Fizikai Réteg Kábelek a hálózatban Készítette: Várkonyi Zoltán Szeged, 2013. március 04.
Bevezetés 2013. március 04. [KÁBELEK A HÁLÓZATBAN] A fizikai réteg célja az, hogy egy bitfolyamot szállítson az egyik géptől a másikig. A tényleges átvitelhez különféle fizikai közegeket használhatunk fel. Mindegyiknek megvan a maga alkalmazási területe, sávszélesség, késleltetés, költség, a telepítés, valamint a karbantartás nehézsége szerint. A közegeket durva közelítéssel két csoportba oszthatjuk: vezetékes közegekre, mint például a rézvezeték vagy a fényvezető szál, és vezeték nélküli közegekre, mint például a levegőben terjedő rádió vagy lézer. Ezeknek a legelterjedtebb fajtáit fogom bemutatni. Sodrott érpár A legrégebbi, de még ma is a legelterjedtebb átviteli közeg a sodrott vagy csavart érpár (twisted pair). A sodrott érpár két szigetelt rézhuzalból áll, melyek tipikusan 0.5 mm vastagságúak. A rézhuzalok a DNS-hez hasonlóan spirálszerűen egymás köré vannak tekerve. A két eret azért sodorják össze, hogy csökkentsék a kettő közötti elektromágneses kölcsönhatást. A sodrott érpár alkalmas mind analóg, mind digitális jelátvitelre. A sodrott érpárnak számos változata van, de a számítógép-hálózatok szempontjából manapság a CAT5, és a CAT6 os van elterjedve. Általában négy ilyen érpárt fognak össze egy műanyag köpennyel, ami védi, és egyben tartja a nyolc vezetéket. A kategóriák között az a különbség, hogy több sodrás van bennük ugyanakkora hosszon, amely kevesebb áthallást és nagyobb távolságokon is jobb minőségű jelet eredményez, így a magasabb kategóriájú kábelek alkalmasabbak a nagysebességű számítógépes kommunikációra. Megkülönböztetünk UTP (Unshielded Twisted Pair - árnyékolatlan sodrott érpár), STP (Shielded Twisted Pair - érpáronként árnyékolt sodrott érpár), FTP (foiled twisted pair - árnyékolt sodrott érpár) és létezik ezek kombinációja az S-FTP kábel, mely mind két árnyékolási technikát alkalmazza.
. ábra Az AT&T legutolsó fejlesztési eredményei azt mutatják, hogy a megfelelő sodrási technológiával készült árnyékolatlan sodrott érpárú (UTP) kábelek ugyanolyan vagy nagyobb zavarvédettséget is nyújtanak, mint az árnyékolt kábelek. A sodrott érpáras kábel nem lépheti túl a 100 méteres hosszúságot a hálózati eszköz és a számítógép között. Megfelelő teljesítményüknek és alacsony áruknak köszönhetően a sodrott érpárokat széles körben használják, és ez várhatóan így marad még jó néhány évig. Koaxiális kábel Széles körben használt átviteli közeg a koaxiális kábel (coaxial cable), amit a kedvelői egyszerűen csak koax"-nak hívnak. Mivel ez jobb árnyékolással rendelkezik, mint a sodrott érpár, ezért nagyobb sebességgel nagyobb távolságot lehet vele áthidalni. Kétfajta koaxiális kábel létezik. Az egyik az 50 Ω-os kábel, amelyet elsősorban digitális átvitelhez használnak. A másik a 75 Ω -os kábel, amelyet viszont elsősorban analóg átvitel esetén használnak. A kettő közötti eltérésnek inkább történelmi, semmint műszaki okai vannak. A koaxiális kábel közepén tömör rézhuzalmag van, amelyet szigetelő vesz körül. A szigetelő körül sűrű szövésű hálóból álló vezető található. A külső vezetőt mechanikai védelmet is biztosító műanyag burkolattal vonják be. A koaxiális kábel szerkezetét az 2. ábrán láthatjuk.
