2. előadás Az OSI hét rétegű modell A fizikai réteg kérdései

Az előadás kivonata bevezetés, fogalmak a rétegelt kommunikációt megvilágító példák az OSI hét rétegű modellje az egyes rétegek rövid ismertetője

Fontos fogalmak rétegelt kommunikáció protokoll hálózati elemek entitás protokoll adategység

Alapprobléma különböző hálózatok között hálózati elemek között különböző gyártók kölönböző bonyolultságú eszközök

Az OSI referenciamodell, fogalmak OSI: Open System Interconnection - Nyílt Rendszerek Összekapcsolása Protokoll: az egyes hálózati elemek közti kommunikáció szabályai Rétegelt kommuniációs modell (OSI referenciamodell): a konkrét megvalósítástól független keretrendszer, információ feldolgozó/továbbító rendszerek összekapcsolására a kommunikáció során az adat meghatározott funkciójú rétegeken keresztül halad az egyik végpont adott rétegbeli entitás -a kommunikál a másik végpont ugyanazon rétegbeli entitásával adott rétegbeli entitás többletszolgáltatást nyújt a fölötte lévő rétegbeli entitásnak az alatta levő réteg szolgáltatásait felhasználva

Az OSI referenciamodell, fogalmak Entitás: tulajdonságaival jellemzett absztrakt objektum Protokoll Adategység (PDU, Protocol Data Unit): az egyes rétegekben ilyen egységekben kerül az adat feldolgozásra az egyes rétegek feldarabolják/összefűzik a felsőbb rétegből érkező PDU -kat és további információt illesztenek hozzá

Rétegelt kommunikáció analógiája entitások: igazgató, tolmács, telefon szolgáltatások: fordítás, hangátvitel kommunikáció az egyes rétegbeli entitások között

Rétegelt kommunikáció analógiája entitások entitások közti kommunikáció rétegek közti szolgáltatások PDU -k: levél, címzett boríték, UPS boríték, doboz

Az OSI rétegei

Az OSI rétegei Síkok: szokás megkülönböztetni adat síkot és vezérlési síkot adat sík: a felhasználói („hasznos”) adatok átvitele az OSI rétegeknek megfelelően vezérlési sík: a kommunikációhoz szükséges vezérlési üzenetek (pl. hibajelzés, kapcsolatfelépítés-kérés, nyugta, stb.) átvitele az OSI rétegeknek megfelelően Rétegek: a gyakorlati megvalósításokban egyes rétegek kimaradhatnak, vagy több réteg funkcióit egy rétegben valósítják meg Alrétegek: egyes fontos funkciók megvalósítására egyes rétegek további alrétegekre oszthatók

Átviteli közeg az első OSI réteg (fizikai réteg) „alatt” található a tényleges adatátvitel hordozója, a fizikai összeköttetés típusai: rádiós összeköttetés (átviteli közeg a levegő) optikai összeköttetés (átviteli közeg az üvegszál) kábeles összeköttetés (átviteli közeg pl. koaxiális kábel, sodrott érpár, stb.)

Fizikai réteg fő feladata az adatok továbbítása a fizikai csatornán fizikai összeköttetések aktiválása, fenntartása, deaktiválása az adatfolyam átalakítása a közegen való átvitelhez (csatornakódolás, moduláció stb.) az adatfolyam átalakítása a fizikai közegen haladó jelekké ( rádióhullámokká, fényimpulzusokká, feszültségszintekké) sorrendhelyes adattovábbítás hibák jelzése az adatkapcsolati réteg felé hibajavító kódolás

Adatkapcsolati réteg adatkeretek létrehozása, a keretek határainak megjelölése és felismerése az adatkeretek átviteli hibától mentes, sorrendhelyes továbbítása nyugták küldése és fogadása hiba esetén újraadás, újraadás fogadása hibamentes átvitel a hálózati réteg felé közeghozzáférési alréteg (MAC, Medium Access Control): a csatornahozzáférést vezérli logikai összeköttetés-vezérlési alréteg (LLC, Logical Link Control)

