3. FIZIČKI SLOJ 3.1. eorijske osnove prijenosa podataka 3.1.1. Fourierova analiza Jean Baptiste Fourier (19 stoljeće) dokazao je da se svaku periodičku funkciju g(t) sa periodom, može prikazati kao zbroj sinus i kosinus funkcija. g( t) = 1 2 c + a sin(2πnft) + n n= 1 n= 1 b n cos(2πnft) Gdje je f=1/ frekvencija, a n, b n su amplitude n-tih harmonika. Ovakva dekompozicija zove se Fourierov red. Znači, ako znamo period i amplitude harmonika možemo iz Fourierovog reda sumiranjem rekonstruirati funkciju. Amplitude su dane izrazima: a n 2 = 0 g( t)sin(2πnft) dt b n 2 = 0 g( t)cos(2πnft) dt 2 c = 0 g( t) dt 3.1.2. Brzina prijenosa podataka na kanalu Širina pojasa i kašnjenje dvije su mjere kojima se određuje rad mreže. Širina pojasa zapravo označava širinu frekvencijskog pojasa. Npr. širina pojasa analognog telefonskog kanala je 3000 Hz (od 300Hz do 3300Hz) i mjeri se u hertzima. Kada se radi o prijenosu podataka tada se pod širinom pojasa podrazumijeva broj bitova prenesenih u sekundi preko linije tj. brzina prijenosa. Npr. 10Mbps znači da se 10 milijuna bitova prenese svake sekunde tj. 0.1μs potrebno je za prijenos jednog bita. Druga mjera je kašnjenje i označava koliko je vremena potrebno da poruka dođe sa jednog kraja mreže na drugi. Npr. ako mreža ima kašnjenje od 12ms to znači da je potrebno 12 ms da poruka dođe od izvora ka odredištu. Često je važnije znati podatak koliko je vremena potrebno da se pošalje poruka na odredište i vrati ponovo nazad. o vrijeme se naziva round-trip time (R) mreže. Brzina prijenosa i kašnjenje zajedno određuju karakteristike pojedinog kanala tj. veze. Njihova relativna važnost zavisi o vrsti aplikacije koja se koristi. Npr. kod slanja malih poruka veličine recimo 1 byta kašnjenje će dominirati nad brzinom prijenosa, dok će kod slanja većih poruka od recimo 25MB brzina prijenosa biti puno važnija od kašnjenja. 13
Brzinu prijenosa podataka telefonskim linijama može se odrediti pomoću Shannonovog teorema: maksimalni broj bit/s= f g log 2 (1+S/N) Širina pojasa telefonskog kanala f g kreće se između 300 Hz i 3300 Hz (f g = 3000Hz). U realnim uvjetima uvijek postoji šum na kanalu, koji se prikazuje omjerom snage signala i snage šuma S/N i mjeri se u decibelim db (db = 10 x log 10 (S/N)). ipična vrijednost omjera za analogni telefonski kanal je 30db tj. S/N=1000, što daje: maksimalni broj bit/s= 3000 log 2 (1001) 30 Kbit/s Znači, kod kanala širine 3kHz i s šumom od 30dB ne može se prenijeti više od ~30 000 bitova u sekundi. Današnji modemi imaju brzinu od 56Kbit/s. Jedan od razloga ovoj brzini je u poboljšanoj kvaliteti telefonskih linija što daje bolji omjer S/N. Drugi razlog je što su analogne telefonske linije između telefonskih centrala u velikoj mjeri eliminiraju iz upotrebe. reba napomenuti da se brzina od 56Kbit/s odnosi samo na vezu prema korisniku, u drugom smjeru još uvijek radi se o ograničenju od ~30Kbit/s. 3.1.3. Osnovne modulacije (AM, FM, PM) Kad bi prijenosni medij bio savršen, prijemnik bi primio isti signal kakav je poslan od predajnika. Nažalost, prijenosni mediji nisu savršeni te se signal izobličava. Kod digitalnih signala ta promjena uzrokuje greške. Kod propagacije signala dolazi do gušenja. Svaka Fourierova komponenta guši se za različiti iznos, pa na prijemnoj strani dobijamo različiti signal. Zbog toga je nepoželjno koristiti signale sa širokim spektrom frekvencija, a takvi su binarni signali. Zbog toga se za prijenos podataka (posebno kod telefonskih linija) koriste analogni, a ne digitalni signali. Uvodi se signal nosioc i on se modulira u skladu s signalom podataka (binarnih). Postoji mnogo modulacijskih tehnika, a tri osnovne su: amplitudna, frekvencijska i fazna. Signal nosioc (obično se koristi signal sinusnog oblika) određene amplitude i frekvencije se modulira. Modulira se njegova amplituda, frekvencija, faza (ili njihova kombinacija), kako bi se prenijela informacija (Slika 14.). Osim toga frekvencija signala nosioca mora biti tako odabrana da odgovara prijenosnom mediju kroz koji se signal prenosi. Na odredištu se odvija obrnuti proces tj. demodulacija (vraćanje signala u izvorni oblik). 14
Slika 14. (a) Originalni signal Modulirani signal: (b) amplitudno, (c) frekvencijski (d) fazno 3.2. Prijenosni mediji Pojam prijenosnog medija podrazumijeva fizičko sredstvo za prijenos signala (kabel, svjetlovod, radioval), kao i potrebne sklopove i uređaje za odašiljanje signala i prijem signala kroz ta sredstva. 3.2.1. Upredena parica Upredena parica (engl. twisted pair) je par upletenih žica (Slika 15.). Žice su najčešće napravljene od bakrene žice i izolirane su PVC-om. Upleteanje žica je nužno zbog smanjenja električne interferencije koja nastaje kad se sličan par žica nalazi u blizini. o je uobičajeni medij za prijenos u telefonskoj mreži, a trenutno je najjeftiniji medij za prijenos podataka. Upredena parica se može koristiti za analogni i digitalni prijenos. Brzina koja se može postići ograničene su već postojećom telefonskom infrastrukturom. Opseg frekvencija koji je dovoljan za razumijevanje ljudskog govora je od 300Hz do 3300Hz, te su stoga sklopovi u analognim centralama bili prilagođeni tom opsegu. Kad se upotrebljavaju u lokalnoj mreži, na paricama se postižu brzine prijenosa od 10Mbit/s do 100Mbit/s. (pogledati dodatak) 15
Slika 15. Upredena parica u UP kabelu 3.2.2. Koaksijalni kabel Koaksijalni kabel (Slika 16.) ima velik propusni opseg pa omogućava velike brzine prijenosa s velikom otpornošću na smetnje i greške. Upotrebljava se u telefonskim mrežama za vezu između centrala kao i kod kabelske televizije za prijenos televizijskog signala u zgradama i naseljima. Koaksijalni kabel nešto je skuplji od parice, ali još spada u relativno jeftine prijenosne medije. Postoje dva načina prijenosa kod koaksijalnog kabela: širokopojasni (broadband) i osnovnopojasni (baseband). Kod prijenosa u osnovnom pojasu signal se prenosi u svom izvornom obliku i tako se obično prenose digitalni signali brzinama do 100Mbit/s. Veće brzine postižu se širokopojasnim prijenosom gdje se propisni kanal podijeli u više broj potkanala. im načinom bolje se iskorištava propusni opseg kabela, ali su sklopovi za transponiranje frekvencija (modulatori i demodulatori) te potrebni filtri složeni i skupi da bi njihova upotreba u lokalnim mrežama bila opravdana. (pogledati dodatak) Slika 16. Koaksijalni kabel 3.2.3. Optičko vlakno Optičko vlakno, svjetlovod (engl. optical fiber) je tanka staklena ili plastična nit sa svojstvom da vodi svjetlo (Slika 17.). Propusni opseg optičkog vlakna je do 50 000 Gbit/s, vrlo mala je mogućnost pogreške, na prijenos optičkim vlaknom ne djeluju 16
