Jednotlivé prenosové cesty sa vzájomne doplňujú a v praxi sa často kombinujú. Pri riešení prenosovej cesty sa vychádza zo vzdialenosti a objemu prenášaných informácií a v súčasnosti vystupuje do popredia obmedzenie vlastného vyžarovania a odolnosti proti rušeniu.
1. Prenosové cesty
V praxi sa používajú tieto tri typy prenosových médií:
- elektrické (metalické) koaxiál, krútená dvojlinka
- optické sklenené alebo plastové vlákno, patrí sem aj infrared (je wireless)
- rádiové (bezdrôtové) krátke a dlhé vlny
Jednotlivé prenosové cesty sa vzájomne doplňujú a v praxi sa často kombinujú. Pri riešení prenosovej cesty sa vychádza zo vzdialenosti a objemu prenášaných informácií a v súčasnosti vystupuje do popredia obmedzenie vlastného vyžarovania a odolnosti proti rušeniu. Všeobecne klesá význam metalických vedení a rozširuje sa používanie optických prenosových ciest. Rádiové prenosové cesty majú veľký význam pre svoju mobilitu. Prenosové cesty patria z hľadiska OSI modelu do 1. vrstvy, fyzickej.
Tabuľka používaných prenosových médií
Prenosové médium | Nosná frekvencia | Prenosová rýchlosť | Prenosová vzdialenosť | Odolnosť voči rušeniu |
Krútená dvojlinka | kódovanie | ≤1 Gb/s | niekoľko km | Nízka |
Tienená krútená dvojlinka | kódovanie | ≤1 Gb/s | niekoľko km | vyššia ako u kr. dvojlinky |
Koaxiálny kábel pre prenos v základnom pásme | kódovanie | ≤10 Mb/s | niekoľko 100 m | Dobrá |
Koaxiálny kábel pre prenos v preloženom pásme | 50-500 MHz | ≤ 20 Mb/s | do 2 km | Dobrá |
Optické káble | kódovanie | ≤ 40 Gb/s | 1 – 100 km | Vynikajúca |
Laserové spojenie | kódovanie | 155-622 Mb/s | ≤ 8 km | – |
Pozemné všesmerové rádiové signály | 2.4 GHz, 5.4 GHz | 2 – 108 Mb/s | do 25 km | − |
Pozemné smerové spoje | 10.3 – 10.6 GHz | 8 – 100 Mb/s | do 50 km | − |
Družicové spoje | C p.: 6/4 GHz, KU p.: 12/14 GHz (Zem/družica) | 800×64 Kb/s (hlas), 50 Mb/s (dáta) | − | − |
Každá prenosová cesta (médium) má svoje výhody a nevýhody. Žiadna prenosová cesta nie je ideálna. Pri prenose elektrických signálov cesta kladie signálu určitý odpor, čím sa zmenšuje amplitúda signálu. Cesta sa chová aj ako kapacita a indukčnosť, čím sa zaobľujú hrany signálu. S rastúcou vzdialenosťou rastie útlm a skreslenie, preto treba používať aktívne prvky na zosilnenie signálu (switch, repeater pri optike).
Pre každú prenosovú cestu existuje rozsah frekvencií, kedy prenáša signály s prijateľnou kvalitou, voláme ju šírka pásma (bandwidth) a udáva sa v Hz. (Napr. klasický analógový telefónny hovor má šírku pásma 4 KHz, koaxiálny vodič aj krútená dvojlinka až 1 GHz, optika THz a WiFi napr. 2,4 GHz…)
Metódy prenosu bitov po fyzickom kanáli:
- Prenos v základnom pásme (baseband): bity sa vysielajú v číslicovej forme tak ako sú, alebo s určitým typom kódovania (udržiava sa charakter číslicového údaja, dáta nie sú modulované). Pr. Ethernet-LAN sieť, len jeden kanál, kratšie vzdialenosti.
- Modulácia (prenos v preloženom pásme, broadband) –na nosnú frekvenciu sa namodulujú, upravia prenášané dáta. Používa sa pri väčších vzdialenostiach, napr. ADSL-viac kanálov, Chello s TV- viac kanálov.
