Síťové technologie a stavba sítí

Transkript

1 Bankovní institut vysoká škola Praha Katedra matematiky, statistiky a informačních technologií Síťové technologie a stavba sítí Bakalářská práce Autor: Martin Kutálek Informační technologie Vedoucí práce: Ing. Josef Lukeš Praha Duben 2011

2 Prohlášení: Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a v seznamu uvedl veškerou pouţitou literaturu. Svým podpisem stvrzuji, ţe odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámen se skutečností, ţe se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací. V Praze, dne Martin Kutálek

3 Anotace Tato práce se zabývá tématem síťových technologií. Práce je rozdělena do deseti částí. První část se věnuje historii počítačových sítí. Druhá část popisuje OSI model, který popisuje jednotlivé vrstvy počítačové sítě. Třetí část se zabývá uspořádání počítačové sítě neboli topologií, která definuje zapojení počítačové sítě. Čtvrtá část popisuje ethernet, coţ je v dnešní době nejpouţívanější technologie pro budování počítačových sítí. Pátá část popisuje protokol TCP/IP, který je hlavním protokolem pro přenos dat v sítích. Části šest aţ osm se zabývají samotnými přenosovými médii, z kterých se budují počítačové sítě. Devátá kapitola se zabývá rozdělením počítačových sítí dle jejich velikosti, případně jejich pouţitím. Desátá část popisuje konstrukci sítě od zapojení počítačů v domácí síti aţ po jejich zapojení k síti Internet. This work deals with network technology. The work is divided into ten parts. The first part deals with the history of computer networks. The second part describes the OSI model, which describes the various layers of computer networks. The third part deals with computer network configuration and topology, which defines the connection of computer networks. The fourth section describes the Ethernet, which is today s most widely used technology for building computer networks. The fifth section describes the TCP/IP, which is the main protocol for transferring data thru networks. Parts six to eight deal with the transmission media of which are computer networks built. The ninth chapter deals with the distribution of computer networks, according to their size and their use. The tenth section describes the design of network connection of computers in the home network to their connection to the Internet.

4 Obsah Úvod Historie počítačových sítí OSI model Topologie počítačových sítí Specifikace ethernetu Verze ethernetu Typy Ethernetu Protokol TCP/IP Historie protokolu TCP/IP Vztah protokolu TCP/IP a OSI modelu Jednotlivé protokoly TCP/IP Metalické sítě Aktivní prvky metalických sítí Ethernetová komunikace po elektrické síti Metalický kabel - Koaxiální kabel Metalický kabel - Kroucená dvojlinka (twisted pair) Optické sítě Aktivní prvky optických sítí Optický kabel optické vlákno (Optical fiber) Měření optických vláken Bezdrátové sítě Volná pásma Modulace signálu bezdrátových sítí Normy bezdrátových sítí Licencovaná pásma WiMax Zabezpečení bezdrátových sítí Měření bezdrátových sítí Typy počítačových sítí Local Area Network - LAN Metropolitan area network - MAN Wide Area Network - WAN Wireless Local Area Network - WLAN... 51

5 10. Stavba počítačových sítí Domácí síť Síť poskytovatele přístupu k internetu Závěry a doporučení Citovaná literatura Seznam obrázků... 60

6 Úvod V posledních třech desetiletích došlo k výraznému nárůstu počtu osobních počítačů, ať uţ v segmentu podnikovém nebo v domácnostech. Současně s rostoucím počtem počítačů vznikaly nároky na přenosy dat mezi nimi. Je to zhruba dvacet let kdy počítačové sítě přestali být doménou pouze vědeckých a technologických institucí a začaly si nacházet cestu do domácností i firem. V dnešní době jsou počítačové sítě součástí kaţdodenního ţivota lidí, jejich přítomnost si většina lidí ani neuvědomuje, ale kaţdý telefonát, nebo poţadavek na webovou stránku prochází počítačovými sítěmi. V případě webových stránek přes největší počítačovou síť současnosti Internet. Internet znamenal revoluci nejenom v sítích na celém světě, stal se prostředkem pro kaţdodenní práci, zábavu a současně otevřel nové moţnosti komunikace. Kvůli potřebám Internetu rostou v poslední době nároky na datovou propustnost sítí, coţ nutí výrobce vyvíjet nové technologie pro kvalitnější a rychlejší přenos dat. Hlavními motory pokroku v dnešní době v oblasti počítačových sítí jsou především: potřeby komunikace v globalizovaném světě, zajištění kvalitních přenosů hlasu a především obrazu pro potřeby korporátní komunikace (telekonference) nebo pro domácí pouţití prostřednictvím komunikačního software (např. Skype), online prodej software tzv. digital download, přesuny datových center do zemí s niţšími náklady na pracovní sílu, v neposlední řadě jde i o tlak hráčů online her na kvalitu spojení a dostupnost herních serverů. Cílem této práce je poskytnutí popisu jednotlivých síťových technologií, popis jejich fyzické a logické vrstvy, dále charakterizovat technologie pouţité při stavbě sítí. 6

7 1. Historie počítačových sítí Počátek počítačových sítí se datuje do let minulého století. První počítačové sítě byly terminálové sítě. Terminálové sítě byly centralizovány a veškeré zdroje směřovaly do jednoho místa - centrálního počítače. První počítačová síť propojovala řadu uţivatelů s centrálním počítačem, a to i na delší vzdálenost (přes telekomunikační linku). Do povědomí veřejnosti se dostala hlavně architektura SNA (Systems Network Architecture) od firmy IBM. Tvůrci první verze této technologie však nepovaţovali za vhodné vzájemně propojit i jednotlivé uţivatele. Bylo moţné vybudovat spojení mezi řídícími počítači pouze na malou vzdálenost a přenosová kapacita byla velmi nízká. Moţnosti, které poskytovalo sdílení výpočetní kapacity sítě centrálních počítačů, vzbudilo zájem uţivatelů o co největší vyuţití propojení počítačů navzájem. Vznikaly skupiny odborníků, které se problematice propojení počítačů začali věnovat systematicky. Tyto skupiny stanovily tři základní cíle. Vybudovat technické prostředky pro propojení počítačů (tedy komunikační prostředky). 1. Sjednotit způsob, jakým se budou počítače vzájemně propojovat (tedy zajistit, aby se počítače mezi sebou domluvili). 2. Rozprostřít výpočetní výkon na co nejvíce počítačů (omezit tak přetíţení u některých počítačů). Na počátku byla propojení realizována prostřednictvím telekomunikačních linek. To přinášelo řadu omezení, daných především analogovou podstatou telekomunikačních linek. Toto propojení mělo velmi omezenou přenosovou rychlost (desítky kilobitů za vteřinu) a omezený dosah (linky byly tvořeny pevně propojenými telefonními okruhy, stejně jak to známe u dnešních pevných linek). Bylo však nutné rezervovat kapacitu telekomunikační linky po celou dobu spojení (nikoliv jen po dobu přenosu), objevil se tlak na vytvoření nového modelu pro přenos dat - přepojování datových bloků (paketů). Tento model počítá s tím, ţe kapacita linek bude vyuţívána i k jiným účelům (například jiným přenosům) a ţe linka nebude vyhrazena jen pro propojení dvou konkrétních počítačů. Právě technologie přepojování paketů přinesla počítačovým sítím nový impuls. Sjednocení způsobu vzájemného propojení bylo dalším potřebným krokem pro vznik nového typu počítačových sítí. Propojit dva počítače nebyl problém. Problém nastal při potřebě připojení třetího počítače, který nebyl na ostatních počítačích závislý. Z tohoto důvodu bylo nutné vytvořit jednu ucelenou sestavu pravidel, podle kterých by měla komunikace mezi počítači fungovat. 7

