés... 53 6.4.4. Összeköttetés Management protokollok... 54 6.4.5. TCP/IP, Internet protokoll... 57 6.4.5.1. Történelmi áttekintés... 57 6.4.5.2. A TCP/IP hálózat felépítése... 58 6.4.5.3. Az IP fejrész szerkezete... 59 6.4.5.4. ARP, RARP... 60 6.4.5.5. IP réteg... 60 6.4.5.6. IP címek kialakítása... 61 6.4.5.6.1. Speciális IP címek... 61 6.4.5.7. DNS Domain Name System... 62 6.4.5.7.1. A DNS fastruktúra... 63 6.4.5.7.2. A DNS szerver felé irányuló kérések tartalma... 64 6.4.5.8. ICMP (Internet Control Message Protocol)... 64 6.5. VISZONYRÉTEG... 65 6.5.1. A Szállítási réteg és a viszonyréteg összehasonlítása... 65 6.5.2. Kölcsönhatás menedzselés... 66 6.5.3. Szinkronizáció problémája... 66 6.6. SZÁLLÍTÁSI RÉTEG... 67 6.6.1. TCP/IP szállítási réteg... 67 6.6.2. Portok szerepe, portok kiosztása... 67 6.6.3. Az adatok áramlása két állomás között (UDP User Data-gram Protocol)... 68 6.6.3.1. UDP csomag... 68 6.6.3.2. UDP csomag felépítése:... 68 6.6.4 TCP (Transmission Control Protocol)... 69 6.6.4.1. Az IP csomag felépítése TCP hálózat esetén... 69 6.6.4.2. A TCP fejrésze szerkezete:... 69 7. ISDN HÁLÓZATOK... 72 7.1 BEVEZETÉS... 72 7.2 AZ OSI-ARCHITEKTÚRA RÉTEGEI AZ ISDN BEN... 74 7.3 A HASZNÁLÓI-HÁLÓZATI INTERFÉSZ... 74 7.3.1 Hivatkozási modell... 74-4 -
7.3.2 Az alap- és primer sebességű hozzáférés... 76 7.3.3 Funkcionális csoportok... 78 7.4 PROTOKOLL-FELÉPÍTÉS A B ÉS D CSATORNÁKON... 79 8. TITKOSÍTÁS... 82 8.1. VÉDELEM A KÜLSŐ BEHATOLÁSOK ELLEN... 82 8.2. TITKOSÍTÁS LÉPÉSEI... 82 8.3. A KÓDOLÁS DEKÓDOLÁS SORÁN FELMERÜLŐ PROBLÉMA... 86-5 -
1. Bevezetés Már az őskorban is próbáltak az emberek egymással kommunikálni, egymás figyelmeztetését mutogatással, majd hangjelzéssel is segítették. A kezdeti felfedezések, pl. tűz megismerése, jelentősen befolyásolták az emberek viselkedését. Az indiánok korában jelentős szerepe volt a harcosok között a nagyobb távolságra történő információküldésnek, minél rövidebb idő alatt. Az akkori technikát nézve a füstjelzést használták, mint egyfajta kezdetleges információtovábbító rendszert. Ha egy kicsit jobban belegondolunk, ez a fajta üzenettovábbítás valójában egyfajta optikai átvitel, hasonlóan a más kultúrák által használt, pl. tükörrel megvalósított adatátvitelére. Már ezeknél a technikáknál is megfigyelhető volt, hogy két állapotot (van, nincs) próbáltak felhasználni az üzenetek továbbítására. Hogy ez az üzenet mindkét fél számára ismert legyen megegyezés alapján, kódrendszereket hoztak létre, amit jobb esetben csak a küldő, és a vevő ismert, esetleg közismertté tették (Pl. Morze). A már említett technikák során is merültek fel átviteli problémák. Ha például esett az eső, vagy éppen éjszaka volt, akkor az információkat nem tudták eljuttatni a címzettnek. Gyakorlatilag már ez a kis bevezető vázolta a továbbiakban szereplő fontosabb problémákat. Igaz, ekkor még nem említettem a technika fejlődését, az elektronika elterjedését. A Morze ABC és az elektromos áram felhasználásával létre hozták a távírót, amely segítségével üzeneteket tudtak küldeni két város között. A fejlődés nem állt meg, létre jött a telefon, amely egy központ segítségével, két fél között, beszéd átvitelére volt képes. Nagyvonalakban így juthatunk el a napjaink adatátviteléhez, a számítógépes hálózatokhoz. Számítógép hálózatokról két esetben is beszélhetünk. Az egyik a számítógépen belüli hálózat, amely a számítógép sajátossága, tehát a processzor, a memória és a perifériák közötti együttműködést határozzák meg. Ezeknek a működéséről a Számítógépek architektúrái c. tantárgy keretében részletesen is tanulhattunk. Külön megemlítendő viszont a többprocesszoros számítógépek használata, amely biztonság szempontjából előnyös tulajdonsággal rendelkezik, mégpedig ha az egyik processzor leáll, akkor a másik tovább tud dolgozni (ha nem hardverhiba miatt állt le). A számítógépes hálózatoknak a céljai, hogy két vagy több számítógépen tudjanak egy időben ugyan azon a feladaton dolgozni, valamint a számítógépek között megosztott erőforrások legyenek (lásd később). Osztott erőforrás lehet például a merevlemez, CD-ROM meghajtó, nyomtató. Számítógép hálózatok esetén a számítógépek egymással kommunikálnak, a gépek között adatkapcsolatnak kell lenni. A hálózatokban a számítógépek autonóm módon vesznek részt, elosztott paraméterű gépekből épülnek fel. Még megjegyzendő, hogy kétféle számítógép csoportot különböztethetünk meg a hálózatokban. A szerver, amely központi kiszolgáló gépként jelenik meg, feladata, hogy a kliens számítógépeknek erőforrásokat biztosítsanak. A hálózat kezdetben haditechnikai alkalmazásból fejlődött ki, de már ekkor Unix rendszer segítségével valósították meg a védelmet. A kezdeti nagyvállalatoknál az első számítógépek elterjedésével, amelyek még nagyok és lassúak voltak, terminálokon keresztül érték el a központi gépet. A mai WAN hálózatokon általában egymástól távolra lévő cégek közötti kapcsolatra, üzleti célokra használják fel. Manapság már otthon a számítógép előtt ülve, vásárolhatunk is a hálózaton keresztül. A telefon elterjedése és fejlődése során egyre gyakoribb a modemes csatlakozás, amely segítségével már nem csak üzeneteket, leveleket tudunk küldeni, hanem képeket, hangokat is továbbíthatunk, esetleg néhány rádió adását is hallgathatjuk élőben. Az ISDN (Integrated Service Digital Network) hálózat felhasználásával valós idejű un. Videókonferenciát is folytathatunk, amelynek lényege, hogy kettőnél több résztvevője is lehet. Azt is előnynek lehet mondani, hogy a beszélgetőpartnerek látják is egymást, és mivel a monitort kell csak nézni, egyszerre rálát a konferencia összes részvevőjére. A mai rendszerekben a hálózati alkalmazásokhoz a JAVA fejlesztő rendszert alkalmazzák leginkább. - 6 -
