Ενότητα 8 η Το Φυσικό Επίπεδο (PHY)

Τηλεπικοινωνιακά Κανάλια Ως τηλεπικοινωνιακό κανάλι ορίζουμε ένα μέσο που χρησιμοποιείται για να μεταφέρει πληροφορία από έναν αποστολέα σε ένα παραλήπτη. Ένα τηλεπικοινωνιακό κανάλι μπορεί να είναι ενσύρματο ή ασύρματο. Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες η μετάδοση λαμβάνει χώρα συνήθως με την βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Κάθε κανάλι επιδρά στο σήμα με τρεις τρόπους: –α) προσθέτει θόρυβο (π.χ. Gaussian), –β) αλλοιώνει γραμμικά τα φασματικά χαρακτηριστικά του σήματος, –γ) παραμορφώνει το σήμα με μη γραμμικό τρόπο. Παραδείγματα τηλεπικοινωνιακών καναλιών είναι η οπτική ίνα, ο ελεύθερος χώρος («αέρας») και τα χάλκινα καλώδια του τηλεφώνου.

Ομοαξονικό Καλώδιο Το ομοαξονικό καλώδιο σχηματίζεται από ένα εσωτερικό μεταλλικό πυρήνα που περιβάλλεται από ένα στρώμα διηλεκτρικού. Ένα επιπλέον στρώμα μετάλλου καλύπτει το διηλεκτρικό. Χρησιμοποιείται για την μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών σημάτων στο μικροκυματικό φάσμα. Ομοαξονικά καλώδια χρησιμοποιούνται στη σύνδεση πομπών με κεραίες, δικτύων υπολογιστών και μεταφορά σημάτων τηλεόρασης. Ένα πλεονέκτημα του καλωδίου αυτού είναι πως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο περιορίζεται μόνο στο διηλεκτρικό υλικό και επομένως δεν αλληλεπιδρά ισχυρά με άλλες ηλεκτρομαγνητικές πηγές. Το εύρος ζώνης μίας ομοαξονικής γραμμής είναι μερικά GHz.

Καλώδιο Twisted Pair (TP) Το καλώδιο twisted pair είναι μία μορφή καλωδίωσης στην οποία δύο αγωγοί κάμπτονται ο ένας γύρω από τον άλλο με σκοπό να εξαλείψουν την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση από άλλες ηλεκτρομαγνητικές πηγές (π.χ. γειτονικά καλώδια). Το ζεύγος των καλωδίων μπορεί να είναι προστατευμένο (shielded) με μεταλλική επιφάνεια. Καλώδιο UTP (Unshielded TP) Καλώδιο STP (Shielded TP)

Καλώδιο Unshielded Twisted Pair (UTP) Τα καλώδια UTP είναι ιδιαίτερα δημοφιλή στις μέρες μας και πλέον έχουν προτυποιηθεί διάφορες κατηγορίες. Η κατηγορία 5 χρησιμοποιείται για μετάδοση δεδομένων μέχρι 100MHz (Fast Ethernet). Η κατηγορία 5e είναι μία αναβαθμισμένη έκδοση της κατηγορίας 5 και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές Gigabit. Συνήθως η απόσταση που μπορούν να καλύψουν τα καλώδια αυτά είναι της τάξης των 100m. Οι κατηγορίες 6 και 7 θέτουν ακόμα ισχυρότερους περιορισμούς στο θόρυβο και την διαφωνία που μπορεί να έχει το καλώδιο. Η απόσταση που καλύπτουν ωστόσο παραμένει η ίδια.

Οπτικές Ίνες – Fiber optics Κατασκευάζονται από γυαλί ή πλαστικό υλικό Είναι η καλύτερη λύση στα μέσα μετάδοσης όπου το φως είναι ο φορέας της πληροφορίας αντί του ρεύματος Αποτελούνται από τρεις ομόκεντρες κυλινδρικές οντότητες: Στο κέντρο βρίσκεται ένας γυάλινος πυρήνας, η κεντρική ίνα (core) μέσω του οποίου διαδίδεται το φως και έχει περίπου το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Ο πυρήνας περικλείεται από μια γυάλινη επικάλυψη, το μανδύα (cladding) και στη συνέχεια υπάρχει ένα λεπτό πλαστικό κάλυμμα (buffer) για προστασία του μανδύα. Η φωτεινή δέσμη που μεταφέρει την πληροφορία, μεταδίδεται μέσω της κεντρικής ίνας (core) και διαδίδεται με διαδοχικές ανακλάσεις στα τοιχώματα της ίνας προς το άλλο άκρο.