. ábra A koaxiális kábel kialakítása és árnyékolása a nagy sávszélesség és a kiváló zajérzéketlenség jó kombinációját adja. Az elérhető sávszélesség függ a kábel minőségétől és hosszától, valamint az adatjel jel/zaj arányától. A koaxot még mindig széleskörűen alkalmazzák a kábeltelevíziózásban és a nagyvárosi hálózatokban. Fényvezető szálak vagy optika A fényvezető szálas azaz optikai adatátviteli rendszernek három fő komponense van: a fényforrás, az átviteli közeg és a fényérzékelő (detektor). A fényimpulzus megléte szokás szerint a logikai 1 bitet jelenti, míg az impulzus hiánya a logikai 0 bitet. Az átviteli közeg egy rendkívül vékony üvegszál. Ha a detektorba fény jut, akkor a detektor villamos jelet állít elő. Ha az üvegszál egyik végére fényforrást, a másik végére pedig detektort teszünk, akkor egy olyan egyirányú adatátviteli rendszert kapunk, amely villamos jeleket fogad, átalakítja azokat fényimpulzusokká, továbbítja a fényimpulzusokat, majd a kábel másik végén a fényimpulzusokat visszaalakítja villamos jelekké. Amikor a fény egyik közegből átlép egy másikba, mondjuk, üvegből a levegőbe, akkor az üveg és a levegő találkozásánál a fény megtörik. A visszaverődés mértéke függ a két közeg fizikai jellemzőitől (elsősorban azok törésmutatójától). Ha a beesési szög nagyobb egy bizonyos határértéknél, akkor a fény nem lép ki a levegőre, hanem visszaverődik az üvegbe. így ha a fénysugár beesési szöge egyenlő a határszöggel vagy nagyobb annál, akkor a fénysugár az üvegszálon belül marad és akár több kilométert is megtehet gyakorlatilag veszteség nélkül.
Azonban a határszöggel azonos vagy annál nagyobb szögben beeső sugarak mind az üvegszálon belül maradnak, ezért egyszerre sok, különböző szögben visszaverődő fénysugár halad az üvegszálban. Minden egyes sugárnak más és más az un. módusa, ezért az ilyen üvegszálat több-módusú szálnak nevezik. Ha viszont az üvegszál átmérőjét néhány fényhullámhossznyira lecsökkentjük, akkor az üvegszál hullámvezetőként viselkedik, és a fény visszaverődés nélkül, egyenes vonal mentén terjed a vezetékben. Az ilyen üvegszálat egymódusú szálnak nevezik. Az egymódusú szálak jóval drágábbak, viszont nagyobb távolságok áthidalására használhatók. A jelenleg kapható egymódusú üvegszálak másodpercenként 50 gigabitet képesek 100 km-re továbbítani erősítés nélkül. Laboratóriumi körülmények között még ennél nagyobb sebességeket is értek el rövidebb távolságok esetén. A szálon végigküldött fényimpulzusok hosszanti irányban szétszóródnak terjedés közben. Ezt a szóródást kromatikus diszperziónak (chromatic dispersion; a színek szétszóródása") nevezik, és mértéke a hullámhossztól függ. Az egyik lehetséges módszer a szétszóródott impulzusok átfedésének megakadályozására az, hogy növeljük a közöttük hagyott távolságot, de ezt csak a jelzési sebesség csökkentésével lehet elérni. Szerencsére felfedezték, hogy ha az impulzusokat egy bizonyos alakúra formáljuk (ez a koszinusz hiperbolikusz reciprokával függ össze), akkor szinte minden szóródási hatást kiejthetünk. így lehetségessé válik, hogy ezer kilométerekre küldjünk impulzusokat bármilyen észrevehető jelalaktorzulás nélkül. Ezeket az impulzusokat szolitonoknak (soliton) nevezték el. A fényvezető kábel a fonott árnyékolástól eltekintve hasonlít a koaxiális kábelre. Az optikai kábel középen található az üvegmag, amiben a fény terjed. Többmódusú szál esetén a mag 50 mikron átmérőjű, azaz körülbelül olyan vastag, mint egy emberi hajszál. Egymódusú szál esetén a mag 8-10 mikron átmérőjű. Az üvegmagot olyan üvegköpeny veszi körül, amelynek a törésmutatója kisebb, mint a magé, így a fénysugár a magon belül marad. A szálat kívülről műanyag védő burkolattal látják el a köpeny védelme érdekében. A fényvezető kábelben általában több szálat fognak össze, és azokat egy műanyag csőbe helyezve védik a külső behatásoktól.(3.ábra)