8 Toto vedlo ke vzniku komunikačních protokolů. Mezi prvními se objevily SNA (Systems Network Architecture) a DNA (Digital Network Architecture) od firmy Digital Equipment. Tyto protokoly stanovily pravidla pro komunikaci, ale nebyly všeobecně uznány jako standard. Na trhu se objevila sada komunikačních protokolů TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), která postupně zcela ovládla řešení řízení komunikace mezi počítači a dnes je nejpouţívanější v oblasti počítačových sítí. Poţadavky na rozdělení provozu mezi více serverů poprvé přehodnocují tzv. centralizovaný výpočetní model jako zastaralý a kloní se k modelu distribuovanému - aplikace vyuţívající výpočetní kapacitu více počítačů umístěných v různých lokalitách. Začátek 80. let znamenal vznik nové kategorie počítačů. IBM, Intel a Microsoft vytvářili osobní počítač. Osobní počítač byl jiţ dostatečně výkonný, aby mohl zajistit poţadavky uţivatele a přitom malý natolik, ţe mohl být na stole v kanceláři nebo domácnosti. To také znamenalo určitou ránu pro počítačové sítě. S nástupem osobních počítačů se do osobních počítačů přestěhovaly i aplikace, které byly dosud provozovány na centrálních počítačích. Uţivatelé osobních počítačů tím pádem přestali být na centrálních počítačích závislí a potřeba komunikovat s okolím se výrazně oslabila. Toto trvalo jen krátce, protoţe uţivatelé odhalili, ţe existují aplikace, v kterých spolu musí komunikovat a spolupracovat. A stejně tak zjistili, ţe je se vyplatí sdílet periférie (tiskárny, modemy apod.) a informace. Na trhu se objevují první technologie řešící fyzické propojení počítačů. Na trhu, ale stále chyběla technologie, která by pracovala nejen v lokalitě, kde je umístěna firma, ale i na větší vzdálenosti. Na dosavadním vývoji síťových technologií se podíleli především odborníci z oblasti počítačových technologií. Současně vyvíjeli technologie, které přenášely data na krátké vzdálenosti (nejvýše kilometry) a pro přenos na delší vzdálenost byly vyuţívány technologie, které byly svou spolehlivostí, rychlostí a dostupností výrazně horší neţ technologie pro lokální přenosy. Pro vznik univerzální technologie byla tedy nutná spolupráce počítačových odborníků s odborníky z oblasti telekomunikací. Tato spolupráce umoţnila vznik technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode). Jedním z prvních výrobců, který se technologii ATM začal zabývat, byla firma FORE Systems. Orientace firmy FORE Systems na ATM se bezesporu vyplatila. V současné době je firma FORE Systems nejvýznamnějším dodavatelem technologie ATM a řada firem své technologie v oblasti ATM odvozuje právě od kroků firmy FORE Systems. Nejdůleţitější výhodou ATM je tzv. QoS (Quality of Service). QoS označuje kontrolu kvality poskytovaných sluţeb. Díky ní je technologie ATM schopna zaručit parametry a 8

9 vlastnosti přenosu a přizpůsobit se danému typu přenosu (jiné poţadavky na přenos má provozování náročných aplikací, jako jsou videokonference, a jiné poţadavky má přenášení datových souborů). Proto lze pomocí ATM snadno realizovat sluţby tak náročné na kvalitu přenosu jako je přenos hlasu či obrazu. ATM je první univerzální technologií pro přenos informací jakéhokoliv typu na jakoukoliv vzdálenost. Jedná se o relativně sloţitou technologii, která na své skutečně masové vyuţití teprve čeká. Poté zřejmě dojde k jejímu výraznému zlevnění a k plnému vyuţití jejích vlastností. 9

10 2. OSI model Vzhledem k potřebě vzájemné komunikace počítačů (a obecně komunikujících zařízení) různě technicky a softwarově vybavených je potřeba definovat jistá obecná pravidla. Pro jednodušší popis těchto pravidel byl vytvořen hierarchický OSI model. Ne všechny počítačové sítě striktně oddělují a pouţívají všechny níţe popsané vrstvy, ale pro základní orientaci je tento model velmi uţitečný (aplikace OSI modelu bude pouţita v části zabývající se Internetem). Jednotlivé vrstvy OSI modelu Fyzická vrstva (physical) Zajišťuje vlastní fyzické propojení. Linková vrstva (data link) Řídí tok dat na přenosovém médiu (sériová linka, ethernet, FDDI atd.). Síťová vrstva (network) Zajišťuje směrování dat mezi body komunikačních subsystémů. Transportní vrstva (transport) Zajišťuje spojení mezi vstupními body jednotlivých komunikačních subsystémů. Relační vrstva (session) Řídí tok dat mezi aplikačními procesy. Prezentační vrstva (presentation) Převádí jednotlivá data do standardních síťových formátů, provádí kompresi dat a kódování. Aplikační vrstva (applications) Obsahuje sluţby zvenku viditelné uţivatelem, jako je elektronická pošta, vzdálený terminálový přístup, přenos souborů. 10

11 Obrázek 1: OSI model. (Zdroj: 11

12 3. Topologie počítačových sítí Existují 3 základní síťové topologie, ze kterých se vychází při konstrukci PC sítí. Sběrnicová topologie Obrázek 2: Sběrnicová topologie. (Zdroj:Vlastní úprava) Spojení je realizováno přes jediné přenosové médium. Tato topologie je typická pro sítě propojené koaxiálním kabelem. Sběrnicové zapojení je jednoduché, ale z tohoto principu vycházejí výhody a nevýhody tohoto zapojení. Hlavní výhodou je snadné zapojení a malé nároky na kabeláţ. Při současné komunikaci dvou klientů sítě vznikají kolize, takţe při velkém mnoţství zapojených stanic vzniká mnoho kolizí, takţe klesá propustnost sítě. Odstraňování problémů na těchto sítích je problematické, protoţe při rozpojení sítě v jakémkoliv segmentu se stává celá síť nefunkční. 12

13 Kruhová topologie Obrázek 3: Kruhová topologie (Zdroj:Vlastní úprava) Kruhová topologie je méně efektivní neţ hvězdicová topologie. Jako přenosové médium se pouţívá kroucená dvojlinka nebo optický kabel. Hlavní výhodou je snadný průběh komunikace, protoţe data putují pouze jedním směrem, ale současně data musí projít všemi počítači v sítí neţ dojdou ke svému cíli. Další výhodou je absence kolizí na síti. Pokud se odpojí jeden uzel, zhroutí se celá síť. Protoţe jsou všechny stanice navzájem propojené, musí se kvůli přidání nového uzlu dočasně vypnout celá síť. 13

