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 Červenec 2011
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 22. 7. 2011 Martin Kutálek
Poděkování vedoucímu práce Tímto děkuji panu Ing. Josefu Lukešovi, vedoucímu mé bakalářské práce, za cenné rady, věcné připomínky a dohled nad mojí prací. Martin Kutálek
Anotace Tato práce se zabývá tématem síťových technologií. Práce je rozdělena do deseti částí. První část popisuje OSI model, který popisuje jednotlivé vrstvy počítačové sítě. Druhá část se zabývá uspořádáním počítačové sítě neboli topologií, která definuje zapojení počítačové sítě. Třetí část popisuje Ethernet, coţ je v dnešní době nejpouţívanější technologie pro budování počítačových sítí. Čtvrtá část popisuje protokol TCP/IP, který je hlavním protokolem pro přenos dat v sítích. V páté části jsou popsány základní aktivní prvky počítačových sítí. Části šest aţ osm se zabývají samotnými přenosovými médii, z kterých se budují počítačové sítě. Devátá část se zabývá rozdělením počítačových sítí dle jejich velikosti, případně jejich pouţití. Desátá část obecně popisuje stavbu sítě pro potřeby společnosti, včetně moţností připojení k Internetu. This work deals with network technology. The work is divided into ten parts. The first part describes the OSI model, which describes the various layers of computer networks. The second part deals with computer network configuration and topology, which defines the connection of computer networks. The third section describes the Ethernet, which is today s most widely used technology for building computer networks. The fourth section describes the TCP/IP, which is the main protocol for transferring data thru networks. In fifth section are described basic active network elements. 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 design of computer network for purposes of small company, including Internet connection.
Obsah Úvod... 7 1. Jednotlivé vrstvy OSI modelu... 8 1.1. Protokoly a technologie jednotlivých vrstev OSI modelu... 9 2. Topologie počítačových sítí... 13 3. Specifikace Ethernetu... 18 3.1. Verze Ethernetu... 18 3.2. Typy Ethernetu... 19 3.3. Historie protokolu TCP/IP... 21 4. Aktivní prvky počítačových sítí... 22 5. Metalické sítě... 24 5.1. Ethernetová komunikace po elektrické síti... 24 5.2. Metalický kabel - koaxiální kabel... 24 5.3. Metalický kabel - kroucená dvojlinka (twisted pair)... 25 6. Optické sítě... 33 6.1. Optický kabel optické vlákno (Optical fiber)... 33 6.2. Měření optických vláken... 35 7. Bezdrátové sítě... 40 7.1. Volná pásma... 40 7.2. Modulace signálu bezdrátových sítí... 41 7.3. Normy bezdrátových sítí... 41 7.4. Licencovaná pásma... 45 7.5. WiMax... 45 7.6. Zabezpečení bezdrátových sítí... 46 7.7. Měření bezdrátových sítí... 47 8. Typy počítačových sítí... 48 8.1. Local Area Network - LAN... 48 8.2. Metropolitan area network - MAN... 48 8.3. Wide Area Network - WAN... 49 8.4. Virtual Local Area Network VLAN... 49 8.5. Wireless Local Area Network - WLAN... 49 9. Stavba počítačových sítí... 50 9.1. Moţnosti propojení budov... 52 9.2. Zapojení uvnitř budov... 54
9.3. Moţnosti připojení k Internetu... 56 Závěry a doporučení... 58 Seznam obrázků... 62
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 přestaly 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, email 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, a dále charakterizovat technologie pouţité při stavbě sítí. OSI model S rozvojem vzájemné komunikace počítačů (a obecně komunikujících zařízení) s různým technickým a softwarovým vybavením, je potřeba definovat obecná pravidla. Pro jednodušší popis těchto pravidel byl vytvořen hierarchický OSI model (Open Systems Interconnection Basic Reference Model). Referenční model je abstraktní popis síťové komunikace a protokolů pouţitých ke komunikaci mezi počítači. Model je rozdělen do sedmi vrstev, poskytuje základnu pro vypracování norem k účelům propojování systémů. 7