Hálózati réteg hálózati szintű összeköttetések biztosítása heterogén hálózatok összekapcsolása hálózaton belüli útvonalválasztás (routing), forgalomirányítás forgalomvezérlés

Szállítási réteg végponttól végpontig kommunikáció biztosítása függetlenül az alsó rétegektől végpont-végpont összeköttetések nyalábolása vég-vég hibamentes és sorrendhelyes átvitel hibaellenőrzés nyugtázás és újraküldés forgalomvezérlés

Viszony réteg megjelenítési rétegbeli entitások közti párbeszéd biztosítása viszony összeköttetések leképzése szállítási összeköttetésekre viszony összeköttetések fenntartása a szállítási összeköttetés hibája után is egy viszony összeköttetés több egymás utáni szállítási összeköttetést is használhat egy szállítási összeköttetés több egymás utáni viszony kapcsolatot is szállíthat

Megjelenítési réteg az alkalmazási réteg számára „érthetővé” alakítja az átvitt adatot a két végpont közötti szintaktika egyeztetése adattömörítés, hitelesítés, titkosítás

Alkalmazási réteg nyílt rendszerek összekapcsolását érintő, a többi réteg által nem tartalmazott funkciók a kommunikációs partnerek azonosítása megegyezés a titkosítási eljárásban az elfogadó szolgálatminőség meghatározása megállapodás az adatok sértetlenségét ellenőrző eljárásban rendszermenedzselési, alkalmazásmenedzselési és felhasználói folyamatok

Az átviteli csatorna és a fizikai réteg

Az előadás kivonata bevezetés, fogalmak az információ hordozói: jelek a frekvencia fogalma, sávszélesség moduláció fogalma, fajtái digitális adatok átvitele, digitális modulációk tipikus átviteli közegek rádiós átvitel, műholdas és mobil kommunikáció hagyományos telefónia, analóg jel digitális átvitele ISDN

Legfontosabb fogalmak jel, teljesítmény frekvencia, sávszélesség moduláció, moduláció fajtái digitális átvitel átviteli sebesség moduláció, digitális moduláció átviteli közeg rádiós átvitel cellás elv, frekvencia-újrafelhasználás telefónia, beszédátvitel, beszéd átalakítása digitális jellé ISDN

Jel, teljesítmény a kommunikáció során az információt mindig jelek hordozzák a jel valamilyen fizikai mennyiség időbeli változása vezetékes kommunikáció: elektromos feszültség rádiós kommunikáció: elektromos és mágneses térerősség optikai kommunikáció: fényintenzitás akusztikus kommunikáció: a levegő nyomása

Jel, teljesítmény a teljesítmény a jel energiáját jellemző mennyiség a jel teljesítménye meghatározza a kommunikáció során maximálisan áthidalható távolságot a kommunikáció érzékenységét a zajokkal szemben a kommunikációhoz szükséges energiát (akkumulátorok)

Frekvencia periódikus jelek frekvenciája a periódusidő reciproka periodikus jel u(t) ha u(t)=u(t+kT) a frekvencia: mértékegysége 1/sec=1 Hz szinuszos jelek:

Frekvencia, sávszélesség szinuszos jelek összege: pl. négy szinuszos jel, különböző amplitúdókkal, különböző frekvenciákkal spektrum jel

Frekvencia, sávszélesség minden jel előállítható végtelen sok szinuszos jel összegeként jel spektrum

Frekvencia, sávszélesség a jel sávszélessége: a spektrum „jelentős” része a sávszélesség annál nagyobb, minél hirtelenebb ugrások, változások vannak a jelben spektrum

Frekvencia, sávszélesség az átviteli csatornák a jeleket csillapítják ez a csillapítás frekvenciafüggő az átviteli csatorna sávszélessége: az a frekvenciatartomány, ahol a csatorna csillapítása nem jelentős ha egy jel spektruma a csatorna sávszélességébe esik, akkor át lehet vinni azon a csatornán példa: az emberi fül mint „csatorna” sávszélessége: kb. 20 Hz - 20000 Hz (20 kHz), ezért az infra- és ultrahangokat nem halljuk