14 Hvězdicová topologie Obrázek 4: Hvězdicová topologie. (Zdroj:Vlastní úprava) Dnes nejpouţívanější typ síťového zapojení. Název této topologie vychází z typu zapojení sítě. Kaţdý počítač je připojen do centrálního místa sítě (např. HUBu nebo přepínače) pomocí UTP nebo STP kabelu. Při výpadku jakéhokoliv místa sítě, zbytek sítě komunikuje dále bez problémů. Problém nastává v případě, kdy přestane fungovat centrální HUB/přepínač. Síť má dobrou propustnost, protoţe kaţdé zařízení má vlastní kabel takţe při pouţití přepínače nevznikají kolize i při současné komunikaci více zařízení. Nevýhodou je náročnost zapojení, protoţe kaţdé zařízení má vlastní kabel. Další síťové topologie vychází z těchto tří základních typů 14

15 Stromová topologie Obrázek 5: Stromová topologie. (Zdroj:Vlastní úprava) Tato topologie vychází, jak je patrno, z hvězdicové topologie. Při stavbě větších sítí, kdy není moţno všechna zařízení připojit do centrálního místa, se pouţívá stromová topologie. To znamená, ţe jsou jednotlivé hvězdice propojeny mezi sebou. Výhodou této topologie je moţnost pokračování v komunikaci v okamţiku kdy vypadne nějaká část sítě. 15

16 Topologie mřížky Obrázek 6: Topologie mřížky. (Zdroj:Vlastní úprava) V topologii mříţky jsou uzly propojeny s více sousedy. Buď se můţe jednat o plnou mříţku, kdy je kaţdý uzel spojený se všemi ostatními, takţe můţe komunikovat s kaţdým přímo a v případě výpadku nějaké linky můţe jednoduše nalézt cestu. Ale při více uzlech se jedná o sloţité a drahé zapojení. Nebo o částečnou mříţku, kdy některé uzly jsou přímo spojeny bod-bod(point-to-point) s více jinými uzly. 16

17 4. Specifikace ethernetu Původně vytvořen pro topologii sběrnice, později přidána specifikace pro hvězdu. Základem je přístupová metoda CSMA/CD (carrier sence multiple access / collision detection) = moţnost vysílání do sítě kdykoliv, kdy není obsazeno spojovací médium (kabel). V případě vysílání několika stanic najednou je detekována kolize (vyslán signál JAM) a vysílání přestává, vysílání se opět opakuje po uběhnutí náhodného intervalu. Rychlost byla původně 10 Mb/s, nyní 100 Mb/s a 1 Gb/s, nejnovější aţ 10 Gb/s Výhodou je snadná instalace, flexibilní kabeláţ a rozumná cena V dnešní době se jedná v podstatě o standard) Nevýhodou je při vzrůstajícím počtu stanic sniţování průchodnosti (zvýšení počtu kolizí a sníţení rychlosti) 4.1. Verze ethernetu Ethernet Přenosová rychlost 10 Mbit/s. Definována pro koaxiální kabel, kroucenou dvojlinku a optické vlákno. Fast Ethernet Přenosová rychlost 100 Mbit/s definovaná standardem IEEE 802.3u. Navazuje na původní verzi Ethernet na které je z velké části zaloţena. V současnosti ji lze povaţovat za základní verzi Ethernetu. Je k dispozici pro kroucenou dvojlinku a optická vlákna. Gigabitový Ethernet Přenosová rychlost 1 Gbit/s. Navazuje na Fast Ethernet. V praxi je gigabitový Ethernet provozován pouze přepínaně s full-duplexem (plným duplexem). Původně byl definován pouze pro optická vlákna (IEEE 802.3z), později byla doplněna i varianta pro kroucenou dvojlinku (IEEE 802.3ab). Desetigigabitový Ethernet Poslední standardizovaná verze. Jeho definice byla jako IEEE 802.3ae přijata v roce Přenosová rychlost 10 Gbit/s, jako médium zatím slouţí hlavně optická vlákna. Tato verze pracuje vţdy plně duplexně. V roce 2008 byla vyvinuta jeho specifikace pro kroucenou dvojlinku s označení IEEE 802.3an. 17

18 4.2. Typy Ethernetu 10Base5 Původní Ethernet na koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel o impedanci 50 Ω tvoří sběrnici, ke které se připojují pomocí speciálních tranceiverů a AUI kabelů jednotlivé stanice. 10Base2 Ethernet na tenkém koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel tvoří sběrnici, ke které se připojují jednotlivé stanice přímo. Kabel je impedance 50 Ω (RG- 58) nesmí mít ţádné odbočky a je na koncích zakončen odpory 50 Ω (tzv. terminátory). 10Base-T Jako přenosové médium pouţívá kroucenou dvojlinku s rychlostí 10 Mbit/s. Vyuţívá dva páry strukturované kabeláţe ze čtyř. Dnes jiţ překonaná síť, která byla ve většině případů nahrazena rychlejší 100 Mbit/s variantou. 10Base-F Varianta s optickými vlákny o rychlosti 10 Mbit/s. Pouţívá se pro spojení na větší vzdálenost, nebo spojení mezi objekty, kde nelze pouţít kroucenou dvojlinku. Tvořila obvykle tzv. páteřní síť, která propojuje jednotlivé menší celky sítě. Dnes je jiţ nahrazována vyššími rychlostmi (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet). 100Base-TX Varianta s přenosovou rychlostí 100 Mbit/s, které se říká Fast Ethernet, pouţívá dva páry UTP nebo STP kabelu kategorie 5, 6 a Base-FX Standard pro vícevidová (multimod) optická vlákna. Tato norma umoţňovala vzdálenost mezi aktivními prvky sítě do 2000 metrů. Původně se pouţíval z důvodu niţší ceny za aktivní prvky, ale v dnešní době je na ústupu vzhledem k tomu, ţe ceny za jednovidové (singlemod) aktivní prvky klesly na cenu vícevidových. 1000Base-T Ethernet s rychlostí 1000 Mbit/s, nazývaný Gigabit Ethernet. Vyuţívá 4 páry UTP kabeláţe kategorie 5e, je definován do vzdálenosti 100 metrů. 1000Base-SX Gigabit Ethernet pouţívající mnohavidové optické vlákno. Je určen pro páteřní sítě do vzdáleností několik set metrů. 1000Base-LX 18

19 Gigabit Ethernet pouţívající jednovidové optické vlákno. Je určen pro větší vzdáleností aţ několika desítek kilometrů. V dnešní době umoţňuje spoje na vzdálenosti aţ 80 kilometrů. 10GBase-T Ethernet s rychlostí 10 Gbit/s, nazývaný Ten Gigabit Ethernet (nebo také EFM - Ethernet on the first mile). Do vzdálenosti 55 metrů lze vyuţít kabeláţ kategorie 6. Pro vyuţití plné délky 100 je nutné pouţít kategorii 6a (augmented Category 6 šířka pásma 500 MHz). Někteří výrobci prodávají kabely kategorie 7, které jsou označeny jako kompatibilní s 10GBase-T. 40GBase a 100GBase Ethernet s rychlostí 40 a 100 Gbps pouţívá optická vlákna, nebo metalické kabely do délky 10 metrů 19

