Adatátviteli módszerek

Analóg átvitel

Adatátvitel nyilvános analóg telefonhálózaton

100 éves múltra visszatekintő, napjainkban legelterjedtebb adatátviteli rendszer

Hibája: Az analóg átvitelre épített rendszer önmagában nem alkalmas digitális jelek továbbítására.

Megoldás: Modulátor-demodulátorok (röviden: modem) használata.

Az előfizetői hurok (központ és készülék közti vonalszakasz) máig gyakorlatilag változatlan, (igaz az sávszélességet mesterségesen 300..3400Hz közti tartományra korlátozták) alapsávi egyenáramú átvitelt használnak.

digitális jel

amplitudó moduláció

frekvencia moduláció

fázis moduláció

10 0 0 0 01 1 1 1

01

00

11

10

A kombinált moduláció eredményeként a vonalon egy jelváltozással 4 bitnyi információt tudunk átvinni. Ebből következik, hogy 1 baud ≠ 1 bit/sec!

1 baud = 4 bit/sec• Két modem csak akkor tud egymással kapcsolatba lépni,

ha van közös modulációs protokolljuk. pl. CCITT V.34• Az analóg vonalon fellépő hibák javítására szolgál az

opcionális hibajavító protokoll. Ezekkel ellátott modemek hibamentes átvitelt biztosítanak. pl. CCITT V.42 (LAP-M)

• Ugyancsak opcionális az adattömörítő protokoll. (Csak alkalmazott hibajavító protokoll esetén használható!) Ekkor a modemek valósidejű kompressziót, és dekompressziót hajtanak végre. pl. CCITT V.42bis (max 4:1) A lassú tömörítő protokoll valójában ronthatja az átvitel sebességét!

Alkalmazási Kommunikációs program

Megjelenítési Operációs rendszer

Viszonyi Fájlátviteli protokoll

Szállítási Hibafelismerési és javítási protokollHálózati

Adatkapcsolati Modem áramköri működéseFizikai

Modem az OSI modell szerint

Modem szabványok• V21: 300 bit/sec, full duplex MODEM (BELL 103)

• V22: 1200 bit/sec, full duplex MODEM (BELL 212)

• V22bis: 2400 bit/sec, full duplex MODEM

• V23: 600/1200 bit/s half duplex MODEM, 75 bit/s-os ellenirányú felügyeleti csatornával.

• V24: DTE-DCE közti interfész legelterjedtebb fajtája, megfelel az RS232C-nek.

• V32: 9600 bit/sec, full duplex MODEM, kombinált modulációt használ, 16 szintű nem redundáns, 32 szintű redundáns kódolás.

• V42: Hibajavító eljárás, redundáns kódolás segítségével javít

• V42bis: Adat tömörítő szabvány, csak V42-vel működik, előzetes tömörítéstől független. 4:1

Adatátviteli módszerek

Digitális átvitel

ISDN (Integrated Service Digital Network)

Ha az előfizetői huroknál eltávolítjuk a sávszűrőket, és a jeleket digitálisan továbbítjuk, a vezetéken 2 Mbit/sec átviteli sebesség érhető el.

1984-ben a világ telefontársaságai összefogtak, hogy megalkossanak egy digitális vonalkapcsolt távbeszélőrendszert

Tervezéskor kitűzött cél, hogy egyszerre legyen képes hang, kép, és számítógépes adatátvitelre. Ezért az ISDN több csatlakozási felületet is definiál.

(Keskenysávú) N-ISDN szolgáltatásai (Narrowband ISDN)

• Leglényegesebb szolgáltatása továbbra is a hangátvitel.• Lehetővé teszi a hívó fél azonosítást (CIL)• Nem hangátvitellel kapcsolatos szolgáltatások:

– Fogyasztásmérő távoli leolvasása– Riasztások– stb

ISDN rendszer architektúrája

Alapja a „digitális bitcső” (digital bit pipe), amely időosztásos multiplexeléssel egyszerre több, független csatornán képes adatokat továbbítani. Erre két szabványt dolgoztak ki:– Otthoni használatra egy kisebb sávszélességű

NT1 hálózati végberendezést UTP-vel kapcsolják az ISDN központhoz. Max. 8 egységet kezel.