Modulácia jeúprava harmonického nosného signálu. Delíme ju na amplitúdovú, frekvenčnú a fázovú. Binárne dáta sa nabaľujú na analógový signál moduláciou podľa toho, čo daná cesta prenáša najlepšie (amplitúda, frekvencia, fáza).
Modulačná rýchlosť – počet zmien daných parametrov nosnej za sekundu [Bd].
Prenosová rýchlosť – objem informácie prenesený za jednotku času [bps]. S vhodným kódovaním vieme zyýšiť prenosovú rýchlosť. (Pr. počet áut, ktoré idú cez križovatku vyjadruje modulačnú rýchlosť. Počet cestujúcich, ktorí sú v autách je prenosová rýchlosť).
Kódovanie – reprezentácia binárnych dát v základnom pásme (Manchester, NRZ,TTL…). Vhodným kódovaním vieme zvýšiť prenosovú rýchlosť, pretože jednou zmenou signálu vieme preniesť viac bitov.
Rôzne spôsoby kódovania vidno na nasledujúcom obrázku:
1.1. Elektrické prenosové médiá
1.1.1. Koaxiálny kábel
Vodič pozostáva z vonkajšieho plášťa, medeného opletenia alebo niekedy z hliníkovej fólie, plastového izolátora a samotného medeného vodiča. Signál je tvorený rozdielom napätí medzi vodičom a sieťkou. V sieťach sa využívala zbernicová topológia, konektor BNC. Dnes sa už v LAN nepoužíva, využíva ho WAN technológia Chello s káblovými rozvodmi a WiFi technológia pre pripojenie vysielača a antény.
Rozoznávame: tenký koaxiál –segment 185 m, v Ethernete technológia 10 BASE 2
hrubý koax – 500 m, v Ethernete technológia 10 BASE 5
(10 znamená rýchlosť v Mbit/s, baseband- základné pásmo, 5-dĺžka segmentu)
Výhody:
- použiteľný na väčšie vzdialenosti ako STP/UTP na 500m bez opakovača
- lacný, ľahká inštalácia
- dobré el. vlastnosti, malý útlm a rušenie
Nevýhody:
- spoľahlivosť, pri výpadku jedného nejde nikto
- nízka prenosová rýchlosť, do 10Mbps, nedá sa zvyšovať
- zastaralá technológia
- neumožňuje robiť štruktúrovanú kabeláž
- len half-duplexný prenos
1.1.2. Krútená dvojlinka
Pozostáva z 8 vodičov, každé 2 sú navzájom prepletené a všetky 4 páry sú tiež navzájom prepletené dookola. Krútenie vodičov eliminuje anténny efekt – rušenie od susedných vodičov – presluch (norma presne určuje počet závitov/dĺžka). Signál je tvorený rozdielom napätí medzi vodičmi v páre. V sieťach sa využíva topológia STAR, konektor RJ-45. Dĺžka sieťového segmentu je 100m a v Ethernete sa používajú technológie 10 BASE-T, ..až 1000 BASE-T (T-twisted). Umožňuje robiť štruktúrovanú kabeláž.
Rozoznávame: tienená krútená dvojlinka (STP), používa sa napr. pri el. motoroch, kde sú veľké rušenia
netienená (UTP), lacnejšia
Pre tvorbu káblov sú stanovené normy EIA/TIA 568A a 568B. Ak použijeme na jednej strane normu 568A a na druhej strane 568B, máme krížený kábel (cross) pre prepojenie dvoch rovnakých zariadení (PC-PC, PC-router, switch-switch). Ak máme obe strany rovnaké, vzniká priamy kábel pre prepojenie rôznych zariadení. Dnešné nové sieťové zariadenia si vedia sami detekovať a prepnúť rozhranie, takže na type kábla už nezáleží.
Krútená dvojlinka sa vyrába v rôznych kategóriách, podľa prenosovej rýchlosti a počtu použitých vodičov:
CAT1 | 1 MHz | analógový telefónny hovor | |
CAT2 | 4 MHz | Token Ring | |
CAT3 | 16 MHz | Token Ring | |
CAT4 | 20 MHz | 10 BASE T | |
CAT5 | 100 MHz | 10 BASE T, 100 BASE T | |
CAT5e | 100 MHz | 100 BASE T | Enhanced, odolné voči rušeniu |
CAT6 | 250 MHz | 1000 BASE T | |
CAT7 | 600 MHz | 1000 BASE T | Každý pár tienený |
Ak sa rozhodneme použiť tienený kábel, treba zakúpiť aj tienené zásuvky, prepojovacie panely a konektory.