20 5. Protokol TCP/IP TCP/IP je zkratkou Transmission Control Protokol / Internet Protokol. Tento protokol se pouţívá v celé síti Internet, stejně jako v lokálních a metropolitních sítích. I přesto, ţe se protokol TCP/IP stal standardem sítí teprve v poslední době, je starý uţ více neţ 20 let. Na počátku se pouţíval pro propojení vládních počítačů (síť ARPANET předchůdce Internetu), nyní nachází největší vyuţití právě v síti Internet. Původně byl protokol TCP/IP vyvinut pro UNIXové systémy, ale později došlo k velkému rozšíření, hlavně díky podpoře programátorů a později i některých společností. Díky této podpoře se protokol těší kompatibilitě vůči velkému mnoţství hardware a software. V současné době se jiţ začíná implementovat nová verze TCP/IP protokolu (TCP/IP verze 6), především z důvodu nedostatku IP adres v Internetu a jejich nerovnoměrnému rozloţení na světě. Dochází k paradoxním situacím, kdy například některé americké univerzity mají k dispozici více IP adres neţ Čína Historie protokolu TCP/IP Začátky protokolu TCP/IP sahají do roku 1973, kdy byla poprvé prezentována představa fungování protokolu. Vývoj realizovala agentura ARPA (Advanced Research Projects Agency) financovaná ministerstvem obrany USA. Tento protokol si nechala vyvinout pro svou počítačovou síť ARPANET, která měla propojit navzájem důleţité vojenské, vládní a vědecké počítače. Síť měla být decentralizovaná (bez centrálních prvků), měla fungovat i v případě výpadku některého z uzlů, s tím ţe všechny uzly měly být rovnocenné. Stejně jako v jiných oblastech byla i zde hnacím pokrokem studená válka a koncepce protokolu byla stavěna nezávisle především ze strategických důvodů. Na vývoji protokolů, financovaném prostřednictvím grantů ministerstva obrany (účelových dotací na výzkum) se pak podílel přední univerzity USA. Svou dnešní podobu získaly nové protokoly v letech , brzy poté na tyto protokoly začala postupně přecházet i síť ARPANET, která se později stala zárodkem a páteří Internetu jako ho dnes známe Vztah protokolu TCP/IP a OSI modelu Zatímco model ISO obsahuje sedm vrstev sítě, TCP/IP počítá jen se čtyřmi vrstvami. Vrstva síťového rozhraní (Network Interface Layer) 20

21 Vrstva síťového rozhraní (také se označuje jako linková vrstva) se stará o ovládání konkrétní přenosové cesty (sítě) a s přímým vysíláním a příjmem datových paketů. Stanovuje pravidla pro připojení počítačů s tím, ţe není omezeno pouţití jakékoliv přenosové technologie, která je pouţita na úrovni vrstvy síťového rozhraní. Vzhledem k velmi častému pouţívání lokální sítě typu ethernet je vrstva síťového rozhraní v rámci TCP/IP často označována také jako ethernetová vrstva (Ethernet Layer). Síťová vrstva (Internet Layer) Tato vrstva se stará o to aby se jednotlivé pakety dostaly od odesílatele k příjemci, tzv. adresace stará se o ni protokol IP (z tohoto také další název IP vrstva). Má podobný úkol jako síťová vrstva protokolu OSI. Transportní vrstva (Transport Layer) Tato vrstva je implementována na koncových zařízeních (počítačích) a umoţňuje přizpůsobit chování sítě potřebám aplikací. Prakticky odpovídá transportní vrstvě protokolu OSI. Nazývá se také jako TCP vrstva. Aplikační vrstva (Application Layer) Zajišťuje aplikační sluţby prostřednictvím aplikačních protokolů. Aplikace na rozdíl od modelu OSI komunikují přímo s transportní vrstvou. Obrázek 7: Vztah TCP/IP a OSI. (Zdroj: 21

22 5.3. Jednotlivé protokoly TCP/IP Protokoly TCP/IP se dají rozlišit podle jednotlivých vrstev TCP/IP. V této části jsou popsány některé protokoly jednotlivých vrstev TCP/IP protokolu. Protokoly aplikační vrstvy HTTP (HyperText Transfer Protcol) Protokol pro komunikaci mezi WWW servery a jejich klienty (prohlíţeči). Umoţňuje prohlíţeči vyţádat si konkrétní WWW stránku. Protokol HTTP je postaven jako bezestavový, coţ znamená, ţe kaţdý poţadavek je samostatný a nemá ţádnou návaznost na ţádný z případných předchozích poţadavků. SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) Poštovní protokol pro komunikaci mezi poštovními servery, pomocí kterého si servery předávají zprávy. SMTP předpokládá nepřetrţitou dostupnost příjemce a odesílatele. To znamená, ţe odesílající server navazuje komunikaci s příjemcem, pokud se toto spojení neprovede, opakuje pokusy o přenos. Z tohoto důvodu není moţno pouţít tento protokol pro přenos poštovních zpráv aţ ke koncovým klientům. Pro tyto přenosy byly vyvinuty protokoly POP3 (Post Office Protocol verze 3) a IMAP (Internet Message Access Protocol) FTP (File Transfer Protocol) Protokol pro přenos souborů mezi počítači v síti. Předpokladem pro komunikaci protokolem FTP je existence FTP serverů, coţ jsou běţné počítače s nainstalovanou sluţbou FTP serveru. Na druhé straně musí být FTP klient, který můţe ze serveru soubory stahovat nebo na server naopak umísťovat. Telnet Protokol Telnet umoţňuje vzdálené přihlašování k jinému počítači. Na vzdáleném počítači je moţno například spouštět aplikace a pracovat s nimi, případně vyuţívat výpočetní kapacitu vzdáleného počítače. Protokol Telnet je nezávislý na platformě, takţe je moţno se připojit z počítače se systémem MS Windows na počítač se systémem UNIX. Protokol Telnet je nezabezpečený a v současné době se pouţívají jiné protokoly s větší bezpečností jako např. SSH. SSH (Secure Shell) Umoţňuje zabezpečené připojení ke vzdálenému počítači pomocí transparentního šifrování přenášených dat. Na rozdíl od protokolu Telnet nabízí i některé nové vlastnosti jako tunelování spojení nebo přesměrovaní TCP portů. 22

23 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) DHCP se pouţívá pro automatické přidělování IP adres koncovým stanicím v síti. Součástí komunikace jsou i další nastavení potřebná pro pouţívání sítě (adresa směrovače Default Gateway, maska sítě, adresy DNS serverů). Zajišťuje, aby se v síti nevyskytly dvě stejné IP adresy, aby nevznikl tzv. konflikt IP adres. Výhodou je moţnost změny adresace sítě centrálním nastavením bez potřeby spolupráce s uţivateli. DNS (Domain Name System) Zajišťuje překlad IP adres v síti na názvy, které se pouţívají v rámci sítě nebo Internetu. Kořenem DNS je tzv. toplevel domain, coţ je většinou značka státu nebo označení zaměření dané adresy (cz, sk, com apod.). Protokoly transportní vrstvy TCP (Transmission Control Protocol) Pomocí protokolu TCP vytvářejí aplikace na počítačích spojení, přes která přenáší data. Vytváří virtuální okruh mezi koncovými aplikacemi, takţe přenos dat je spolehlivý. Protokol zajišťuje spolehlivé doručování paketů a jejich správné pořadí. TCP také rozlišuje data pro vícenásobné, současně běţící aplikace (například webový a ový server) běţící na stejném počítači. Různé aplikace se rozlišují pomocí portů např.: FTP (port 21), SMTP (port 25), DNS (port 53) a HTTP (port 80). UDP (User Datagram Protocol) Pro některé aplikace není TCP protokol vhodný, takţe se vyuţívá protokolu UDP. Problém spočívá v podstatě protokolu TCP, protoţe aplikace po ztrátě paketu neakceptuje další komunikaci, dokud není ztracený paket znovu odeslán a přijat. To způsobuje problémy aplikacím jako např. internetová rádia, online hry nebo VoIP (Voice over IP telefonování prostřednictvím IP protokolu), kde je uţitečnější dostávat data včas, neţ je dostávat ve správném pořadí a kompletní. Protokol pouţívá podobně jako TCP čísla portů pro identifikaci aplikačních protokolů. Protokoly síťové vrstvy IP (Internet protokol) IP protokol je základní protokol síťové vrstvy a celého Internetu. Vysílá datagramy na základě IP adres obsaţených v jejich záhlaví. Poskytuje vyšším vrstvám síťovou sluţbu bez spojení, které zajišťuje vyšší vrstva (TCP, UDP nebo samotná aplikace). ARP (Adress Resolution Protocol) 23

