2. Fejezet: Fizikai átviteli jellemzők és módszerek
A csatornán történő információátvitel során az adó megváltoztatja a csatorna fizikai közegének valamilyen tulajdonságát, ami a közegen továbbterjed, és a vevő ezt a fizikai közegváltozást érzékeli. Például vezetékek esetén az átfolyó áram változhat, vagy a feszültség, vagy ha elektromágneses hullámot használunk, akkor a hullám amplitudója, frekvenciája, vagy kezdeti fázisszöge. Azért kell ilyen általánosan fogalmaznunk, mert például kommunikálnak a börtönben a rabok is egymással, itt a kommunikációs közeg a vízcsővezeték és ez vezeti a kopogtatást, azaz a hangot, vagy gondoljunk az indiánok által használt füstjelzésre.
10. ábra: Az adatátvitel modellje
A közeg fizikai jellemzői változásának mértéke, a változtatás lehetséges sebessége, a tovaterjedés során fellépő jelgyengülés az átvitel során fellépő tényleges fizikai korlátok.
Sokszor digitális hálózati terminológiaként használják a sávszélességet: azon maximális információátviteli sebességet értik alatta, amely egy adott kommunikációs csatornára jellemző.
Valójában a sávszélesség analóg rendszerek esetén használt fogalom: egy adott analóg jel maximális és minimális frekvenciájának a különbségét értjük alatta.
Például az emberi beszéd alsó frekvenciája 300Hz, a felső frekvenciája 3300 Hz, így a sávszélessége: 3400-300=3.1 kHz
Digitális hálózatokat az adatátviteli sebességükkel: az időegység alatt átvitt bitek számával jellemezhetjük. Ezt célszerű bit/s-ban mérni. Az átvitelt jellemezhetjük a felhasznált jel értékében 1 másodperc alatt bekövetkezett változások számával is, amit jelzési sebességnek, vagy közismert néven baud-nak nevezünk.
1 baud = log2 P [bit/s], ahol P a kódolásban használt jelszintek száma.
Például olyan átvitelnél ahol ezt kétállapotú jelekkel valósítjuk meg, ott a baud és a bit/s azonos számértéket adnak, de ha a jelet négy szint felhasználásával visszük át, ott a baud számértéke már csak fele a bit/s-ban megadott valós adatátviteli sebességnek. Ezért mindig gondosan, ne egymás szinonimájaként használjuk a baud és bit/s mértékegységeket!
A következők megértéséhez meg kell különböztetnünk a csatornákat, amelyeken az információcsere történik, és a felhasznált, tényleges, fizikailag létező összeköttetéseket biztosító vonalakat. A csatornák amelyeken az üzenetek áramlanak, igen jelentős költséggel megépített és üzemeltetett összeköttetéseken (vezeték, rádióhullám) keresztül valósulnak meg. Ezért nem célszerű, ha egy kommunikációs csatorna számára kisajátítunk egy vonalat, mert nagyon sok esetben a kommunikáció jellegéből fakadóan nincs folyamatos információcsere rajta, azaz a legtöbb kapcsolatban a vonalhasználat időszakosan jelentkezik. Mivel az ADÓ és VEVŐ oldal számára csak a végeredmény, az információ a fontos, ezért több csatorna is kialakítható egy vonalon, amelynek megvalósítására több lehetőség van.
Jelenleg az analóg átviteli vonalakat felváltották a digitális átviteli utak. Ez azt jelenti, hogy szükségtelenné váltak a közbenső analóg-digitál és digitál-analóg átalakítók. Ezt azt is jelentette, hogy a frekvencia osztásos multiplexelést az időosztásos multiplexelés váltotta fel. Míg a beszéd analóg átviteléhez 300-3400 Hz-es sávszélesség elegendő, ugyanezen beszéd digitális átvitele 64 kbit/s-os adatátviteli sebességet igényel.
A következőkben ezeket a vonalmegosztási módszereket fogjuk bemutatni.
Multiplexelés frekvenciaosztással
Frekvencia osztásos multiplexelés (FDM - Frequency-Division Multiplexing) üzemmódban elsősorban a távbeszélő-hálózatok vivőfrekvenciás rendszereinek szélessávú fővonalait használják. A széles frekvenciasávban időben is egyszerre haladnak a különböző vivőfrekvenciákra ültetett jelek. A módszer alapelve azon a tényen alakul, hogy szinuszos hullámok összegéből bármelyik összetevő egy megfelelő szűrővel leválasztható. Az adó oldalon a csatornák jeleit egy-egy vivőfrekvenciára ültetik (a vivőfrekvenciát a jelekkel modulálják), ezeket összegzik, az összegzett jelet átviszik a vevő oldalra, és ott ezeket szűrőkkel választják szét.