Frekvencia, sávszélesség azok a jelek, amelyek frekvenciában nem lapolódnak át, egy időben átvihetők ugyanazon csatornán a frekvenciában nem átlapolódó jelek szűréssel szétválaszthatók átvihetők nem vihetők át

Moduláció cél: minél több jel átvitele egy időben ugyanazon a csatornán megoldás: moduláció moduláció: az eredeti jel spektrumát eltolja moduláció vivőfrekvencia

Moduláció szűréssel bármelyik fogható Juventus Est FM Danubius vivőfrekvenciák

Moduláció jel: u(t), vivőfrekvencia: f0 a moduláció fajtái: amplitúdó moduláció (AM): frekvencia moduláció (FM): fázis moduláció (PM): a frekvencia- és fázismoduláció zavarvédettebb: a jel amplitúdója nem számít

Digitális átvitel az átvinni kívánt adat bináris sorozat pl. 110011010101011 a bináris sorozatnak valamilyen fizikai jelet kell megfeleltetni vezetékes kommunikáció: 1 : 1V, 0 : 0V (más értékek is elképzelhetők) alapsávú baj: sok 1 vagy 0 egymás után megoldás: kódolások (pl. Manchester) optikai kommunikáció: 1 : fényimpulzus, 0 : fényimpulzus hiánya rádiós átvitel: digitális modulációk lehet amplitúdó, frekvencia vagy fázis moduláció

Digitális átvitel sok egyes vagy sok nulla egymás után nem detektálható Manchester kódolás, különbségi Manchester kódolás: egy bitet nem egyszerűen a feszültség magas vagy alacsony szintje jelöl baj: sávszélességet kb. kétszeresére növeli Manchester: bitidő közepén 1: , 0:  különbségi Manchester: bitidő közepén mindig, elején 0: van, 1: nincs

Digitális átvitel a csatorna jellemzője az átviteli sebesség egy másodperc alatt hány bitet (1 -est vagy 0 -t) lehet a csatornán átvinni 1 bit/sec, 1024 bit/sec=1 kbps, 1024 kbps=1 Mbps az átviteli sebesség szorosan összefügg a csatorna sávszélességével minél negyobb az átviteli sebesség, annál nagyobb az igényelt sávszélesség modulációval az adott átviteli sebesség kisebb sávszélességen is megvalósítható a digitális csatorna átviteli sebességét is szokás sávszélességnek nevezni

Digitális átvitel minden csatornán van zaj a zaj teljesítménye befolyásolja az átvitel minőségét a zaj korlátot jelent a maximális átviteli sebességre is ha a jel teljesítménye S, a zaj teljesítménye N, a csatorna sávszélessége B, akkor elméleti korlát van a legnagyobb átviteli sebességre Shannon (1948): átviteli sebesség < B·log2(1+S/N) bit/s

Digitális átvitel Digitális modulációk ASK (Amplitude Shift Keying), amplitúdó billentyűzés: a vivő amplitúdója 0, ha az átvitt bit 0 többszintű ASK: egy időrésben n bit átvihető, ha 2n féle amplitúdót használunk, pl. A1:00, A2:01, A3:10, A4:11 zajra nagyon érzékeny

Digitális átvitel Digitális modulációk FSK (Frequency Shift Keying), frekvencia billentyűzés: a vivő frekvenciája különbözik ha 1 -est vagy 0 -t küld az adó többszintű FSK: egy időrésben n bit átvihető, ha 2n féle frekvenciát használunk, pl. f1:00, f2:01, f3:10, f4:11

Digitális átvitel Digitális modulációk PSK (Phase Shift Keying), fázis billentyűzés: a vivő fázisa hordozza az információt többszintű PSK: n bit átvihető 2n fázisértékkel négyszintű PSK: QPSK kétszintű PSK: BPSK

Átviteli közegek Sodrott érpár olcsó közepesen védett a zavaroktól néhány Mbps sebesség közepes távolságig (2-4 km) a sodrás csökkenti a zavarokat alkalmazás: telefónia szigetelő, védő rétegek vezeték