24 ARP se pouţívá k nalezení fyzické adresy MAC podle známé IP adresy. Protokol v případě potřeby vyšle datagram s informací o hledané IP adrese a adresuje ho všem stanicím v síti. Uzel s hledanou adresou reaguje odpovědí s vyplněnou svou MAC adresou. Pokud hledaný uzel není ve stejném segmentu, odpoví svou adresou příslušný směrovač. ICMP Slouţí k přenosu řídících hlášení, která se týkají chybových stavů a zvláštních okolností při přenosu. Pouţívá se například v programu ping pro testování dostupnosti počítače. 24

25 6. Metalické sítě Metalické sítě jsou nejrozšířenější a nejlevnější variantou síťových technologií, z toho důvodu se pouţívají na propojení koncových zařízení. Jejich výhodou je snadná montáţ a nízká cena. Jsou limitovány vzdáleností aktivních prvků Aktivní prvky metalických sítí Opakovač (repeater ) Prodluţuje segment 10Base2 nebo 10Base5 ethernetu. Umoţňuje prodlouţit síť o další segment, takţe teoretická vzdálenost naroste na dvojnásobek Hub Aktivní prvek, který slouţí jako centrální bod v hvězdicové struktuře na kroucené dvojlince pro 10Base-T nebo 100Base-TX, jsou na něj připojeny koncové stanice. Hub má pouze jednu kolizní doménu, takţe komunikace probíhá na všech místech sítě současně. V jedné síti je moţno za sebe připojit maximálně 4 Huby kvůli problémům s kolizemi. Přepínač (Switch) V podstatě inteligentní hub, protoţe komunikaci vysílá data pouze na rozhraní kde je jejich adresát. Má vlastní paměť kde drţí informace o síťovém provozu, takţe vţdy ví pro koho je daná informace určena a pošle ji na to správné místo, takţe packety necestují celou sítí. Nezbytnost pro větší sítě. Existují switche, které je moţné konfigurovat tak aby chránili síť před přetíţením, případně mohou blokovat provoz na určených portech apod. Směrovač (Router) Slouţí k rozdělení sítě na úrovni protokolu. Ve větších sítích je routování naprosto nezbytné uţ jenom kvůli broadcastovanému provozu v síti (data rozesílaná v rámci jedné sítě, např informace o sdílení, případně streamování videa apod.). Standardně směrovač odděluje síť pomocí NAT (Network Adress Translation). 25

26 6.2. Ethernetová komunikace po elektrické síti Technika přenosu dat po elektrorozvodné síti má ve světě ustálený název Power Line Communication. jedná o techniku vysokofrekvenční modulace na bázi OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) s mnoha frekvenčně oddělenými přenosovými kanály, mezi kterými je dynamicky rozkládán tok dat v závislosti na detekovaném rušení příslušné frekvence. Celý přenos je navíc kódovaný šifrou DES s 56bitovým klíčem. Dosahované přenosové rychlosti jsou dnes 45 Mb/s s výhledem aţ 200 Mb/s samozřejmě na omezenou vzdálenost, která je asi 200 m (obdobné metody jsou pouţité např. v ADSL či digitálním rádiu a TV DAB, DVB). Jedná se o tzv. moduly Homeplug (průmyslový standard) umoţňující přenášet data rychlostí aţ 14 Mb/s (reálná hodnota můţe být však u různých výrobků a v závislosti na aplikaci i výrazně menší). Technologie PLC (Power Line Communication) nebo jinak BPL (Broadband over Power Lines) byla vytvořena pro datové přenosy po jiţ existujícím elektrickém vedení. Tato technologie se masivně nerozšířila především kvůli problémům s dosaţitelnou vzdáleností, v poslední době je nahrazována bezdrátovými sítěmi Metalický kabel - Koaxiální kabel V dnešní době zastaralá technologie se sběrnicovou topologií. Označována jako 10base5 pro tlustý ethernet (thick ethernet) 10Base2 pro thin ethernet (tenký ethernet). Pro propojení se vyuţívala sběrnicová topologie. Hlavní nevýhodou je nízká přenosová rychlost, která je limitována 10Mbit/s half-duplex (polo-duplex). To znamená, ţe v jednom okamţiku můţe komunikovat účastník sítě pouze v jednom směru. Současně je celá síť jednou kolizní doménou, takţe v jednom okamţiku můţe na síti komunikovat pouze jeden účastník sítě. Při kolizi, současném vysílání více packetů na síti, se packet zahodí a poté se čeká náhodnou dobu na nové vysílání. Toto generuje problémy především v okamţiku velkého zatíţení. Síťová komunikace probíhá na principu MAC adres síťových zařízení. Všichni uţivatelé (zařízení) slyší v kaţdém okamţiku všechnu komunikaci, ale pokud není určena pro jejich MAC adresu packet zahodí. Při přerušení síťového segmentu na jakémkoliv místě ve sběrnicové topologii přestává fungovat celá síť. 26

27 Vzdálenost celého jednoho segmentu sítě je 180 (tenký ethernet) nebo 500 (tlustý ethernet) metrů. Tato vzdálenost se dá prodlouţit pomocí aktivního prvku známého jako repeater (opakovač), který umoţní prodlouţit segment sítě aţ 3krát Metalický kabel - Kroucená dvojlinka (twisted pair) Momentálně nejpouţívanější síťová technologie z důvodu ceny, snadnosti instalace a kvality spojení. Pro označení kroucené dvojlinky se pouţívá UTP ( Unshielded Twisted Pair) jako nestíněná kroucená dvojlinka, STP (Shielded Twisted Pair) jako stíněná kroucená dvojlinka a FTP (Foiled Twisted Pair). V případě FTP jde o lepší verzi stínění, kde se pouţívá ještě folie navíc. 10Base-T se v dnešní době prakticky nepouţívá, slouţila pouze pro přechod z koaxiálu na kroucenou dvojlinku. Je to pouze 10Mbit/s half-duplexní spojení takţe výhodou byla pouze změna topologie ze sběrnicové na hvězdicovou. 100Base-TX v kombinaci s kroucenou dvojlinkou je dnes nejrozšířenější typ ethernetu. Technologie je full-duplexní, takţe umoţňuje komunikaci v obou směrech současně (odesílání i přijímání dat). Další výhodou je hvězdicová topologie sítě. V okamţiku rozpojení jednoho síťového segmentu mohou ostatní účastníci sítě komunikovat bez omezení. Nevýhodou kroucené dvojlinky zůstává dosaţitelná vzdálenost na úrovni 100metrů. Současně je metalický spoj zrušitelný v porovnání s optickými kabely. Pro běţné pouţití jsou nejdůleţitější informace o přiřazení pinů koncovky RJ 45, coţ je koncovka pro osmi vodičovou 100 ohmovou kroucenou dvojlinku. Nestíněná kroucená dvojlinka (UTP) má kategorie 3, 5, 6 a 7. Pro zapojení drátů jsou specifikovány dvě varianty T568A a T568B, viz Obrázek 8: Zapojení drátů kroucená dvojlinka. 27

