Technologie sítí: Technologie bezdrátových sítí, frekvence, modulace, rozprostření spektra, buněčná a další organizace. Protokoly přístupu k médiu. Optické sítě, principy, protokoly a komponenty.

U bezdrátových sítí se využívá šíření elektromagnetických vln (radiové vlny, infračervené světlo, …) prostorem bez potřeby média. Kódování digitálního signálu do analogového se děje pomocí modulace. Digitální modulace mění vlastnosti signálu - nosné frekvence: fázi, frekvenci, aplitudu, QAM (amplituda a fáze).

Rozprostření spektra (spread spectrum) je metoda na potlačení úzkopáskového rušivého signálu, má využití například u kódového multiplexingu. Existují dvě techniky pro rozprostření spektra:

• DS (direct sequence spread spectrum) - signál se násobí nezávislým širokopásmovým stacionárním náhodným signálem. Výsledkem je širokopásmový signál, takže z úzkopáskového rušivého signálu se stane širokopásmový.
• FH (frequency-hopping spread spectrum) - přijímač náhodně mění kmitočet místního oscilátoru, jímž se převádí kmitočet přijímaného signálu na mezifrekvenční kmitočet. Spektrum rušivého signálu se tak náhodně posouvá a stává se z něj širokopásmový signál.

Bezdrátové sítě můžou být organizovány následovně:

• centralizované sítě - např. WiFi s access pointem
• ad-hoc sítě - například síť náhodně propojených notebooků
  • bluetooth pico-síť (piconet, topologie star)
  • senzorové sítě (multi-hop síť)
• buňkové sítě - prostorový multiplexing. Síť má víc základní buňek, které jsou propojeny kabelami. Stanice komunikují se základnami bezdrátově jako s jednou sítí.
• satelitní sítě

Protokoly přístupu k médiu je možné kategorizovat na:

• neřízené - CSMA (carrier sense multiple-access, stanice musí před vysíláním počkat na klid v médiu. Po zjištění stavu se volí strategie naléhání:
  • CSMA/CD (CSMA with collision detection) - postkolizní procedura
  • CSMA/CA (CSMA with collision avoidance) - předcházení kolizí
• řízené:
  • rezervace - stanice si rezervuje časový díl buďto nastavením příznaku v rezervačním rámci nebo výměnou příkazů/odpovědí RTS/CTS (request to send/clear to send).
  • vyzývání - primární stanice řídí přenosy do a z sekundárních stanic
  • předávání příznaku - může vysílat stanice, která získala rámec zvaný zámek
• multiplexově orientované - řídí přístup k využívání kanálů v médiu sdíleném více spojeními souběžně:
  • FDMA - šířka pásma je dělena do pásem, každé pásmo je rezervované pro vysílání jedné stanice
  • TDMA - šířka pásma se sdílí mezi stanicemi po časových úsecích - dílech
  • CDMA - metoda založená na teorii kódování, všechny stanice používají šířku pásma současně, každá vysílaný signál unikátně kóduje

Konkrétní protokoly:

• Aloha - jedna řídící stanice (základna), stanice vysílají kdykoliv mají připravený rámec, pokud nedostane stanice potvrdzení, došlo ke kolizi. Stanice náhodně počká a pak vysílá znovu, po $n$ neúspěšných pokusech se vzdá činnosti. Využitelnost kapacity kanálu je pouze 18%.
• slotted Aloha - doplňuje časové díly, vysílání vždy začíná na hranici časového dílu. Zmenšuje tak množství kolizí. Využitelnost kapacity kanálu je pouze 36 %.
• CSMA - stanice vysílá pouze když zjistí klid v médiu. Samotné se moc nepoužívá, obvykle v kombinaci s CD nebo CA:
  • CSMA/nonpersistent (nenaléhající) - když je médium obsazené, stanice čeká náhodnou dobu. Snižuje sa tak riziko kolizí, ale i využitelnost kapacity kanálu.
  • CSMA/1-persistent - stanice vysílá okamžitě jak je volné médium. Používá Ethernet.
  • CSMA/p-persistent - při volném médiu stanice vysílá s pravděpodobností p, jinak znovu testuje médium za $\Delta t$. Při obsazeném médiu stanice čím dál tím déle čeká.
  • CSMA/CD - typicky až 15 pokusů o opakování po kolizi, s každou kolizí se zvyšuje interval pro volbu doby čekání. Nepoužitelné v nevoděném médiu, v nevoděném médiu nelze najednou vysílat i přijímat. CSMA/CD je aplikováno v klasickém LAN Ethernet.
  • CSMA/CA - obcházení kolizí. Stanice používají některou ze strategií perzistence. Po získání média stanice počká pevno dobu (IFG - interframe gap, resp. IFS - interframe space), pak vyčká náhodnou dobu. Stanice pak vyšle rámec a nastaví čekací dobu. Pokud získá potvrzení, vysílání bylo úspěšné, jinak došlo ke strátě (kolize). CSMA/CA se používá v bezdrátových LAN.
• rezervující protokoly - zvyšuje využitelnost kanálu až na 80%:
  • prostá rezervace - střídá se rezervační interval a interval přenosu dat. V rezervačním intervalu má každá stanice jeden časový úsek, stanice co chtějí vysílat to indikují. V intervalu přenosu dat vysílají stanice v pořadí, v jakém byli zarezervovány.
  • explicitní rezervace (rezervace Aloha) - typické pro satelitní přenosy. V rezervačním režimu Aloha stanice soupeří o malé časové díly a může docházet ke kolizím, vítěze určí satelit a pošle stanicím rezervační seznam. V režimu přenosu dat pak stanice vysílají dle stanoveného rezervačního seznamu. Všechny stanice musí občas synchronizovat.
  • rezervační TDMA - je N stanic, každý rámec TDMA sestává z N mini-dílů o šířce k bitů a x datových dílů
  • RTS/CTS - používají se krátke signálové rámce: RTS (request to send) před vysíláním pro výhradní právo vysílat, CTS (clear to send) přijímač pošle vysílači jako udělení práva vysílat
  • vyzývání (polling) - řídící stanice vyzývá ostatní stanice k vysílání a vybírá která stanice bude vysílat
  • předávání příznaku - logický kruh, kde si stanice periodicky odevzdávají právo vysílat
• multiplexing ve fyzické vrstvě:
  • FDMA - frekvenční multiplexing, např. v satelitních sítích
  • TDMA - časový multiplexing, v buňkových mobilních sítích (GSM), může se kombinovat s FDMA
  • CDMA - multiplexing kódováním, vysílání ostatních stanic se chápe jako šum, např. mobilové sítě