Konkrétní vrstva odesílatele komunikuje se stejnou vrstvou příjemce. Při odesílaní dat se provádí zapouzdření na jednotlivých vrstvách a předání další vrstvě. Začíná se nejvyšší vrstvou, ta se zabalí do nejbliţší níţší, atd. Rozbalování na straně příjemce probíhá opačně po vrstvách. Konkrétní vrstva odesílatele komunikuje se stejnou vrstvou příjemce. Při odesílaní dat se provádí zapouzdření na jednotlivých vrstvách a předání další vrstvě. Ne všechny počítačové protokoly striktně oddělují vrstvy OSI, ale pro základní orientaci je tento model velmi uţitečný (aplikace OSI modelu bude pouţita v části zabývající se Internetem). 1. Jednotlivé vrstvy OSI modelu Aplikační vrstva (applications) Obsahuje aplikace zvenku viditelné uţivatelem, jako je elektronická pošta, vzdálený terminálový přístup, přenos souborů. (6) Prezentační vrstva (presentation) Převádí jednotlivá data do standardních síťových formátů, provádí kompresi dat a kódování. Řeší rozdíly v reprezentaci dat mezi aplikací a síťovým formátem. (6) Relační vrstva (session) Spojení mezi aplikacemi, vytvoření a správa session. Komunikace jedné aplikace s druhou, posílání více dat po sobě. Udrţuje spojení mezi dvěma počítači. (14) Transportní vrstva (transport) Zajišťuje spojení mezi vstupními body jednotlivých komunikačních subsystémů. Endto-end spojení systémů, zajišťuje kompletní přenos dat, kvalitu sluţby. Řeší spolehlivé odeslání všech dat ze zdroje do cíle pomocí segmentace a potvrzování. (14) Síťová vrstva (network) Zajišťuje směrování dat mezi body komunikačních subsystémů. Logická adresace - routování - určení cesty paketu, přenos dat z bodu do bodu. Komunikace mezi zdrojovým a cílovým zařízením pomocí síťové adresy. (14) Data jsou zapouzdřena do paketů. Linková vrstva (data link) Řídí tok dat na přenosovém médiu (sériová linka, Ethernet, FDDI atd.). Fyzická adresace, např. u Ethernetu se pouţívá MAC - media access control a LLC - logical link control, datový tok, synchronizace rámů, komunikace 1 hop. Detekce chyb, řízení toku a přístupu na médium. 8
Data vytváří rámce (hlavička + data + zápatí). Fyzická vrstva (physical) Zajišťuje vlastní fyzické propojení. Fyzické parametry linky - média (kabely, rádio, světlo), signály a binární přenos. Řeší fyzické poslání dat (přenášeným bitům nepřiřazuje ţádný význam). (21) Data ve formě bitů. ISO OSI model 7. Aplikační vrstva 6. Prezentační vrstva 5. Relační vrstva 4. Transportní vrstva 3. Síťová vrstva 2. Linková vrstva 1. Fyzická vrstva 1.1. Protokoly a technologie jednotlivých vrstev OSI modelu Jednotlivé vrstvy OSI modelu obsahují skupiny protokolů komunikujících na těchto vrstvách. Technologiím fyzické vrstvy je věnována samostatná kapitola popisující jednotlivé síťové technologie. Protokoly aplikační vrstvy HTTP (HyperText Transfer Protocol) 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. (8) HTTPS (HyperText Transfer Protocol Secure) Nadstavba protokolu HTTP pro zajištění zabezpečeného spojení mezi webovým prohlíţečem a webovým serverem. Data jsou šifrována pomocí TSL nebo SSL. Zvyšuje bezpečnost spojení, mírně zpomaluje přenos dat. 9
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). (8) 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 naopak na server umísťovat. (8) Telnet Protokol Telnet umoţňuje vzdálené přihlašování k jinému počítači. Například na vzdáleném počítači je moţno 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. (8) 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. (8) 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). Také zajišťuje, aby se v síti nevyskytly dvě stejné IP adresy, aby nevznikl konflikt IP adres. Výhodou je moţnost změny adresace sítě centrálně bez potřeby spolupráce s uţivateli. (8) 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.). 10