28 Obrázek 8: Zapojení drátů kroucená dvojlinka. (Zdroj: Kategorie 3 Původně se komponenty kategorie 3 pouţívaly pro přenos hlasu i dat. Prvky kategorie 3 se pouţívají pouze pro telefonní rozvody (např. propojovací ISDN panely, kabely k telefonní ústředně či propojovací šňůry k telefonnímu přístroji). Maximální přenosová rychlost, které bylo moţné dosahovat na kabeláţích kategorie 3, byla 10 Mb/s (protokol 10Base-T). Povaţují se za ni všechny neoznačené kabely pro sdělovací účely. Třída D - Kategorie 5 V současnosti označení této kategorie 5e, coţ je rozšíření definice o Far End Crosstalk (FEXT). Tato kategorie byla tedy upravena tak, aby fungovala se standardem 1000BASE-T (gigabitový ethernet). Pouţívá se i pro hlasové sluţby. Poţadované vlastnosti poskytuje na 100 MHz a do 100 m. Rozlišují se parametry pro sdělovací kanál nebo pro horizontální (páteřní) kabel Horizontální (páteřní) kabel spojuje rozvodný uzel s vývodem Sdělovací kanál - přenosová cesta mezi dvěma koncovými body. Obsahuje jak pevný kabel, tak dvě propojky mezi vývodem (uzlem) a zařízením Třída E - Kategorie 6 Navrţena pro gigabitové sítě a je zpětně kompatibilní (100, 10 Mbit). Je to opět stíněná i nestíněná kroucená dvojlinka. Specifikace platí aţ do 250 MHz a do 100 m. Odstup šumu, přeslechy a útlum mají být opět niţší, neţ kategorie 5e. Kategorie 6a operuje na frekvenci 500 MHz, s příslušně sníţenými parametry útlumu a zpoţdění. Výzkumné práce na novém protokolu 10 Gigabit Ethernet ukázaly, ţe šířka pásma jako kritérium výkonnosti kabeláţe nepostačuje. Objevil se nový problém ve formě přeslechů mezi 28

29 sousedícími datovými kabely ve svazku, blízkými porty v patch panelech a zásuvkách, který byl nově nazván Alien Crosstalk. Jakmile kabeláţ nesplní poţadavky i pro tento nový parametr, přenos dat při vysokých přenosových rychlostech selhává, a to i při dostatečné šířce přenosového pásma. Proto pro 10 Gigabit Ethernet a rychlosti nad 1 Gbit/s byla roku 2006 zavedena úplně nová kategorie Cat.6A se šířkou pásma 500 MHz a s definovanou maximální hodnotou Alien Crosstalk. Od této chvíle se Cat.6 a Cat.7 ocitly ve slepé uličce a staly se v praxi nepouţitelnými, protoţe chybějící kritérium pro Alien Crosstalk je výkonnostně postavilo na úroveň Cat.5E. Kromě nové Cat.6A je tedy z původně zavedených kategorií vyuţitelná jen kategorie Cat.5E,jelikoţ přeslechy mezi sousedními přenosovými prvky se při rychlostech do 1 Gbit/s ještě neprojevují. Na základě výše uvedených skutečností, kritériem výkonnosti kabeláţe přestala být šířka přenosového pásma a nahradila ji přenosová rychlost. Třída F - Kategorie 7 Byla původně navrţena pro 10 gigabitové sítě. Návrh kabeláţe by vydán ještě před specifikací 10BaseT a nebyl specifikován Alien Crosstalk. Je zpětně kompatibilní (1000, 100, 10 Mbit). V kabelu je kaţdá dvojlinka samostatně stíněna. Specifikace platí aţ do 500 MHz a do 100 m. Odstup šumu, přeslechy a útlum mají být opět niţší, neţ kategorie 6. Dosahuje se toho m.j. stíněním kaţdého páru zvlášť. Pokud se pouţijí koncovky GG45 (zpětně kompatibilní s RJ45) nebo TERA (podobá se mini FireWire nebo mikro USB), pracuje na frekvenci 600 MHz Základní měřitelné parametry kroucené dvojlinky jsou: Typický odpor 100 ohmů +/- 15 Nominální odpor 100 ohmů +/- 5 Elektrický odpor je fyzikální veličina, která označuje schopnost vodiče vést elektrický proud Zpoždění signálu Z jednoho konce kabelu na druhý. Zpoţdění signálu u kabelu kategorie 5e se pohybuje kolem 5 ns na 1 m; povolený limit je 5,7 ns na 1 m tj. 570 ns na 100 m Kapacitance Při 800 Hz 52 pf/m kapacitance je zdánlivý odpor součástky s kapacitou (nejčastěji kondenzátoru) proti průchodu střídavého elektrického proudu dané frekvence 29

30 Induktance Zdánlivý odpor součástky s indukčností (nejčastěji cívky) proti průchodu střídavého elektrického proudu Obrázek 9: Parametry kroucené dvojlinky. (Zdroj: er/datablader/kategorikabel/no_cat_5_awg_24_u_utp_outdoor.pdf) Útlum odrazu (Returnioss) Rozdíl vstupní impedance od jmenovité hodnoty vytváří svůj vlastní útlum. Útlum (Attenuation) signálu Poměr výstupního a vstupního signálu, vyjádřeno v db. NEXT Při přenosu prostupuje elektrický signál z jednoho páru do druhého. Chyba na bliţším konci vodiče od zdroje signálu je near-end crosstalk čili NEXT Obrázek 10: NEXT. (Zdroj: 30

31 FEXT Chyba, která se projevuje na konci na vzdálenější straně, se označuje jako far-end crosstalk FEXT. Měří se pro všechny kombinace párů. FEXT závisí na délce vodiče a tím i na útlumu. Odstraněním vlivu útlumu dostaneme ELFEXT = FEXT útlum. Obrázek 11: FEXT. (Zdroj: 31

32 ACR K doručení kvalitního signálu je třeba dosáhnout velkého rozdílu mezi efektivním signálem a signálem rušivým. Rušivý signál vzniká na jedné straně z přeslechu přilehlých linek a na druhé straně z externího EMC efektu. Hodnotu ACR určíme, pokud od zjištěné hodnoty NEXT odečteme útlum, čili ACR=NEXT-útlum. Obrázek 12: ACR. (Zdroj: EMC Elektromagnetická kompatibilita představuje souhrn elektromagnetické indukce z externích zdrojů. Největší je vliv souběhu silnoproudých rozvodů. Elektromagnetická interference - EMI/RFI (EMI electromagnetic interference; RFI radio frequency interference) jsou šumy v signálu způsobené externími vlivy, jako jsou blesky, elektromotory nebo rádiové systémy. Kaţdý drát v kabelu se totiţ chová jako anténa a kromě absorbce elektrických signálů od okolních drátů v kabelu (crosstalk), absorbuje i signály z vnějších zdrojů. Cest jak minimalizovat vliv EMI/RFI je několik. Tou nejlevnější je vybrat kvalitní kabely a dodrţet doporučené vzdálenosti a postupy instalace. Dále jsou implementovány technologie pro předcházení (zabránění) vlivu 32