2. Számítógép hálózatok 2.1. A számítógépes hálózatok alkalmazása, célja A számítógépes hálózatot a haditechnikában fejlesztették ki először, katonai célokra, titkos katonai adatok továbbítására használták fel. A katonasággal együtt egyetemi szinten is történtek fejlesztések a hálózatotok terén. Később kezdett el elterjedni az üzleti felhasználása is, amikor a nagy számítógépgyártók elérhetővé tették a számítógépeket az üzletek, majd később a magánszemélyek részére is. A hálózat lényege hogy egy központi számítógép felhasználásával, amely kiszolgáló gépként volt jelen, kliens számítógépeket (terminálokat) megbízható szinten szolgálája ki. A terminálok egy billentyűzetből (keyboard) és egy megjelenítőből (display) álltak. A központi számítógéphez tartoztak perifériák, amelyeket a terminálokon dolgozók használhattak fel (mágnesszalag, mágneslemez, lapolvasó, nyomtató, stb.). A terminálok a központi számítógéppel közvetlen össze voltak kapcsolva, a kiszolgálást megfelelő operációs rendszer biztosította. A számítógépes hálózatok célja, hogy a kisebb teljesítményű számítógépek, illetve terminálok számára biztosítsák az erőforrásokat (erőforrás megosztás), megbízható adathozzáférést, valamint a pénz-megtakarítást sem lehet figyelmen kívül hagyni. A számítógépes hálózatokat három különálló, valamint egymásra építve összekapcsolható egységre bonthatjuk fel: 1) LAN (Local Area Network) - Helyi hálózat, maximum kb. 1000 számítógép összeköttetése. Ezt a hálózati formát a vállalatoknál alkalmazzák, ahol az épületen belüli számítógépek öszszekapcsolását valósítják meg. A kiterjedése legfeljebb 1 km, de általában nem tervezik hosszúra. A számítógépek összeköttetésére szolgáló közeget mivel zavaró hatások is érhetik (rádióhullám, stb.), ezért megfelelő távolságonként speciális egységeket kell a rendszerbe elhelyezni. 2) MAN (Metropolitan Area Network) Város méretű hálózat. Ennek a hálózatnak az a lényege, hogyha egy vállalatnak egy városon belül több raktára, telephelye van, és a központi telephelyen dolgozzák fel az adatokat, akkor a hálózat kiépítésével, bármelyik telephelyről bármely másik telephely adatait elérhessük. A MAN felhasználása mostanában jobban elterjedt, mivel a kábeltelevíziós cégek a kábeltelevízió mellet biztosítják, hogy megfelelő egységgel kibővítve a rendszert, akár otthonról is elérjünk más rendszereket. A kábeltelevíziós hálózat egyik nagy előnye a telefonvonalas hálózattal szemben, hogy jóval kisebb költség mellet hasonló színvonalú (talán gyorsabb) szolgáltatáshoz jussunk. 3) WAN (Wide Area Network) Széles sávú hálózat, világméretű hálózat. Ide tartozik az Internet is. Lényege, hogy már nem csak városon belüli, hanem az egész Földet behálózó hálózatról beszélünk. A legáltalánosabb formája a modemes kapcsolat, amely lehetővé teszi, hogy egy telefonvonalon keresztül nagy távolságra lévő adatokat tudjunk elérni. A nagy távolság ez esetben például Győr és New York, de Győr és a MIR űrállomás közötti kapcsolatot is jelentheti. Már itt megjegyzendő, hogy a hálózatok egymáshoz kapcsolhatók, tehát a LAN hálózat alól nyugodtan el tudjuk érni a MAN, vagy a WAN hálózatot (megfelelő eszköz, szerver felhasználásával), de nem minden esetben érhető el a WAN hálózatra kapcsolódva más rendszerben lévő LAN hálózat. A WAN hálózat is lehet olyan, hogy csak egy cég üzemei közötti adatforgalmat engedi át, és kívülről nem lehet hozzáférni. - 7 -
2.2. Hálózatokról általában Kommunikációs hálózatok Nyilvános hálózatok Nem nyilvános hálózatok Vezetékes hálózatok Mobil hálózatok Beszédátviteli hálózatok Adatátviteli hálózatok Földi hálózatok Satellit hálózatok Telefon-hálózat Telex-hálózat Vonalkapcsolt hálózat Csomagkapcsolt hálózat (NMT) Analóg rádiótelefon (GSM) Digitális rádiótelefon DECT (PCN) E-Netz Geostacionárius rendszerek (Inmarsat) Földközeli rendszerek (Iridium, Globalstar) Az ábra alapján láthatjuk, hogy a kommunikációs hálózatok alapvetően két részre bonthatók. Nem nyilvános hálózatoknak azokat a hálózatokat tekintjük, amely a magánszemély számára nem hozzáférhető. Többnyire nagyobb vállalatok például a MÁV, valamint a hadsereg alkalmaz ilyen szintű hálózatokat, de bárkinek lehet nem nyilvános hálózata (Pl. SZIF - Intranet). A MÁV hálózata úgy van kialakítva, hogy a hálózaton belül bárki el tudja érni a munkatársát, de lehetőséget biztosít arra is, hogy megfelelő jogosultsággal, a külső hálózatot is el lehet érni (pl. telefon). A nem nyilvános hálózat előnye, hogy a használatáért nem kell a szolgáltató felé térítési díjat fizetni. Az ilyen rendszereknél a kialakítás a tulajdonos elképzelése alapján történik, figyelembe véve a technikai megvalósítás lehetőségeit. A rendszernek egy másik nagy előnye, amit szintén nem lehet figyelmen kívül hagyni, hogy mivel kívülről nem lehet hozzáférni, ezért hálózat biztonsága meglehetősen erős. A nem nyilvános hálózatoknál biztonságtechnikai feltételeket is figyelembe kell venni. 1. Kapok-e egyáltalán vonalat, pl. a nem nyilvános hálózatból megengedhető-e a nyilvános hálózatra való kilépés, van-e hozzá az illetőnek jogosultsága. 2. Fennálló beszélgetés során figyelembe kell venni a lehallgatás veszélyét, esetleg titkosítást, kódolást kell alkalmazni. 3. Titkosított hálózatok esetén, egyszerű eszközökkel a titkosítás kódja ne legyen megfejthető. 4. Szakmai szempont: pl. vasúti telefonrendszerek. Nyilvános hálózatokba tartozik minden olyan hálózat, amely a magánszemélyek számára is elérhető, de a hálózat szolgáltatásként jelenik meg, és a szolgáltatások igénybevételét a felhasználónak meg kell fizetni. Ez a hálózat szintén részekre bontható, az alapján, hogy vezetékkel, vagy vezeték nélkül valósítjuk meg az adatátvitelt. A kétféle hálózat között egy központ segítségével lehetőség nyílik az összekapcsolásra. - 8 -
