A számítógépes hálózatok

Információátvitel

Egy átviteli közegen úgy lehet információt az egyik helyről egy másikra eljuttatni, hogy valamilyen fizikai jellemzőt, például feszültséget, áramerősséget, frekvenciát stb. megváltoztatunk rajta. Az átadott üzenet elemeit nevezzük adatnak. Az adatok valójában kódszimbólumok, amelyek jelentésében a küldő és a fogadó előzetesen megegyezett. (A bináris adatok például 0 és 1 állapotokból épülnek fel, amelyek jellemezhetők különböző feszültség-szintekkel vagy optikai kábel esetén a fény jelenlétével illetve hiányával.)

Az információátvitel jellemzője a sávszélesség, a kapcsolat létrehozásának módja és az átviteli mód.

Sávszélesség

A sávszélesség az átviteli csatorna kapacitására utal. Helyi hálózatok esetén elsősorban adatátvitel történik, ezért a csatorna kapacitásának mértékéül a jelsebességet, vagyis a másodpercenként átvitt bitek számát használják.

Kapcsolódási mód

Ahhoz, hogy a jel áthaladjon valamilyen átviteli közegen, a két végpont között kapcsolatot kell létrehozni.

Ahhoz, hogy információcserét valósíthassunk meg két végpont között, szükségünk van a végpontok között az összeköttetést biztosító vonalakra. Sok esetben azonban a kommunikáció jellegéből fakadóan nincs folyamatos információcsere rajtuk, azaz a legtöbb kapcsolatban a vonalhasználat csak időszakosan jelentkezik. Nem célszerű egy kommunikációs csatorna számára kisajátítunk egy teljes vonalat.

A funkciókat különválaszthatjuk csatornákra, amelyeken az információcsere történik, és a felhasznált, tényleges, fizikailag létező összeköttetéseket biztosító vonalakra, akkor lehetőség nyílik a gazdaságosabb kihasználásra. Egy vonalon több csatorna is kialakítható, a megvalósítás pedig többféleképpen is megoldható:

Multiplexelés

A fizikai közeget több csatorna között osztjuk meg, annak érdekében, hogy a vonalat több adó és több vevő vehesse igénybe. A multiplexelés olyan eljárás, amelynek során egy adatvonalat előre meghatározott, rögzített módszer szerint elemi adatcsatornákra osztunk fel. Minden bemenő elemi csatornához egy kimenő csatorna is tartozik. A mutiplexelést el lehet az időtartományban és a frekvenciatartományban is végezni, így beszélhetünk frekvenciaosztásos és időosztásos multiplexelési módszerekről, valamint ezek kombinációjáról.

Vonal-kapcsolt

A részt vevő felek az átvitel megkezdése előtt felépítik a kapcsolatot, kommunikálnak, majd bontanak. A két végpont között tehát csak az átvitel idején van fizikai összeköttetés, ekkor csak ők használhatják a vonalat, utána viszont felszabadítják mások számára.

A vonalkapcsolásos módszer esetén az adatvezetéket a kommunikálni szándékozó felek csak a kommunikáció időtartamára kapják meg. Az adatvezeték tehát nem egy adóhoz és egy vevőhöz tartozik, hanem csak attól függ, hogy szükségük van-e rá, valamint attól, hogy más nem használja-e a vonalat. A kapcsolat a kommunikáció befejezésekor megszűnik.

Üzenet-kapcsolt

Ebben az esetben nem épül fel előzetesen kapcsolat a két végpont között. A küldő minden üzenethez hozzácsatolja a címzett azonosítóját, és az üzenet az átvivő hálózaton csomópontról csomópontra halad egészen a célállomásig. Az egyes csomópontok a következő vonalrész felszabadulásáig tárolják az üzenetet, majd továbbítják a cél felé. Mivel az üzenet valószínűleg a csomópontok mindegyikén várakozik, esetenként jelentős késleltetéssel érhet célba.

Számítógép-hálózatok nem használják.

Csomagkapcsolt

A küldő oldalon az üzenetet a rendszer kis csomagokra bontja. Minden csomag tartalmazza a küldő és a célállomás címét, valamint a csomag sorszámát. Az összeköttetés nem előre felépített adatátviteli csatornán történik, hanem a csomagkapcsoló központokon keresztül, mindig az éppen szabad csatornán.

Az átvitel során a csomagok összekeveredhetnek mások csomagjaival, az éppen szabad csatornáktól függően különböző útvonalakon érkezhetnek célba. Ennek következtében lehet, hogy érkezési sorrendjük eltér az eredeti sorrendtől. A fogadó oldalon ellenőrzik a sorrendet, ha kell, a sorszám alapján rendezik, míg összeáll az eredeti üzenet. Ha valamelyik csomag elveszett vagy megsérült, csak azt kell újból elküldeni, nem az egész üzenetet.