smetnje od električnih i elektromehaničkih uređaja, optičko vlakno ne emitira smetnje u okolinu i tanko je i lagano. Kod upotrebe optičkog vlakna potrebno je električni signal pretvoriti u svjetlost, "unijeti" svjetlost u vlakno paralelno s uzdužnom osi, na suprotnoj strani svjetlost opet pretvoriti u električni signal. Jezgra (staklo) Plašt Vanjski omotač Omotač (staklo) Vanjski omotač (plastika) Jezgra Omotač Slika 17. Optički kabel Zbog još nedovoljno razvijene popratne opreme još nije moguće iskoristiti čitav propusni opseg optičkog vlakna, tako da se brzine prijenosa kreću do 1Gbit/s. Jedna od najvećih prednosti optičkog vlakna osim brzine prijenosa je i to da se radi o prijenosu signala kroz nemetal. ime se otklanjaju problemi oko razlike potencijala između prijemnog i predajnog kraja, oko struja izjednačenja, napona induciranih atmosferskim elektricitetom itd. Danas se smatra kako će optički kabel zbog svojih brojnih prednosti i potpunosti zamijeniti metalne medije. (pogledati dodatak) 3.2.4. Neomeđeni mediji U neomeđene medije spadaju radijski valovi i infracrveno svjetlo koji se šire neograničeno u prostoru. Za infracrveno svjetlo problem predstavljaju neprozirne prepreke, tako da im se domet ograničava na jednu prostoriju. Korištenjem radio valova domet se povećava, ali za upotrebu odašiljača treba dobiti dozvole odgovarajućih ustanova. Brzine prijenosa kod neomeđenih medija kreću se od 1Mbit/s do 8Mbit/s. Zbog rijetke upotrebe takvi uređaji su i skupi. S obzirom na porast upotrebe prijenosnih računala i mobilnih sustava općenito sigurno će doći i do bržeg razvoja bežičnih lokalnih komunikacija. 3.3. Modem Modem je uređaj koji služi za slanje podataka između dva računala telefonskom linijom. Računalo je digitalan uređaj, što znači da signali koje koristi imaju dva stanja (1 i 0). elefonske linije su konstruirane za prijenos glasa, tj. prenose analogne signale. Znači da bi prenijeli podatke između dva računala telefonskom linijom potrebna su nam dva modema (na predajnoj i prijemnoj strani). Modem će pretvoriti digitalne signale u analogne na predajnoj strani, a primljene analogne signale pretvoriti u digitalne na prijemnoj strani. aj proces se zove modulacija/demodulacija i odatle dolazi naziv modem. 17
Slika 18. Prijenos podataka između dva računala pomoću modema Prvi podatak koji susrećemo kod modema je brzina, koja zavisi o načinu modulacije. Jedinice za brzinu su: bit/s (tj. broj prenesenih bitova u sekundi) i baud (broj promjena vrijednosti signala u sekundi). Veće brzine prijenosa modema postignute su korištenjem kombiniranih modulacijskih tehnika kojima se prenosi više bitova po baudu (npr. QAM Quadrature Amplitude Modulation koristi se kod standarda V.32 i prenosi 4 bita po baudu tj. 9600 bit/s po 2400 baud liniji). Sljedeći korak je bila brzina od 14400 bit/s u standardu V.32bis, koja se postigla prijenosom 6 bita po uzorku pri brzini 2400 bauda. Iza standarda V.32bis dolazi standard V.34 sa brzinom prijenosa 28 800 bit/s itd. Bit vs. baud Brzina prijenosa može biti izražena bitovima i baudima. Npr. recimo da se linijom prenose četiri različita signala. U analognoj tehnologiji četiri signala odgovaraju četirima različim frekvencijama. Sa četiri različita signala moguće je kodirati dva bita po signalu tj. prvi signal znači 00, drugi 01 itd. Znači da pošiljatelj koji prenosi 1000 signala u sekundi može poslati 2000 bitova informacije u sekundi tj. linija od 1000 bauda odgovara brzini prijenosa od 2000 bit/s. Primjeri brzina po standardima: Standard Brzina (bit/s) V.22 bis 2400 V.32 9600 V.32 bis 14400 V.34 28800 V.34 bis 33600 V.90 56000 V.90. (nastao iz tehnologija x2 (US Robotics) i K56flex (Rockwell Corporation s). Brzina od 56Kbit/s postiže se samo do korisnika, od korisnika brzina je 33.6Kbit/s. Današnji modemi vrše kompresiju podataka (standard V.42 bis) i kontrolu pogreški (standard V.42) i na taj način povećavaju efektivnu brzinu prijenosa. Jeka (engl. echo) je problem koji se može pojaviti na telefonskim linijama (na dugačkim linijama kad signal stigne na odredište dio energije se može reflektirat 18