Ďalšie delenie káblov je podľa použitia. Ak chceme robiť v stene štruktúrovanú kabeláž, použijeme tzv. drôt, solid, ktorý je málo ohybný. Pre prepájanie zariadení v LAN použijeme ohybnejší, patch kábel (hovorovo lanko).
Nevýhody krútenej dvojlinky:
- nedajú sa použiť pri el. strojoch, motoroch, ktoré rušia el. signál
- nemajú sa používať vonku medzi budovami kvôli rôznemu potenciálu zeme medzi nimi, blesky a búrky
1.2. Optické káble
Prenášajú elektromagnetické vlnenie s frekvenciou rádovo stovky THz – svetlo. Pracujú na princípe 1-svetlo, 0-tma. Sú založené na fyzikálnom princípe odrazu a lomu svetla v dvoch rôznych prostrediach. Pri určitom medznom uhle sa svetelný signál prenáša do okolia skoro bez strát a dochádza k tzv. úplnému odrazu.
Vysielačom (generátorom) môže byť LED dióda alebo laser, prijímačom (detektorom) je fotodióda alebo fototranzistor. Oba prvky robia prevod elektrika vs. optika.
Typy optických vlákien
- jednovidové vlákna (singlemode)- priemer jadra 5 až 10 mm a plášť 125 mm, používa sa pri laseri ako generátore, drahšie, väčší dosah (až 40 km).
- mnohovidové vlákna (multimode)- priemer jadra 50mm a plášťa 125 mm , prípadne s priemerom 60,5 mm a plášťa 125 mm, používa sa pri LED diódach ako generátore, lacnejšie, menší dosah (2 km).
Výraz vid (mód) je možné stotožniť s výrazom lúč svetla. Mnohovidové vlákna teda umožňujú prenos viacerých lúčov , presnejšie vidov. Jednovidové umožňujú prenos len jedného vidu. V jednom optickom vodiči je 2-48 vlákien. Sú v sklenenom alebo v plastovom prevedení. Čím ide svetelný lúč priamejšie, bez odrazov, tým má lepší dosah. Aby mohla optika pracovať v režime full-duplex, sú vedené vedľa seba dva vodiče. Jeden slúži na príjem (Rx) a druhý na vysielanie(Tx).
Prierez optickým vláknom:
Výhody použitia optických vodičov:
- šírka pásma je rádovo THz, čo mnohonásobne prevyšuje možnosti metalických káblov (koaxiálny kábel – 1GHz). V súčasnej dobe nevieme využiť celú šírku pásma, lebo nevieme vyrobiť kvalitné detektory a generátory.
- elektrická izolácia – optické vlákna sú izolanty. Optické vlákna je možné použiť v elektricky problematických prevádzkach, vo vonkajšom prostredí medzi budovami, pri el. motoroch a pod. Sú odolné voči rušeniu a ťažšie sa odpočúvajú dáta. Backbone Internetu (chrbtica) je postavená na optických vodičoch.
- imunita voči interferencii a presluchom – optický signál nie je ovplyvňovaný elektromagnetickým rušením ako pri metalických prenosoch, nie sú presluchy od susedných vodičov.
K nevýhodám optických vodičov patrí vyššia cena a ťažšia inštalácia. Pri inštalácii a zváraní vodičov sa používa zváračka s mikroskopom a vyžaduje sa vysoká čistota. Optické vlákna by sa nemali veľmi ohýbať, hrozí prelomenie vlákna.
1.3. Bezdrôtové siete
Médium, ktorým sa šíri signál je vzduch (éter) a signál sa šíri prostredníctvom elektromagnetických vĺn.
