HÁZI DOLGOZAT SZÁMÍTÓGÉP HÁLÓZATOK II. (A FIZIKAI RÉTEGBEN HASZNÁLT ÁTVTELI KÖZEGEK) 2006. 04. 23. Készítette: Borbás Zoltán
A dolgozat célja, hogy rövid áttekintést adjon a napjainkban legelterjedtebben használt átviteli közegekről, megismertetve azok főbb szerkezeti felépítését, átviteli jellemzőit és főbb típusait. Ennek keretében a dolgozatban röviden ismertetem az átvitellel kapcsolatos, a fizikai réteg vonatkozásában értelmezhető alapfogalmakat, majd a fizikai közegek részletes leírása után az átviteli közegek fizikai és átviteli jellemzőinek összefoglalása következik. ÁTVITELI ALAPOK, ALAPFOGALMAK Az adatok átvitele egy fizikai csatornán mindig a csatorna valamelyik fizikai jellemzőjének (feszültség, áram, frekvencia, fázisszög, fény intenzitás) megváltoztatásával történik. Az információ forrás és a cél közötti effektív átvitel távolságát a csatornában a jelek gyengülése, és a csatorna zaja egyaránt befolyásolja. Kommunikáció általános modellje. A fentiek értelmében a csatornának három fontos tulajdonságát vesszük figyelembe: a sávszélességét; csillapítását; késleltetését; a csatorna zaját. Sávszélesség: az átvitt legmagasabb és legalacsonyabb frekvencia különbsége. A valós rendszerekben a sávszélességet műszaki eszközökkel korlátozzák, az alsó és felső határfrekvenciánál meredek levágás van. Jelzési sebesség: A csatornán másodpercenként bekövetkező jelváltások száma. Egy jelzés több bitet is hordozhat. Ha a jelzési szintünk pl.: +3V, +1V, -1V, -3V, akkor egy feszültségszínt 2 bitet kódolhat. Multiplexelés: minden bemeneti csatornához hozzárendelünk egy kimeneti csatornát. Ebben az esetben a csatornák nem versengenek a vonalakért, torlódás nem tud keletkezni, mert a csatornák kapacitása előre rögzített. Két változata a frekvenciaosztásos és az időosztásos. Frekvenciaosztásos multiplexelés: az átvitelre kerülő analóg jelek viszonylag kis frekvenciatartományba esnek. Mivel a vonal sávszélessége ennél jelentősen nagyobb, több ilyen tartomány vihető át egyszerre rajta. Időosztásos multiplexelés: Digitális átvitelnél az idő-multiplex (STDM - Synchronous Time- Division Multiplexing) berendezések a nagyobb sávszélességű adatvonalat időben osztják fel több, elemi adatcsatornára. Minden elemi adatcsatorna egy-egy időszeletet kap. A fővonal két végén elhelyezkedő vonali multiplexerek előre meghatározott időben, periodikusan, egymással szinkronban működve összekapcsolják egy-egy rövid időre néha egyetlen bit, legtöbbször egyetlen karakter vagy bájt, esetleg néhány bájt átviteli idejére az összetartozó be-, illetve kifutó vonalakat.
Csillapítás: A jel amplitúdója csökken a jel haladása során az átviteli közegben. Az átviteli közeg hosszát úgy állapítják meg, hogy a jel biztonsággal értelmezhető legyen a vételi oldalon. Ha nagyobb távolságot kell áthidalni, akkor erősítők (jelismétlők) beiktatásával kell a jelet visszaállítani. A csillapítás frekvenciafüggő, ezért az erősítőknek frekvenciafüggő erősítéssel kell ezt kompenzálniuk. Késleltetés: A jel terjedésének ideje frekvenciafüggő, ezért a jelek szinuszos komponensei eltérő időben érkeznek a vevőhöz, és ún. késleltetési torzítást okoznak. A torzítás mértéke az adatátviteli sebesség növelésével növekszik. Ennek oka, hogy bizonyos bitekhez tartozó néhány frekvencia komponens olyan mértékben késik, hogy interferál a következő bit bizonyos frekvencia komponenseivel. Vonali zaj: Az átviteli közeg környezetéből származó zavarokat vonali zajnak nevezik. Az átvitt jelek csillapítása miatt a zajszint összemérhetővé válhat a jelszinttel, és a jelek helyes érzékelése lehetetlenné válhat. Ezt a torzítást szimbólumok közötti interferenciának (intersymbol interference) nevezik. Interferencia: Egymást átfedő frekvenciatartományokban találkozó jelek