20 300 3400 20000 Kép átvitel Széchenyi István Főiskola, Győr Számítógép hálózatok 1. Vezetékes hálózatok azok a hálózatok, amelyeknél a két fél között valamilyen fizikai vezeték fekszik. Ez a vezeték általában egy réz érpárból áll. A vezetékes hálózatokon nagy sebességű információt lehet átvinni. Az átvitel régebben vonalkapcsolással történt, tehát a telefonközponton keresztül a két fél fizikailag egy vezetéken keresztül volt összekapcsolva. A sávszélesség jobb kihasználtsága végett elkezdték alkalmazni a csomagkapcsolt adatátvitelt. A csomagkapcsolt átvitel lényege, hogy az átviendő adatokat (a beszédet digitális formára alakítják, ezután adatként kezelhető) feldarabolják, csomagokra bontják fel. A csomagok úgy vannak felépítve, hogy az általuk képzett adatok egy bizonyos frekvenciasáv között elférnek. A csomagokat ezután egy vezetéken, azonos időben, más frekvenciasávokon továbbítják, kihasználva a vezeték átviteli kapacitását. Figyelembe kell azonban venni, hogy eltérő szolgáltatásoknál más frekvenciasáv szükséges az adatátvitelre. A csomagkapcsolt átvitelt a telefonvonalon azért valósíthatták meg, mert a telefonon a beszéd átvitelére kis frekvenciát alkalmaznak (300-3400Hz), szemben a beszéd 20-20000 Hz-es frekvenciájával, és ezen a sávon is megfelelő minőségben hallható a hang. A kisebb tartomány használatával lehetőség nyílik arra, hogy egy vezetéken egyszerre több beszélgetés is történjen. (Megfelelő eszközök alkalmazásával). Vezetékes hálózatoknál a beszéd átviteli hálózatokat és az adatátviteli hálózatokat különböztetjük meg, mivel funkciójukat tekintve lényegesen eltérő technikát igényelnek. Mobil hálózatokról akkor beszélünk, amikor a két fél között fizikailag nem jöhet létre vezetékes kapcsolat, vagy az állandó mozgás miatt nem lehetséges, hogy mindig magunkkal vigyük a vezetéket, esetleg a vezetékes hálózatot az országban nem építették ki. A mobil rendszerek esetén nem két végpont közötti közvetlen kapcsolat alakul ki, hanem egy végpont és egy felület között létesít öszszeköttetést. A mobil rendszerek esetén kétféle lehetőség létezik. Az egyik, amikor nagyfrekvenciás rádióhullámokra ültetve a lekódolt hanganyagot, juttatjuk el a vevő félhez, aki rendelkezik a dekódoló egységgel, és a megfelelő kódokkal. Ezt alkalmazzák például az amatőr rádiósok, vagy a mobiltelefont használók. Ennek az összeköttetésnek a lényege, hogy egy kiépített antennahálózat segítségével tetszőleges helyről lehet beszélgetést kezdeményezni. Az antennahálózat nélkül a kommunikáció nem lehetséges. A másik lehetőség, amikor nem a föld légkörében alkalmazott rádiófrekvenciás jelek, hanem a föld körül keringő műholdak segítségével hozzuk létre a kapcsolatot. A műholdaknál viszont figyelembe kell venni, hogy a Geostacionárius műholdak (amelyek a föld forgásával együtt forognak) fizikailag nagy távolságra helyezkednek el, és ekkora távolság esetén már jelentkezik a fénysebesség miatti késleltetés, ami akár több másodperc is lehet. Ennek a problémának a kiküszöbölésére több módszert is kidolgoztak, de még végleges nem született. 1998 végén jelentek meg a föld közeli műholdak, amelyeknek az egyik hibája, hogy nem a föld sebességével haladnak együtt (mert akkor a kis sebességük, és a gravitáció hatására lezuhannának), hanem nagyobb sebességgel kerülik meg a földet. A műholdvevő egységeket ezért úgy kell kialakítani, hogy kövessék a műhold mozgását, és ha a műhold lenyugszik, akkor mivel a folyamatos átvitelt az már nem tudja tovább biztosítani, ezért egy másik hasonló funkciójú műholdra kell ráállni. Erre azt a megoldást dolgozták ki, hogy több azonos műholdat hoztak működésbe, és a pályájukat úgy állították be, hogy amikor számunkra az egyik lenyugszik, akkor kelljen fel a másik. A vezeték nélküli földi hálózatok között megkülönböztetjük: Analóg eszközök: Analóg rádiótelefon (NMT), amatőr rádiózás. Digitális eszközök: Digitális rádiótelefon (GSM) DECT E-Netz (PCN) A műholdak továbbítanak a navigációs rendszerek számára elérhető információkat. 3. Telekommunikációs hálózatok, és szolgáltatások beszéd Mozgókép átvitele, jó minőségben - 9 - Hz
SZOLGÁLTATÁSOK HÁLÓZATOK Hang Kép Szöveg Adat 1970- -2010 Távbeszélő Távbeszélő memóriával TELEFAX Adatátvitel modemmel Telefon Analóg Digitális Képtávbeszélő TEMEX Távrajzoló Állandó szolgáltatások Bérelt ISDN TELETEX Vonalkapcsolt adatátvitel TELEBOX Datex-L IBFN BTX (Bildshirmtext) IDN Csomagkapcsolt átvitel Datex-P Videokonferencia TELEX Telex Telex Szélessávú hálózat Mobiltelefon Személyhívó EUROSIGNAL Analóg GSM Rádió Televízió VIDEOTEXT Műsorszóró hálózatok - 10 -
A már meglévő hálózat némi korláttal (csatornakapacitás, sávszélesség korlát), alkalmas az adatok átvitelére, de új hálózattípust is kell találni. Ez leginkább a számítástechnikában fontos. Azért szükséges az újabb hálózat kialakítása, mivel a már meglévő átviteli hálózatot használó két, nagysebességű számítógép közötti, lassú csatorna miatt lecsökken a számítógép teljesítménye, várakozni kell a távoli gép adataira. Nagy sebességű számítógép 1. Lassú Gyors Nagy sebességű számítógép 2. A számítógépes hálózat alapvető problémája a távközlési összeköttetés. A két számítógép közötti összeköttetés reális sebességelérése a cél. Ez csak úgy lehetséges, ha új átviteli csatornát alkalmazunk, fejlesztünk ki. Nagy sebességű számítógép 1. Gyorsabb Átviteli csatorna Gyors Nagy sebességű számítógép 2. 3.1. A hang átvitele (telefon) Fejlesztettük a régi csatornát, ezáltal az átviteli sebesség nőt. Átviteli csatorna A hang átvitelénél az első probléma, amivel találkozunk, hogy a csatorna elektronikus áramkörökből, (általában) rézvezetékből áll, tehát a hangot elektromos jellé kell alakítanunk, majd azt a csatornánkon továbbítani, a legvégén pedig vissza kell alakítani hanggá. A kódolás legegyszerűbb formája, amikor a hanghullámokat, mikrofonnal megegyező működésű áramkörrel elektromos jellé alakítjuk, majd az így kapott elektromos jelet magasabb elektromos hullámmá alakítjuk, és felhelyezzük a csatornára a vevő felé. A telefonos hálózat esetén legelőször egy telefonközpontba kerül az általunk előállított jel, majd a vevő azonosításának megfelelően, akár több telefonközponton keresztül, megérkezik a jel a vevőhöz. A vevőnél a magas frekvenciájú hullámot, a számunkra megfelelő nagyságú, alacsonyabb frekvenciájú jellé alakítjuk. Az átalakítás után a vevő számára, egy hangszóróhoz hasonló eszközzel, hallhatóvá tesszük. Mikrofon Hanghullám Elektromos hullám Magasabb elektromos hullám 1. Telefonközpont 2. Telefonközpont Csatorna (átvitel a vevő felé) 3. Telefonközpont A magas frekvenciájú jelek alacsonnyá alakítása. Az elektromos jel visszaalakítása - 11 -
