1. Úloha fyzickej vrstvy
Fyzická vrstva referenčného modelu ISO/OSI poskytuje pre vyššie vrstvy prenos binárnej informácie (postupnosti jednotiek a núl) medzi vysielačom a prijímačom. Špecifikuje vlastnosti použitého fyzického média (napr. tvar použitého drôtu, používané frekvenčné pásmo) a tiež aj vlastnosti vysielača a prijímača prenášanej binárnej informácie. Veľmi dôležitý je tiež popis spôsobu kódovania tejto binárnej informácie do signálu, ktorý sa dá preniesť daným fyzickým médiom. Medzi vysielačom a prijímačom je takto vybudovaný komunikačný kanál, ktorý prenáša tieto signály. Signály predstavujú nejaké zmeny parametrov (stavov) komunikačného kanála, napríklad elektrické napätie, elektrický prúd, frekvencia, svetlo/tma a podobne. Vysielač tieto parametre mení a prijímač je schopný ich odhaliť a rozlíšiť. Je nutné, aby sme použili aspoň dva druhy signálov, aby sme vedeli zakódovať binárnu informáciu.
2. Digitálny prenos
Pri digitálnom prenose sa využíva skoková zmena signálu. Priebeh tohto signálu má tvar hranatej krivky, na rozdiel od analógového prenosu, kde signál má tvar podobný sínusoide. Skokové zmeny signálov sa realizujú po krátkych časových intervaloch. Vyslanie každého jedného signálu teda trvá určitý čas. Je dôležité, aby vysielač aj prijímač sa vedeli zosynchronizovať, t.j. aby prijímač vedel, ako často sa má zisťovať hodnota signálu, ktorý sa vysiela. Takéto pravidelné zisťovanie hodnoty signálu sa realizuje s pomocou časovača a nazýva sa vzorkovanie signálu.
Dokonale zosynchronizovať časovač čítania a vysielania nie je možné bez priebežnej synchronizačnej informácie. Táto synchronizačná informácia slúži na zladenie časovačov riadiacich zmenu signálu vo vysielači a čítanie zmeny signálu v prijímači, ktoré sa opäť po čase rozchádzajú. Na nasledujúcom obrázku je znázornená situácia, kedy sa po synchronizácii rozchádzajú časovače, lebo každý ma trochu inú frekvenciu vzorkovania signálu, a teda dĺžku jedného tiku časovača. To má za následok, že prijímač neprijme rovnakú informáciu, akú vysielal vysielač, čo je, samozrejme, nežiaduce.
2.1 Asynchrónny prenos
Pri asynchrónnom prenose sa synchronizujú časovače vysielača a prijímača iba vtedy, keď ideme preniesť nejaké dáta. Používa sa takzvaná štart-stop metóda. Táto metóda predpokladá nejaký odhad počtu tikov časovača (obvykle 5 až 8), pri ktorom je ešte predpoklad, že počas ich vysielania nenastane strata synchronizácie. Signál štart zosynchronizuje časovače, po ňom sa vysielajú signály reprezentujúce zopár bitov (5-8), po ktorom sa vyšle signál stop. Ak potrebujem vyslať ešte ďalšie bity, vyšlem opäť štart signál (zosynchronizujem časovače) so signálmi kódujúcimi dátové bity a signálom stop. Využitie takéhoto kanála nie je stopercentné kvôli signálom štart a stop a časom medzi signálom stop a následným signálom štart. Táto synchronizačná metóda sa využíva na komunikáciu cez sériové rozhranie počítača (COM port), ktoré sa už v súčasnosti v praxi nepoužíva.
2.2 Synchrónny prenos
Pri synchrónnom prenose synchronizujeme časovače priebežne. Najjednoduchším spôsobom synchronizácie je vysielanie tikov časovača v jednom komunikačnom kanáli a dáta v inom komunikačnom kanáli. To však vyžaduje dva kanály, čo pri komunikácii na väčšie vzdialenosti môže byť drahé. Využitie takejto synchronizácie je napríklad na zberniciach počítačových komponentov.