Átviteli közegek Árnyékolt sodrott érpár (STP) fémes köpeny védi az érpárokat nagyobb zavarvédettség nagyobb csillapítás drágább alkalmazás: számítógépes hálózatok Árnyékolatlan sodrott érpár (UTP) több fajta legolcsóbb : 4 Mbps, legdrágább : 100 Mbps hangátvitel, számítógépes hálózatok

Átviteli közegek Koaxiális kábel zavarvédett közepesen drága alapsávú átvitel: 10 Mbps moduláltan: 150 mbps alkalmazás: TV műsorszórás, számítógépes hálózatok réz vezető szigetelés árnyékolás szigetelés

Átviteli közegek Optikai kábel kiváló zavarvédettség nagy átviteli sebesség : több Gbps az átviteli sebességet nem az optikai kábel korlátozza, hanem a csatolások, jelfeldolgozás, stb. magas költségek (csatlakozások, adók, vevők) optikai jelfeldolgozás nagyon drága, ezért kapcsoláshoz, erősítéshez, elágazásoz az optikai jelet elektromos jellé kell konvertálni, majd vissza

Átviteli közegek Optikai kábel felépítés: belső mag, köpeny, védőburkolat monomódusú szál: belső mag átmérője egyenlő az átvitt fény hullámhosszával áthidalható távolság nagyobb (100 km) átviteli sebesség 10 Gbps többmódusú szál: a magátmérő nagyobb, mint a fény hullámhossza, a fénysugarak a köpenyről visszaverődve haladnak, több hullámhosszú fénysugarak párhuzamosan áthidalható távolság kisebb

Átviteli közegek Rádiós átvitel közeg: levegő (világűr) zajos, árnyékolások, fading, Doppler csúszás a frekvencia drága, a kiépítés olcsó átviteli sebesség: a felhasznált sávszélességtől, modulációtól függő (<150 Mbps)

Az elektromágneses spektrum

Átviteli közegek Földi mikrohullámú átvitel a Föld görbülete korlátozza az áthidalható távolságot kb. 50 km digitális modulációval nagy sebesség elérhető (több száz Mbps)

Átviteli közegek Földi mikrohullámú átvitel ionoszferikus visszaverődés: egyes frekvenciákon a rádióhullámok a légkör felső részéről (ionoszféra) visszaverődnek, az ádhidalható távolság megnő

Átviteli közegek Műholdas átvitel nagy távolságok áthidalásához, illetve nagy területeken üzenetszórás (pl. műholdas televízió) nagy sebesség (500 Mbps) drága az adat- és hangátvitelen, valamint műsorszóráson kívül számos távközlési jellegű szolgáltatás navigáció helymeghatározás (GPS) globális vizsgálatok térképezés

Átviteli közegek Műholdas átvitel geostacionárius, vagy geoszinkron (GEO, Geostationary Earth Orbit) műholdak az egyenlítő fölött keringési idejük 24 óra, a Föld egy pontja felett tartózkodnak 36000 km magasságban három GEO műhold lefedi a Föld nagy részét a nagy távolság miatt a késleltetés nagy: beszédkapcsolatnál már érezhető

Átviteli közegek Műholdas átvitel LEO (Low Earth Orbit), alacsonypályás műholdak néhány száz km magasságban globális lefedettségü mobil telefon/adathálózatok pl. Motorola Iridium 66 db műhold 300 km magasan - csődbe ment MEO (Medium Earth Orbit), közepes pályás műholdak

Mobil telefónia a távközlés egyik leggyorsabban fejlődő ága alapfelépítés: bázisállomások, mobil készülékek, mobil kapcsolóközpontok a mobil készülék mindig a bázisállomáson keresztül kommunikál az egy bázisállomás hatósugarába eső terület a cella