Neformálne delenie bezdrôtových prenosov:
- optické – svetelné prenosy, prenosy vo viditeľnej časti spektra (laser-RONJA)
- infra(červené) – použiteľné na krátku vzdialenosť s priamou viditeľnosťou (TV ovládače)
- mikrovlnné – extrémne krátke vlnové dĺžky (WiFi)
- rádiové – ostatné
Základnými parametrami sú frekvencia a vlnová dĺžka. Závislosť vlnovej dĺžky na frekvencii pre elektromagnetické vlnenie vo voľnom priestore a využitie frekvenčných pásiem pre telekomunikácie vidno na obrázku:
WiFi siete pre LAN prešli svojím vývojom. Sú zahrnuté v normách IEEE 802.11:
Norma | Frekvencia | Rýchlosť | Pozn. |
802.11a | 5 GHz | do54 Mbps | Nekompatibilné s 802.11b a 802.11g |
802.11b | 2.4 GHz | do 11 Mbps | |
802.11g | 2.4 GHz | do54 Mbps | |
802.11n | 2.4 GHz aj 5GHz | do 200 Mbps | Väčší dosah |
Na vytvorenie WiFi siete potrebujeme WiFi sieťovú kartu a bezdrôtový prístupový bod (Access Point–AP). AP funguje ako fyzický repeater alebo ako router. Prístupový bod sa obvykle pripája k pevnej sieti typu Ethernet, čo umožňuje prenášať dáta medzi bezdrôtovými a drôtovými zariadeniami. Bezdrôtové siete majú rovnakú topológiu ako siete Ethernet a pracujú na rovnakom princípe (prístupová metóda CSMA/CA).
Niekoľko prístupových bodov sa môže navzájom prepojiť a vytvoriť tak väčšiu sieť, ktorá umožňuje „roaming“. Sieť, v ktorej klientske zariadenia komunikujú priamo navzájom, bez prístupových bodov, sa nazýva ad-hoc sieť. Takáto sieť sa dá najlepšie porovnať s káblovou sieťou typu P2P.
AP pracuje v dvoch režimoch:
- v móde AP – prepája klientske stanice navzájom v rámci jednej LAN. Vie sa spojiť s klientom.
- v móde Bridge – prepája viac rôznych LAN sietí. Nevie sa spojiť s klientom, používa iný protokol.
Pre správny príjem a vysielanie signálu je dôležitá anténa. Od jej kvality závisí rýchlosť a dosah siete. Poznáme viacero druhov:
- Smerové-uhol majú menší ako 90°
- Sektorové – uhol cca 90°
- Všesmerové-uhol 360°
Čím menší uhol, tým väčší dosah, až 20 km.
K výhodám WiFi sietí patrí predovšetkým mobilita.
K nevýhodám patrí možnosť odpočúvania, narušenia prístupu do siete, vyžarovanie, nízka bezpečnosť. Nie je zaručená 100% dostupnosť ako pri kábli, výpadky signálu, rýchlosť závisí od počasia, viditeľnosti, rušenia od iných zariadení. Reálna rýchlosť je asi polovica z teoretickej rýchlosti. Pre zvýšenie bezpečnosti sa používajú rôzne stupne kryptovania, napr. WEP (Wired Equivalent Privacy), WPA a pod. Doporučuje sa zabezpečiť sieť aj kontrolou MAC adries, schovať SSID, zmeniť si IP adresu siete na inú ako predvolenú, nepoužívať DHCP pre prideľovanie IP klientom a zmeniť si heslo a používateľa pre prístup na AP na iné ako admin/admin.
1.4. Štruktúrovaná kabeláž
Myšlienka prenášať jedným káblovým systémom aj hlas, aj dáta a video vznikla pôvodne v USA. V minulosti boli počítačové siete realizované koaxiálnym káblom a klasické telefónne siete krútenou dvojlinkou. Keďže telefónny rozvod bol už spravený a funkčný, a rozvoj počítačových sietí znamenal inštaláciu ďalších káblových systémov, vznikla myšlienka spojiť tieto rozvody. Prešlo sa na používanie krútenej dvojlinky aj v počítačových sieťach, vzniká Hub a Switch a štruktúrovaná kabeláž je na svete. Využíva normy TIA/EIA-568-A a 568-B.