A számítógép-hálózatok esetén általában ezt használják. Egy-egy vonalszakaszt a csomagok csak az átvitel idején (vagyis nagyon rövid ideig) foglalnak le, azután felszabadítják. Több számítógép esetén mindenki úgy látja, hogy működik a hálózat, legfeljebb kicsit lassabb, vagyis jól kihasználható a rendelkezésre álló sávszélesség.

Átviteli mód

Az átviteli mód meghatározza, hogyan történjen a jelek átvitele a kábelen vagy más átviteli közegen.

Ahhoz, hogy a csatornán információt lehessen átvinni, az adónak meg kell változtatnia a csatorna fizikai közegének valamilyen tulajdonságát, ami a közegen továbbterjed, és a vevő ezt a fizikai közegváltozást érzékeli. Egy vezetékben változhat az átfolyó áram vagy a feszültség, ha antennával kisugárzott elektromágneses hullámot használunk, akkor a hullám amplitúdója, frekvenciája vagy kezdeti fázisszöge.

A jelátvitel fizikai korlátját a közeg fizikai jellemzőinek változása, a változás lehetséges sebessége, a továbbterjedés során fellépő veszteség jelenti, melyek jelgyengüléshez vezetnek.

A digitális hálózatokat adatátviteli sebességükkel (az időegység alatt átvitt bitek számával) jellemezhetjük, és bit/s-ban mérjük. Az átvitelt jellemezhetjük a felhasznált jel értékében 1 másodperc alatt bekövetkezett változások számával is, amit jelzési sebességnek vagy baud-nak nevezünk.

Egy mai szélessávú ADSL vagy kábelmodemes kapcsolat 512 kbps vagy 1 Mbps sávszélességű.

Átviteli sebesség

Lassú: (~30 kbit/sec-ig)
Közepes sebességű: (~1-20 Mbit/sec)
Gyors: (50 Mbit/sec fölött)

Mára a 100 Mbit/sec-os lokális hálózatok terjednek, s elkezdődött a Gigabit/sec-os hálózatok terjedése is. Fejlesztik a 10 Gbps-es hálózatokat is.

Alapsávú átvitel - digitális

Digitális jeleket továbbít. Az adó az adatimpulzusokat közvetlenül a kommunikációs csatornára küldi, a vevő pedig érzékeli (detektálja) ezeket. Az adatokat eredeti formájukban viszik át az átviteli közegen. Az egész sávszélességet az egyetlen átvitt digitális jel foglalja el.

Kétirányú jelátvitel – adáskor a jel a kábelen mindkét irányba elindul, így a kábel mentén ténylegesen eléri valamennyi eszközt. A kábel végén lezáró van, amely elnyeli a jelet.

Az alapsávú (baseband) átvitel modulálatlan jeleket továbbít, tehát az átviteli közegben haladó jel frekvenciája közel azonos a bitsorozat frekvenciájával. Jellemzői az olcsó, egyszerű telepítés és fenntartás, csak rövidtávra alkalmas hang és adat átvitel biztosítása. Szinte az összes LAN hálózat ilyen.

A hagyományos nyilvános, kapcsolt távbeszélő hálózatok (Public Switched Telephone Network, PSTN) kialakításakor a cél az emberi hang felismerhető módon való átvitele volt. Ehhez a hangot analóg villamos jelekké kellett alakítani, továbbítani, valamint a vonal túlsó végén visszaalakítani hallható hanggá.

Ha ezt az analóg átvitelre tervezett rendszert digitális adatátvitelre akarjuk használni, az elérhető, néhányszor 10 kbit/s adatátviteli sebesség számítógépek kommunikációjára csak kompromisszumok árán alkalmas. A számítógépek között, az erre a célra kiépített összekötő adatátviteli kábeleken az adatátviteli sebesség Mbit/s-os nagyságrendű, igen kis hibaarány mellett. Ez azonban feltételezi, hogy a gépek viszonylag közel vannak egymáshoz, lényegében így működnek a lokális hálózatok.

A digitális elektronika és a számítógépek kifejlődése lehetővé tette a digitális átvitelt. A digitális rendszerekben csak két feszültségszint megengedett, például a digitális 0 értékhez 0V, a digitális 1 értékhez 5V tartozik. A digitális átvitelnek számos előnye van az analóg átvitellel szemben.

Ha a jeleket nagyobb távolságra akarjuk továbbítani, a csatorna veszteségei miatt erősíteni kell azokat. Az analóg jelek erősítéskor mindig veszítenek valamennyi információt, ráadásul ez a veszteség halmozódik (jelalaktorzulás, zajnövekedés). A digitális jelek is torzulnak a csatornában, mivel azonban csak két jelalak van, a torzulás ellenére könnyebben felismerhetőek.

Meghatározott távolságonként ún. jelismétlőket (digital regenerator) tehetünk a vonalra, amelyek helyreállítják az eredeti jelet. A digitális jel tetszőleges számú jelismétlőn mehet keresztül anélkül, hogy veszteséget szenvedne, így nagy távolságok esetén sem vész el az információ.