– Üzleti használatra nagyobbsávszélességű

NT1 berendezés elé egy NT2 alközpontot tesznek (nem sokban különbözik egy ISDN központtól).

Ez utóbbihoz akár több bitcső is felhasználható egy időben.

Referenciapontok

CCITT által meghatározott 4 referenciapont a különböző berendezések közt:

U:Szolgáltató ISDN központja és az NT1 berendezés közt. Napjainkban ez csavart érpár, de lehet fénykábel is.

T: Amit az NT1 berendezés csatlakozója az ügyfélnek nyújt.

S: ISDN alközpont, és terminálok közti interfész

R:Terminál adapterek, és a nem ISDN terminálok közt teremt kapcsolatot.

ISDN interfészCsatornák szabványosított típusai:

A: 4kHz analóg csatorna

B: 64kb/s PCM csatorna hang-, és adatátviteli célokra

8 bites mintákból 8000-et továbbít másodpercenként

C:8kb/s vagy 16kb/s digitális csatorna

D:16kb/s vagy 64 kb/s digitális csatorna sávon kívüli jelzésekre

E: 64 kb/s digitális csatorna belső ISDN jelzésekre

H:384kb/s, 1536kb/s vagy 1920kb/s digitális csatorna

Szabványosított kombinációk:– Alapsebesség (BRI): 2B +1D– Primer sebesség (PRI): 23B+1D (USA,Japán), 30B+1D (Európa)– Hibrid sebesség: 1A+1B

(Szélssávú) B-ISDN (Broadband ISDN)

Mivel az N-ISDN nem jelent jelentős előrelépést adatátviteli szempontból az analóg hálózatokhoz képest, ezért szükségessé vált egy új szolgáltatás kifejlesztése.

B-ISDN egy olyan digitális (állandó/kapcsolt) virtuális áramkör, amely a forrás és a célállomás közt 156 Mb/s sebességgel fix hosszúságú csomagokat szállít.

Mivel az ATM technológián alapul, ezért a vonalkapcsoltról át kellet térni a csomagkapcsolt technológiára. Az előfizetői hurkoknál pedig legalább 5-ös kategóriás UTP-re, vagy fénykábelre van szükség.

ATMA digitalizálást már ma is használják a telefontechnikában, a központok közti – úgynevezett trunk – kapcsolatoknál. Ezeken a vonalakon STM (Syncronous Transfer Mode) módszer segítségével (125μs-onkénti minta) egy időben akár több beszélgetés is bonyolítható. Ez a technika azonban nem teszi lehetővé, hogy a csatornakiosztást változtassuk!

Ennek kiküszöbölésére született meg az ATM (Asyncronuos Transfer Mode) technika, amely az adatokat csomagokba (cellákba) tördeli. Így nem szükséges a folyamatos cellafolyam, a cellák sorba rendezése. Az eredeti ATM alapsebesség 155,52 Mb/s, de a szabványban megengedték ennek négyszeresét is (622,08 Mb/s). (Sebességek kompatibilisek a SOLNET-tel)

ATM cella

AdatAdat Típus(opcionális)

HeaderChecksum

ControlVCI

3 oktet 1 oktet 1 oktet 4 oktet 44 vagy 48 oktet

Header 5 oktet Hasznos adat 48 oktet

• VCI (Virtuál Channel Identifier): Két szomszédos ATM kapcsológép közti pont-pont kaplcsolat azonosítására szolgál

• Control: Különféle vezérlési célokra• Header Checksum: Header esetleges hibáinak

felderítéséreAlacsony hibaarány miatt nem szükséges CRC. Kis

csomagméret az egyszerű felépítés, és a csomagvesztés lehetősége miatt.

ATM protokoll szintjei

Telefon, Ethernet, Token Ring, stb.