Štruktúrovaný kabelážny systém je z hľadiska použitia na prenos dát (počítačová sieť, internet), hlasu (telefonizácia) a obrazu (kamerové systémy, televízia) univerzálny. Používateľ si môže ľubovoľne zvoliť, ktoré prípojné miesto (telekomunikačnú zásuvku) bude na akú službu využívať. Rovnako môže kedykoľvek svoje rozhodnutie zmeniť a službu predefinovať v rozvádzači jednoduchou zmenou v prepojovacom paneli (patch panel).Dnes pod štruktúrovanou kabelážou rozumieme kompletnú telekomunikačnú káblovú infraštruktúru v budove (alebo viacerých budovách)
Prvky štruktúrovanej kabeláže:
- PoP-Point of Presence- prístupový bod k Internetu, telekomunikačným službám, k ISP
- Main Distribution Facility (MDF, Wiring Closet)-hlavná telekomunikačná miestnosť so sieťovými zariadeniami, servermi, UPS.
- Intermediate Distribution Facility (IDF)-ďalšie miestnosti so zariadeniami, prepájajú od MDF až ku užívateľským zásuvkám
- Backbone Cabling-vertikálna kabeláž, chrbticová sieť, prepája prístupový bod s MDF a IDF
- Horizontal Cabling-horizontálna kabeláž, prepája IDF s užívateľskými zásuvkami
- Work Area-pracovná plocha, prepája PC koncového užívateľa do zásuvky horizontálnej kabeláže
Príklad v našej škole:
- PoP –optika je privedená do miestnosti pod schodami pri vstupe do budovy
- MDF-serverovňa, miestnosť pri praxi, kde sú všetky servery, UPS, klíma, router, switche, patch panel, pobočková ústredňa, snažíme sa stavať MDF do stredu siete
- IDF-racky, rozvádzače v lab 2,4,15,Cisco1,Cisco2, riaditeľstvo, v ktorých sú switche a patch panely, napájanie
- Backbone Cabling –optika je vedená od PoP do serverovne (MDF) a odtiaľ prepája všetky IDF
- Horizontal Cabling-prepája IDF so zásuvkami v laboratóriách
- Work Area-od PC k zásuvke
Príklad rozmiestnenie MDF a IDF vo viacpodlažnej budove vidno na prvom obrázku. Pre viaceré oddelené budovy vidno príklad na druhom obrázku.
K aktívnym prvkom kabeláže patrí router, switch, server, AP, hub…k pasívnym káble, konektory, zásuvky, patch panel, dátový rozvádzač (rack), lišty…
K výhodám použitia štruktúrovanej kabeláže patrí modulárnosť, ľahšie pripojenie nového užívateľa, bezpečnosť. Pri návrhu počítame min. s dvoma zásuvkami na 1 PC (v Ciscu až 3, aj konzola). Na plochu 1000 m2 má byť zriadené jedno IDF. V praxi platí, že rýchlosť Backbone kabeláže má byť 10x rýchlejšia ako horizontálnej kabeláže. Dnes je pre PC min. 100 Mbit/s. Pre Backbone sa čoraz častejšie využíva optika, pre PC metalika alebo WiFi. Pri potrebe zvýšenia rýchlosti stačí len vymeniť slabší 100 Mbit/s switch za 1Gbit/s, a užívateľské sieťové karty na Gbit/s.
Návrh siete:
- Analýza východiskového stavu – požiadavky užívateľov, rozdelenie do skupín, počty, HW, SW, myslieť na budúcnosť rastu siete (počty x 2 pri všetkom)
- Voľba kabeláže-TP, optika, WiFi
- Fyzická štruktúra siete – stavba, vhodné rozmiestnenie MDF, IDF, Star topológia, 100m segment
- Logická štruktúra siete – podsiete, IP adresovanie, DHCP, práva, vytvorenie užívateľov, kontá, správa domény, heslá, mapovanie diskov, zdieľanie zariadení, bezpečnosť (všetko zakázať), zálohovanie, servery- mail, web, ftp, konfigurácia sieťových zariadení, VLAN, WLAN …požiadavky užívateľov, inštalácia SW
- Dokumentácia a premeranie siete- revízna správa, merací protokol, popis siete s očíslovanými zásuvkami, portami v patch paneli.