3.1.1. A vonalkapcsolt adatátvitel A vonalkapcsolt hálózatok esetén a két végpont között közvetlen kábelkapcsolat van, vagyis egy teljes vezetéket lefoglalnak a beszélgetés során a felhasználók. A beszélgetésnél 48 voltos egyenfeszültségre szuperponálódik rá az elektromos hullámmá alakított hang. Egy vezetéken egyszerre csak egyetlen beszélgetés folyhat, ezért meg kell valósítani, hogy minden központ tartalmazzon annyi szabad vezetéket a másik központ felé, hogy ne legyen sose lefoglalva az összes vonal, különben egy új kapcsolat létesítésének az lesz a feltétele, hogy valakinek a kapcsolatát meg kell szakítani, vagy meg kell várni, hogy valaki befejezze a telefonálást. Általában egy telefonközpont nem csak egy, hanem több telefonközponthoz is kapcsolódik, ezért elképzelhető, hogy egy kapcsolat létesítésénél nem a legrövidebb kapcsolatot választjuk. Ilyenkor egy távolabbi telefonközponton keresztül, más (esetleg hosszabb) útvonalon, érjük el a kívánt célt. Az ábrán látható, hogy a kapcsolatokat hogyan lehet felépíteni. Látható, hogy a 4. telefonálónak már nem sikerült a gyorsabb útvonalon kapcsolatot létesíteni, hanem egy 3-as központ beiktatásával tudta csak ezt elérni. Ezt a rendszert használva, ha az 1-es központon lévő felhasználók közül még egy felhasználó szeretne kapcsolódni a rendszerhez, akkor meg kell várnia legalább az egyik vonal felszabadulását, vagy ha újabb rézdrótot fektetnek le, akkor azon keresztül már megvalósíthatja a beszélgetést. Ezekben a vonalkapcsolt telefonközpontban még nem gépekkel oldották meg a kapcsolat felépítését, hanem ezt kézi módszerrel oldották meg. 3.1.2. Csomagkapcsolt adatátvitel Ennek a problémának a megoldására kezdték el alkalmazni a frekvencia felemelés módszerét. A vonalkapcsolt átvitel esetén elegendő volt néhány telefonkezelő, de ennél az eljárásnál már elengedhetetlen volt az elektronika fejlesztése. Először a felhasználóktól érkező jelek frekvenciáját 300-3400Hz-re levágták, mivel a beszéd felismerhetőségéhez elegendő a beszédnek ezeket a frekvenciáit használni. Ezt felhasználva egy vezetéken csak egyetlen frekvenciasávval kellett foglalkozni. A megoldás ezek után, hogy mivel minden beérkező vezetéken Hz 4. 3. 1. 2. Mellékállomások 1. Központ TRUNK 3. Központ 2. Központ egyetlen frekvenciasáv van, helyezzük az egészet egyetlen vezetékre. A megvalósításhoz vivőfrekvenciákra kell ráültetni a frekvenciákat, és ezek csoportokra bontva illeszkednek a vezetékre. Ezt a módszert használva a rézvezeték kihasználtsága sokkal jobb. A külső zavaró jelek, és a vezetékről kiáramló felesleges energia miatt, a jobb átvitel érdekében, KOAX kábelen valósítják meg az adatátvitelt. Az eljárást használva lehetőség nyílik arra, hogy egyetlen vezetéken egyszerre akár több felhasználó is folytathasson beszélgetést, információcserét. Az adatátvitel modulációs eljárások segítségével valósul meg. Hz Mellékállomások III. I. II. IV. - 12 -
3.1.3. Üvegszál Frekvencia nő => hullámhossz csökken Mechanikus hullámok Elektromágneses hullámok Rádióhullám Fényhullám látható/nem látható Hő hullám A fénykábel ötlete onnan jött, hogy az előző modulációs eljárásokat próbálták kihasználni a látható és a láthatatlan fényhullámokkal. Keresni kell olyan eljárást, amivel az elektromágneses hullámokat fénnyé alakíthatjuk, átvitel céljából, majd olyanokat, amivel ezeket a fényhullámokat vissza is tudjuk alakítani. Az üvegszál előnye a KOAX kábellel szemben, hogy egyetlen vezetéken több millió összeköttetés valósítható meg egyszerre, mivel sokkal nagyobb sávszélessége van a fénynek, mint a rádióhullámoknak. 3.2. Átviteli probléma Nagy távolságú adatátvitelek esetén, számolni kell a vezeték ellenállásával, és a vezetékre érkező zavaró jelekkel, és a vezeték feltöltődésével. Az Atlanti óceánban fekvő vezetéknél már megfigyelhetőek ezek a tényezők. A hosszú vezetékeket egyszerűbben áramköri elemekkel is lehet szemléltetni: l Minél hosszabb a vezető, annál nagyobb R U e I az ellenállása. A Ha nagy az Ellenállás, akkor az U ki nagyon kicsi lesz, és esetleg a zavaró jelek már nem küszöbölhetőek ki. U U Ki Be Vezeték ellenállása Kellő hosszúságú vezeték modellje: R L C Átvezetés G Erősítő R: vezeték ellenállása L: két rézvezeték egymenetes tekercsnek minősül. G: kábelben a vezeték szigetelése csökken => Ez eredményezi az áthallást. C: átengedi a váltakozó feszültséget. A rézvezetéknek a saját súlyát meg kell tartani, ezért vastagabb keresztmetszetűnek kell kialakítani. A hosszú vezetékeken megfigyelhető, hogy a két ér között kondenzátorhatás jön létre, ami zajként jelenik meg, és nagymértékben befolyásolja a vezetéken haladó jeleket. A probléma megoldása: erősítők beiktatása a vezeték megfelelő szakaszainál. - 13 -