Cellavesztés kompenzálása

Magasabb szintű protokoll-elemek cellákra tördelése, összeállítása

Virtuális áramkörök kialakítása, cellák irányítása

Szállító közeg (többnyire üvegszál)

Magasabb szintek

ATM Adaptation Layer (ALL)

Convergence Sub-layer

Segmentation & Reassembly (SAR)

ATM szint

Fizikai szint

Az ATM hálózatok felállításához úgynevezett adaptációs szinteket – Adaptation Layer – használnak, amelyek a különböző protokollokat illesztik az ATM-re.

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)

Eredetileg a telefonszolgáltatók hálózati videózásra (MPEG letöltésre) szánták. Az ötlet az volt, hogy a fejlett országokban szinte minden házba vezet egy csavart érpár. A gond az, hogy ezekkel az átlagosan 10km hosszú huzalokkal nem képesek még MPEG-1 átvitelre sem. Az ADSL a digitális jelfeldolgozás addigi eredményeit használja fel, a vonalzajok és visszhangok elnyomására.

ADSL működése

Előfizető „modemje” és a központ (nagy távolság esetén a ház szomszédságában végződő üvegszál) közt UTP van.

Nagy letöltési sebességet a feltöltés rovására érik el.

Néhány esetbe az analóg vonal helyett N-ISDN csatornát ad a szolgáltató

Nem igazán jó megoldás, inkább egy gyors, piszkos trükk. Ennek ellenére már dolgoznak az ADSL-2-nek és ADSL-3-nak nevezett javított változaton.

ADSLHálózatiegység

ADSLElőfizetőiegység

1.536 Mb/s

16 kb/s

4 kHz analóg

Üvegszál

Telefontársaságok (kábel-tévék) további tervezetei

• FTTC (Fiber To The Curb): Üvegszál az elosztódobozig. Minden lakossági körzetbe üvegszálat fektet, amely egy optikai hálózategységben végződik (Optical Network Unit, ONU). Ebbe 16 – már elégé rövid – előfizetői hurok csatlakozik.

• FTTH (Fiber To The Home): Üvegszál otthonra. Nagyon drága, de a lehetőségek…

• HFC (Hybrid Fiber Coax): Kábel-tévék által előnyben részesített megoldás. 750MHz-es koax kábelekkel 125 csatornára bővítik a kapacitást. Ebből 75 televíziós, a többi kb. 40Mb/s átvitelre alkalmas (összesen 2Gb/s).

Digitális celluláris telefonEurópában a szolgáltatók – a több analóg rendszer után –

kialakítottak egy közös digitális rendszert. Ez lett a globális mobilkommunikációs rendszer (Global System for Mobile Communications, GSM), ami megelőzte az amerikai rendszerek (IS-54) bevezetését. (Japán rendszer mindkét rendszertől különbözik (JDC))

A GSM rendszerek két sávot kaptak: 900 MHz, és 1,8 GHz (DCS 1800). Egyszerre használ frekvenciaosztásos, és időosztásos multiplexelést. A rendelkezésre álló sávszélességet 50db 200kHz-es csatornára osztja, és egy csatornát több előfizető is igénybe vehet időosztásos multiplexeléssel.

Az újabb telefonok egy CPUt tartalmazó kártyát tartalmaznak (SIM), ami tartalmazza az előfizető adatait.

GSM (Global System for Mobile Communications)

• A celluláris telefonok 2. generációja által használt digitális rádiós csomagokat használó rendszer. (1.: analóg, 3.: UMTS)

• Egyedüli 2. generációs rendszer, ami teljesen digitális, minden kompromisszum nélkül, ezért a világ legelterjedtebb rendszere. (Európán kívül, még 50 országban használják!)

• Cellánkét legfeljebb 200 duplex csatorna. Mindegyik egy lefelé (bázis-mobil), és egy felfelé (mobil-bázis) irányuló frekvenciát tartalmaz.

• Egy 124 frekvenciacsatornás rendszer, egy 8 időréses TDM rendszert használ, így elvileg cellánként 992 csatornát támogat (gyakorlatban frekvenciakonfliktus).