33 EMI/RFI. Jsou nazývané shielding (stínění) a cancelation (potlačení). Obě jsou diskutovány v sekci věnované rozdílům mezi stíněnými a nestíněnými kabely. PS-NEXT Výkonový součet přeslechů. Určuje, kolik přeslechu signálu se v rámci jednoho kabelu dostává ze tří párů do zbývajícího čtvrtého páru. Zdroj signálu a měření přeslechu probíhá na stejném konci kabelu. Obrázek 13: PSNEXT. (Zdroj: PS-ELFEXT Přeslech, který se dostává do jednoho ze všech tří zbývajících. Měření probíhá na vzdáleném konci, na odstranění vlivu délky kabelu se od ELFEX odečítá útlum PS-ACR Rozdíl mezi efektivním signálem a signálem rušivým pro přeslechy ze tří zbývajících párů PS-ACR=PS-NEXT-útlum DELAY SKEW Určuje rozdíl zpoţdění signálu na nejrychlejším a nejpomalejším páru. Na parametr Delay Skew má vliv (1.) rozdílná délka párů; (2.) odlišnosti v materiálu (odpor, impedance atd.); (3.) působení okolního rušení. Pokud je rozdíl příliš velký, můţe dojít k chybné interpretaci dat v aktivním prvku. Stejně jako u PSNEXTu a PSELFEXTu je i parametr Delay Skew kritický pro protokoly, které pouţívají pro přenos signálu všechny čtyři páry. 33

34 Obrázek 14: Delay skew. (Zdroj: 34

35 7. Optické sítě Optické vlákno se skládá s plně transparentního jádra s indexem lomu n 1 které je obklopeno pláštěm s indexem lomu n 2. Nutnou podmínkou je, aby index lomu jádra byl větší neţ index lomu pláště. Jako médium se pouţívá optické nebo plastové vlákno o velikosti desítek mikrometrů. Pouţívají se pro páteřní spoje. Hlavním důvodem je vysoká vzdálenost, která můţe být mezi 2 aktivními prvky a také kvalita a rychlost přenosu na velké vzdálenosti. Nevýhodou je náročnost instalace a cena koncových prvků. V poslední době se ceny zařízení i kabelů sbliţují s metalickými systémy. Prakticky celý páteřní internet je tvořen optickými sítěmi. Také podmořský kabel spojující Evropu s USA je optický kabel s velkým mnoţstvím optických vláken Aktivní prvky optických sítí Konvertor Převodník optické sítě na metalickou (kroucená dvojlinka) Optický přepínač (switch) Zařízení shodné s přepínačem pro metalické sítě, ale obsahuje optické moduly. Standardně bývá osazen i porty pro metalickou síť Opakovač (Repeater) Prodluţuje segment optické sítě, přijme světelný signál, zesílí ho a pošle dál. Bez repeaterů by nebylo moţné propojit delší vzdálenosti. Mezi Evropou a USA jsou repeatery v moři v pravidelných intervalech a zesilují signál. Způsobují nepatrné zpoţdění signálu, takţe v reálu přidají na odezvě mezi Evropou a USA několik desítek milisekund Optický kabel optické vlákno (Optical fiber) Vlákno se skládá z jádra (dopované křemenné sklo) a funkční ochrany (křemenné sklo) Index lomu vyjadřuje poměr rychlosti šíření světla v různých prostředích. Světlo se pohybuje nejrychleji ve vakuu. Rychlost světla ve vakuu je asi 300 milionů metrů za sekundu. Index lomu se vypočítá vydělením rychlosti světla ve vakuu rychlostí světla v hmotném prostředí. Běţná hodnota indexu pláště optického vlákna je 1,46. Typická hodnota pro jádro je 1,48. Čím větší je index lomu, tím pomaleji se světlo pohybuje v tom daném prostředí. 35

36 Na rozhraní látek, s různým indexem lomu, dochází k odrazu světla. Při úhlu dopadu menším neţ je mezní úhel, dochází k totálnímu odrazu. Varianta rozloţení indexu lomu jsou tzv. gradientní vlákna. Útlum u dlouhých vlnových délek je tzv. infračervená absorpce, u opačné části spektra absorpce vlivem Rayleightova rozptylu (rozptyl na částicích hodně menších neţ je vlnová délka světla. Lokální maxima jsou absorpcí na OH - iontech. Základním účelem primární ochrany je zabránit vlivu vlhkosti. Oblast kolem 850 nm se pouţívala nejdříve. Dnes se pouţívá u mnohavidových vláken pro přenos na krátké vzdálenosti. Oblast u 1300 nm se pouţívá u jednovidových vláken na dálkové přenosy. Nevýhodou je větší útlum, výhodou menší citlivost útlumu na ohyb vlákna. Oblast 1550 nm je nejvíce pouţíváno pro přenosy na dlouhé vzdálenosti, protoţe má nejmenší útlum na metr vzdálenosti (0,2 db/km) Mnohovidová (mutlimode-mm) Obrázek 15: Princip šíření světla v optickém kabelu multimod. (Zdroj:Vlastní úprava) Paprsek šíří jádrem s více úhly a má různé dráhy. Dochází k rozptylu světelného výkonu v čase - vidová disperze. Index lomu má zpravidla gradientní průběh. Hlavní výhodou gradientního vlákna je omezení počtu vidů při zachování průměru jádra [coţ je výhodné pro snazší spojování]. 36

37 Vícevidová vlákna pouţívají dva průměry jádra: 62.5/125 µ m (průměr jádra/funkční ochrany) 50/125 µ m - lepší vlastnosti: větší vyuţitelná šířka pásma, menší útlum Numerická apertura je sin maximálního úhlu, pod kterým můţe paprsek do vlákna vstoupit, aby se dále šířil. Jako zdroje světla se pouţívají LED. Diody mají určitý rozsah vlnových délek, které se šíří různou rychlostí a dochází k dalšímu rozmazání signálu chromatická disperze Vlákna pracují v oblastech 850 nm a 1300 nm. Charakteristické parametry 50/125 µ m 62/125 µ m 850 nm: 1300 nm: 850 nm: 1300 nm: optický útlum db/km <2,4 (limit 3,5) <0,6 (limit 1,5) <2,7 (limit 3,5) <0,6 (limit 1,5) šířka pásma MHz*km <1000; <1500 <300 <1000 numerická apertura 0,20 0,275 Jednovidová (singlemod-sm) Obrázek 16: Princip šíření světla v optickém kabelu singlemod. (Zdroj:Vlastní úprava) Sníţením průměru jádra se sníţí počet vidů, tím se omezí vidová disperze a je moţnost pouţití větších frekvencí. 37