3.3. Előfizetői vonal feszültség képe (tárcsás készülék esetén) 48 V U Tárcsázás (251) 2+1 5+1 1+1 T-hang Hívó fél Telefont felvesszük (tárcsa hang) Csak a hívó fél bonthatja le a kapcsolatot, a beszélgetés közben a hívott leteheti a telefont, és ha a hívó nem teszi le, és ha újra felveszi, tovább folytathatják a telefonálást. Fázisok: Híváskezdeményezés Összeköttetés: hasznos információ átadása Bontási fázis Modern technika: MFC: múlti-frekvenciás kódrendszer, 3 frekvencia összesítésével adja a hangokat. DTMF: az összeköttetés alatt az alközpontot lehet irányítani. Vevőszolgáltatások kialakítására alkalmas. Annyiban különbözik a tárcsástól, hogy itt három különböző frekvencia keverés összeállításával határozza meg a hívási számot. Kapcsolt összeköttetés: Szünet Csengési Várakozás visszhang Telefonközpont kiválasztja az utat. Beszélgetés Kapcsolat lebontása t Összeköttetések fajtái Kapcsolt Csak az összeköttetés alatt áll fenn a tényleges kapcsolat Nem kapcsolt A kapcsolat direkt (állandó), mindig fennáll bérelt (vonal) Vonalkapcsolt Az egész vonal egy vonallá van kapcsolva, a beszélgetés végéig fennáll a kapcsolat. Csomagkapcsolt hálózat A számítástechnika tette lehetővé, és szükségessé a kialakulását. - 14 -
3.4. A csomagkapcsolt adatátvitel: U1 U2 U3 U4 U5 K1 C2a C1 K3 C2b K2 U(I.) U(II.) U(III.) U(IV.) Ua Ub Uc Csomagkapcsolt adatátvitel A K1-es központban nem történik meg az U1 felhasználó és a hívott fél U(III.) közötti közvetlen kábelkapcsolat. A két fél között az üzeneteket feldarabolják, majd csomagokban küldi a K1 a K2 központ felé az adatokat. Miután a K2 megkapta, összeállítja a kész anyagot, majd eljuttatja a hívottnak. (A felhasználók és a központok között közvetlen kapcsolat van.) Az U2 és U(II.) között is lehet kapcsolat, ebben az esetben a C1 vezetéken ki nem használt, szabad csomagközben történik az adat átvitel, így megtörténik a vonal kihasználása. Ha még egy kapcsolatot létre szeretnénk hozni, pl. U5 és U(IV.) között, akkor mivel a vonal túl zsúfolt, ezért a K1 másik útvonalat keres (C2a, C2b), más központ(ok) felhasználásával. A csomagkapcsolt átvitel esetén a beszéd átvitele digitálisan történik. Először a központba beérkező jelek digitálissá konvertálódnak, majd a digitális jel szállítódik. Miután megérkezik a címzett -nek a központjához, ott a digitális jelet visszaállítják analóggá. 3.4.1. Az átvitel folyamata A digitalizálás során úgy választották meg a digitalizálás frekvenciáját, hogy a beszéd által létrejött hullámformáról vett két egymást követő minta között ne legyen változás. Átvitelnél elegendő csak a csúcsokat átküldeni, mert ebből már az utolsó központ vissza tudja állítani a hanganyagot, adatvesztés nélkül. 3.4.2. Csomag A csomagnak van eleje. A központnak kell ismernie azt a címet, hogy tudja, hogy kinek szól az adott csomag. Fel kell ismernie azt, ha egy összeköttetés megszakadt. Ilyenkor újabb időrés szabadul fel. Ha volt a K1 és K2 közötti kerülő úton elindított csomag, akkor a router azt valósítja meg, hogy a K1 és K2 között az üres időrésen folytassa tovább az útját, az eddig kerülő úton közlekedő csomag. A csomag formája: Fejrész Üzenetrész Záró üzenet: ellenőrző információk, vége van? Ha a csomagkapcsolt adatátvitelt a felhasználó előfizetői pontig terjesztik ki, akkor még gyorsabb adatátvitel érhető el. (ISDN esetén alkalmazzák) - 15 -
3.4.3. Szolgáltatások: Díjfizetés ellenében vehetünk igénybe szolgáltatásokat. Nyilvános szolgáltatásokat tesznek lehetővé. Beruházások nem kerülnek nagy költségbe. (Ellenben LAN hálózatoknál például a hálózat kiépítése a saját költségeinket terhelik.) Állandó költségek: Valamely szolgáltatás készenlétéért vonatkozó díj. Változó költségek: A használat paraméterei szerint történik a számlázás. Bérelt vonal: Állandó készenlétben vagyok két telephely között, a vonalat akár mennyi ideig használhatom. Az ár kapacitástól függő, nincs változó díj. Pl. 2 Mbit/s bérelt vonal elérheti az 500 ezer Ft-os összeget is. A bérelt vonal esetén meg kell határozni a megfelelő kapacitást, és a szükséges átviteli közeget. Szolgáltatások jellege: Hang Kép Szöveg Adat Datex-L: Vonalkapcsolt adatátvitel Datex-P: Csomagkapcsolt adatátvitel (A Telecom fejlesztette ki a MATÁV ISDN szolgáltatását, ezért rövidítik német nyelven.) BTX: Franciaországban információs adatbázis megtekintésére használják. TELEX: lassú, karakterek átvitelére alkalmas. Videokonferencia: megfelelően zárt rendszer, szélessávú hálózat. - 16 -
3.5. Szórt adatátvitel: Mobiltelefon Személyhívó EUROSIGNAL (Európa egész területén elérhető) GPS: Műholdas adatátvitel NMT: Nemzeti Mobil Telefonrendszer 06-60 Westel analóg GSM: Digitális rádiótelefon hálózat, 900 MHz 06-20 Pannon GSM 06-30 Westel900 PCN: 1,8 GHz mind a 3 szolgáltatásra alkalmas, lefedett cellák rendszere. Nagyon sűrűn lakott területeken, ha korlátozott a sáv, mikrocellákat kell elhelyezni. Az adókat kellene növelni, ehelyett a frekvenciát növelték meg. A PCN rendszert az irodaházakban azokon a szintekre kell elhelyezni, ahol a kommunikációs igény nagy. Magyarországon ilyen hely legfeljebb csak Budapesten fordulhat elő. 3.5.1. INMARSAT rendszer MŰHOLD Aeronautim felhasználó (repülő) 1,5/1,6 GHz 4/6 GHz Terrestrim felhasználó (tehergépkocsik, sivatag) Moritim felhasználó (hajók) Földi LES adóállomás Kapcsolat a nyilvános nemzetközi távközlési hálózatokhoz. Hálózati ellenőrző állomás (NCS) Adat: kommunikációban alkalmazzák, számítógépes kapcsolatokhoz, azok közötti átvitelt jelent. Értelmes egység a BIT. Szöveg: Karakter átvitelére alkalmas eszköz. Bitekből, és karakterekből épül fel. Kép: Lehet álló, illetve mozgó (ha a szemünk már nem érzékeli a változást a két kép között) Telefax: bitek sorozata, amik a képet írják le. Hang: Mechanikai hullámok sorozata, az átvitel után vissza kell alakítani hullámmá. Műsorszóró hálózatok: Szimplex rendszer. Magyarországon az Antenna Hungária üzemelteti. VideoText = TeleText 3.6. Hálózatok: A hálózatoknak mindenhól hasonlóan kell működniük, mivel a távközlés nemzeti jellegű, ezért a kompatibilitásnak meg kell egyeznie, hogy a kommunikáció lehetősége megvalósítható legyen. Az alapvetően nyílt nemzeti rendszereknek lefelé kompatibilisnek kell lenniük. Pl. megmarad a tárcsás telefon, de működik mellette a nyomógombos telefon is. - 17 -