Űrtávközlés

Napjainkban – elsősorban a nagytávolságú – adatátvitel jelentős részét távközkési műholdak felhasználásával bonyolódik le.

Az űrtávközlésben használt vivőfrekvenciákat nemzetközi szabványok írjál elő. Szokásos frekvenciák 3..31GHz közt (mikrohullám).

Egy műholdat egy időben számos földi állomás használhat. Ezt frekvencia osztással (FDMA), időosztással (TDMA) oldják meg, hasonlóan a földi rendszerekhez.

Műholdak

Műhold antennája által látott terület lehet:• Globális: föld max. 42,4%-a• Zónás: pl. egy földrészre korlátozott• Pontszerű: Egy konkrét pont.

Szóba jöhető pályák:• Geostacionárius: 35.786km• Polaris: 100..500km• Eliptikus: 500/40.000km• Egyenlítői: 100..500km

IEEE 802.3

• IEEE 802.3 szabvány legismertebb változata az Ethernet. Nevét a luminiferous éter után kapta, amit valamikor elektromágneses sugárzás közvetítőközegének hitték.

• Az igazi kezdetet az ALOHA rendszer jelentette a Hawaii szigeteken. Norman Abramson diplomamunkának készítette a ’70-es években. Alapelve, hogy mindenki ad, amikor akar, és észleli, hogy ütközés miatt elvesztek-e a csomagok. Egy keret szabványos hosszúságú.

• Réselt ALOHA – 1972-ben publikált módszer – megduplázza a rendszer kapacitását. Az időt diszkrét szeletekre osztja, melynek hossza megegyezik a keret hosszával. Ehhez szinkronizálás szükséges.

Csatornafigyelő protokollok• 1-perzisztens CSMA (Carrier Sense Multiple Access):

Mielőtt egy állomás adna, belehallgat a csatornába, hogy ad-e valaki. Ha foglalt, vár, míg szabad nem lesz, majd küld egy keretet. Ha ütközik, vár véletlen hosszú ideig, majd újra kezdi. (1 valószínűséggel ad, ha üres a csatorna)

• Nemperzisztens CSMA: Küldés előtt az állomás megfigyeli a csatornát. Ha senki se forgalmaz, az állomás elkezdhet adni. Ha foglalt, nem folytat megfigyelést, hanem véletlen hosszú ideig vár.

• p-perzisztens CSMA: Réselt csatornát alkalmaz. Ha adásra kész, megvizsgálja a csatornát, majd p valószínűséggel adni kezd, q=1-p valószínűséggel vár a következő időrésig.

1

S (

áter

eszt

őkép

essé

g/ke

retid

ő)

G (Próbálkozások száma/keretidő)

ALOHA

RéseltALOHA

1-perzisztensCSMA

NemperzisztensCSMA

0,1-perzisztensCSMA

0,01-perzisztensCSMA

Ethernet

• 1-perzisztens CSMA/CD rendszer. A Xerox építette meg az lesőt, ami annyira sikeres lett, hogy a Xerox, a DEC és az Intel összefogva hozta létre a 10 Mb/s Ethernet szabványt.

• Napjainkban leggyakrabban alkalmazott LAN technológiája. Előnye, hogy a többi megoldáshoz képest ennek van a legjobb szolgáltatás/ár viszonya, valamint minden alkalmazott hálózati protokoll továbbra is felhasználható.

• Korlátozott hosszúságú, sin topológiájú kábelrendszer, amihez korlátozott számú hoszt kapcsolható.

CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Acces / Collision

Detection)1. Egy adásra váró hoszt „belehallgat” a vonalba, és addig nem

kezd el adni, amíg 9.6μs ideje (Minimal Packet Spacing) senki se ad.

2. Ha a vonal „csendes” a hoszt addig ad, amíg a csomag végére nem ér, illetve ütközést nem érzékel (mást vesz, mint amit ad). Ütközéskor még néhány oktetet köteles küldeni (collision jam), majd megszakítja adását.