Az egyes elemi vivőfrekvencia-tartományok között elválasztó frekvenciarésre van szükség, mivel a különböző jeleket szétválasztó szűrők meredeksége véges. A frekvenciarések jelentősen csökkentik a fővonal sávszélességének kihasználhatóságát. Ráadásul az éppen nem dolgozó berendezésekhez rendelt frekvenciasávok is kihasználatlanok.
11. ábra: Frekvenciaosztásos multiplexelés
A sávszélességet általában az ekvivalens 4 kHz-es beszédcsatornák számával adjuk meg.
Tizenkét beszédcsatornát távbeszélőcsoportba fognak össze, amely nemzetközileg a 60-108 kHz-es frekvenciatartományban fekszik. Öt távbeszélőcsoport egy távbeszélő főcsoportot alkot, ez 240 kHz sávszélességű. Tíz főcsoportból jön létre egy 2.4 MHz sávszélességű bázis-mestercsoport. Ezeket is 3-as vagy 6-os mestercsoportokba lehet foglalni.
A frekvenciaosztás előnye, hogy a vonalak tetszőleges helyen megcsapolhatók, az egyes alcsatornák egymástól földrajzilag eltolva kezdődhetnek és végződhetnek, a csoportba fogott jeleknek nem szükséges kis körzetben elhelyezkedő adatállomásokhoz tartozni.
Természetesen a multiplexelt vonal minden egyes megcsapolásánál külön demultiplexer szükséges. A frekvencia-multiplexer általában a modem funkcióit is ellátja, ezért a külön modemek megtakaríthatók.
A fenti összefoglalóból az is nyilvánvaló, hogy ez a módszer nem igazán alkalmas számítógépek közötti információátvitelre, a csatornák emberi beszédre alapozott sávszélessége miatt.
Multiplexelés szinkron időosztással
Digitális átvitelnél az idő-multiplex (STDM - Synchronous Time-Division Multiplexing) berendezések a nagyobb sávszélességű adatvonalat időben osztják fel több, elemi adatcsatornára.
Minden elemi adatcsatorna egy-egy időszeletet kap. A fővonal két végén elhelyezkedő vonali multiplexerek előre meghatározott időben, periodikusan, egymással szinkronban működve összekapcsolják egy-egy rövid időre — néha egyetlen bit, legtöbbször egyetlen karakter vagy bájt, esetleg néhány bájt átviteli idejére — az összetartozó be-, illetve kifutó vonalakat.
Néha a nagy sebességű fővonal közvetlenül a feldolgozó számítógéphez (illetve annak adatátviteli vezérlő egységéhez) csatlakozik és a demultiplexelés feladatát a számítógép látja el. Bármilyen típusú is az átvitel és bármekkora a multiplexelt információ-egység, szükség van arra, hogy a vonal két végén elhelyezett multiplexerek szinkronizmusát biztosító periodikus jeleket is elhelyezzük az információ-egységek között. Ezek a szinkronjelek csökkentik a fővonal kihasználhatóságát. A frekvenciaosztással és időosztással működő multiplexerek egyaránt akkor felelnek meg jól rendeltetésüknek, ha jelenlétük nem befolyásolja az adatkapcsolat szintű vezérlést.
Például a telefontechnikában használt PCM (Pulse Code Modulation) impulzus kód moduláció esetén az eljárás a következő:
12. ábra: PCM csatornák kiosztása
A mintavételezés (mivel a telefon sávszélessége 300...3400 Hz, és a Nyquist elv alapján, a maximális frekvencia legalább kétszeresével kell mintavételezni) szokásos értéke fv=8000Hz, illetve a periódusidő T = 125 µ sec. A mintavétel 8 bites felbontással történik azaz 256 lépcsőből áll és logaritmikus léptéket használnak. Ennek az az oka, hogy az emberi fül is ilyen: tízszeres hangnyomást hallunk kétszer erősebbnek.
A PCM átvitelben mivel minden impulzushoz n = 8 bit tartozik, az átviteli sebesség 8*8000 = 64 kbit/s. Multiplexelés esetén a CCITT szerint az ún. primer csoport N = 32 csatornával. Az átviteli sebesség: N*n* fminta = 32*8*8000 = 2048 kbit/s.
