Fizikai réteg Bujdosó Gyöngyi Hálózati ismeretek III: 1 Hálózati ismeretek III: Fizikai réteg Bujdosó Gyöngyi Debreceni Egyetem • Informatikai Kar Komputergrafikai és Könyvtárinformatikai Tanszék

Áttekintés Számítógépes hálózatok története, osztályozásai Hivatkozási modellek: TCP/IP, OSI, hibrid Hálózati rétegek fizikai réteg, adatkapcsolati réteg, közegelérési alréteg, hálózati és alkalmazási réteg Az internet adminisztrációja Az internet alapvető szolgáltatásai kommunikáció fájlcsere világháló (World Wide Web) és szemantikus web Hálózati biztonság  Etikai kérdések

Tartalom Sávszélesség Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Fogalma Csatorna átviteli sebessége Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Vezetékes Vezeték nélküli Kommunikációs műholdak segítségével 3

Sávszélesség Sávkorlátozott jelek Sávszélesség Nincs olyan átviteli eszköz, amely veszteség nélkül tudná továbbítani a jeleket. Csakhogy a veszteség a frekvenciától függ. Minél magasabb a harmonikus száma, annál jobban torzítja a csatorna. Ennek mértéke persze függ az átviteli eszköztől. Sávszélesség Az a frekvenciatartomány, amelyen belül a csillapítás mértéke nem túl nagy. A gyakorlatban általában 0 Hz-től számítjuk addig a hullámhosszig, amelynél a jel teljesítménye az eredeti jel teljesítményének felére csökken. Telefontársaságok kb. 3100 Hz-re korlátozzák; ez elegendő a beszédhez. 4

Csatorna átviteli sebessége Nyquist-tétel (zajmentes csatornára): a maximális adatsebesség = 2H  log2V [b/s] (H: sávszélesség, V: jelszintek száma) Shannon tétele (zajos csatornára): a maximális adatsebesség = H  log2 (1 + S/N) [b/s] (S/N: jel/zaj viszony) decibel (dB): 10  log10 S/N 5

Tartalom Sávszélesség Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Fogalma Csatorna átviteli sebessége Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Vezetékes Vezeték nélküli Kommunikációs műholdak segítségével 6

A fizikai réteg Minden hálózat alapja Definiálja a hálózatok mechanikai, elektromos és időzítési interfészeit Az adatátvitel sávszélességét a természet korlátozza: Zajmentes csatornákon a Nyquist-korlát Zajos csatornákon a Shannon-korlát 7

Fizikai réteg feladata Bitek továbbítása a kommunikációs csatornán Annak biztosítása, hogy az 1-es 1-esként, a 0 pedig 0-ként érkezzen meg Megoldandó, eldöntendő, kiderítendő problémái Mekkora feszültgséget kell alkalmazni a logikai? Mennyi ideig tart egy bit továbbítása? Miként jön létre az összeköttetés? Hogyan bomlik le az összeköttetés, ha már nincs rá szükség? Megvalósítható-e az átvitel mindkét irányban? A hálózati csatlakozónak hány érintkezője van? Mire lehet használni az egyes érintkezőket? stb. 2. hoszt 1 1 1. hoszt Fizikai réteg Fizikai réteg 1 … 1 110000101110001101111110011100011111001110001 8

Tartalom Sávszélesség Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Fogalma Csatorna átviteli sebessége Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Vezetékes Vezeték nélküli Kommunikációs műholdak segítségével 9

Adatátvitel Vezetékes Vezeték nélküli Kommunikációs műholdak segítségével 10

I. Vezetékes adatátviteli közeg Sodrott érpár Koaxiális kábel a) b) 3-as kategóriájú UTP, b) 5-ös kategóriájú UTP (UTP: Unshielded Twisted Pair = árnyékolatlan sodrott érpár) 11

I. Vezetékes adatátviteli közeg 3. Fényvezető szál A fény útja Üveg Fényforrás Teljes belső visszaverődés Levegő Levegő/üveg határ a) b) Három lehetséges beesési szög A teljes belső visszaverődés miatt a fénysugár az üvegszálon belül marad 12

I. Vezetékes adatátviteli közeg 3. Fényvezető szál Fényvezető szál Fényvezető kábel Mag (üveg) Tükröző anyag (üveg) Köpeny (műanyag) Mag Tükröző anyag Burok Köpeny 13

Tartalom Sávszélesség Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Fogalma Csatorna átviteli sebessége Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Vezetékes Vezeték nélküli Kommunikációs műholdak segítségével 14