A digitális adatátvitel leglényegesebb előnyei:

• a hibaarány alacsony szinten tartható;
• beszéd, adat, zene és kép (pl. televízió, fax, videó) együttes (integrált) továbbítását is lehetővé teszi;
• a jelenleg meglévő vonalakon is jóval nagyobb adatsebességet lehet elérni ezzel a módszerrel;
• a digitális átvitel sokkal olcsóbb, mint az analóg;
• egy digitális rendszer üzemeltetése egyszerűbb, mint egy analóg rendszeré.

A digitális átvitel során mindig biteket viszünk át. Eleinte csak szövegeket és számokat kellett továbbítani, ezért az átvitt információ egysége a bitcsoport volt. A bitcsoport a szöveg egy karakterét kódolta, lényegében az egy billentyű lenyomásakor keletkező kódot jelentette. Az ilyen, bitcsoportokat átvivő módszert szokták karakterorientált átviteli eljárásnak nevezni. Az átvitt információ egysége a karakter. A hosszabb üzenetek átvitelének vezérlését speciális ún. vezérlő karakterek biztosítják.

A bitorientált adatátviteli eljárásokra azért volt szükség, mert a hálózatok elterjedésével a szöveges jellegű információk mellett más jellegű információk átvitele is szükségessé vált a sokszor eltérő szóhosszúságú és adatábrázolású számítógépek között. A bitorientált eljárások tetszőleges bitszámú üzenet átvitelére alkalmasak.

Az adó által útjára bocsátott biteket a vevőnek helyesen kell tudnia értelmeznie. Mivel az átvitel sorban, bitenként történik, valahogy biztosítani kell az adó és a vevő szinkronizmusát, azaz, hogy az x-ediknek elküldött bitet a vevő szintén az x-ediknek érkező bitként érzékelje.

Az adatok helyes felismerésére két módszert dolgoztak ki: a szinkron és az aszinkron átviteli módszert.

A szinkron átviteli módszernél az egyes bitek jellemző időpontjai (kezdetük, közepük és a végük) egy meghatározott alapidőtartam egész számú többszörösére helyezkednek el egymástól. Ez azt jelenti, hogy egy üzenet bitjei szigorú rendben követik egymást.

A karakterorientált eljárások az aszinkron, ún. START-STOP átvitelt használják. Ez a legrégibb adatátviteli módszer, melyben a szinkronizmus az adó és a vevő között csak egy-egy karakter átvitelének idejére korlátozódik, és az adatvonalon lévő adatjelek maguk végzik el a szinkronizálást. Az egyszerre átvitt adatmennyiség 5, 6, 7 vagy 8 bit lehet.

A digitális átvitelben két állapotot különböztetnek meg: az 1-et és a 0-t. A digitális jelek a fizikai adatcsatornán el tudnak jutni a vevőtől a célig. Az eljárásoknál a következő tényezőket kell figyelembe venni:

a kódolás minél kisebb sávszélességű legyen (kevés váltást tartalmazzon), hogy minél több információt lehessen átvinni,
minél kisebb legyen a jelek egyenfeszültség-összetevője (azaz legyen benne lehetőleg +1 és -1 is, illetve ezek nullázzák ki egymást), így kevésbé gyengül a jel,
az adó és a vevő közti szinkronizáció segítségével biztosítható legyen a két kommunikáló fél azonos ütemű adatfeldolgozása.

Szélessávú átvitel - analóg

Analóg jeleket továbbít. Az analóg jelek továbbításához szélesebb frekvenciatartomány szükséges. A rendelkezésre álló sávszélességet több csatornára osztják fel. Az adatjelet egy hordozójelre (vivő-jelre) ültetik rá, amelynek valamelyik jellemzőjét (amplitúdóját, frekvenciáját vagy fázisát) az adatjelnek megfelelően változtatják, azaz modulálják.

Egyirányú jelátvitel – Külön csatornára van szükség a jelek adására, és külön a jelek vételére.

A szélessávú (broadband) adatátvitel modulált, tehát a vivő frekvenciája jóval nagyobb, mint a bitsorozat frekvenciája. Általában az átviteli sávot több csatornára osztják.

Eredeti formájukban a hangok analóg, időben és értékben folytonos jelek. Továbbításkor ezek az analóg jelek módosítják (modulálják) a csatorna valamelyik fizikai jellemzőjét. A hangok digitális továbbításakor az eredeti analóg hangjelekből mintákat vesznek, emiatt a mintavételezett hangjel időben és értékben nem folytonos, hanem egymástól elkülönülő impulzusok sokaságából áll. A mintavételezett impulzusok amplitúdóértékét bináris formában megadva, megkapjuk az analóg hanganyag digitális megfelelőjét, ami elkülönülő (diszkrét) minták sorozatából áll. Visszaalakításkor az impulzussorozatból digitális áramkörök segítségével folytonos, analóg jeleket alakítanak ki, ezeket az analóg jeleket lehet meghallgatni.

Az analóg jelek digitalizálásának folyamata két fázisból áII, ezek a mintavételezés és a kvantálás, diszkrét minták sorozatának létrehozása.

Analóg-digitális átalakító blokkvázlata