Ak máme k dispozícii iba jeden kanál, musíme kombinovať dáta a synchronizačné informácie. V Ethernete sa používa kódovanie manchester, ktoré na zakódovanie jedného bitu využíva vždy dve rôzne hodnoty signálu. Bitový interval teda obsahuje dve hodnoty signálu. Bit s hodnotou 1 je zakódovaný signálom s nízkou hodnotou sledovaného parametra komunikačného kanála nasledovaným signálom s vysokou hodnotou. Bit s hodnotou 0 je zakódovaný signálom s vysokou hodnotou nasledovaným signálom s nízkou hodnotou. Zmena signálu teda nastáva pri ľubovoľnej bitovej hodnote. Moment zmeny signálu, takzvaná synchronizačná hrana, sa dá zistiť elektronickými súčiastkami a použiť na synchronizáciu časovača. Synchronizácia teda nastáva pri každom odoslanom bite.
Modifikáciou kódovania manchester je diferenciálny manchester. Používa ho napríklad technológia IBM Token Ring. V tomto kódovaní sú synchronizačné hrany vždy medzi dvojicami signálov, ktoré predstavujú bitovú hodnotu. Diferenciálny manchester kóduje hodnotu 0 tak, že zmení stav komunikačného kanála na opačný (ak bol signál s vysokou hodnotou meranej veličiny, tak ho zmení na signál s nízkou hodnotou, alebo naopak signál s nízkou hodnotou zmení na signál s vysokou hodnotou). Hodnota 1 je zakódovaná tak, že ponechá stav komunikačného kanála, a teda aj signál nezmenený.
Na hodnotenie efektivity využitia kanála využívame modulačnú a prenosovú rýchlosť. Prenosovú rýchlosť už poznáme, je to počet bitov prenesený za jednotku času. Modulačná rýchlosť je priemerný počet čítaní signálu príjemcom na získanie binárnej informácie za jednotku času (vzorkovanie signálu) a uvádza sa v jednotkách Baud [Bd] (počet zmien za sekundu) podľa J. M. É. Baudota.
Manchester aj diferenciálny manchester majú modulačnú rýchlosť dvojnásobnú oproti prenosovej rýchlosti, keďže na zistenie hodnoty jedného bitu musíme prečítať signál dvakrát. Na zvýšenie efektivity, a teda aj prenosovej rýchlosti potrebujeme kódovať signál tak, aby sme synchronizáciu časovačov realizovali menej často ako pri každom bite. Inými slovami chceme, aby sa prenosová rýchlosť priblížila modulačnej.
Vieme, že synchronizácia sa dá realizovať pri zmene hodnoty signálu. Najprirodzenejším spôsobom je reprezentovať hodnotu 1 vysokou hodnotou meranej veličiny a hodnotu 0 nízkou hodnotou meranej veličiny (takzvané kódovanie NRZ – non return to zero). Pokiaľ sa hodnoty 1 a 0 menia často, synchronizácia je dostatočná. Ak však potrebujeme vysielať dlhú sekvenciu núl alebo dlhú sekvenciu jednotiek, k žiadnym zmenám signálu nedôjde a nemáme príležitosť synchronizovať časovače.
Túto nepríjemnú vlastnosť môžeme eliminovať tak, že si povieme, po koľkých bitoch vyžadujeme synchronizáciu. Nech je to k bitov. Potom, ak bude sekvencia k rovnakých hodnôt, tak sa vsunie jedna opačná hodnota, o ktorej odosielateľ aj príjemca vedia, že nejde o dátový, ale o synchronizačný bit.
Iným spôsobom vynútenia zmeny signálu je vytvorenie mapovania všetkých možných k-tic bitov na také (k+1)-tice bitov, ktoré sú vo vnútri dostatočne rôzne. Potom na základe známej prevodovej tabuľky vie príjemca preložiť každú (k+1)-ticu na pôvodnú k-ticu. Čím vyššie je k, tým väčšia je prenosová rýchlosť.
Signál nemusí byť len dvojúrovňový, ale napríklad aj troj- alebo viacúrovňový, kde už sa dá riešiť synchronizácia efektívnejšie a navyše je možné použiť také kódovanie, že modulačná rýchlosť je nižšia ako prenosová, lebo jednou úrovňou môžeme reprezentovať napríklad dvojice (ak máme aspoň 4 úrovne signálu) alebo trojice bitov(ak máme aspoň 8 úrovní signálu).