Protokoly prezentační vrstvy SSL (Secure socket layer) a TLS (Transport Layer Security) Protokoly poskytující zabezpečení komunikace šifrováním a autentizací komunikujících stran. Vyuţívá se pro bezpečnou komunikaci pomocí HTTPS. Fungují na principu asymetrického šifrování (pouţití veřejného a soukromého klíče). TLS je nástupcem SSL. Protokoly relační vrstvy Netbios (Network Basic Input Output System) Jedná se o softwarový interface (API) pro zajištění síťové komunikace. Nepracuje s adresami ze síťové vrstvy, vyuţívá logická jména zařízení v síti, která si zařízení mohou libovolně volit. Stanice o svém jménu informuje prostřednictvím broadcastu (vysílání do celé sítě) v síti. Vyvinut společností IBM. 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 emailový 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). (8) 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. (8) SPX (Sequenced Packet Exchange) Protokol pouţívaný v sítích Novell NetWare (IPX/SPX). Především pro lokální sítě, v kterých je efektivnější neţ TCP. Zajišťuje sluţby pro spojení dvou uzlů. Především pro aplikace klient/server. V současné době nahrazen koncepcí TCP/IP. Je moţný souběh protokolů IPX/SPX a TCP/IP v jedné síti. 11
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). (8) ARP (Adress Resolution Protocol) 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. (8) 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. (8) 12
2. Topologie počítačových sítí Existuje 5 základní síťových topologií, ze kterých se vychází při konstrukci PC sítí. Sběrnicová topologie Obrázek 1: 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 více neţ dvou klientů v jednom okamţiku vznikají v síti kolize. Při velké komunikaci více stanic dochází k mnoha kolizím a klesá propustnost sítě. Odstraňování problémů na těchto sítích je obtíţné, protoţe při rozpojení sítě v jakémkoliv segmentu se stává celá síť nefunkční. 13
Kruhová topologie Obrázek 2: Kruhová topologie (Zdroj:Vlastní úprava) Jako přenosové médium se pouţívá kroucená dvojlinka nebo optický kabel. Hlavní výhodou je snadný průběh komunikace, protoţe data putují pouze jedním směrem, i kdyţ současně 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. Typickým zástupcem technologie kruhové topologie byl Token Ring od IBM. V současné době byl Token Ring nahrazen Ethernetem. 14
Hvězdicová topologie Obrázek 3: 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 pomocí UTP nebo STP kabelu. Při výpadku jakéhokoliv místa sítě, zbytek sítě komunikuje dále bez problémů. Problém nastává v případě, kdy přestane fungovat centrální bod sítě. 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 15
Stromová topologie Obrázek 4: Stromová topologie (Zdroj:Vlastní úprava) Tato topologie vychází, 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. Tato topologie se v dnešní době pouţívá pro zapojení sítí kde je potřeba propojit několik hvězd dohromady. Topologie vhodná pro sloţité sítě. 16
Topologie mřížky Obrázek 5: Topologie mřížky (Zdroj:Vlastní úprava) V topologii mříţky jsou uzly propojeny s více účastníky. Buď se můţe jednat o plnou mříţku, kdy je kaţdý uzel spojený se všemi ostatními tak, ţe 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. Tato topologie se pouţívá v sítích, kde je potřeba zálohovat jednotlivé propojení sítí, tak aby při výpadku některého segmentu sítě mohla komunikace pokračovat. Topologie uţívaná v síti Internet. 17
3. Specifikace Ethernetu Ethernet byl 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. Původně byla rychlost 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s, nejnovější aţ 40 nebo 100 Gbit/s Výhodou je snadná instalace, flexibilní kabeláţ a rozumná cena. V dnešní době se jedná o standard. Nevýhodou je při vzrůstajícím počtu stanic sniţování průchodnosti (zvýšení počtu kolizí a sníţení rychlosti). 3.1. 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 2003. 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. 18
3.2. 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. (19) 10Base2 Ethernet na tenkém koaxiálním kabelu o rychlosti 10 Mbit/s. Koaxiální kabel tvoří sběrnici, ke které se připojují jednotlivé stanice přímo. Kabel má impedanci 50 Ω (RG- 58), nesmí mít ţádné odbočky a je na koncích zakončen odpory 50 Ω (tzv. terminátory). (19) 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. (19) 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. Obvykle tvořila tzv. páteřní síť, která propojuje jednotlivé menší celky sítě. Dnes je jiţ nahrazována vyššími rychlostmi (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet). (19) 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 7. (19) 100Base-FX Standard pro vícevidová (multimod) optická vlákna. Tato norma umoţňovala vzdálenost mezi aktivními prvky sítě do 2 000 metrů. (19) 1000Base-T Ethernet s rychlostí 1 000 Mbit/s, který se nazývá Gigabit Ethernet. Vyuţívá 4 páry UTP kabeláţe kategorie 5e, je definován do vzdálenosti 100 metrů. (19) 1000Base-SX Gigabit Ethernet pouţívající mnohavidové optické vlákno. Je určen pro páteřní sítě do vzdáleností několik set metrů. (19) 19