II. Vezeték nélküli adatátvitel A) Rádiófrekvenciás átvitel Nagy távolságra jutnak el Könnyen áthatolnak az épületek falán Minden irányben terjednek Általában jó Néha rossz (pl. autó fékének vezérlésénél) Interferencia a felhasználók között, ezért engedélyhez kötött az alkalmazása 15

II. Vezeték nélküli adatátvitel B) Mikrohullámú átvitel 100 MHz fölött szinte egyenes vonalú terjedés Jól irányítható Föld görbülete problémát jelent Meghatározott távolságonként ismétlők Nem képes áthatolni épületek falán Elhalkulás függ az időjárástól és frekvenciától 4 GHz fölött már elnyeli a víz (pl. eső) Kiosztás – egyes országok kormányai által Szépségverseny vagy sorsolás? TV-k, rádiók, mobiltelefonok stb. rendőrség, katonaság, hajózás, navigáció, kormány stb. 16

II. Vezeték nélküli adatátvitel C) Infravörös és milliméteres hullámú Távirányítókban TV, HiFi-készülékek videomagnók Egyéb rövid távolságon működő hálózatokban számítógép – nyomtató – telefon – fényképezőgép Jól irányítható Olcsó Könnyen előállítható Nincs interferencia Falon nem hatol át Hátrány: csak kis távolságokban alkalmazható Előny például: a szomszéd nem kapcsolhatja át a tévénket nehezebb lehallgatni 17

II. Vezeték nélküli adatátvitel D) A látható fény hullámhosszát alkalmazva 1775 Old Noth Church (Boston, USA) Bináris jelek látható fénnyel a támadás várható irányáról: Egy lámpa: a szárazföldről, kettő: a folyóról Ma: Lézer Viszonylag kis távolság  szomszédos épületek között Egyirányú kommunikáció  adó és vevő mindkét épületen Nehéz célozni  szórás lencsével Esőn, ködön nem hatol át A felmelegedett felszálló levegő is megzavarhatja (lásd felső ábra) Nincs szükség engedélyre 18

Tartalom Sávszélesség Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Fogalma Csatorna átviteli sebessége Fizikai réteg helye, feladata Adatátvitel Vezetékes Vezeték nélküli Kommunikációs műholdak segítségével 19

III. Kommunikációs műholdak Az ’50-es, ’60-as években: fémborítású meteorológiai léggömbök Az amerikai haditengerészet hamarosan felfedezte, hogy van egy állandó gömb, a Hold Műholdak 20

Műholdak Tulajdonképpen hatalmas mikrohullámú jelismétlők Több transzponder Nyaláb: széles vagy keskeny 21

Műholdak típusai 22

GEO műholdak Geostationary Earth Orbit: geoszinkron röppályás műholdak 35 800 km-es magasságban az egyenlítő körül keringő műhold a Földről nézve mozdulatlannak látszik (1945) 1962-ban fellőtték az első kommunikációs műholdat: a Telstart 2 foknál kisebb távolságot nem lehet tartani a GEO műholdak között: 180 ilyen műhold lehet az egyenlítő körül Ezt rakétahajtóművekkel ellensúlyozzák: pozicionálás Mikor az üzemanyag elfogy (kb. 10 év) instabillá válik a műhold: kikapcsolják 23

Egy GEO: VSAT rendszer Very Small Aperture Terminal: nagyon kis nyílásszögű terminál A legtöbb rendszerben a mikroállomások nem képesek egymással közvetlenül kommunikálni a kis teljesítmény miatt A Föld népességének nagyjából a fele több mint egy órányi távolságra lakik a legközelebbi telefontól. Ilyen helyekre a telefonkábel költséges lenne Hátrány: ~540 ms késleltetés 24

MEO műholdak 25

MEO műholdak Medium Earth Orbit: közepes röppályás műholdak ~6 óránként megkerülik a Földet Műholdkövetés Kisebb lábnyom, kisebb késleltetés, kisebb adóteljesítmény Nem használják telekommunikációs célokra A GPS rendszer (General Positioning System) 24 db, kb. 18000 km magasan keringő MEO műhold 26

LEO műholdak 27

LEO műholdak Low Earth Orbit: alacsony röppályás műholdak Gyors mozgás: ~90 perc alatt kerüli meg a Földet Egy teljes rendszerhez sok kell Az adó állomások teljesítménye még kisebb lehet, kisebb a késleltetés is LEO rendszerek például Iridium Globalstar Teledesic 28

Iridium 1990-ben a Motorola 77 LEO műhold fellövésére kért engedélyt az FCC-től (Federal Communication Comission) Iridium – a project neve a 77. elem (77 elektron kering a mag körül) később a tervet felülvizsgálták → 66 műhold is elég (a 66. elem a Diszprózium) Amint egy műhold eltűnik a felhasználó látóteréből, megjelenik egy másik 29