torzulnak, vagy kioltják egymást. ÁTVITELI KÖZEGEK Az átviteli közegeknek két nagy csoportját különböztetjük meg, a vezetékes (rész, optika), illetve a vezeték nélküli átvitelt. Vezetékes átviteli közegek: 1. Koaxiális kábel: A koaxiális kábel nagyon hosszú ideig egyeduralkodó volt a számítógép-hálózatok területén. Felépítése az alábbi ábrán látható: A legbelső szinten húzódik a vezető ér (melegér). Ennek anyaga lehet tömör, vagy sodrott. A tömör jobb paraméterekkel rendelkezik, viszont a szerelhetősége a merev belső ér miatt nehezebb. A melegér körül egy néhány mm falvastagságú szigetelőanyag található. Erre készítik el a kábel hidegvezetőjeként szolgáló árnyékolást. Ennek kialakítása az olcsóbb típusokban alumíniumfóliából, a jobb minőségűben sodrott hálóból áll. Az árnyékoló harisnyán elhelyeznek még egy szigetelő réteget, amely a külső környezeti határok ellen véd. A környezet zavarainak a kiküszöbölését lehet fokozni úgy, hogy az árnyékolást két rétegben
készítjük el. Ezt a technikát elsősorban olyan helyeken alkalmazzák, ahol a jelvezetékek fokozattan ki vannak téve a környezet zavarainak. A koax kábel főbb jellemzői: hullám impedancia; csillapítás; késleltetési idő; A koaxiális kábel fő típusai: Szélessávú koaxiális kábel: analóg átvitelt tesznek lehetővé a televízió sugárzás jeleinek továbbítására kialakított kábelrendszeren. A kábelek alkalmasak 300-500 MHz-es jelek átvitelére akár 100 km távolságba is. Ahhoz, hogy a kábelt használhassuk, a számítógépből kikerülő digitális jeleket át kell alakítani analóg jelekké, majd a fogadó oldalon el kell végezni a konverziót az ellenkező irányba. A szélessávú koaxiális kábelek sávszélessége akár GHz-es jelek átvitelét is lehetővé teszik. Ez a sávszélesség nagyon nagy, ezért ezekben a rendszerekben a vonalat több, kisebb sávszélességű csatornára osztják, amelyeken egymástól független információátvitel valósulhat meg. Ez a már ismertetett frekvenciaosztásos multiplexelés. Alapsávú koaxiális kábelt a digitális adatátvitelben alkalmaznak előszeretettel. Két további típusra bonthatók, a vékony és a vastag koaxiális kábelre. Csavart érpár: o Vékony koaxiális kábel: az Ethernet hálózatokban alkalmazzák, hullámimpedanciája legtöbbször 50 Ohm, de előfordulhat 75 Ohmos változatban is. A jellemző adatátviteli sebesség 100 Mbit/s 1 km-es szakaszon. Kisebb távolságon a sebesség növelhető és ez fordítva is igaz. A sebesség és a távolság között a kapcsolat nem lineáris. Ez azt jelenti, hogy ha a távolságot megduplázzuk, akkor nem feleakkora lehet a maximális sebesség, hanem kisebb. A vékony koaxkábelt BNC (Bayone-Neil-Councelman) csatlakozókkal szerelik, ami lehet vagy csavaros vagy sajtolt (krimpelt). o Vastag koaxiális kábel a nevét onnan kapta, hogy az előzőnél vastagabb, a hullámimpedanciája majdnem duplája, 93 Ohm. A régebbi hálózati protokollokban használták, ma egyre inkább kikerül a piacról. A vastagkoax előnye, hogy a csillapítása kisebb, mint a vékony változaté, emiatt az áthidalható távolságok nagyobbak lehetnek ugyanakkora sebesség mellet. A kábel nehezen szerelhető a merevsége miatt, ezért ahhoz nem BNC, hanem ún. vámpírcsatlakozókat használnak a kapcsolat kialakítására. A nevét a működéséről kapta, mivel szereléskor a sajtolás következtében a szigeteléseket átszúrja és mind az árnyékolással, mind a belső érrel jó fémes kapcsolatot alakít ki. A csavart érpár két összesodort vezeték, meghatározott csavarás számmal. A sodrás biztosítja, hogy az érpár környezete felé szimmetrikus legyen, ezáltal a jelkisugárzást az egymás ellen hatás miatt minimálisra csökkentik. Amennyiben az érpár körül árnyékolás is található, akkor árnyékolt sodrott érpárnak (Shielded Twisted Pair, STP), míg az árnyékolás nélkülit UTP (Unshielded Twisted Pair) kábelnek nevezzük.
