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

Az előadások a következő témára: "2. előadás Az OSI hét rétegű modell A fizikai réteg kérdései"— Előadás másolata:

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

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

3 Fontos fogalmak rétegelt kommunikáció protokoll hálózati elemek entitás protokoll adategység

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

5 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

6 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

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

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

9 Az OSI rétegei

10 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

11 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.)

12 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

13 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)

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

15 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

16 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

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

18 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

19 Az átviteli csatorna és a fizikai réteg

20 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

21 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

22 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

23 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)

24 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:

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

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

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

28 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 Hz (20 kHz), ezért az infra- és ultrahangokat nem halljuk

29 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

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

31 Moduláció szűréssel bármelyik fogható Juventus Est FM Danubius
vivőfrekvenciák

32 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

33 Digitális átvitel az átvinni kívánt adat bináris sorozat pl 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, : fényimpulzus hiánya rádiós átvitel: digitális modulációk lehet amplitúdó, frekvencia vagy fázis moduláció

34 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

35 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, 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

36 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

37 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

38 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

39 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

40 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

41 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

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

43 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

44 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

45 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)

46 Az elektromágneses spektrum

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

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

49 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

50 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

51 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

52 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

53 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

54 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

55 Telefónia az emberi beszédhangok túlnyomó része a Hz -es tartományba esik másképpen: az emberi beszéd sávszélessége kb 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 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

56 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

57 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

58 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   visszaállított jel

59 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

60 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

61 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

62 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