Egy csatornára jutó időrés Tir = T/32 = 3.9 µ sec, és mivel 8 bitet tartalmaz, egy bit időtartama Tir/8 = 488 nsec. Az egység amelyen belül minden csatorna átvitelre kerül, a multikeret. Természetesen ez a rendszer már más jellegű digitális információ átvitelére is alkalmas.
A digitális multiplexelés ezen szintjét Európában E1-el jelölik és 32*64 kbit/s-os csatornából áll, 2048 kbit/s adatátviteli sebességű. Az USA-ban ennek megfelel a T1-el jelölt kialakítás, amely 24*64 kbit/s-os csatornából áll, és ez 1544 kbit/s adatátviteli sebességű.
Az ADÓ és a VEVŐ közti összekötetés megteremtésére ki kell alakítani azt az útvonalat, amelyeknek részei kapcsolóközpontokon keresztül vannak összekötve. Első lépésben fizikai kapcsolat létesül az ADÓ és VEVŐ között, ami az összeköttetés idejére áll fenn. Az összeköttetésen keresztül megvalósul az adatátvitel, majd annak befejeztével a kapcsolat lebomlik.
A folyamatot a távbeszélő technikában hívásnak nevezik. Fontos tény, hogy az információátvitelt meg kell hogy előzze a híváskérés hatására létrejövő összeköttetés. Előnye a tényleges fizikai összeköttetés létrehozása. Ezek után a két állomás úgy képes kommunikálni, mintha pont-pont összeköttetés valósult volna meg közöttük.
Ilyenkor az adatok késleltetését már csak az elektromágneses jel terjedési ideje határozza meg, amely kb. 6 msec 1000 km-enként. Hátránya a kapcsolat létrehozásához szükséges sokszor jelentős időtartam, és az, hogy ilyenkor a csatorna mégis kisajátítja a vonalat.
Ha a csatorna nem teljes kapacitással üzemel (telefonnál: hosszú csend), akkor ez a vonal kihasználtságát rontja.
Ilyenkor nincs előre kiépített út az ADÓ és a VEVŐ között. Az ADÓ az elküldendő adatblokkját elküldi az első IMP-nek, az pedig továbbküldi a következőnek, egészen a VEVŐ hoszt-hoz kapcsolódó IMP-ig. Az ilyen hálózatok a tárol és továbbít (store and forward) hálózatok. Az üzenetkapcsolás esetén nincs az adatblokk méretére korlátozás, ami nagy tárolókapacitású fogadó és továbbító IMP-ket igényel.
14. ábra: Üzenetkapcsolás elve
Másik hátránya az, hogy egy nagy üzenet akár percekre lefoglalhatja a közreműködő IMP-ket és a köztük lévő átviteli csatornát. Ezért gyakrabban használatos (számítógépes hálózatoknál csaknem kizárólagosan használt) az a módszer, mikor az átviendő adatblokk méretét korlátozzuk, és csomagokká bontjuk.
15. ábra: Csomagkapcsolás elve
A csomagkapcsoló hálózatok hatékonyan alkalmazhatók interaktív forgalom (ember-gép kapcsolat) kezelésére is mivel biztosítják hogy bármelyik felhasználó csupán néhány ezredmásodpercre sajátíthat ki egy vonalat.
A csomagkapcsolás nagyon hatékonyan képes a vonalak kihasználására, mivel adott két pont között összeköttetést több irányból érkező és továbbhaladó csomag is használja. Másrészről fennáll annak a veszélye, hogy a bemenő adatforgalom csomagjai úgy elárasztanak egy IMP-t, hogy korlátozott tárolókapacitása miatt csomagokat veszít. Míg vonalkapcsolás esetén az üzenet lényegében egyben kerül átvitelre, csomagkapcsoláskor a csomagok sorrendje megváltozhat, és a sorrendhelyes összerakásukról is gondoskodni kell.
1.fejezet: A hálózatok célja, alkalmazása, alapfogalmak
2. fejezet folytatása: Vezetékes átviteli közegek, Vezeték nélküli átviteli közeg, Analóg átvitel, Digitális átvitel, Párhuzamos és soros adatátvitel, Aszinkron soros adatátvitel, Terminálkezelés, X.21 interfész, ISDN-integrált szolgáltatású digitális hálózat, Beágyazott rendszerek kommunikációja, Soros kommunikáció, Ellenőrző kérdések és válaszok
3.fejezet: Közeg-hozzáférési módszerek
4.fejezet: Adatkapcsolati protokollok
8.fejezet: A TCP/IP protokoll és az Internet