Οπτικές Ίνες Υπάρχουν μονότροπες ίνες (όπου ο πυρήνας έχει μικρή διάμετρο) και πολύτροπες ίνες (όπου ο πυρήνας έχει μεγαλύτερες διαστάσεις). Οι πολύτροπες χρησιμοποιούνται σε μικρότερες αποστάσεις και για μικρότερους ρυθμούς σηματοδοσίας. Οι μονότροπες χρησιμοποιούνται σε επικοινωνίες μεγάλων αποστάσεων με μεγαλύτερους ρυθμούς (της τάξης του terabit/s) αλλά είναι πιο δύσκολο να εγκατασταθούν και να συγκολληθούν.

Μονότροπες – Πολύτροπες ίνες

Οπτικές Ίνες Γενικά χρησιμοποιούνται τρία μήκη κύματος στις οπτικές ίνες: Κοντά στα 800nm οι ίνες έχουν μεν υψηλές απώλειες αλλά είναι εύκολο να κατασκευάσουμε πομπούς και δέκτες. Στα 1300nm οι ίνες παρουσιάζουν «καλή συμπεριφορά» με την έννοια ότι δεν παραμορφώνουνε πολύ το σήμα… (παράθυρο μηδενικής διασποράς). Κοντά στα 1550nm οι ίνες έχουν πολύ μικρές απώλειες.

Οπτικά καλώδια

Οπτικές Ίνες Αντίθετα με τα χάλκινα καλώδια, όσο μικρότερη είναι η διάμετρος της ίνας τόσο μεγαλύτερη η απόσταση διάδοσης του σήματος. Στο τέρμα της οπτικής ίνας βρίσκεται ένας φωτοδέκτης που ανιχνεύει την έλευση του φωτός. Οι οπτικές ίνες διασυνδέονται με τρεις τρόπους: –τερματίζονται με συζευκτήρες και να συνδέονται σε υποδοχές οπτικών ινών –συγκολλούνται μηχανικά, δηλαδή τα εξαρτήματα μηχανικής συγκόλλησης τοποθετούν τα δύο προσεκτικά κομμένα άκρα το ένα δίπλα στο άλλο μέσα σε ένα ειδικό κάλυμμα και τα σφίγγουν στη σωστή θέση –δύο τμήματα οπτικής ίνας μπορούν να τηχθούν έτσι ώστε να σχηματίσουν μια συμπαγή σύνδεση που είναι σχεδόν το ίδιο καλή με μια μονοκόμματη οπτική ίνα

Προσοχή στις συγκολλήσεις… το φως είναι άτακτο

Συνδέσεις με ίνες Υπάρχουνε διάφορου τύπου connectors για οπτικές ίνες…

Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Στα πλεονεκτήματα των οπτικών ινών είναι –το μεγάλο εύρος ζώνης συχνοτήτων, με αποτέλεσμα την επίτευξη υψηλών ρυθμών μετάδοσης της τάξης 5 Gbps, –είναι ανεπηρέαστες από θόρυβο, ο ρυθμός εμφάνισης σφαλμάτων (errοr rate) είναι σε πολύ χαμηλά επίπεδα, –το βάρος και ο όγκος τους είναι σημαντικά μικρότερος από άλλους αντίστοιχους αγωγούς, –είναι αρκετά ασφαλείς και προξενούν μικρότερη εξασθένηση στα σήματα από ότι τα χάλκινα και τα ομοαξονικά καλώδια (επιτυγχάνονται αποστάσεις χωρίς αναμεταδότη, άνω των 300 χιλιομέτρων). Μειονεκτήματα θεωρούνται –η δυσκολία στον τρόπο σύνδεσης σε πομπό και δέκτη και η –δυσκολία σύνδεσης πολλών χρηστών πάνω σε ένα καλώδιο. Τα συστήματα καλωδίωσης με οπτικές χρησιμοποιούνται στις τηλεπικοινωνιακές συνδέσεις μακρινών αποστάσεων, σε βιομηχανικές περιοχές με υψηλό επίπεδο ηλεκτρομαγνητικών θορύβων, σε τοπικά δίκτυα για επικοινωνίες data μεγάλων ταχυτήτων, σε αστικά δίκτυα (Metropolitan Area Network) και για μεταδόσεις υψηλών απαιτήσεων ασφάλειας κρατικών υπηρεσιών.

Προσοχή στις ίνες σας! Δεν πρέπει να τις διπλώνετε! Οι κάμψεις δημιουργούν απώλειες! Δεν πρέπει να κοιτάτε την άκρη της! Αν στην ίνα διαδίδεται ένα σήμα τότε μπορεί να βλάψει τα μάτια σας ακόμα και αν πρόκειται για ύπερυθρη ακτινοβολία που δεν την βλέπετε! Αποφύγετε να ακουμπάτε την ίνα με το δάκτυλο σας στην άκρη της. Μπορεί να σας κόψει! Τα άκρα της ίνας πρέπει να είναι καθαρά! Αλλιώς θα έχετε απώλειες. Όταν δεν την χρησιμοποιείτε μην την αφήνετε εκτεθειμένη σε σκόνη Μην αφήνετε τα άκρα της ακάλυπτα. Μαζεύουν σκόνη.