1000Base-LX Gigabit Ethernet pouţívající jednovidové optické vlákno. Je určen pro větší vzdálenosti, aţ několika desítek kilometrů. V dnešní době umoţňuje spoje na vzdálenost aţ 80 kilometrů. (19) 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 metrů, 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. (19) 40GBase a 100GBase Ethernet s rychlostí 40 a 100 Gbit/s pouţívá optická vlákna. U optických vláken dosahuje vzdáleností aţ 40 km (jednovidová 100GBASE-ER4), případně 125 m (vícevidová 40GBASE-SR4/100GBASE-SR10 ). U metalických kabelů do délky 7 m (40BASE-CR4/100GBASE-CR10). 20
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 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. Vzhledem k této podpoře se protokol těší kompatibilitě s velkým mnoţstvím 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. 3.3. 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 podílely přední univerzity USA. Svou dnešní podobu získaly nové protokoly v letech 1977-79, brzy poté na tyto protokoly začala postupně přecházet i síť ARPANET, která se později stala zárodkem a páteří Internetu, jak jej známe dnes. 21
4. Aktivní prvky počítačových sítí Opakovač (repeater) Prodluţuje segment 10Base2 nebo 10Base5 Ethernetu na koaxiálním kabelu. Umoţňuje prodlouţit síť o další segment tak, ţe teoretická vzdálenost naroste na dvojnásobek. V současné době se jiţ nepouţívá, koaxiální technologie je překonaná a pouţívá se kroucená dvojlinka. Rozbočovač (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 časovému zpoţdění mezi nejvzdálenějšími částmi kolizní domény. Rozbočovače jsou v dnešní době nahrazeny přepínači. Most (bridge) Spojuje dvě části sítě na druhé (linkové) vrstvě. Ve své paměti si sestaví tabulku MAC (fyzických) adres z jednotlivých segmentů sítě. Je-li příjemce na stejném segmentu jako odesílatel, most data nepošle do jiného segmentu. Mosty jsou neviditelné pro jednotlivé stanice. Propojené sítě se jeví jako jedna lokální síť. Pouţívají se i u WiFi sítí jako jedna z variant nastavení access pointu. 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 pakety necestují celou sítí. Nezbytnost pro větší sítě. Existují switche, které je moţné konfigurovat tak, aby chránily síť před přetíţením, případně mohou blokovat provoz na určených portech apod. Kolizní domény jsou ohraničeny jen na jednotlivé porty. Tím se řeší přetíţení Ethernet sítí způsobený kolizemi. Existují swithe pro kroucenou dvou linku i pro optický kabel, případně smíšené. Směrovač (Router) Spojuje sítě na úrovni 3. vrstvy modelu OSI (síťová) a přenáší mezi nimi data. Základem je směrovací tabulka (anglicky routing table), která obsahuje informace 22
pro rozhodování o směrování. Obsahuje zjednodušený obraz topologie sítě, podle které systém rozhoduje, jak naloţit s přijatým nebo odesílaným datagramem. Kaţdý řádek obsahuje jednu směrovací informaci, kam poslat paket z příchozí podsítě. Při zpracování datagramu je cílová adresa porovnána se záznamy ve směrovací tabulce. Při nalezení shody je podle daného záznamu datagram zpracován. Bezdrátový bod (Access point) Zařízení, které poskytuje bezdrátový signál klientským zařízením. Zařízení můţe vysílat signál v různých reţimech: Access point - připojená zařízení jsou v módu klient, takţe bezdrátový bod je jakýmsi centrálním uzlem pro všechna bezdrátová zařízení na něj připojené Client - koncový bod při připojení na Access point. Není moţno se připojit dalším zařízením. Point-to-point - tento reţim provozu se pouţívá pro vytváření spojů, kdy je vyţadováno spojení pouze mezi 2 body Point-to-multiplepoint - stejný reţim jako point-to-point, ale je moţno připojit více bodů. Opět jako v případě módu access point je jedno zařízení centrálním spojem sítě WDS - reţim při kterém je moţno propojovat více zařízení mezi sebou a současně na ně připojovat klientské body. Při pouţití tohoto reţimu se v síti sniţuje rychlost, takţe není moc vyuţíván. Toto je shrnutí několika základních reţimů, existují ještě další reţimy pouţití bezdrátových zařízení, ale jsou většinou speciálním řešením různých výrobců. 23