3. Modulovaný prenos
Pri prenose na veľké vzdialenosti je problém preniesť taký skokový signál, ako sa používa pri digitálnom prenose, lebo sa začínajú zaobľovať hrany tohto signálu. Pre elektromagnetické žiarenie je prirodzené šírenie vlnami v tvare sínusoidy. Pri modulovanom prenose sa využíva nosná harmonická elektromagnetická vlna, ktorej zmena predstavuje zmenu signálu. Túto zmenu u odosielateľa realizuje na základe prenášaných dát zariadenie nazývané modulátor a u príjemcu extrahuje digitálne dáta zariadenie zvané demodulátor. Kombinované zariadenie obsahujúce modulátor aj demodulátor sa nazýva modem.
Nosnú elektromagnetickú vlnu môžeme modifikovať troma spôsobmi. Môžeme meniť amplitúdu, frekvenciu a fázový posun. Pri amplitúdovej modulácii meníme silu signálu, pri frekvenčnej modulácii meníme frekvenciu signálu a pri fázovom posune začiatok sínusoidy tejto vlny. Fázový posun sa realizuje viacerými generátormi harmonickej vlny s posunom začiatku vlny.
Amplitúdová modulácia je citlivá na zoslabovanie signálu na väčšie vzdialenosti, frekvenčná modulácia je citlivá na interferencie s inými elektromagnetickými žiareniami v prostredí. Fázová modulácia je najodolnejšia voči nepriaznivým vplyvom na prenosový kanál.
Pri prenose telefónnymi drôtmi sa realizuje kombinácia všetkých troch zmien nosnej harmonickej vlny. Ak použijeme napríklad 3 rôzne amplitúdy, 4 rôzne frekvencie a 8 rôznych fáz, tak ich kombináciou vieme odhaliť 3*4*8= 96 rôznych stavov. To znamená, že jednou kombinovanou zmenou viem preniesť viac ako jeden bit. V prípade, že by sme mali týchto 96 rôznych stavov a z nich využili 64=26, tak zakódujeme jednou kombinovanou zmenou signálu 6 bitov. V tomto prípade je prenosová rýchlosť (počet bitov za sekundu) väčšia ako modulačná (počet čítaní signálu za sekundu).
3.1 Zvyšovanie prenosovej rýchlosti
Vidíme, že zväčšením počtu stavov môžeme zväčšiť prenosovú rýchlosť. To prirodzene evokuje otázku, dokedy sa dá zvyšovať prenosová rýchlosť. Existujú nejaké teoretické limity?
Prvým spôsobom je zväčšovanie modulačnej rýchlosti (počet čítaní za sekundu), ktorá následne priamo úmerne zvýši aj prenosovú rýchlosť. Zvyšovanie modulačnej rýchlosti však priamo závisí od šírky pásma. Šírka pásma je rozsah (veľkosť intervalu) frekvencií, v ktorom sa vysiela. Podľa Nyquistovho zákona platí, že modulačná rýchlosť nesmie byť väčšia ako dvojnásobok šírky pásma. Ak máme úzke pásmo, nemôžeme často robiť zmeny/moduláciu. To, aký rozsah frekvencií môžeme použiť, je dané charakterom prenosového média. Rôzne typy drôtov dokážu kvalitne preniesť rôzne rozsahy frekvencií.
Druhým spôsobom zväčšovania prenosovej rýchlosti je zväčšenie počtu stavov. Ich počet sa však tiež nemôže zvyšovať do nekonečna, keďže jemné rozdiely medzi stavmi sú šumom (interferenciami) a zoslabovaním signálu nerozlíšiteľné. O hornom ohraničení prenosovej rýchlosti v závislosti od šírky pásma, sily signálu a sily šumu hovorí Shannonova veta:
3.2 Technológia ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
Klasické telefónne drôty sú stavané na istú kvalitu drôtu (vysoký odstup sily signálu od sily šumu). Táto kvalita pri vyšších frekvenciách ako 3400 Hz klesá, ale neklesá veľmi rýchlo. Technológia ADSL využíva vyššie frekvenčné pásma až do vyše 1000 kHz s nižšou kvalitou prenosu. Táto technológia prenecháva frekvencie 300 – 3400 Hz na analógový prenos hlasu a frekvencie nad 4000 Hz využíva na sieťovú komunikáciu. Tieto vyššie frekvencie sú rozdelené do viacerých podpásiem, v ktorých sa používajú rôzne spôsoby modulácie vzhľadom na aktuálnu kvalitu prenosu v danom podpásme. Táto kvalita závisí od rôznych šumov prostredia aj od sily signálu (vzdialenosti od telefónnej ústredne). Prenosové pásmo na sieťovú komunikáciu je asymetricky (z toho je A v názve ADSL) rozdelené na upstream a downstream, pričom downstream má týmto umožnené väčšie prenosové rýchlosti. Zároveň sa týmto rozdelením zabezpečil úplný duplex.