4. Szabványosítás 4.1. A szabványosítás fogalma: A szabványosítás fogalma a telekommunikációra, illetve a hálózatokra fokozottan érvényes. Csak olyan készülékeket szabad forgalomba hozni, amely a meglévő rendszerben is működik. A szabványosításra azért volt szükség, mert egyre több gyártó jött ki hasonló funkciójú, más működési elvű termékekkel, és a kompatibilitási probléma nem volt megoldható. A gyártósorok átállításának költségei meglehetősen nagyok, ezért szükségesnek látták a szabványosítás bevezetését. A szabványosítás során a minőségre is figyelemmel voltak, ezáltal a szabványos termékeknek nem csak kompatibilitási szempontból van előnyük, hanem a minőség biztosítása révén eladhatóbbá vállnak. A szabványosítást három szintre lehet bontani. 4.1.1. A legalsóbb szint: üzemi szabvány A törekvés alulról felfele történik, igény hívja életbe. Kezdetben, az üzemekben, gyárakban kezdtek el szabványosítani. Az üzemi szabvány lényege, hogy például egy olyan vállalatnál, ahol több telephely is van, a különböző telephelyeken azonos minőségben gyártsák a termékeket, ezáltal a két azonos, de más helyen gyártott terméknek meg kell minőségre egyeznie. Kezdeti szabványosító cégek: - Számítógépgyártók: IBM, MAC, MOTOROLA - Telekommunikációs eszközök gyártói: Telecom, AT&T, MATÁV, MÁV 4.1.2. Nemzeti szabvány A nemzeti szabványosítás szintje az adott nemzetre, és a vállalatokra kötelező érvénnyel bír. Meg kell felelni az üzemi szabványoknak is. A nemzeti szabvány egy ország belső szabványa. Sok esetben nem éri el a nemzetközi szabvány minőségét, de egyes helyeken még meg is haladja a nemzetközi szabványt. Lényeges, hogy aki a piacon a termékével meg akar jelenni az országban, fontos, hogy betartsa a szabvány követelményeit, mert különben eladhatatlanná válik a terméke. Nemzeti szabványok: MSZ Magyar Szabványügyi Hivatal DIN Német Szabványügyi Hivatal BS Egyesült Királyság (British Standard) Szovjet Állami Szabvány (ГОСТ) ANSI Egyesült Államok (American National Standard) (ASA) Pl.: filmek fényérzékenységének jelölésében 100 ASA = 21 DIN 4.1.3. Nemzetközi szabvány Nemzetközi szabványokról akkor értelmes beszélni, amikor az egy országból egy más országba szeretnénk forgalmazni termékeket. Ilyenkor azért van szükség a szabványra, mert nem feltétlen elégíti ki a vásárló országot az eladó ország nemzeti szabványa, így a nemzetközi szabvány módot ad arra, hogy a termékek eladhatókká váljanak, persze ha betartják a követelményeket. Általános szabványosítási szervek: EU: EN Európai Norma Nemzetközi (ENSZ) ISO (International Standard Organization) Speciális szabványosítási szervek (adott téma): ENSZ ITV nemzetközi távközlési egyezség. 1. Csoport: CCITT Nemzetközi távíró és távbeszélő egyesület 2. Csoport: IEEE Villamosmérnökök nemzetközi intézete - 18 -
4.2. A szabványosítás menete Számunkra a nemzetközi szabványosítás érdekes. 1. Felmerül egy országban egy probléma 2. Testületi gyűlésen felhozzák (pl. Fax). (A televízió műsorszórására nem sikerült megfelelő szabványosítást elérni: NTSC, PAL, SECAM; a videó sem szabványosított: VHS, S-VHS, stb.) 3. Alakul egy munkacsoport Javaslati tervet dolgoz ki: DP (Draft Proposal) Ezt elküldi minden szabványügyi szervezet munkacsoportnak. Megnézik, hogy az ő körükbe bele tartozik-e, hogy a teljes egészében szabványos legyen. 6 hónap alatt kell ellenőrizni a javaslatot, majd véleményezni kell. Ez a hosszú átfutás lehetőséget ad más vállalatoknak, hogy ők is elkezdjék a fejlesztést. (Pl., ha a SONY szabványosít, és a lassú átfutás miatt a MATUSHITA is elkezdi a hasonló fejlesztését, előfordulhat, hogy a szabványosítás során megelőzi a SONY szabványát, ezért szükséges más elvet alkalmazni.) A vélemények alapján nemzetközi szabványosítási tervezetet hoznak létre: Draft International Standard (DIS), de ez is még csak egy tervezet. Bizonyos időnként a szervezet összeül, megbeszélik a terveket, és az egész kezdődhet, előröl, amíg egyezségre nem jutnak. A legvégén elkészül a nemzetközi szabvány (IS International Standard). Előfordulhat, hogy a szabványosítás során csak nemzeti szabvány jön létre (NS National Standard) A szabványokról a szabványjegyzékben lehet olvasni, de ezek a dokumentumok nagyon drágák. A szabvány megkülönböztetésére kódokat alkalmaznak. Ilyen kód például: MSZ ISO EN 9001 minőségbiztosítási szabvány, ami nemzetközi szinten jóváhagyott Európai minősítésű, Magyarországon honosított szabvány. - 19 -
5. A Hálózatok 5.1. Egy hálózatban több szolgáltatás A 1. Valaki kitalál egy üzenetet GONDOLAT ÜZENET B 10. Az üzenetet feldolgozza a címzett ÜZENET - GONDOLAT 2. Kódolási eljárással szöveggé alakítja ÜZENET - SZÖVEG 9. A szöveget értelmezi a címzett SZÖVEG - ÜZENET 3. A szöveg papírra (hordozóra) kerül SZÖVEG - PAPÍR 8. A címzett értelmezi a papírt PAPÍR - SZÖVEG 4. A papír borítékba kerül PAPÍR - BORÍTÉK 7. A borítékot kikézbesítik BORÍTÉK PAPÍR 5. A borítékot feladjuk a postán BORÍTÉK - ZSÁK 6. A másik postára megérkezik a zsák ZSÁK - BORÍTÉK Csatorna Az ábrán egy postai levél továbbításának egyszerűsített vázlata látható. A továbbiakban ezen a példán vizsgáljuk a problémákat. 1. Nem szerencsés, ha az A oldali gondolat eltér a B oldali gondolattól, vagyis rossz információ érkezik. 2. Az sem jó, ha a két gondolat között csak egy részhalmaz fedi egymást, ilyenkor az üzenet félreérthető. 3. Akkor jó az átvitel, ha a két üzenet értelmezési halmaza fedi egymást. A kódolási eljárások nem biztos, hogy jól működnek, és az átviteli közeg is lehet zavart. A példa során nyílt átviteli közeget tárgyaltunk. Azért nyílt, mert bárki csatlakozhat hozzá. A rendszer egyes részeit szinteknek nevezzük. 5.2. ISO-OSI modell Számítógépes hálózatoknál a szabványosítás során létrehozták az ISO-OSI modellt, amely az adatátvitel folyamatát írja le (OSI Open System Interconnection, Nyílt Rendszerek Kapcsolódása). Az ISO-OSI modell egy 7 rétegű modell. Az adatátvitel folyamatát hét részre bontja le. A következő ábra alapján épül fel, az egyes rétegek között kapcsolat áll fenn. A kapcsolat csak a két egymás mellett lévő réteg között áll fenn, a közbenső rétegek nélkül egymást nem érik el a rétegek. A modellt 1983-ban szabványosították, azóta a fejlődés, valamint az évek óta tartó használat során bekövetkező hibák kezelése miatt, módosult a modell, de mi még a régi modellel foglalkozunk. - 20 -
