Fizikai réteg

1. 1 Hálózati ismeretek III: Fizikai réteg Bujdosó Gyöngyi Debreceni Egyetem • Informatikai Kar Komputergrafikai és Könyvtárinformatikai Tanszék 0

2. 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

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

4. Sávszélesség • Sávkorlátozott jelek • 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

5. 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

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

7. 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

8. 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 0 1 0 1. hoszt Fizikai réteg Fizikai réteg 1 1 0 1 … 1 0 1 110000101110001101111110011100011111001110001 8

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

10. Adatátvitel • Vezetékes • Vezeték nélküli • Kommunikációs műholdak segítségével 10

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

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

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

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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

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

20. 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

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

22. Műholdak típusai 22

23. 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

24. 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

25. MEO műholdak 25

26. 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

27. LEO műholdak 27

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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

33. Működés • Adatok továbbítása műholdakon • Adatok továbbítása a földön • Kisebb technika az űrben

34. 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

35. 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

36. 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

37. 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

38. 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

39. 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

40. 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

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

42. Fizikai réteg Következő téma: Adatkapcsolati réteg