3. Ütközés után köteles egy véletlen hosszúságú ideig várakozni (backoff), majd az 1. pont szerint újra próbálkozni. Egymás utáni 16. ütközésnél végleg vissza kell vonulnia, és magasabb szintű beavatkozásra várni.

4. A backoff idő n*51,2μs – 512 bit-idő –, ahol n a próbálkozások száma.

Extrém esetben előfordulhat, hogy egy adó „nem jut szóhoz”! Ha ezt nem engedhetjük meg, más közeghozzáférési módszert kell alkalmaznunk! (pl. Token Ring)

Vastag (thick) Ethernet10BASE5

• Elsősorban gerinchálózatok kialakítására használják, amire több kisebb hálózat is csatlakozik.

• Kb. 1,5 cm átmérőjű – általában sárga színű – kábel maximum 500m hosszú lehet, és legfeljebb 100 hoszt kapcsolódhat rá. 2,5m-enként található jelzésnél vámpír fognak nevezett eszközzel lehet rácsatlakozni.

• Kábel hullámimpedanciája 50Ω, és mindkét végén 50Ω-os lezáróellenállás szükséges.

Előnye: Üzem közben lehet bővíteni, hosszú kábel.

Hátránya: Nehéz telepítés (nehezen hajlítható).

Vékony (thin) Ethernet10BASE2

• Átmérője kb. ½ cm, könnyen hajlítható. Végein BNC csatlakozók vannak, egymáshoz „T” csatlakozóval kapcsolódnak.

• Maximum 200m hosszú lehet, és 30 hoszt csatlakozhat hozzá.

• Kábel hullámimpedanciája 50Ω, és mindkét végén 50Ω-os lezáróellenállás szükséges.

Előnye: Olcsó, könnyű telepíteni.

Hátránya: Korlátozott hossz, bővítéshez meg kell szakítani.

Csavart érpárú (Twisted Pair) Ethernet 10BASE-T

• Csillag topológiájú rendszer, ahol a középpontban egy HUB-nak nevezett aktív egység található.

• Kábelek maximum 100m hosszúak lehetnek, és legfeljebb 1024 hoszt csatlakoztatható. 4-es kategóriájú kábel kell a 10Mb/s-hoz.

• 5-ös kategóriájú kábellel lehetséges a 100Mb/s sebesség (100BASE-TX), illetve 6-os kategóriájúval az 1,2Gb/s is.

Előnye: Olcsó kábel, üzem közben bővíthető, egyszerű telepítés.

Hátrány: HUB szükséges, viszonylag rövid kábel.

Üvegszálas (Fiber Optic) Ethernet10BASE-F

• Hasonló a csavart érpárúhoz, csak optikai kábelt használunk.

• Maximum 2km-es kábelek, 1024 hosztal.• Átviteli sebesség megnövelhető 100Mb/s-ra (100BASE-

FX)

Előnye: Nagy hossz, mágneses zavarokra érzéketlen.

Hátránya: Drága kábel, drága HUB, mechanikailag sérülékeny.

Ethernet hálózatok összekapcsolása

Ha a hálózatok méretét növelni szeretnénk, akkor ezt megtehetjük repeater-ek (aktív jelformáló, erősítő eszköz, pl. HUB), és bridge-ek segítségével. Felhasználásuk további előnye, hogy egy szegmens meghibásodásakor a hiba arra a szegmensre korlátozódik.

Repeater-ek alkalmazásakor ügyelni kell az „5-4-3” szabályr betartására: Két hoszt közt legbeljebb 5 szegmens lehet, 4 repeater-nél többen nem mehet át a jel, és csak 3 szegmenshez kapcsolódhatnak hosztok (másik két szegmens csak repeater-eket kapcsolhat össze). Ez azért szükséges, hogy ne tartson túl sokáig, amíg a jel végigér a hálózaton.

Ethernet hálózatok összekapcsolása

Bridge olyan eszköz, amely nem csak jelformálást, és erősítést végez, hanem – a címek vizsgálatára alapuló forgalom-szűrés felhasználásával – logikailag szét is választja a hálózatot. Csak azokat az adatokat engedi át a másik szegmensre, melyek formailag hibátlanok, és a megcímzett hoszt a másik szegmensbe található. Általában a bridge automatikusan „megtanulja”, hogy melyik hoszt melyik szegmensben található.