Küldő folyamat Alkalmazási réteg Megjelenítési réteg Viszonyréteg Szállítási réteg Hálózati réteg Adatkapcsolati réteg Fizikai réteg Alkalmazási protokoll Megjelenítési protokoll Viszonyprotokoll Szállítási protokoll Hálózati protokoll NH TH SH PH Bitek AH ADAT ADAT ADAT ADAT ADAT ADAT DH ADAT DT Vevő folyamat Alkalmazási réteg Megjelenítési réteg Viszonyréteg Szállítási réteg Hálózati réteg Adatkapcsolati réteg Fizikai réteg Tényleges adatátviteli út ISO-OSI modell Tehát az OSI modellt a fizikai adatátvitel szabványosítására hozták létre. A modellben a rétegek között logikai kapcsolat van. A postai példánk alapján a rétegek között: Gondolatnak, gondolatként Szövegnek, szövegként Papírnak, papírként Borítéknak, borítékként A zsáknak pedig zsákként kell megjelennie a másik oldalon. - 21 -
5.2.1. A rétegek feladatai 5.2.1.1. A fizikai réteg Számítógépen az adatátvitel a jelek feszültségváltozása alapján történik. Számunkra ez a jel, amit át kívánunk vinni, digitálisan jelenik meg. A bitek átvitele a fizikai szinten történik. Csak a bitek áramolnak. Nem az foglalkoztatja a felhasználót, hogy milyen egységen, és hogy hogyan megy végbe, hanem az, hogy az átvitel zavartalanul megtörténjen. A fizikai szint feladata a jel kibocsátása és feldolgozása, valamint a fizikai rétegről a bitek kommunikációs csatornára való kibocsátása, illetve onnan a vétele. Azok az eszközök tartoznak ide, amelyek az áram jelalak változásával foglalkoznak. Ez általában villamosmérnöki feladat. A fizikai réteg használata egyszerű, mert nem kell a felhasználónak vele foglalkozni, de ugyanakkor a legnagyobb probléma, mert nem tudjuk a zavart felhasználó szinten kiszűrni. 5.2.1.2. Az adatkapcsolati réteg Az adatkapcsolati réteg feladata a szinkronizálás, valamint alacsony szintű hibajavítás. Ez a réteg megtördeli a folyamatos bitfolyamot. A példa alapján látható, hogy a bitfolyam tördelései között hiba van. A hiba felismerésére és kijavítására különféle algoritmusokat használnak. A legelterjedtebb algoritmus, a paritásbit alkalmazása. A szinkronizálás során megmarad a csúszás lehetősége, mert ez még nem okoz gondot az átvitel során. 5.2.1.3. Hálózati réteg Feladata az alhálózat működése, az útvonal kiválasztása, és a torlódások feloldása. 5.2.1.4. Szállítási réteg Feladata: Hardverillesztés az alsóbb és felsőbb rétegek között (hardver szoftver). 5.2.1.5. Viszonyréteg Feladata a gépek közti adatkapcsolat felépítése és lebontása. Ezt a réteget gyakorlatilag a szállítási és a megjelenítési réteg látja el. 5.2.1.6. Megjelenítési réteg Adatformálást és tömörítést, kódolást valósít meg. (Például ASC kódtábla alkalmazása.) 5.2.1.7. Alkalmazási réteg Nem definiálható, a felhasználói szolgáltatás hozza létre. - 22 -
6. Az ISO-OSI modell rétegei Hoszt A Hoszt B Alkalmazási 7. réteg 7. réteg Megjelenítési 6. réteg 6. réteg Viszony 5. réteg 5. réteg Szállítási 4. réteg 4. réteg TCP Hálózati 3. réteg 3. réteg IP Adatkapcsolati 2. réteg 2. réteg Ethernet Fizikai 1.réteg 1.réteg 6.1. A Fizikai réteg A fizikai réteg a villamosmérnökök, illetve a gépészmérnökök szakterülete. A fizikai réteg az a réteg, amely a fizikai valósághoz (valós világhoz) kapcsolódik. Az analóg fizikai réteggel áll kapcsolatba. Az adó oldalon a digitális információt analóggá alakítja, majd a vevő oldalon vissza digitálissá. Fizikai jellemző viszi át az információt: áram, feszültség, térerő, fényintenzitás, frekvencia, fázis, stb. Az alkalmazott fizikai közeg megszabja az átvihető adatok típusát, gyorsaságát. 1990. eleje ETHERNET UTP 10 Mbit/s 1990. közepe ETHERNET UTP 100 Mbit/s 1990. vége ETHERNET UTP 1 Gbit/s 6.1.1. Az adatkommunikáció elméleti alapjai U(t) Adatátvitel időtartományban t Az adatátvitel egyik megvalósítása, amikor ráhelyezzük a vezetékre, a van, illetve nincs áramot (esetleg feszültséget), az információ bitjeinek megfelelően váltogatva, az idő függvényében. Itt először a vezeték átviteli képességét kell megállapítani, azt az érzékenységet, hogy milyen gyorsan lehet a váltogatásokat a vezetékre ráhelyezni. Figyelembe kell venni a vezeték hosszát is. (TDM Time Division Multiplexing) - 23 -
A fejlesztők elkezdték vizsgálni azt a problémát, hogy ha egyetlen vezetéken egyszerre csak egy adat folyhat, akkor minden számítógépet, minden számítógéppel össze kell kötni ahhoz, hogy egyszerre tudjanak kommunikálni. Mivel ez nem csak költség szempontjából, hanem a bonyolultság miatt is problémaként jelentkezett, ezért más megoldások után néztek. Ekkor született az ötlet, hogy a vezetéket, mért ne lehetne sávokra, spektrumokra bontani, ezáltal egy vezetéken folyhatna a kapcsolat. Az eljárás lényege, hogy a vezetéken megmarad az eddig alkalmazott adatátviteli mód, csak az adatokat egy megadott vivőfrekvenciára ültetik rá, ezáltal több információ is folyhat egyszerre a vezetéken. Arra kell csak figyelni, hogy ebben az esetben a vezeték antennaként működik, tehát ha nem használunk árnyékolást, akkor felszedi a külső környezetből érkező jeleket, valamint a vezetéken áthaladó jeleket ki is bocsátja. Ez utóbbi két szempont miatt is veszélyes. Az egyik, hogy az átvitel során gyengülnek a jelek, a másik pedig az, hogy az átvitt adatok lehallgathatóvá vállnak. (FDM Frequency Division Multiplexing) P(f) f min Adatátvitel frekvenciatartományban spektrum H = f max - f min f max f Lehetőség van arra is, hogy nyílt hálózatokat hozzunk létre, vagyis pont az a célunk, hogy az adatokat kiengedjük a környező területre, rádióhullámon keresztül. Ezt alkalmazzák az amatőr