Απώλειες και περιορισμός εύρους ζώνης στις οπτικές ίνες Το εύρος ζώνης συσχετίζεται άμεσα μετο ρυθμό πληροφορίας που μπορούμε να μεταδώσουμε μέσω της ίνας, ενώ η εξασθένιση καθορίζει τον αριθμό επαναληπτών- ενισχυτών που θα τοποθετηθούν μεταξύ πομπού και δέκτη σε μια οπτική ζεύξη. Η τοποθέτηση και η συντήρηση αυτών των διατάξεων έχει μεγάλη επίδραση στο ολικό κόστος του συστήματος. 1. Εξασθένιση Η εξασθένιση σήματος (ή απώλεια σήματος) σε μια οπτική ίνα ορίζεται ως ο λόγος της οπτικής ισχύος στην έξοδο της σε σχέση με τη ισχύ εισόδου και εκφράζεται σε dB/km. Αν για παράδειγμα μια οπτική ίνα έχει απώλειες 3 dB/km, τότε η ισχύς του σήματος μειώνεται κατά 50% σε απόσταση 1km. (dB = 10 log10 (P1 / P0) άρα -3 dB = 0.5 Η εξασθένιση σε μια οπτική ίνα οφείλεται κυρίως σε δύο μηχανισμούς: –I. Απορρόφηση (absorption) Τα ηλεκτρόνια ξένων προσμείξεων που υπάρχουν στο γυαλί της ίνας απορροφούν μέρος της μεταδιδόμενης οπτικής ισχύος –ΙΙ. Σκέδαση (Scattering). Η διάχυση που υφίσταται η φωτεινή ακτινοβολία στο μανδύα καθώς διαδίδεται στον πυρήνα της ίνας. Οφείλεται σε ανωμαλίες στη σύνθεση του υλικού της ίνας, με μέγεθος μικρότερο από το χρησιμοποιούμενο μήκος κύματος λ.

2. Διασπορά Η τιμή του δείκτη διάθλασης μειώνεται όσο το μήκος κύματος αυξάνει. Η ταχύτητα διάδοσης είναι συνάρτηση του δείκτη διάθλασης και επομένως του μήκους κύματος. Το φαινόμενο αυτό χαρακτηρίζεται με τον όρο διασπορά (dispersion) και έχει σαν αποτέλεσμα τη παραμόρφωση των φωτεινών παλμών που διαδίδονται στην ίνα διότι η οπτική ισχύς κατανέμεται σε μια περιοχή μηκών κύματος. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη διαπλάτυνση του οπτικού παλμού και τον περιορισμό του εύρους ζώνης ενός οπτικού συστήματος λόγω αλληλο- παρεμβολής συμβόλων (ΙSI – Inter Symbol Interference).

Διασπορά Στις οπτικές ίνες η διασπορά μπορεί να οφείλεται σε διάφορους λόγους. Οι πολύτροπες ίνες για παράδειγμα το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο επιτρέπεται να σχηματίσει διάφορους τρόπους διάδοσης κάθε ένας με την δική του διαφορετική ταχύτητα. Οι μονότροπες ίνες δεν έχουνε πολλούς τρόπους διάδοσης αλλά ωστόσο εμφανίζουν διασπορά, αν και μικρότερη από τις πολύτροπες.

Ασύρματη Διάδοση Η διάδοση ραδιοσυχνοτήτων στην ατμόσφαιρα είναι ένα αρκετά πολύπλοκο ζήτημα: τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ανακλώνται, διαθλώνται, περιθλώνται, απορροφώνται και σκεδάζονται. Με τον όρο ανάκλαση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα προσπίπτει σε μία επιφάνεια που διαχωρίζει δύο μέσα (υλικά) και η ισχύς του (ή έστω μέρος αυτής) επιστρέφει στο μέσο από το οποίο προήρθε. Με τον όρο διάθλαση εννοούμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα προσπίπτει σε μία επιφάνεια που διαχωρίζει δύο μέσα (υλικά) και η ισχύς του (ή έστω μέρος αυτής) περνάει στο νέο μέσο. Με τον όρο περίθλαση εννοούμε τα φαινόμενα που λαμβάνουνε χώρα όταν το κύμα συναντά κάποιο εμπόδιο. Επειδή κάθε σημείο πάνω στο μέτωπο του κύματος λειτουργεί ως δευτερεύουσα πηγή, τα εμπόδια μπορεί να δημιουργήσουν φαινόμενα συμβολής που αλλάζουν την συμπεριφορά του κύματος. Με τον όρο απορρόφηση ονομάζουμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα προσπίπτει σε κάποιο υλικό και μέρος της ισχύος του απορροφάται από τα μόρια του υλικού. Με τον όρο σκέδαση εννοούμε το φαινόμενο κατά το οποίο το κύμα αλλάζει πορεία εξαιτίας των ανομοιογενειών τις οποίες συναντά στο μέσο διάδοσης. Η διάκριση μεταξύ των φαινομένων αυτή δεν είναι πάντα πλήρης…

