2. előadásAz OSI hét rétegű modellA fizikai réteg kérdései

Az előadás kivonata

bevezetés, fogalmak a rétegelt kommunikációt megvilágító

példák az OSI hét rétegű modellje az egyes rétegek rövid ismertetője

Fontos fogalmak

rétegelt kommunikáció protokoll hálózati elemek entitás protokoll adategység

Alapprobléma

különböző hálózatok között

hálózati elemek között

különböző gyártók

kölönböző bonyolultságú eszközök

hálózat hálózathálózat

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

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

Rétegelt kommunikáció analógiája

entitások: igazgató, tolmács, telefon

szolgáltatások: fordítás, hangátvitel

kommunikáció az egyes rétegbeli entitások között

igazgató

tolmács

telefon

igazgató

tolmács

telefon

Jó napot

Good afternoon

Buenas tardes

Good afternoon

Jó napot

Good afternoon Good afternoon

Buenas tardes

elekromos jel

közös nyelv

szemantikus nyelv

Rétegelt kommunikáció analógiája

entitások

entitások közti kommunikáció

rétegek közti szolgáltatások

PDU -k: levél, címzett boríték, UPS boríték, doboz

igazgató

titkárnő

UPS

levél

repülőtér

címzés +boríték

UPSboríték

igazgató

titkárnő

UPS

levél

repülőtér

feladó +boríték

UPSboríték

doboz doboz

repülőgép

Rejtelmek ha zengenek, őrtállok mint mesékben,bebújtattál engemet talpignehéz hűségbe. Szól a szellő,szól a víz, elpirulsz hamegérted, szól a szem és szól aszív, folyamodnak teérted ....../József Attila/

Rejtelmek ha zengenek, őrtállok mint mesékben,bebújtattál engemet talpignehéz hűségbe. Szól a szellő,szól a víz, elpirulsz hamegérted, szól a szem és szól aszív, folyamodnak teérted ....../József Attila/

címRejtelmek ha zengenek, őrtállok mint mesékben,bebújtattál engemet talpignehéz hűségbe. Szól a szellő,szól a víz, elpirulsz hamegérted, szól a szem és szól aszív, folyamodnak teérted ....../József Attila/

cím

Rejtelmek ha zengenek, őrtállok mint mesékben,bebújtattál engemet talpignehéz hűségbe. Szól a szellő,szól a víz, elpirulsz hamegérted, szól a szem és szól aszív, folyamodnak teérted ....../József Attila/

Az OSI rétegei

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

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.)

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

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)

Hálózati réteg

hálózati szintű összeköttetések biztosítása heterogén hálózatok összekapcsolása hálózaton belüli útvonalválasztás (routing),

forgalomirányítás forgalomvezérlés

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

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

Megjelenítési réteg

az alkalmazási réteg számára „érthetővé” alakítja az átvitt adatot

a két végpont közötti szintaktika egyeztetése adattömörítés, hitelesítés, titkosítás

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

Az átviteli csatorna és a fizikai réteg

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

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

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

idő

fizik

ai m

enny

iség

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)

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:

idő

fizik

ai m

enny

iség

T

Tf 1

)2sin()( ftAtu

Frekvencia, sávszélesség

szinuszos jelek összege: pl. négy szinuszos jel, különböző amplitúdókkal, különböző frekvenciákkal

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-15

-10

-5

0

5

10

15

20

00.20.40.60.81

1.21.41.61.82

3 4.1 4.8 6

frekvencia

amplitúdó

jel spektrum

Frekvencia, sávszélesség

minden jel előállítható végtelen sok szinuszos jel összegeként

ampl

itúdó

frekvenciaidő

fizik

ai m

enny

iség

jel spektrum

Frekvencia, sávszélesség

a jel sávszélessége: a spektrum „jelentős” része a sávszélesség annál nagyobb, minél hirtelenebb ugrások,

változások vannak a jelben

spektrum

ampl

itúdó

frekvencia

sávszélesség

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 - 20000 Hz (20 kHz), ezért az infra- és

ultrahangokat nem halljuk

Frekvencia, sávszélesség

azok a jelek, amelyek frekvenciában nem lapolódnak át, egy időben átvihetők ugyanazon csatornán