rádiósok, a mobiltelefon használók, valamint a rádió és televízió állomások. A nyílt rendszerű hálózatokra rengeteg szabály vonatkozik, de a legfontosabb, hogy engedélyt kell kérni a spektrum egy sávjának használatára. Pl. Kossuth rádió: AM 473 khz ( 4,5 khz) Rádió Bridge: FM 102,1 MHz Mobiltelefon: 900 MHz A véges számú sávok lehetősége miatt a rádiók versengenek a 97,5 108 MHz tartományban. Csak sávkorlátozott jelekkel lehet megkülönböztetni a csatornákat (állomásokat). Távbeszélő rendszerekben egy sáv (300Hz 3400 Hz), azaz H = 3,1 khz sávszélességgel dolgoznak. A maximális adatátviteli sebesség a sávszélességből (H), valamint a diszkrét, jól megkülönböztethető szintekből (V) áll. Ez alapján felírható a maximális átviteli sebesség: 2*H*log 2 V 2 jelszint esetén (bináris adatátvitel) 4 jelszint esetén 1 11 10 0 01 00 A szinteket úgy kell elképzelni, hogy egy sávon nem csak egyetlen jelet lehet átvinni, hanem megfelelő eljárással a sávszélesség lehetőségét kihasználva, fel lehet darabolni, ezáltal nem csak bináris információkat továbbíthatunk. - 24 -
6.1.2. Zaj Zajról akkor beszélünk átviteltechnika esetén, amikor valamilyen külső környezeti hatás megsérti az átviendő adatokat, és ezért hibás, esetleg értelmezhetetlen adatot kapunk. A zaj értelmezésére két változót vezettek be: P s S (Signal jel), P N N (Noise - zaj). Ezek segítségével a következő egyenlet alapján jellemezhetjük a zajt: S N 10 log 10 PS P N Az elérhető maximális adatátviteli sebesség ez alapján: H log 2 1 S N 6.1.3. Fizikai közegek: 1) Vezetékes átvitel a) Elektronikai: i) Elektromos áram, illetve ii) Mágneses felület által létrehozott feszültségkülönbség. b) Optikai: valamilyen optikai kábelen keresztül, a fény jellemzői alapján létrehozott adatátvitel. Lényeges, hogy itt ki lehet használni a fény azon tulajdonságát, hogy nagyon nagy sebességű. 2) Vezeték nélküli átvitel a) Rádiófrekvencia i) Alacsonyfrekvenciás rádióhullámok ii) Mikrohullámok iii) Szatellit rendszerek b) Fény i) Lézeres adatátvitel ii) Egyéb optikai rendszerek c) Mechanikai rezgések 6.1.3.1. A vezetékes adatátvitel problémái, védelmi szempontok Mechanikai igénybevétel (szakadás, rágcsálók, rovarok) Kémiai hatások (víz, olaj, gázok) Fizikai hatások (hőmérséklet, fény) A tűzvédelmi szabályok előírják, hogy olyan helyeken, ahol az elektromos szikra balesethez vezethet, nem használhatnak elektromos vezetéken adattovábbítást. Ezekben az esetekben az optikai adattovábbítást kell alkalmazni. A műanyag vezeték tűzveszélyességi szempontból nagyon veszélyes lehet. Ha az egyik végén meggyullad, akkor előfordulhat, hogy a falon belül lévő vezetékeken keresztül, az egész épületet is tűz alá borítja. Ennek elkerülése érdekében a vezetékeknek lángoltó tulajdonságúaknak kell lenniük. A munkavédelem szempontjából is figyelni kell a vezetékekre. Ha például nagyfeszültség kerül a vezetékre, és nincs leföldelve, akkor érintés esetén komoly balesetet okozhat. A rossz számítógép tápegységén keresztül érkezhet. A védekezés ebben az esetben a galvanikus leválasztás, ezáltal 220V nem kerülhet rá a vezetékre. - 25 -
6.1.3.2. Biztonság A számítógépes hálózat nem biztonságos. Előfordulhat lehallgatás, vagy rosszabb esetben az adatok megváltoztatása fordulhat elő. A lehallgatás ellen lehet védekezni kódolással, de ha valaki mást személyesít meg, akkor annak a kivédésére már szükséges a komolyabb eszközök alkalmazása. Az optikai kábelek esetén már jobb védelem van, ugyanis nem lehet az optikai kábeleket egyszerűen megszakítani, mert a kábel összeforrasztása bonyolult, és drága feladat. A kábelek elektromos zavaroknak vannak kitéve, valamint a kábel is sugároz információkat. Hoszszú, kiterjedt, nagyfrekvenciás jeleket bocsát ki. Szabványokkal írják le, hogy milyen elektromágneses zavart bocsáthat ki a kábel (EMC a megengedett kibocsátás szabványa.) Ha a vezeték egy adott sávon túllépi az előírt határt, akkor nem használható. Villám ellen nincs konkrét védekezési szabvány. 6.1.3.3. Vezetékek felépítése Érpár (telefon): Számítástechnikai hálózat során elengedhetetlen eszköz a telefon. Egy modem segítségével kapcsolódhatunk a telefonos hálózathoz, ezáltal a föld csaknem összes olyan számítógépes hálózatához csatlakozhatunk, amely szintén rendelkezik a világgal való összeköttetés valamely formájával. A mérnökök azon dolgoznak, hogy mivel a telefon sávszélessége korlátozott, és a korlátok miatt csak viszonylag lassú adatátvitel lehetséges, ezért ezt a sebességet szeretnék megnövelni. Egyfajta lehetőséget biztosít az ISDN, de mivel ez az alkalmazás meglehetősen drága, ezért megpróbáltak gazdaságosabb kapcsolódást biztosítani. Egyik ilyen lehetőség, a DSL (Digital Subscriber Line), amely lehetővé teszi az előfizetői telefonon keresztül, hogy 1 Mbit/s sebességgel történjen az adatátvitel, számítógépes hálózat használata esetén. A DSL modem által megvalósított sebességnövekedés annak köszönhető, hogy a telefonvonalon alkalmazott 300Hz 3400Hz sávszélességet P Beszéd Nagy sebességű adatátvitel kiegészítik még néhányszor száz khz-el. A kibővített sávszélességen még több információ haladhat át, ugyanannyi idő alatt. Telefon Sodrott érpár (ok): STP, UTP 300Hz 3400Hz X*100kHz A vezetéket úgy alakították ki, hogy több f érpárt (általában 4-et) helyeztek el egy kábelben. Minden érpár csavartan helyezkedik el, mert így a csavarásban, a két vezetékre érkező ellentétes irányú zavarások kioltják egymást. Az UTP (Unshielded Twisted Pair), és az STP (Shielded Twisted Pair) között csupán annyi a különbség, hogy az utóbbin van árnyékolás. A kábelen 1 5-ig jelzés van, ami a minőségre utal. Manapság már egyre több helyen térnek át az UTP-re. Előnye, hogy egy kábelen több szolgáltatás is futhat egyszerre. Így például lehet rajta Ethernet hálózat, telefon, ATM, és ez mind egy időben történhet. DSL Központ Itt elérhető az 1 Mbit/sec sebesség - 26 -