Ανάκλαση

Διάθλαση

Περίθλαση

Είδη Ασύρματης Διάδοσης Απευθείας Κύμα: το κύμα που ταξιδεύει κατευθείαν από τον πομπό στο δέκτη όταν υπάρχει οπτική επαφή. Χρησιμοποιείται για τα μέσα ΑΜ κύματα, στη ραδιοφωνία FM, στην μετάδοση τηλεόρασης μεγάλων αποστάσεων και στις δορυφορικές επικοινωνίες. Μέρος του κύματος που διαδίδεται ανακλάται από την επιφάνεια της γης και μπορεί να καταλήξει στο δέκτη με διαφορετική φάση από το απευθείας κύμα. Αυτό προκαλεί συμβολή των κυμάτων και δρα ως θόρυβος. Σε ύψη περίπου 10Km από την επιφάνεια της Γης υπάρχει μία απότομη μεταβολή των χαρακτηριστικών του μέσου διάδοσης που βλέπουν τα Η/Μ κύματα εξαιτίας της τροπόσφαιρας. Σε συχνότητες κοντά στα 1, 2 και 5GHz η τροπόσφαιρα ανακλά το Η/Μ κύμα, κάτι που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επικοινωνίες σε περίπτωση που δεν υπάρχει οπτική επαφή. Χρησιμοποιείται κυρίως για στρατιωτικούς σκοπούς. Σε ύψη 70 με 400Κm υπάρχει η ιονόσφαιρα η οποία είναι ένα στρώμα ατμόσφαιρας που «βομβαρδίζεται» από υπεριώδη ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον ήλιο αλλά και από κοσμικές ακτίνες. Όταν ένα κύμα διαδίδεται στην ιονόσφαιρα μπορεί να υποστεί ανάκλαση, π.χ. όταν βρίσκεται στην περιοχή συχνοτήτων 3 με 30MHz. Το σήμα μπορεί να υποστεί διαδοχικές ανακλάσεις μεταξύ της επιφάνειας της γης και της ιονόσφαιρας και να φτάσει σε απομακρυσμένους δέκτες. Σε πολύ χαμηλές συχνότητες μάλιστα (3–30 kHz) η ιονόσφαιρα και το έδαφος της γης μπορούν να δράσουν σαν «κυματοδηγοί» όπως η οπτική ίνα και για το λόγο αυτό η μπάντα αυτή χρησιμοποιείται στην ναυσιπλοΐα.

Ασύρματη Διάδοση Στον ελεύθερο χώρο η ισχύς των ηλεκτρομαγνητικών σημάτων μειώνεται ως  1/r 2 όπου r είναι η απόσταση από τον πομπό.

Πομποί Οι πομποί είναι καθετί που στέλνει πληροφορία σε έναν παρατηρητή (δέκτης) Ο πομπός αποτελείται από ένα σύστημα ηλεκτρικής τροφοδοσίας, έναν ταλαντωτή, έναν διαμορφωτή και ενισχυτές. Ο διαμορφωτής αποτυπώνει την πληροφορία προς μετάδοση σε ένα «μονοχρωματικό» φέρον cos(2πf 0 t) το οποίο παράγεται από τον ταλαντωτή. Συχνά, όπως π.χ. στα κινητά τηλέφωνα, οι πομποί συνδυάζονται με τα αντίστοιχα κυκλώματα δεκτών. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται πομποδέκτες. Οι πομποί συνδέονται με κεραίες οι οποίες μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε ηλεκτρομαγνητικό κύμα το οποίο διαδίδεται μέσω της ατμόσφαιρας. Ταλαντωτής (Colpitts)

Παραδείγματα Πομπών… Μαγνετρον

Πομπός AM

Κεραίες Η κεραία αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι των ασύρματων πομπών και των δεκτών. Στην ουσία μετατρέπει το ηλεκτρικό ρεύμα σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο το οποίο ακτινοβολείται στο χώρο. Η κεραία χαρακτηρίζεται από το διάγραμμα ακτινοβολίας, που μας δείχνει την ισχύ που ακτινοβολείται σε κάθε διεύθυνση. Ισοτροπικό διάγραμμα Κατευθυντικό διάγραμμα

Δέκτες Ο δέκτης αποτελείται από ένα σύστημα ηλεκτρικής τροφοδοσίας, ένα αποδιαμορφωτή και ενισχυτές