Mobil telefónia a mobil egy kapcsolat közben átmehet egy másik cellába: hívásátadás (handoff, handover) nehéz feladat: a másik bázisállomás lehet telített gyorsan kell lezajlania: a felhasználó ne vegye észre a handoverek gyakoriságát a cellák mérete és a felhasználók mozgékonysága határozza meg a cellaméretet befolyásolja: adóteljesítmények, az adott mobil szabvány speciális követelményei, a felhasználók száma pl. GSM cellaméret maximum 30 km sugár egy adott terület minél több, kis cellával van lefedve, annál több felhasználót lehet egyszerre kiszolgálni

kb. ugyanakkora terület Mobil telefónia frekvencia újrafelhasználás: a teljes rendelkezésre álló frekvenciasávokból csak néhányat használnak egy cellában ugyanazokat a frekvenciákat ismét használják egy lehető legtávolabbi cellában sokkal több felhasználó kiszolgálható max több mint 4*n felhasználó rendelkezésre álló frekvenciák kb. ugyanakkora terület max. n felhasználó

Telefónia az emberi beszédhangok túlnyomó része a 300-3500 Hz -es tartományba esik másképpen: az emberi beszéd sávszélessége kb. 3200 Hz cél: beszédátvitel egy általában analóg telefonkészüléktől egy másik analóg telefonkészülékig tipikusan: a telefonból kijövő jel alapsávú, analóg emlékeztető: alapsávi: nem modulát, vagyis az elektromos jel is kb. a 300-3500 Hz frekvenciatartományba esik analóg: nem egyesek és nullák sorozatát kell átvinni, hanem a beszédnek megfelelő elektromos jelet manapság csak az előfizetői hurkon analóg a beszédjel, tehát a készüléktől a telefonközpontig

Telefónia PSTN: Public Switched Telephone Network, közcélú kapcsolt telefonhálózat központok közi vonalak: trönkök a trönkökön a beszéd digitálisan kerül átvitelre ehhez a beszédjelet digitális adattá kell konvertálni

Telefónia analóg jel digitalizálása: az analóg jelből bizonyos időközönkét mintákat veszünk, azaz megmérjük a jellemző fizikai mennyiség értékét (pl. hány Volt feszültség) telefonátvitelnél: a beszédből 125 s -onként veszünk mintát ez azt jelenti, hogy másodpercenként nyolcezer mintát veszünk mintavételi frekvencia: 8 kHz

Telefónia analóg jel digitalizálása: minden egyes mért értéket digitális számmá konvertálunk telefonátvitelnél az A-szabály szerint történik ez a konvertálás mintavételi tétel: ha a mintavételi frekvencia a jel legnagyobb frekvenciájának kétszerese, a mintákból az eredeti jel visszaállitható  10011011  01011011 visszaállított jel

Telefónia telefonátvitelnél mivel a mintavételi frekvencia 8 kHz, a beszéd sávszélessége pedig kb. 4 kHz, ezért visszaállítható minten mintát egy nyolc bites számra konvertálunk: A szabály másodpercenként 8·8000 bit, azaz 64kbps más beszédkódolókkal: pl. 56kbps (az A szabály 7 bites változata) GSM: 13.6 kbps lemehet 4 kbps -re: rossz minőségű pl. zene (mp3): 44kHz mintavételi frekvencia -> 22 kHz -ig, az emberi fül érzékelőkepességének felső határáig visszaállítható a jel, de! tömörítve pl. 128 kbps -re vagy 192 kbps -re

ISDN Integrated Services Digital Network (Intergrált szolgáltatású digitális hálózat) N-ISDN (narrowband - keskenysávú) a hagyományos telefónia felváltására integrált adat és hangátvitel digitális telefonkészülék + számítógép, digitális átvitel a felhasználóig

ISDN NT-1: Network Termination, hálózati végződés TE-1: Terminal Equipment, ISDN -képes végberendezés TA: Terminal Adapter: végberendezés-csatoló: nem ISDN készülékek (pl. hagyományos telefon) csatolása az ISDN vezetékhez végkészülékekből maximum hét darab

ISDN B csatorna: 64 kbps felhasználói adatokat szállít D csatorna: 16 kbps vagy 64 kbps: jelzésátvitelre BRI (Basic Rate Interface) alapsebességű hozzáférés: 2B + D csatorna 2*64 kbps hasznos adat + 16 kbps jelzési információ PRI (Primary Rate Interface): 30 B + 2D csatorna 30*64 kbps hasznos adat +2*64 kbps jelzési információ