Optické sítě využívají optické kabely. Optický kabel (fiber, optic) přenáší informace světlem. Systém pro přenos informací optickým kabelem obsahuje:

• vysílač (sdružovač a laser/LED modulátor)
• repeater - zesiluje signál
• coupler
• demodulátor (fotoelektroda)
• zesilovač
• procesor

Přenos informací je založen na principu úplného odrazu světla. Vysílač převádí elektrický signál na světelný a vysílá jej do vlákna pomocí světelného zdroje (laser, LED). Přijímač používá fotodetektor na převod optického signálu na elektrický signál. Elektrický signál je následně zesílen zesilovačem a předpřipraven pro spracování. Elektrický signál spracovává procesor.

Jednotlivé kabely se liší ve svých rozměrech, složení a vlnových délkách světla, které jsou schopny přenášet. Na druhou stranu není přenos nachylný na EMI a optický signál podléhá pouze minimálnímu odporu.

Optický kabel se skládá z:

• jádro - složeno z jednoho nebo více skleněných nebo plastických vláken, kterými prochází signál. Plastická vlákna jsou jednodušší na výrobu, ale jsou použitelná pouze na kratší vzdálenost. Průměr jádra se pohybuje od 2 do několika set mikronů.
• plášť světlovodu - vyroben jako jedna čásť společne s jádrem, rozměry jsou od 100 mikronů do 1 mm. Plášť má nižší index lomu světla než jádro.
• obal - vnější ochranné pouzdro (plenum / nonplenum)

Optický kabel je obvykle vyráběn v páru (pro každý směr jedno vlákno). Při vysílání pak musí být dodržena numerická apertura - míra schopnosti vlákna shromažďovat světlo. Je určena maximálním úhlem, pod ktorým světlo dopadající na vlákno skrz něj projde.

Rozdělení optických kabelů:

• jednovidové (single-mode) - jádro do 10 mikronů, světlo prostupuje pouze jednou cestou, má velmi malý útlum
• multividové (multi-mode) - tlustší jádro, světelný paprsek může probíhat více cestami, co může vést k rušení na straně příjemce. Jako veličina skreslení se používá modální disperze, která udává v ns/km rozdíl mezi nejrychlejším a nejpomalejším světelným průběhem. Vyrábějí se dva typy:
  • step index - u jednovidových i multividových kabelů
  • graded index - má postupnou změnu indexu lomu, lépe vede světelný signál a má menší útlum i modální disperzi

Optické kabely je možné používat i na vzdálenosti do 100 km bez nutnosti regenerace (u měděných vodičů je nutná regenerace po cca 1.9 km), informace je možné přenášet rychlostí vyšší než 10GB/s.

Útlum v optickém kabelu je způsoben:

• vnitřní:
  • scattering - nepřesnosti při výrobě
  • absorption - nečistoty v materiálu
• venkovní:
  • macrobending - nevhodný ohyb kabelu
  • microbending - vzniká drobnými nerovnostmi na kabelu

FI:PA151 Soudobé počítačové sítě (jaro 2010), doc. Ing. Jan Staudek, CSc.

FI:PV169 Základy přenosu dat (podzim 2008), doc. Ing. Jan Staudek, CSc.

FI:PV183 Technologie počítačových sítí (jaro 2009), RNDr. Jaroslav Pelikán, Ph.D.

Wikipedia

DevelX - Martin Jurča

stav - 95 %