Δέκτης

Δέκτες

Φυσικό Επίπεδο (ή αλλιώς PHY) Το φυσικό επίπεδο είναι το χαμηλότερο επίπεδο στην απεικόνιση του OSI. Περιλαμβάνει το απαραίτητο hardware για την μετάδοση της πληροφορίας μέσω των μέσων μετάδοσης (ίνα, ομοαξονικό καλώδιο, κτλ). Εξαιτίας των πολλών διαφορετικών μέσων μετάδοσης είναι συνήθως το πιο πολύπλοκο επίπεδο. Άλλωστε ΌΤΙ ΕΧΟΥΜΕ ΠΕΙ ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ ΑΦΟΡΑ ΤΟ ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ… και υπάρχουνε και άλλα! Συχνά αποκαλείται PHY. Στην ουσία το φυσικό επίπεδο προσφέρει την δυνατότητα μετάδοσης μίας σειράς από bit σε ένα φυσικό μέσο μετάδοσης που συνδέει δύο κόμβους τους δικτύου. Ενδεχομένως τα bits να χωρίζονται σε μονάδες και κάθε ομάδα να αντιπροσωπεύεται από ένα σύμβολο (π.χ. M-αδικό ASK). Το φυσικό επίπεδο αναλαμβάνει να διαχειριστεί όλες τις… παραξενιές του μέσου μετάδοσης: σε ποιες συχνότητες θα πρέπει να εκπέμψει το σήμα, τι σχήμα διαμόρφωσης θα χρησιμοποιηθεί, ποιος θα είναι ο μέγιστος ρυθμός μετάδοσης ακόμα και τις συνδέσεις του κόμβου με το φυσικό μέσο (connectors).

Σειριακή και Παράλληλη Μετάδοση Το φυσικό επίπεδο μπορεί να στέλνει πληροφορία σειριακά ή παράλληλα. Στην παράλληλη επικοινωνία, χρησιμοποιούνται περισσότερα από ένα κανάλια ενώ στην σειριακή χρησιμοποιείται ένα κανάλι (δίαυλος) Η σειριακή μετάδοση έχει πλέον αρχίσει να εκτοπίζει την παράλληλη μετάδοση εξαιτίας της απλούστερης υλοποίησης της. Αυτό συμβαίνει τόσο στις ζεύξεις μεγάλων αποστάσεων αλλά και στις επικοινωνίες μικρών αποστάσεων. RS232 (σειριακό) USB Ethernet ATA (parallel) PCI (το «παλιό» όχι το Express!) Σειριακή Μετάδοση Παράλληλη Μετάδοση

Το φυσικό επίπεδο μπορεί να αναλάβει και την πολυπλεξία περισσότερων από μίας ροών bit σε μία ροή. Με τον τρόπο αυτό τα δεδομένα μπορούν να περάσουν από το ίδιο μέσο (π.χ. καλώδιο) Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Πολυπλεξία R (bit/s) NR (bit/s) λ2λ2 λ1λ1 λ3λ3 λ4λ4 λ2λ2 λ1λ1 λ3λ3 λ4λ4 Πολυπλεξία στο πεδίο του χρόνου Time Division Multiplexing (TDM) Πολυπλεξία στο πεδίο των συχνοτήτων Frequency Division Multiplexing (FDM) Wavelength Division Multiplexing (WDM) Χρησιμοποιείται στα τηλεφωνικά δίκτυα (SONET/SDH/PDH) και στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας GSM Χρησιμοποιείται στις ζεύξεις με οπτικές ίνες, στη ραδιοφωνία, στο DSL, κτλ…

Τα (επιπλέον) καθήκοντα του PHY: Διόρθωση Σφαλμάτων Το φυσικό επίπεδο μπορεί να προχωρήσει στην διόρθωση των εσφαλμένων bit ή συμβόλων. Αυτό γίνεται με την χρήση κωδίκων διόρθωσης σφάλματος που επιτρέπει στο δέκτη α) να αντιλαμβάνεται πότε έχει συμβεί σφάλμα και β) να διορθώνει τα σφάλματα αυτά. Ο κώδικας διόρθωσης σφάλματος χρησιμοποιεί πλεονασμό. Ένας απλός τέτοιος κώδικας είναι να επαναλαμβάνουμε τα bit του μηνύματος άλλες δύο φορές. Στο δέκτη επεξεργαζόμαστε τα εισερχόμενα bit σε μπλοκ των 3. Αποκωδικοποιούμε το bit μηνύματος ως «1» αν ο αριθμός των «1» είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των «0» και το ανάποδο. Η πιθανότητα να έχουμε λάθος αποκωδικοποίηση είναι να γίνουν δύο ή παραπάνω σφάλματα. Αν P e είναι η πιθανότητα να γίνει σφάλμα σε ένα bit τότε η πιθανότητα να αποκωδικοποίησουμε λάθος ένα bit είναι P error =P e 2 (1-P e )+P e 3 που είναι πολύ μικρότερη από την P e για μικρές τιμές του P e. Ωστόσο τριπλασιάζουμε το ρυθμό μετάδοσης! Υπάρχουνε πιο εξελιγμένοι κώδικες που δεν οδηγούν σε τόσο μεγάλη αύξηση του ρυθμού μετάδοσης.