STP: UTP: A közepes méretű hálózatokban az esetek döntő többségében az UTP kábeleket alkalmazzák, mivel ezek jellemző/ár aránya biztos és költséghatékony összeköttetést biztosít. Az UTP kábeleket több kategóriára osztják, ezek jelátviteli tulajdonságokban és természetesen árban térnek el egymástól. A legelterjedtebbek a következők CAT1 hangátvitel 100kHZ CAT2 nem gyakori 4 MHZ CAT3 Ethernet 10MHz CAT4 nem gyakori 20MHz CAT5 Fast Ethernet 100MHZ CAT6 Fast Ethernet 200MHz CAT7 Gigabit Ethernet 600MHz Az Ethernet hálózatokban a 3.-5. kategóriájú kábeleket használják. Ezeket összefogták egy csoportba és a 10BaseT névvel látták el. A rendszer két sodrott érpáron működik, az egyik érpár adásra, míg a másik vételre szolgál. Az UTP kábel esetében a megengedett legnagyobb, még erősítés nélkül áthidalható távolság (szegmenshossz) 100 méter. A kábel a számítógéphez RJ-45 típusjelzésű csatlakozóval kapcsolódik. Ennek nyolc érintkezője van, tehát a kábelben négy érpárnak kell lennie. A vezetékek megkülönböztetése színkódolást alkalmaznak. Négy különböző színű vezeték van, a maradék négy pedig ezek és a fehér szín keveréke A szabványos színkód a következő: Színjelzés Csatlakozó Jel neve Jel neve Csatlakozó Színjelzés Fehér-narancs 1 8 Fehér-narancs
Narancs 2 DTR DSR 7 Narancs Fehér-zöld 3 TxD RxD 6 Fehér-zöld Zöld 4 GND GND 4 Zöld Fehér-Kék 5 GND GND 5 Fehér-Kék Kék 6 RxD TxD 3 Kék Fehér-Barna 7 DSR DTR 2 Fehér-Barna Barna 8 1 Barna Az RJ-45-ös csatlakozón lévő bekötését pedig az alábbi ábra szemlélteti: Optikai vezeték: Az optikai kábel egy speciális, nagyon vékony cső, amelynek belsejét üveg tölti ki. Ebben halad a fénysugár. A mag körül helyezkedik el a köpeny, aminek a törésmutatója kisebb, mint a magé, ezáltal megakadályozza, hogy a fény kilépjen a magból. A köpenyen egy lágy burkolat található, aminek a szerepe a nagyobb ellenállóság biztosítása a fizikai terhelésekkel szemben. Az egész szálat egy kemény, műanyag burkolat véd a környezet behatásaival szemben. Attól függően, hogy a fény milyen módon halad a csőben, beszélhetünk egy- és többmódusú optikai kábelről. Az átvitel három elem segítségével valósul meg: fényforrás átviteli közeg fényérzékelő. A fényforrás egy LED dióda, vagy lézerdióda. Ezek a
fényimpulzusokat a rajtuk átfolyó áram hatására generálják. A fényérzékelő egy fotótranzisztor vagy fotodióda, amelyek vezetési képessége a rájuk eső fény hatására megváltozik. Az átviteli közeg egyik oldalára fényforrást kapcsolva a közeg másik oldalán elhelyezett fényérzékelő a fényforrás jeleinek megfelelően változtatja az vezetőképességét. Fényveszteség három részből áll: a két közeg határán bekövetkező visszaverődés (reflexió), a közegben létrejövő csillapítás és a közegek határfelületén átlépő fénysugarak. Az első hatás a határfelületek gondos összeillesztésével minimálisra csökkenhető. Döntő jelentőségű az a tény, hogy a csillapítás nem az üveg alapvető tulajdonsága, hanem azt az üvegben lévő szennyeződések okozzák. A csillapítás megfelelő anyagválasztással minimalizálható. A közeg határfelületén való átlépés megakadályozására a megoldás az optikában jól ismert teljes visszaverődés jelensége. Ha a közeg határfelületére érkező fénysugár beesési szöge elér egy kritikus értéket, akkor a fénysugár már nem lép ki a levegőbe, hanem visszaverődik az üvegbe. Az üvegszálban az adóból kibocsátott számos fénysugár fog ide-oda verődni, az ilyen optikai szálakat többmódusú üvegszálnak (multimode fiber) nevezik. Ha azonban a szál átmérőjét a fény hullámhosszára csökkentjük, akkor a fénysugár már verődés nélkül terjed. Ez az egymódusú üvegszál (single (mono) mode fiber). Adóként ilyenkor lézerdiódát kell alkalmazni, de sokkal hatékonyabb, nagyobb távolságú összeköttetés alakítható ki segítségével. Létezik még a többmódusú üvegszál, amelynél a mag anyagának törésmutatója a tengelytől távolodva növekszik. Ez mintegy fókuszálja a fényt. E típus tulajdonságai az előző kettő közé tehető.