a frekvenciában nem átlapolódó jelek szűréssel szétválaszthatók

ampl

itúdó

frekvencia

átvihetők nem vihetők át

ampl

itúdó

frekvencia

Moduláció

cél: minél több jel átvitele egy időben ugyanazon a csatornán

megoldás: moduláció moduláció: az eredeti jel spektrumát eltolja

ampl

itúdó

frekvencia

ampl

itúdó

frekvencia

moduláció

vivőfrekvencia

Moduláció

ampl

itúdó

frekvencia(MHz)89.5 103.398.6

Juventus

Est FM

Danubius

szűréssel bármelyik fogható

vivőfrekvenciák

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

)2sin()( 0tftu )))(2sin(( 0 ttuf

))(2sin( 0 tutf

Digitális átvitel

az átvinni kívánt adat bináris sorozat pl. 110011010101011 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, 0 : fényimpulzus hiánya

rádiós átvitel: digitális modulációk– lehet amplitúdó, frekvencia vagy fázis moduláció

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

1 1 1 0 0 1 0 0 12V

-2V2V

-2V2V

-2V

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, 1024 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

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

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

0 1 0 1

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

0 1 0 1

Digitális átvitel

Digitális modulációk PSK (Phase Shift Keying), fázis billentyűzés: a vivő fázisa

hordozza az információt többszintű PSK: n bit átvihető 2n fázisértékkel

1 10 0

kétszintű PSK: BPSK négyszintű PSK: QPSK

00 1101 10

Átviteli közegek

Sodrott érpár olcsó közepesen védett a zavaroktól néhány Mbps sebesség közepes távolságig (2-4 km) a sodrás csökkenti a zavarokat alkalmazás: telefónia

vezeték

szigetelő, védő rétegek

Átviteli közegek

Árnyékolt sodrott érpár (STP) fémes köpeny védi az érpárokat nagyobb zavarvédettség nagyobb csillapítás drágább alkalmazás: számítógépes hálózatokÁrnyékolatlan sodrott érpár (UTP) több fajta legolcsóbb : 4 Mbps, legdrágább : 100 Mbps hangátvitel, számítógépes hálózatok

Átviteli közegek

Koaxiális kábel zavarvédett közepesen drága alapsávú átvitel: 10 Mbps moduláltan: 150 mbps alkalmazás: TV műsorszórás, számítógépes hálózatok

réz vezető

árnyékolás

szigetelés

szigetelés

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

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

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)

Az elektromágneses spektrum

10 102 103 10111010109108107106105104 10161015101410131012 Hz

sodrott érpár

telefon

AM rádió

koaxiális kábel

műholdas

FM rádió és TVoptikai kábelföldi mikrohullámú

rádiómikrohullám infravörös

látható fény

UV

Átviteli közegek

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

Mbps)

50 km

Átviteli közegek

Földi mikrohullámú átvitel ionoszferikus visszaverődés: egyes frekvenciákon a

rádióhullámok a légkör felső részéről (ionoszféra) visszaverődnek, az ádhidalható távolság megnő

néhány 100 km

ionoszféra

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

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

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

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

kapcsolóközpont

PSTN

Internet

gateway

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

f1, f2, f3

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

f1

f2

f3

f2 f2

f1

f1

f3

f1

f3

f3

f1

f2

f2max. n felhasználó kb. ugyanakkora

terület

max több mint 4*n felhasználó

rendelkezésre álló frekvenciák

Telefónia

az emberi beszédhangok túlnyomó része a 300-3500 Hz -es tartományba esik

másképpen: az emberi beszéd sávszélessége kb. 3200 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 300-3500 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

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

központ

PSTN

központ

analóg analógdigitális

Telefónia

analóg jel digitalizálása: az analóg jelből bizonyos időközönkét mintákat veszünk,

azaz megmérjük a jellemző fizikai mennyiség értékét (pl. hány Volt feszültség)

idő

fizik

ai m

enny

iség

T

telefonátvitelnél: a beszédből 125 s -onként veszünk mintát ez azt jelenti, hogy másodpercenként

nyolcezer mintát veszünk mintavételi frekvencia: 8 kHz

Telefónia

analóg jel digitalizálása: minden egyes mért értéket digitális számmá konvertálunktelefonátvitelnél 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

idő

fizik

ai m

enny

iség

T

10011011 01011011

visszaállított jel

Telefóniatelefonátvitelnél 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

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

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

központ NT-1

TE-1 TE-1

TA TE-2

...

R

U S/T

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