Τοπολογία Φυσικού Επιπέδου Μέχρι τώρα θεωρήσαμε πως το τηλεπικοινωνιακά μας συστήματα αποτελούνται από έναν πομπό και έναν δέκτη στην άλλη πλευρά. Ωστόσο στην πράξη αυτό είναι πολύ σπάνιο… Συχνά θέλουμε να διασυνδέσουμε περισσότερους από δύο συσκευές σε ένα δίκτυο Είναι προφανές πως για να συνδέσουμε διάφορες συσκευές μεταξύ τους υπάρχουνε διάφοροι τρόποι ανάλογα με το πόσα για παράδειγμα καλώδια θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε. Mesh Αστέρας Δακτύλιος Αρτηρία Τις παραπάνω αρχιτεκτονικές τις ονομάζουμε τοπολογίες φυσικού επιπέδου επειδή απεικονίζουν το πώς είναι συνδεδεμένοι οι κόμβοι του δικτύου φυσικά! Οι μαύρες γραμμές στην ουσία ανταποκρίνονται σε συνδέσεις φυσικού επιπέδου (π.χ. καλώδια UTP, κτλ, κτλ).

Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας Δίκτυο Αρτηρίας: Έχει αρχίσει να εγκαταλείπεται σταδιακά

Δίκτυο Δακτυλίου: Χρησιμοποιείται αρκετά σπάνια στις μέρες μας Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας

Χρησιμοποιείται αρκετά συχνά σε τοπικά δίκτυα Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας

Χρησιμοποιείται ΠΟΛΥ συχνά σε τοπικά δίκτυα Παραδείγματα φυσικής τοπολογίας

Ethernet Στις μέρες μας το Ethernet στις διάφορες μορφές του έχει κυριαρχήσει στις επικοινωνίες των υπολογιστών. Στην ουσία πρόκειται για ένα πρωτόκολλο επίπεδο ζεύξης. Το Ethernet αναπτύχθηκε από την εταιρία Xerox PARC (Palo Alto Research Center) το Το 1975 οι Robert Metcalfe, David Boggs, Chuck Thacker και Butler Lampson υπέβαλαν την πατέντα που οδήγησε στο Ethernet. Το 1976 ο Metcalfe και ο Boggs δημοσιεύσανε μία δημοσίευση που περιέγραφε ένα δοκιμαστικό σύστημα με ρυθμό 3Mb/s. Το 1979, ο Metcalfe έφυγε από τη Xerox και ίδρυσε την 3Com, πείθοντας τις εταιρίες DEC, Intel και Xerox να συνεργαστούν για να προωθήσουν το Ethernet ως πρότυπο (standard). Το πρότυπο αυτό, γνωστό και ως "DIX" (Digital/Intel/Xerox) έθεσε τις προδιαγραφές για ρυθμό 10Mb/s με διευθύνσεις MAC 48bit. To 1980 η ΙΕΕΕ εξέδωσε την πρώτη έκδοση του Ethernet standard και το 1983, η 3COM παρουσίασε την πρώτη κάρτα Ethernet. Από τα μέσα της δεκαετίας του 80, άρχισαν να αναπτύσσονται τα πρώτα καλώδια twisted pair. Το καλώδιο UTP άρχισε να αντικαθιστά το ομοαξονικό καλώδιο και περάσαμε σε υλοποιήσεις του Ethernet με μεταγωγείς (switches) που δεν χρειάζονται CSMA/CD τεχνικές.

Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (10Mb/s)

Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (100Mb/s)

Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (1Gb/s)

Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (10Gb/s)

Ethernet: Φυσικό Επίπεδο (40 και 100Gb/s!!!!!)

Καλώδια και Gigabit Ethernet

Ethernet και οπτικές ίνες

SONET/SDH To SONET (Synchronous optical networking) και το SDH (Synchronous Digital Hierarchy) είναι πρωτόκολλα πολυπλεξίας που επιτρέπουν την μετάδοση πολυπλεγμένων (multiplexed) ψηφιακών δεδομένων μέσω οπτικών ινών. Το SONET/SDH στην ουσία αντικατέστησε την Πλαισιόχρονη Ψηφιακή Ιεραρχία (Plesiochronous Digital Hierarchy – PDH) που χρησιμοποιούταν για την μετάδοση τηλεφωνικών σημάτων και δεδομένων. Η βασική διαφορά είναι πως το SONET/SDH επιβάλει συγχρονισμό των ρυθμών μετάδοσης βάση ειδικών ρολογιών. Επομένως όλα τα δίκτυα της χώρας λειτουργούν βάση του συγχρονισμού αυτού και μειώνεται σημαντικά το ποσοστό αποθήκευσης που πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Το SDH χρησιμοποιείται στην Ευρώπη ενώ το SONET στις ΗΠΑ και τον Καναδά. Ένας πολυπλέκτης SDH