Iridium 1997-ben fellőtték a műholdakat Nem volt nagy kereslet a műholdas telefonokra – a mobiltelefonok ebben az időben futottak fel 1999-ben tönkrement a cég 25 millió $-ért megvette egy befektető az 5 milliárdnyi eszközt 2001-ben újra indult a szolgáltatás 30

Az Iridium feladatai Hanghívás, fax, személyi hívó, adatszolgáltatás, navigáció A világon bárhol(!) képes legyen az előfizető kis késleltetéssel telefonbeszélgetés lebonyolítására A beszélgetés díja a hívás távolságától teljesen független http://www.iridium.com 31

Működés A műholdak 750 km magasan keringenek, kör alakú, sarki röppályákon 32 szélességi fokonként 6 láncba rendeződve Műholdanként 48 cella (pontnyaláb), és 3840 csatorna cellák 32

Működés Adatok továbbítása műholdakon Adatok továbbítása a földön Kisebb technika az űrben

Globalstar Az Iridium alternatív megoldása 48 LEO műhold Hajlított cső módszer – a bonyolult dolgokat a földön tartja A nagy földi antennák miatt a telefonok teljesítménye csökkenthető http://www.globalstar.com 34

Teledesic Internet-felhasználóknak szánták 1990-ben alapították a céget Az akkori telefonos kapcsolatok nagyon lassúak voltak Olyan VSAT rendszert akartak, ami megkerüli az összes telefontársaságot 100 Mb/s feltöltési, 720 Mb/s letöltési sebesség volt a cél 35

Teledesic Eredetileg 840 db, 700 km-en keringő LEO műholdat akartak Ez később 1400 km-en, 288 db-ra csökkent Megint később 30 db, nagyobb lábnyomú műhold Az űrben történő csomagkapcsolásra terveztek A felhasználók dinamikusan igénylik a sávszélességet kb. 50 ms alatt Az Iridium és a Globalstar kereskedelmi sikertelensége miatt 2002. október 1-jén leállították a projektet 36

Néhány műhold-rendszer Thuraya (GEO) kis készülékes, van adatátvitel is, GPS segítheti Immarsat (GEO) '79 óta, adatátvitel is ICO (MEO) a földön ICONET Teledesic (MEO) ez már számítógéphálózat, ICO-val egyesülhetett volna Iridium (LEO) távközlő, internet is Globalstar (LEO) távközlés, adat is (jobb); készülék – műhold – FÖLD – műhold – készülék 37

Kis műholdak (<1000kg) A kis műholdak (mini, micro, nano, pico) igen széles körben alkalmazhatók a csillagászat, tudományos kutatás, űrgeodézia, katasztrófavédelem, távérzékelés, hírközlés, katonai kísérletek területén, ezért az érdeklődés irántuk világszerte nő. A mikroelektronika, a miniatürizálás eredményeképpen komoly versenytársai lehetnek a nagyobb műholdaknak. Gazdaságos megoldást kínálnak a legkülönfélébb feladatokra. Nagy felbontású képek 600 km x 600 km méretű, 2,5m-es felbontású tüzek, árvizek, mezőgazdaság stb. „store and forward” kommunikáció nagyon gazdaságos hírközlési lehetőséget biztosít igen távoli földi pontok között (TCP/IP is) fix-fix, fix-mobil, mobil-mobil állomások közötti kommunikáció Logisztikai feladatok, áruk követése, mentés stb. Pl. Opal, Starshine-3, PICOSAT, Sapphire, PROBA, BIRD, DASH, Kolibri-2000 38 http://www.hso.hu

Műhold vagy fényvezető kábel? Az 1980-as évek elejéig műholdak: addig a telefonhálózat keveset változott 1984-ben Amerikában, majd Európában – piaci verseny ADSL, távolsági hívások árának csökkentése A földi, fényvezető-szálas kapcsolatoké a jövő? 39

Néhány műholdas alkalmazás Szélessávú adatátvitel (fényvezető szálakon idő-, frekvencia multiplexelés) Mobil kommunikáció ott is, ahol nincs cella alapú összeköttetés Adatszórási képesség Indonézia: 13 677 sziget A vezetékekhez szükséges engedélyek beszerzése nehéz, vagy drága Gyors üzembe állítás 40

Kommunikációs rendszerek Amelyek részt vesznek nagy kiterjedésű számítógépes hálózatok gyakorlati megvalósításában Vezetékes telefonrendszerek Mobiltelefon-rendszerek Kábeltévé-rendszerek 41

Fizikai réteg Következő téma: Adatkapcsolati réteg