3.3 Porovnanie digitálneho a analógového prenosu
Analógový prenos využíva moduláciu harmonickej (sínusoidovej) elektromagnetickej vlny a využíva na to nízke frekvencie. Pri analógovom prenose zisťujeme konkrétnu hodnotu meranej veličiny (frekvencia, amplitúda, fázový posun). Pri relatívne malej zmene vplyvom šumu alebo útlmu môže dôjsť k zlej interpretácii stavu, čo spôsobí skreslenie informácie.
Digitálny prenos sa realizuje skokovými zmenami signálu. Zisťujeme, či meraná veličina (napätie, prúd, intenzita svetla,…) reprezentuje niektorý z mála stavov – hodnôt signálu. To umožňuje napríklad pri malej zmene hodnoty meranej veličiny (napr. pri útlme) stále správne určiť, ktorý z malého počtu stavov (napr. dvoch) bol použitý. Zisťujeme, či hodnota je z nejakého intervalu, a tak môžeme dosiahnuť ideálny stav prenosu bez akéhokoľvek skreslenia pôvodnej informácie.
4. Prenos elektromagnetickým vlnením
V súčasnosti je elektromagnetické vlnenie v podstate jediným komunikačným kanálom na prenos informácií. Elektromagnetické vlnenie môže prenášať prostredníctvom vodiča/drôtu alebo vzduchom. V prípade vodiča môžeme využiť buď medený, alebo optický drôt (aj svetlo je elektromagnetické vlnenie).
4.1 Vedený prenos (vodičom)
V súčasnosti sa najčastejšie na prepájanie koncových počítačových sietí používa krútený dvojdrôt. Oproti telefónnym drôtom má skrútenosť tú výhodu, že minimalizuje efekt antény (vysielanie a prijímanie signálov z/do okolia), a teda aj vplyv možných interferencií. V rámci jednej skrútenej dvojice drôtov prenášajú oba drôty rovnaký signál, až na polaritu (v jednom vodiči sa prenáša akoby zrkadlový obraz signálu v druhom vodiči). Sčítaním hodnôt týchto signálov sa tieto hodnoty navzájom eliminujú, čo sa dá využiť na detekciu prípadnej interferencie. Najčastejšie sa v krútených dvojdrôtoch, ktoré využívame v Ethernete s koncovkou RJ45, používajú 4 skrútené dvojice drôtov. V Ethernete s rýchlosťou 100 Mbit/s jedna dvojica slúži na prenos jedným smerom, druhá na prenos druhým smerom a ostatné na prenos elektrickej energie, prípadne majú iné využite.
Krútené dvojdrôty sa podľa toho, aké široké pásmo dokážu preniesť, zaraďujú do kategórií. Čím vyššia kategória, tým väčšia šírka prenosového pásma a tým aj vyššie možné prenosové rýchlosti. Najčastejšie sa v súčasnosti používajú kategória 5 pre 100 Mb/s, kategória 5e pre 1 Gb/s na menšie vzdialenosti a kategória 6 pre 1 Gb/s. Dajú sa už kúpiť aj kategórie 6a a 7 deklarujúce prenosové rýchlosti do 10 Gb/s. Tieto kategórie sú dané konštrukciou vodiča, ktorá pri vyšších kategóriách už obsahuje rôzne formy tienenia – vodivej fólie okolo všetkých 4 dvojíc drôtov spolu (chránený drôt – ScTP – screened twisted pair), alebo aj okolo každej dvojice drôtov zvlášť (tienený drôt – STP – shielded twisted pair). Tieto krútené dvojdrôty sa dajú použiť do vzdialenosti cca 100 metrov.