. ábra A fényvezető szálakat háromféleképpen lehet egymáshoz csatlakoztatni. Az egyik módszer az, hogy a fényvezető szál végeit megfelelő csatlakozókkal látjuk el, és ezeket dugjuk össze. A csatlakozók 10-20% veszteséget okoznak, viszont megkönnyítik a rendszer újrakonfigurálását. A második lehetőség, hogy a szálakat mechanikusan egymáshoz illesztjük. Ennek a módszernek az a lényege, hogy mindkét szálat meghatározott szögben óvatosan lenyessük, majd a nyesett végeket összeillesztjük, és egy szorítóval összefogjuk. Az illesztés pontossága úgy javítható, hogy az egyik üvegszálba belevilágítunk, és a két szálat finoman addig mozgatjuk, amíg a kijövő jel intenzitása a lehető legnagyobb nem lesz. A mechanikai összeillesztést egy rutinos szakember akár 5 perc alatt is el tudja végezni, és ez a csatlakoztatási mód csak 10% veszteséget okoz. A harmadik lehetőség az, hogy a két szálat összehegesztjük. A hegesztett szál majdnem olyan jó, mint egy gyárilag húzott szál, de azért még itt is van némi csillapítás. Mindhárom csatlakoztatási mód esetén van egy kis visszaverődés az illesztésnél, és a visszaverődött fény interferálhat az eredeti jellel. A fényimpulzusok előállítására kétféle fényforrást használnak: az egyik a LED (Light Emitting Diode), a másik pedig a félvezető lézer. Az interfészeknek két típusa van. A passzív interfész két csatlakozóval kapcsolódik a főszálhoz. Az egyik csatlakozó egy LED-et vagy egy lézerdiódát tartalmaz a végén (adattovábbítás céljából), míg a másik egy fotodiódát (vétel céljából). A csatlakozók teljesen passzívak, így rendkívül megbízhatók. Ha például a
LED vagy a fotodióda meghibásodik, akkor a gyűrű nem szakad meg, csak a számítógép kapcsolódik le a gyűrűről. Az interfészek másik típusát aktív ismétlőnek (active repeater) nevezik. Az aktív ismétlő a beérkező fényjelet villamos jellé alakítja, szükség szerint felerősíti, ha gyenge, majd visszaalakítja fényjellé, és úgy továbbítja. A számítógép és a jelgenerátor közötti interfész egy hagyományos rézvezeték. Manapság már tisztán optikai ismétlőket is alkalmaznak. Ezekben az ismétlőkben nincs szükség optikaivillamos-optikai átalakításra, ezért rendkívül nagy adatátviteli sebességet tesznek lehetővé. Ha egy aktív ismétlő meghibásodik, akkor a gyűrű megszakad, és a hálózat működése leáll. Konklúzió avagy rézvezeték és optika összehasonlítása Az optikai szálnak rengeteg előnye van. Rögtön azzal kezdjük, hogy a fényvezető szálnak jóval nagyobb a sávszélessége, mint a rézvezetéknek. Ez önmagában véve még csak a nagy sebességű hálózatok esetén jelentene előnyt. Tekintettel azonban a kis csillapításra, a hosszú vonalakon csak 30 km-enként van szükség ismétlőkre, szemben a rézvezetékkel, ahol kb. 5 km-enként. Ez bizony jelentős megtakarítást jelent. A fényvezető szál egy másik nagy előnye, hogy nem érzékeny az áramimpulzusokra, az elektromágneses zavarokra és az elektromos hálózati kimaradásokra. A levegőben található korrodáló hatású vegyületek sem ártanak neki, ezért ideális megoldást jelent erősen korrodáló ipari környezetben. A fényvezető szál könnyebb is, mint a rézvezeték. Ezer darab 1 km hosszú sodrott érpár súlya 8000 kg. Két optikai szálnak nagyobb a kapacitása, ugyanakkor csak 100 kg-ot nyom. Végül a fényvezető szálból nem szivárog el fény, és megcsapolni is igen nehéz azt. Ez kiváló védelmet jelent a potenciális lehallgatók ellen. A két rossz hír az, hogy a fényvezető szál kevésbé ismert megoldás és olyan ismeretek is szükségesek hozzá, amelyekkel nem minden mérnök rendelkezik, valamint hogy a szálak könnyen megsérülhetnek, ha túlságosan meghajlítják őket.
Mivel a fényvezetős átvitel természeténél fogva egyirányú, a kétirányú kommunikációhoz vagy két szálra, vagy egy szálon két frekvenciasávra van szükség. Végül, a fényvezető szálak interfészei többe kerülnek, mint az elektromos interfészek. Mindezek ellenére a jövő kétségtelen az üvegszálas technológiáé, illetve a vezeték nélküli adatátvitelé. Forrásjegyzék Andrew S.Tanenbaum: Számítógép hálózatok, 2004. Szegedi Tudományegyetem Klebelsberg Kuno Könyvtára