Jelenleg a nagytávolságú összeköttetésben általában 0.2-2 db/km csillapítású fényvezető szálakat használnak, amelyek legfeljebb 20-100 km távolság közbenső regenerálás nélküli áthidalását teszik lehetővé. Gondoskodni kell arról, hogy az optikai szálat csak minimális fizikai terhelés érje, minden nagyobb és hosszabb ideig tartó terhelést más szerkezeti elem vegyen át, mely védelmet és terhelésátvitelt a kábel konstrukciónak kell biztosítania. AZ ÁTVITELI KÖZEGEK FIZIKAI ÉS ÁTVITELI JELLEMZŐINEK ÖSSZEFOGLALÁSA Koaxiáli kábel: Átviteli jellemzők: Analóg átvitel esetén néhány km-enként szükséges erősítés. Mintegy 400 MHz-ig használható. Digitális átvitel esetén km-enként szükséges jelismétlő használata. Fizikai jellemzők: A kábel átmérője: 10-25 mm. A koncentrikus felépítés miatt kevésbé érzékeny a zavarokra és az áthallásra, mint a csavart érpár. Nagyobb távolságra használható és többpontos alkalmazásban több állomást támogat a csavart érpárnál. Csavart érpár: Átviteli jellemzők: Analóg átvitel esetén 5-6 km-enként jelerősítésre van szükség. Digitális jelzésnél 2-3 km-enként kell ismétlőt (repeater) használni. A csavart érpár csillapítása erősen függ a frekvenciától. Érzékeny az interferenciára és a zajra. Például a párhuzamosan futó AC hálózatból könnyen fölveszi az 50Hz energiát. A zavarások csökkentésére árnyékolást alkalmaznak. A csavarás csökkenti az alacsony frekvenciás interferenciát. Különböző csavarási hosszak használata a szomszédos érpárok közötti áthallást (crosstalk) csökkenti. Pont-pont analóg jelzéssel 250KHz sávszélesség is elérhető (több hangcsatorna átvitele). Nagy távolságú digitális pont-pont kapcsolat esetén néhány Mbps érhető el. Rövid távolságra 100 Mbps sebesség is elérhető.
Fizikai jellemzők: A legolcsóbb, legelterjedtebben használt átviteli közeg. Két szigetelt rézvezetéket szabályos minta szerint összecsavarnak. Többnyire néhány csavart érpárt kötegelnek és védőszigeteléssel vonnak be. A csavarás csökkenti az áthallást az érpárok között és zajvédelmet biztosít. A csavarás hossza kicsit különbözhet az egyes érpárokban, hogy csökkenjen az áthallás. A csavarás hossza nagy távolságú összeköttetésekben 50-150 mm között változik. A huzal átmérője 0.4-0.9 mm. Optikai kábel: Átviteli jellemzők: 1014-1015 Hz tartományban működik, amely az infravörös tartomány egy részét és a látható spektrumot öleli át. 3 változatát használják (ezek jellemzőit lásd feljebb): o több módusú (multi mode) o egy módusú (single mode)több módusú, o emelkedő törésmutatójú (multi mode graded index). Fizikai jellemzők: 2-125 µm átmérőjű hajlékony optikai szál fénysugár továbbítására képes. Optikai szálat üvegből és műanyagból is készítenek. A védőbevonat szintén üveg vagy műanyag, más optikai tulajdonságokkal rendelkezik, mint a mag. A külső műanyag burkolat a szennyeződés, kopás és egyéb külső hatások ellen nyújt védelmet. Felhasznált irodalom: http://www.bibl.u-szeged.hu/inf/demo/halozatok/halozatok/tcp_fiz_kapcs.htm http://rs1.szif.hu/~heckenas/okt/phys.pdf http://fi.inf.elte.hu/~csb/b5/node9.html http://www.webgobe.ro/konyv/2fiz.html http://e-oktat.pmmf.hu/mit_hal2 http://www.vjrktf.hu/info/halo/3/fiziaki_reteg.htm (a képek miatt megnézni!!!) http://amirisc.ttk.pte.hu/docs/szt_internet_ism.pdf?phpsessid=5543b1ae3de58a225b3c 18fce2710838
http://ir.nik.bmf.hu/munkatarsak/schuberttamas.html Kónya László: Számítógép-hálózatok LSI Oktatóközpont Andrew S. Tanenbaum: Számítógép-hálózatok (második, bővített, átdolgozott kiadás) Panem Könyvkiadó Kft. 2004.