38 Pouţití pro páteřní telekomunikační trasy (aţ 70 km bez opakovačů). Průměr jádra okolo 10 µ m. Zdroj záření laser. Charakteristické parametry: oblast 1310 nm oblast 1500 nm optický útlum db/km <0,35 <0,22 chromatická disperse ps/(nm*km) <3,5 < Měření optických vláken Měření optických vláken má svá specifika, především je důleţité, ţe měření dává hodnotu blízkou "skutečné" hodnotě. Principem je měření poklesu signálu po průchodu kabelem a porovnání s referenčním kabelem. Základní problém je změřit, za standardních podmínek, velikost vstupního signálu a tvar optického signálu, který bude odpovídat provozním podmínkám. Měření jsou závislá na čistotě konektoru jak měřené trasy, tak referenčního kabelu Laser jako zdroj signálu je vhodný pro jednovidová vlákna. Stačí drobná odchylka od vlnové délky provozního laseru a změří se rozdílné hodnoty. U vícevidových vláken se pouţívají LED diody, které mají široký spektrální výkon, tj. směs vlnových délek s různou intenzitou. Naměřená ztráta je součet ztrát všech vlnových délek. Různými LED můţeme změřit různé ztráty. Na krátké vzdálenosti jsou rozdíly malé. Větší problém je šíření různých módů vláknem. Laserové světlo se vícevidovým vláknem šíří jinak neţ LED viz. Obrázek 17. Laser prochází módy blízko jádra a tím i kratší dráhou. Laser se méně zeslabí neţ LED, rozdíl můţe být 1-2 db/km. Pro standardizování zdroje na měření se filtrují módy vyšší řádů. Pouţívá se předřazená vlákna, které jsou navinuta na trn. 38

39 Obrázek 17: Průchod různých zdrojů (gradientním) vláknem. (Zdroj: Důleţitou sloţkou, která ovlivňuje ztrátu v kabelu, je vstup světla přes konektor do vlákna. To ovlivňuje způsob referenčního měření. Existují tři způsoby metody A, B, C, podle toho jestli se k měření pouţívají 1, 2 nebo 3 kabely. Liší se v tom, jak se definuje 0 db. Kaţdý způsob referencí dává jiné výsledky 39

40 Jeden kabel mezi zkušební zdroj a měřič výkonu Obrázek 18: Metoda měření B jeden kabel. (Zdroj Porovnává se měřený kabel s refenčním. Do měření se nezapočítávají koncové konektory. Měřící přístroj změří světlo, které vychází z vlákna. Nula je nakalibrována přímo na referenční kabel. Dva kabely Obrázek 19: Metoda měření A. (Zdroj: 40

41 Tři kabely Referenční kabel zůstává součástí měřené trasy. Podmínkou jsou stejné konektory. Obrázek 20: Metoda měření C. (Zdroj Pokud jsou konektory na trase jiné neţ v měřících přístrojích, pouţívají se dva referenční kabely. Optický refrektometr OTDR Principem měření je vyslání paprsku z jednoho konce kabelu a měření zpět odraţeného rozptylového světla. Obrázek 21: Měření pomocí optického refrektometru. (Zdroj: Konektor na vzdáleném konci nejde změřit, proto se na konec přidává další vlákno. Podobný problém je na začátku, protoţe po dobu impulsu světlo urazí určitou vzdálenost. Na začátek se přidává předřadné vlákno, které umoţní změřit i blízký konec trasy. 41

42 Obrázek 22: Příklad měření OTDR. (Zdroj: Na Obrázku 23 je přiklad výstupu z OTDR. Směrnici v rovných částech charakterizuje útlum na vlákně. Skoky dolů ukazuje na událost na vlákně. Např. ostrý ohyb, nebo jiná porucha se projeví poklesem dolů. Na obrázku je typické zobrazení konektorů. Maxima nemají význam pro měření. Ztráta na konektorech se určí rozdílem prodlouţení přímých částí. Porovnání jednotlivých metod měření Zkušební metoda 1 Kabelová Reference 2 Kabel Reference 3 Kabelová Reference OTDR samotného kabelu Výsledky, ztráta v db, směrodatná odchylka 1.91 db / 2.05 db (reverzní směr) (Zdroj: Z porovnání vychází nejniţší hodnoty měřením OTDR Nejvyšší hodnota je s referencí jednoho kabelu, ale zároveň s nejmenším směrodatnou odchylkou. Všechna měření mohou být závislá ni na směru, tak jak je uvedeno u OTDR. Je to způsobeno nepřesnostmi průměru jádra různých vláken (myslí se tím stejné nominální hodnoty). Pouţití OTDR na vícevidová vlákna trpí pouţitím laseru, protoţe má jiné vlastnosti šíření. Více se šíří ve středu jádra a nepoţívá k měření všechny módy, které se vláknem mohou šířit Závěrem je nutno konstatovat, ţe měření optických vláken, v běţných podmínkách, je zatíţeno chybou. Je nutno přesně uvést podmínky za jakých byla měření provedena. 42

43 8. Bezdrátové sítě V dnešní době nejvíce se rozvíjející segment počítačových sítí. Existují volná pásma (bezlicenční), v kterých můţe kdokoliv provozovat zařízení, pokud dodrţí platné předpisy, především výši vysílaného výkonu. Bezdrátové sítě fungují standardně na principu master-klient. To znamená, ţe existuje vysílač, na který jsou připojeni ostatní klienti. Není moţno, aby se na klientskou stanici připojil další klient. Speciální variantou je WDS systém, ve kterém není ţádná master jednotka, ale stanice se mohou propojovat mezi sebou. Nevýhodou tohoto systému je neustálá komunikace všech stanic mezi sebou podobně jako v případě nepřepínané sítě. Pro provoz na těchto technologiích je potřeba na rozdíl od Wimax přímá viditelnost mezi jednotlivými body sítě Volná pásma Tyto standardy jsou určeny pro běţné uţivatele. Vzhledem k ceně aktivních prvků se Wi-Fi sítě velmi rychle rozšířili a dnes jsou ve většině nově prodaných zařízení. Celosvětově jsou jako volná pásma definovány frekvence 2,4GHz a 5,3-5,8GHz. V České republice do této kategorie spadá ještě pásmo 10,5GHz a 80GHz. V případě 10,5GHz je to vyjímka do roku Tyto vysoké frekvence se pouţívají především pro páteřní bezdrátové spoje na velké vzdálenosti. Na frekvenci 80GHz je nutné ohlášení na Českém Telekomunikačním Úřadu (ČTU), který kontroluje dodrţování platných předpisů, především výši vysílaného výkonu a nezasahování do ostatních pásem neţ povolených. Nevýhodou těchto volných pásem je narůstající úroveň rušení, takţe je provoz ve venkovních prostorech stále náročnější, coţ se projevuje především sníţenou kvalitou bezdrátových spojů v bezlicenčních pásmech. Čím vyšší je vysílací frekvence, tím náročnější je výroba vysokofrekvenčních součástek, takţe se rostoucí frekvencí roste cena zařízení. Na vyšších frekvencích spoje umoţnují přenášení vyšších datových toků. Samozřejmě ještě záleţí na modulaci signálu a šířce pouţitého pásma. Na frekvenci kolem 10GHz standardně spoje dokáţí přenést stovky Mbit/s. Na frekvenci 80GHz jiţ dnes existují spoje s rychlostí aţ 1Gbit/s. Všechna zařízení montovaná do spotřební elektroniky operují v bezlicenčních pásmech s poměrně nízkou úrovní vysílaného výkonu, aby nebyly neporušovány platné předpisy telekomunikačních úřadů 43