natrag). Problem jeke se rješava ugradnjom gušitelja jeke (engl. echo suppresor). Gušitelj jeke detektira glas koji dolazi sa jedne strane i guši sve signale koji dolaze sa suprotne strane. Zbog te osobine nije poželjan kod prijenosa podataka, jer onemogućava dvosmjerni (engl. full-duplex) prijenos. Drugi način je ugradnja poništivača jeke, koji procjenjuje iznos jeku i oduzima je iz signala. Po smjeru komunikacije veza može biti: dvosmjerna (engl. full duplex) istovremena komunikacija u oba smjera obosmjerna (engl. half duplex) komunikacija ide u oba smjera, ali naizmjenično jednosmjerna (engl. simplex) komunikacija je moguća samo u jednom smjeru 3.3.1. RS-232-C i RS-449 standard Sučelje između računala i modema je primjer za protokol na fizičkom sloju koji definira mehaničke, električne, funkcionalne i proceduralne karakteristike. RS-232-C (treća revizija RS-232 standarda) i njegov nasljednik RS-449 su standardi na fizičkom sloju. Internacionalna verzija ovog standarda je dana kao CCI V.24 i neznatno se razlikuje od RS-232-C. U standardima računalo ili terminal se naziva DE (Data erminal Equioment), a modem DCE (Data Circuit-erminating Equipment). Mehaničke karakteristike su: 25 pinski konektor točno propisanih dimenzija sa pinovima 1-13 u gornjem i 14-25 u donjem redu. Električne karakteristike: napon manji od -3V predstavlja binarno 1, a veći od +4V binarno 0. Dozvoljena brzina je do 20kbps, a dužina kabela do 15m. Funkcionalne karakteristike (govore o značenju pojedinih pinova tj. koji signal je postavljen na koji pin): devet pinova se gotovo uvijek koristi (Slika 19). Proceduralne karakteristike: govore o dozvoljenom nizu događaja (npr. računalo postavlja Request to Send, a modem odgovara sa Clear to Send ako može prihvatiti podatke). Neki od signala V24 (RS-232-C) standarda V24 RS-232-C DE DCE 102 GND 103 xd 104 RxD 105 RS 106 CS 107 DSR 108 DR 109 DCD Slika 19. Signali na sučelju DE-DCE Značenje signala: GND (Signal Ground) - uzemljenje xd (ransmit Data) predani podatak RxD (Receive Data) primljeni podatak RS (Request to Send) - zahtjev za predajom 19
CS (Clear to Send) - modem kaže da je slanje moguće DSR (Dataset Ready) - terminal zna da je modem upaljen DR (Data erminal Ready) terminal obavještava modem da je terminal spreman za rad, kod komutiranih je to zahtjev za uspostavom linije (podizanje slušalice) DCD (Data Carrier Detected) - na kanalu je detektiran signal tj. uspostavljena sinkronizacija RS-499 standard je nastao da bi se prevladali nedostaci RS-232-C standarda i tako dozvoljava brzine do 2Mbps po 60 metarskom kabelu. Null modem Dva računala se mogu spojiti međusobno bez upotrebe modema koristeći RS-232-C i to pomoću null modema (Slika 20.). Null modem je kratki kabel koji omogućava povezivanje dva elektronička uređaja (koji su fizički blizu) bez posredstva modema. aj se kabel još naziva i crossover kabel, serijski kabel i DCE-to-DCE ili DE-to- DE kabel. GND RxD xd RS CS DCD DR DSR GND RxD xd RS CS DCD DR DSR Slika 20. Null modem 20