Περί ιεραρχίας… Στο SDH, η βασική μονάδα μετάδοση είναι το πλαίσιο STM-1 (Synchronous Transport Module level - 1) που μεταδίδεται με ρυθμό Mbit/s. Το πλαίσιο διαρκεί ακριβώς 125μs και περιέχει πληροφορία που αφορούν τα δεδομένα αλλά και ένα τμήμα που αφορά τις πληροφορίες που χρειάζονται για την σωστή μετάδοση και λήψη του.

Modem Με τον όρο modem εννοούμε κάθε συσκευή που παράγει ένα αναλογικό σήμα το οποίο μεταφέρει ψηφιακή πληροφορία. Το πιο οικείο (τουλάχιστον στους παλαιότερους) είναι το modem που χρησιμοποιείται για την ψηφιακή μετάδοση δεδομένων πάνω από το τηλεφωνικό δίκτυο. Πρόκειται για τις συνδέσεις dial up. Οι επιδόσεις των modem καθορίζονται από τον αριθμό bit που μπορούν να μεταδώσουν στην άλλη πλευρά ανά s, που στην ουσία πρόκειται για τον ρυθμό μετάδοσης (bit/s). Το ADSL έχει και αυτό ένα modem για να μεταφέρει τα δεδομένα μέσω του τηλεφωνικού δικτύου. Απλά το modem είναι πιο εξελιγμένο όπως θα δούμε παρακάτω…

DSL To DSL (Digital Subscriber Line) είναι μία τεχνολογία που επιτρέπει την μετάδοσης ψηφιακών δεδομένων πάνω από τα χάλκινα καλώδια που χρησιμοποιούμε για το τηλεφωνικό δίκτυο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί παράλληλα με το τηλέφωνο επειδή χρησιμοποιεί διαφορετικές συχνότητες από την τηλεφωνική συσκευή. Υπάρχουν δύο ταχύτητες μετάδοσης που χαρακτηρίζουν το DSL: –α) Η ταχύτητα με την οποία ο χρήστης λαμβάνει τα δεδομένα (down speed) και –β) η ταχύτητα με την οποία στέλνει δεδομένα (up speed). Αν οι δύο ταχύτητες είναι ίσες (κάτι που δεν συμβαίνει συχνά) τότε μιλάμε για συμμετρικό DSL Αν είναι διαφορετικές τότε έχουμε μη συμμετρικό DSL το γνωστό σε όλους μας ADSL.

To φάσμα του ΑDSL To ΑDSL μεταδίδει τα ψηφιακά του δεδομένα σε συχνότητες διαφορετικές από αυτές του κανονικού τηλεφώνικού δίκτυου (Plain old Telephone Network – PSTN) Συγκεκριμένα στέλνει δεδομένα στις συχνότητες μεταξύ 25kHz και 138kΗz και μεταδίδει στις συχνότητες μεταξύ 138kHz και 1104kHz. Με τον τρόπο αυτό υποστηρίζονται παράλληλα και οι δύο υπηρεσίες! Ωστόσο σε κάθε τηλεφωνική συσκευή πρέπει να τοποθετήσουμε ένα φίλτρο ώστε να μην λαμβάνει τα σήματα πάνω από 25kHz. Διαφορετικά το τηλέφωνο μπορεί να δεχτεί και να προκαλέσει παρεμβολές!

Διαμόρφωση του ADSL To ADSL χρησιμοποιεί ένα είδος παράλληλης μετάδοσης που θυμίζει την πολυπλεξία συχνοτήτων Στην ουσία το φάσμα μετάδοσης και λήψης χωρίζεται σε έναν αριθμό από μικρότερα κανάλια (υποφέρουσες –subcarriers ) Κάθε bit προς μετάδοση μεταδίδεται σε μία από τις υποφέρουσες ενώ τα γειτονικά bit μεταδίδονται από άλλες υποφέρουσες. Κάθε υποφέρουσα επομένως έχει χαμηλότερο ρυθμό από την ροη των bit που φτάνει για μετάδοση. Η εξίσωση είναι πολύ πιο εύκολη διαδικασία για το σύστημα αυτό το οποίο ονομάζεται OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)… περισσότερες λεπτομέρειες για το σύστημα αυτό… τα επόμενα χρόνια της φοιτητικής σας ζωής!