5. 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. 5.1. 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 Mbit/s s výhledem aţ 200 Mbit/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 Mbit/s (reálná hodnota můţe být u různých výrobců, 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. 5.2. Metalický kabel - koaxiální kabel V dnešní době zastaralá technologie se sběrnicovou topologií. Označována jako 10base5 pro tlustý Ethernet (thick Ethernet), 10Base2 pro tenký Ethernet (thin Ethernet). Pro propojení se vyuţívala sběrnicová topologie a kruhová topologie (token ring). 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 paketů na síti, se paket zahodí a poté se čeká náhodnou dobu na nové vysílání. Toto generuje problémy především v okamţiku velkého zatíţení. 24
Vzdálenost celého jednoho segmentu sítě je 180 metrů (tenký Ethernet) nebo 500 metrů (tlustý Ethernet). Tato vzdálenost se dá prodlouţit pomocí aktivního prvku známého jako repeater (opakovač), který umoţní prodlouţit segment sítě aţ 3krát. 5.3. 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 fólie navíc. Nevýhodou kroucené dvojlinky zůstává dosaţitelná vzdálenost na úrovni 100 metrů. Pro běţné pouţití jsou nejdůleţitější informace o přiřazení pinů koncovky RJ 45, coţ je koncovka pro 8 vodičovou a 100 ohmovou kroucenou dvojlinku. Nestíněná kroucená dvojlinka (UTP) má kategorie 3, 4, 5e, 6a, 7. Pro zapojení vodičů jsou specifikovány dvě varianty T568A a T568B, viz Obrázek 6: Zapojení vodičů kroucená dvojlinka Obrázek 6: Zapojení vodičů kroucená dvojlinka (Zdroj: http://www.pccitizen.com/rj45.htm) Kategorie 3 Původně se komponenty kategorie 3 pouţívaly pro přenos hlasu i dat. Prvky kategorie 3 se dnes pouţívají pouze pro telefonní rozvody (např. propojovací ISDN panely, kabely k telefonní ústředně či propojovací kabely k telefonnímu přístroji). Maximální 25
přenosová rychlost, které bylo moţné dosahovat na kabeláţích kategorie 3, byla 10 Mbit/s (protokol 10Base-T). Kategorie 5e Kategorie 5e je kategorie 5 rozšířená o definici Far End Crosstalk (FEXT) a Delay Skew. Tato kategorie byla tedy upravena tak, aby fungovala se standardem 1000BASE- T (gigabitový Ethernet), kategorie 5 (100BASE-T). 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 uzly. Kategorie 6a Navrţena pro gigabitové sítě a je zpětně kompatibilní (100 Mbit/s, 10 Mbit/s). 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 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 kategorie 6 a 7 staly v praxi nepouţitelnými, protoţe chybějící kritérium pro Alien Crosstalk je výkonnostně postavilo na úroveň kategorie 5E. Kromě nové kategorie 6a je tedy z původně zavedených kategorií vyuţitelná jen kategorie kategorie 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, nahradila ji přenosová rychlost. Kategorie 7 Byla původně navrţena pro 10 gigabitové sítě. Návrh kabeláţe byl vydán ještě před specifikací 10BaseT a nebyl specifikován Alien Crosstalk. Je zpětně kompatibilní (1000, 100, 10 Mbit/s). 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, 26
neţ u kategorie 6. Dosahuje se toho 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: 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 metrů. Kapacitance Při 800 Hz 52 pf/m kapacitance je zdánlivý odpor součástky s kapacitou (nejčastěji kondenzátoru) proti průchodu střídavého elektrického proudu dané frekvence. Induktance Zdánlivý odpor součástky s indukčností (nejčastěji cívky) proti průchodu střídavého elektrického proudu. 27
Obrázek 7: Parametry kroucené dvojlinky (Zdroj: http://www.draka.com/draka/countries/draka_norway/languages/norsk/navigation/produkt 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 8: NEXT (Zdroj: http://www.signamax.cz/info.jsp?doc=5c48dfac7571dd9cc125734c0068e61a&print=1) 28