Ďalší typ kovového vodiča je koaxiálny drôt. Ten má takú konštrukciu, že jeden vodič je vo vnútri a druhý je okolo neho oddelený nevodivou vrstvou. Tento drôt zvláda vyššie frekvencie aj širšie frekvenčné rozsahy. Používal sa v minulosti v LAN sieťach. Dnes ho bežne využívajú spoločnosti poskytujúce káblovú televíziu. Dosah odosielania signálu týmto drôtom je až niekoľko kilometrov.
Optické drôty prenášajú už veľké elektromagnetické frekvencie rádovo v THz, ako už názov napovedá, z viditeľného spektra. Šírka pásma, ktoré sa dá v optických drôtoch využiť, je obrovská. Svetlo sa v optickom drôte prenáša v tenučkom optickom vlákne, ktoré je obalené nepriehľadným obalom, od ktorého sa odráža. Tento odraz je úplný, pokiaľ nedopadá pod príliš ostrým uhlom (tieto drôty sa nemôžu príliš ohýbať, aby sa úplný odraz zachoval).
Optické drôty poznáme mnohovidové a jednovidové. V mnohovidových drôtoch má optické jadro priemer zhruba 50-62,5 µm a svetlo sa v ňom šíri vo viacerých lúčoch, z ktorých môže dôjsť k prijímaču každý v inom čase a dochádza tak k deformácii signálu. Z toho dôvodu sa mnohovidové vlákna nepoužívajú na veľké vzdialenosti. Sú však lacnejšie a jednoduchšie sa s nimi manipuluje. Svetlo môže generovať aj LED dióda.
V jednovidových drôtoch má jadro priemer iba 4-10 µm a umožňuje tak prenos iba jedného lúča a preto nedochádza k deformácii signálu. Jednovidové vlákna sú drahšie, náročnejšie na spájanie a svetlo musí byť generované laserom. Dajú sa použiť na veľmi veľké vzdialenosti (niekoľko stovák km).
V súčasnosti dokážeme využiť iba veľmi malý zlomok prenosového potenciálu tohto prenosového pásma z dôvodu pomalých koncových zariadení, ktoré konvertujú signál pre kovové spoje. Konverzia je nutná, keďže zatiaľ neexistujú čisto optické koncové zariadenia – počítače, smerovače, a podobne.
4.2 Bezdrôtový prenos
Vzduchom dokážeme prenášať prakticky všetky frekvencie elektromagnetického vlnenia. Na prenos dát je možné využiť nízke frekvencie niekoľkých hertzov až po viditeľné svetlo dosahujúce niekoľko stovák THz. Vyššie frekvencie by boli aj teoreticky využiteľné, ale sú škodlivé (ultrafialové, röntgenové až γ žiarenie).
Nakoľko sa žiarenie šíri všetkými smermi, žiarenia blízkych frekvencií spolu interferujú a škodlivo môže pôsobiť aj veľmi silné žiarenie nižších frekvencií , je nutné regulovať využívanie frekvencií. Na Slovensku je takýmto regulátorom Telekomunikačný úrad SR, u ktorého je možné si za presne daných podmienok kúpiť možnosť vysielania v niektorom frekvenčnom rozsahu. Niektoré malé frekvenčné rozsahy sú takzvané bezlicenčné pásma, v ktorých je možné vysielať s vopred danou maximálnou intenzitou zadarmo. Práve bezlicenčné pásma blízke 2,4 GHz a 5GHz sa používajú napríklad ako komunikačný kanál v technológiách Wireless LAN (WiFi). Keďže v týchto kanáloch vysielajú viaceré sieťové adaptéry, je potrebné riešiť problémy komunikácie na zdieľanom spoji, ktoré rieši prístupová metóda na spojovej vrstve (napr. CSMA/CA).
5. Úlohy a diskusia
- Keby ste nemohli využiť žiadny druh elektromagnetického vlnenia, aký kanál by ste použili na čo najrýchlejší prenos dát?
6. Otestujte sa
zdroje:
- James F. Kurose, Keith W. Ross: Computer Networking: A Top-Down Approach, 4th edition. Pearson Education, Inc., ISBN: 0-321-51325-8, 878 pages, 2008
- Jiří Peterka: Počítačové sítě, dostupné on-line http://www.earchiv.cz/
- Wikipédia http://sk.wikipedia.org/