Τύποι ADSL

H οπτική ίνα μέχρι… που? (Fiber-to-the-X) Το ADSL είναι χρυσό και άγιο αλλά δυστυχώς η απόσταση που μπορεί να διανύσει είναι πολύ μικρή. Σε υψηλούς ρυθμούς (>10Μb/s) η απόσταση δεν μπορεί να ξεπεράσει τα 300m και επομένως τίθεται ένα σαφές όριο στην αρχιτεκτονική του τηλεπικοινωνιακού δικτύου. Σταδιακά, σε διάφορες χώρες εγκαθίστανται οπτικές ίνες με σκοπό να αντικατασταθούν σταδιακά τα χάλκινα καλώδια που χρησιμοποιεί το τηλεφωνικό δίκτυο (και το DSL). H εγκατάσταση της οπτικής ίνας είναι σχετικά ακριβή… 20000€/Km, εξαιτίας των έργων που πρέπει να γίνουν (σκάψιμο δρόμων, κτλ). Ο στόχος είναι στο μέλλον η οπτική ίνα να φτάσει στο σπίτι του συνδρομητή (μέσα στο διαμέρισμα, όχι απλά στο κτίριο). Στην περίπτωση αυτή μιλάμε για Fiber-to-the-Home (FTTH οπτική ίνα στο σπίτι).

H οπτική ίνα μέχρι… που? (Fiber-to-the-X) Yπάρχουν διάφορες παραλλαγές του FTTH που είναι οικονομικότερες επειδή η οπτική ίνα δεν καταπληγεί μέχρι το διαμέρισμα του χρήστη. FTTN (Fiber-to-the-Neighborhood – οπτική ίνα μέχρι την γειτονιά). H οπτική ίνα φτάνει σε ένα κεντρικό σημείο στην γειτονιά και από εκεί και πέρα οι χρήστες συνδέονται με χάλκινα καλώδια. FFTC (Fiber-to-the-Curb). Πρόκειται για μία παραλλαγή του FFTN όπου η οπτική ίνα φτάνει σε ένα κοντινότερο σημείο αλλά ο χρήστης πρέπει να χρησιμοποιήσει χάλκινα καλώδια για να συνδεθεί στο σημείο εκείνο. FFTB (Fiber-to-the-Building). Η οπτική ίνα φτάνει μέχρι την πολυκατοικία αλλά για την διασύνδεση των χρηστών χρησιμοποιούνται χάλκινα καλώδια. FTTH (Fiber to the Home). Η οπτική ίνα φτάνει μέχρι το χώρο (κατοικίας ή εργασίας) του τελικού χρήστη.

FTTx Οι τέσσερις τεχνολογίες που ανήκουν στην οικογένεια FTTx είναι οι εξής: Fiber to the Node ή Fiber to the Neighborhood (FTTN) ή Fiber to the Cabinet (FTTCab) Fiber to the Curb (FTTC) Fiber to the Building (FTTB) Fiber to the Home (FTTH) Στην πράξη η διαφορά ανάμεσα στο FTTN και το FTTC είναι μικρή, και συχνά το δεύτερο θεωρείται υποκατηγορία του πρώτου.

Πόση ίνα χρειάζεται? Πως θα είναι η αρχιτεκτονική του δικτύου FTTH? H φυσική τοπολογία έχει μεγάλο αντίκτυπο στο πόση ίνα θα πρέπει να εγκατασταθεί… Ο πιο απλός τρόπος είναι να χρησιμοποιήσουμε μία οπτική ίνα για κάθε χρήστη. Εναλλακτικά οι χρήστες μπορούν να μοιράζονται την οπτική ίνα για τις συνδέσεις τους τουλάχιστον ως ένα σημείο. Υπάρχουν δύο αρχιτεκτονικές: Στην πρώτη για μια ομάδα χρηστών φτάνουν σε έναν κεντρικό κόμβο ο οποίος αναλαμβάνει να δρομολογήσει τα σήματα σε κάθε χρήστη (Active Optical Network- ΑΟΝ). Στην δεύτερη, ο κεντρικός κόμβος απλά στέλνει τα σήματα σε όλους του χρήστες οι οποίοι ξεχωρίζουν μόνοι τους αυτά που τους αφορούν (Passive Optical Network- PON). H δεύτερη λύση είναι πολύ πιο απλή στην υλοποίηση τεχνικά… δεν χρειάζεται ούτε καν ηλεκτρική τροφοδοσία ο κεντρικός κόμβος!!!

Ιαπωνία: Η πρωτοπόρος στο FTTH H Ιαπωνία έχει πάνω από συνδρομητές FTTH, με μέσο ρυθμό περίπου 74Mbps στο Τόκυο. Ο αριθμός χρηστών DSL είναι πλέον μικρότερος από αυτόν των χρηστών FTTH. Χρησιμοποιείται η αρχιτεκτονική του Passive Optical Network (PON).