Transcript Adatátviteli módszerek

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.
0
digitális jel
amplitudó
moduláció
frekvencia
moduláció
fázis moduláció
01
10
00
11
1
0
1 1
0 0 1 1
0
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!
Modem az OSI modell szerint
Alkalmazási
Kommunikációs program
Megjelenítési
Operációs rendszer
Viszonyi
Fájlátviteli protokoll
Szállítási
Hibafelismerési és
javítási protokoll
Hálózati
Adatkapcsolati
Fizikai
Modem áramköri
működése
Modem szabványok
•
•
•
•
V21:
V22:
V22bis:
V23:
• V24:
• V32:
• V42:
• V42bis:
300 bit/sec, full duplex MODEM (BELL 103)
1200 bit/sec, full duplex MODEM (BELL 212)
2400 bit/sec, full duplex MODEM
600/1200 bit/s half duplex MODEM, 75 bit/sos ellenirányú felügyeleti csatornával.
DTE-DCE közti interfész legelterjedtebb
fajtája, megfelel az RS232C-nek.
9600 bit/sec, full duplex MODEM, kombinált
modulációt használ, 16 szintű nem
redundáns, 32 szintű redundáns kódolás.
Hibajavító eljárás, redundáns kódolás
segítségével javít
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 interfész
Csatornák 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 5ös kategóriás UTP-re, vagy fénykábelre van szükség.
ATM
A 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 SOLNETtel)
ATM cella
VCI
Control
3 oktet
1 oktet
Header
Adat Típus
Checksum (opcionális)
Header 5 oktet
1 oktet
4 oktet
Adat
44 vagy 48 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
felderítésére
Alacsony hibaarány miatt nem szükséges CRC. Kis
csomagméret az egyszerű felépítés, és a
csomagvesztés lehetősége miatt.
ATM protokoll szintjei
Magasabb szintek
ATM Adaptation
Layer (ALL)
Convergence Sublayer
Segmentation &
Reassembly (SAR)
ATM szint
Fizikai szint
Telefon, Ethernet, Token Ring, stb.
Cellavesztés kompenzálása
Magasabb szintű protokoll-elemek
cellákra tördelése, összeállítása
Virtuális áramkörök kialakítása,
cellák irányítása
Szállító közeg (többnyire üvegszál)
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
Üvegszál
ADSL
Hálózati
egység
1.536 Mb/s
16 kb/s
4 kHz analóg
ADSL
Előfizetői
egység
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 ADSL3-nak nevezett javított változaton.
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 telefon
Európában 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.
0,01-perzisztens
CSMA
S (áteresztőképesség/keretidő)
1
Nemperzisztens
CSMA
0,1-perzisztens
CSMA
1-perzisztens
CSMA
Réselt
ALOHA
ALOHA
G (Próbálkozások száma/keretidő)
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.
2.
3.
4.
Egy adásra váró hoszt „belehallgat” a vonalba, és addig nem kezd
el adni, amíg 9.6μs ideje (Minimal Packet Spacing) senki se ad.
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.
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.
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) Ethernet
10BASE5
• 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 50Ωos lezáróellenállás szükséges.
Előnye: Üzem közben lehet bővíteni, hosszú kábel.
Hátránya: Nehéz telepítés (nehezen hajlítható).
Vékony (thin) Ethernet
10BASE2
• 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 50Ωos 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) Ethernet
10BASE-F
• Hasonló a csavart érpárúhoz, csak optikai kábelt
használunk.
• Maximum 2km-es kábelek, 1024 hosztal.
• Átviteli sebesség megnövelhető 100Mb/s-ra (100BASEFX)
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
Cél-cím
Forrás-cím
Típus
Adat
CRC
8 oktet
6 oktet
6 oktet
2 oktet
46…1500 oktet
4 oktet
CRC által védett (ellenőrzött) tartalom
Header
Hasznos adat
Trailer
• 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.
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.
FDDI
Fiber 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.