Ethernet csomagok

• Szinkron: csomag elejének felismerését segíti: 10101010..10101011

• Címek (cél-, forrás-): 48 bitesek, amelyet többnyire 6 hexadecimális számként olvasnak ki: aa:bb:cc:dd:ee:ff. Minden Ethernet kártya rendelkezik egy saját címmel.

• Típus: szállított adat típusának megjelölése.• Adat: Hasznos információ• CRC: Az adó számítja ki. Tartalma a kiküldött oktetek tartalmától

függ. A vevő ismét kiszámítja a CRC-t és összehasonlítja a kettőt.

CRCSzinkron Cél-cím Forrás-cím Típus Adat

8 oktet 6 oktet6 oktet 2 oktet 46…1500 oktet 4 oktet

CRC által védett (ellenőrzött) tartalom

Header Hasznos adat Trailer

Ethernet címek

Minden Ethernet kártyának központilag kiosztott, egyedi címe van, ami egyértelműen azonosítja. A cím utolsó bitje mindig 0, vagyis a cím páros. Ha a célcím páratlan, az azt jelenti, hogy az adó egyszerre több vevőnek szánja a csomagot (multicast). A multicast speciális esete, ha a cím minden bitje 1. Ekkor az üzenetet az összes hoszt beolvassa (broadcast).

IEEE 802.4 Token Bus (Vezérjeles sin)

• Mivel a 802.3-as szabványnál nincs a legrosszabb esetnek korlátja, így előfordulhat, hogy egy gép „nem jut szóhoz”, illetve mivel a keretek nem rendelkeznek prioritással, a fontos kereteket „feltartják” a kevésbé fontosak. Ennek megoldására jött létre a 802.4 szabvány, ami továbbra is sin topológiát használ, de vezérjellel.

• Az állomásokat logikai gyűrűkbe szervezik, amelyben minden állomás ismeri két szomszédja címét. Üzembe helyezéskor először mindig a legmagasabb sorszámú állomásé a küldés joga. Miután megtette, a jogot továbbadja szomszédjának. Ezt egy speciális vezérlőkeret, az ún. vezérjel (token) elküldésével teszi.

IEEE 802.5 Token Ring• IBM által kifejlesztett lokális hálózati rendszer.• Általában UTP kábelt használnak 4 Mb/s sebességgel

(létezik 16Mb/s-os, ekkor STP – Shielded Twisted Pair – kábelt kell használni). Gyűrűre legfeljebb 72 hoszt csatlakozhat (STP-nél 260)

• Hálózati kábelek zárt gyűrűt alkotnak, előre kikötött irányba. Kábelszakadásból eredő hibák ellen huzalközpontnak nevezett eszközzel lehet védekezni, ami a gyűrűt „csillagalakú gyűrűvé”-vé alakítja.

• Csomag küldésekor minden hoszt továbbküldi azt, a címzett lemásolja, a feladó pedig amikor megkapja eltávolítja a gyűrűből. A vevő sikeres vétel esetén egy részt törölhet a csomagból, így jelezve azt.

• Egy hoszt addig adhat, amíg le nem jár a token birtoklási idő.

FDDIFiber Distributed Data Interface

• Nagyon hasonló a Token Ringhez, de az adatátviteli közeg – egy elsődleges, és egy másodlagos – üvegszál gyűrű. Hosszúk legfeljebb 200km, alkalmazott adatátviteli sebesség 100Mb/s (ennél gyorsabbak is működnek már). Hosztok száma maximum 1000, adatátvitel normális esetben az elsődleges gyűrűn zajlik.

• Az adó a tokent még a csomag körbeérése után visszaküldi a körbe.

Előnyeik: Egyszerű tervezés, garantált adás lehetőség, nagy terhelésnél 100%-os hatékonyság is lehetséges.

Hátrányok: Felügyelő állomás szükséges.