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 9: FEXT (Zdroj: http://www.signamax.cz/info.jsp?doc=5c48dfac7571dd9cc125734c0068e61a&print=1) 29
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 10: ACR (Zdroj: http://www.signamax.cz/info.jsp?doc=5c48dfac7571dd9cc125734c0068e61a&print=1) 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 výběr kvalitních kabelů a dodrţení doporučené vzdálenosti a postupů instalace. Dále jsou implementovány technologie pro předcházení (zabránění) vlivu 30
EMI/RFI. Jsou nazývány stínění (shielding) a potlačení (cancelation). Obě jsou diskutovány v sekci věnované rozdílům mezi stíněnými a nestíněnými kabely. (15) PS-NEXT Výkonový součet přeslechů. Určuje, kolik přeslechů signálu se v rámci jednoho kabelu dostává ze tří párů do zbývajícího čtvrtého páru. Zdroj signálu a měření přeslechu probíhá na stejném konci kabelu. (15) Obrázek 11: PSNEXT (Zdroj: http://www.signamax.cz/info.jsp?doc=5c48dfac7571dd9cc125734c0068e61a&print=1) 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. 31
Obrázek 12: Delay skew (Zdroj: http://www.signamax.cz/info.jsp?doc=5c48dfac7571dd9cc125734c0068e61a&print=1) 32
6. 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. 6.1. 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 daném prostředí. Na rozhraní látek, s různým indexem lomu, dochází k odrazu světla. Při úhlu dopadu menším neţ je mezní úhel, dochází k totálnímu odrazu. Variantou rozloţení indexu lomu jsou tzv. gradientní vlákna. Útlum u dlouhých vlnových délek se nazývá 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 zabránění vlivu vlhkosti. Oblast kolem 850 nm se pouţívala dříve, 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 pouţívána pro přenosy na dlouhé vzdálenosti, protoţe má nejmenší útlum na metr vzdálenosti (0,2 db/m). 33
Vícevidová (mutlimode-mm) Obrázek 13: Princip šíření světla v optickém kabelu multimod (Zdroj:Vlastní úprava) Paprsek se 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). Vícevidová vlákna pouţívají dva průměry jádra: 62.5/125 µm (průměr jádra/funkční ochrany) 50/125 µm - lepší vlastnosti: větší vyuţitelná šířka pásma, menší útlum. Numerická apertura je sin maximálního úhlu, pod kterým můţe paprsek do vlákna vstoupit, aby se šířil dále. Jako zdroje světla se pouţívají LED Diody, které 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 µm 62/125 µm 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 34
Jednovidová (singlemod-sm) Obrázek 14: 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. Pouţití pro páteřní telekomunikační trasy (aţ 70 km bez opakovačů). Průměr jádra okolo 9 µm. 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 <18. 6.2. 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. Základním problémem je změření za standardních podmínek, velikosti vstupního signálu a tvarem optického signálu, který bude odpovídat provozním podmínkám. Měření jsou závislá na čistotě konektoru jak měřené trasy, tak referenčního kabelu. 35
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 15. 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 vyšších řádů. Pouţívají se předřazená vlákna, která jsou navinuta na trn. Obrázek 15: Průchod různých zdrojů (gradientním) vláknem (Zdroj: http://thefoa.org/tech/ref/testing/accuracy/accuracy.html) 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. 36
Jeden kabel mezi zkušební zdroj a měřič výkonu Obrázek 16: Metoda měření B jeden kabel (Zdroj http://thefoa.org/tech/ref/testing/5ways/fiveways.html) Porovnává se měřený kabel s refenčním. Do měření se nezapočítávají koncové konektory. Měřicí přístroj změří světlo, které vychází z vlákna. Nula je kalibrována přímo na referenční kabel. Dva kabely Obrázek 17: Metoda měření A (Zdroj: http://thefoa.org/tech/ref/testing/5ways/fiveways.html) 37
Tři kabely Referenční kabel zůstává součástí měřené trasy. Podmínkou jsou stejné konektory. Obrázek 18: Metoda měření C (Zdroj http://thefoa.org/tech/ref/testing/5ways/fiveways.html) 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 19: Měření pomocí optického refrektometru (Zdroj: http://thefoa.org/tech/ref/testing/5ways/fiveways.html) 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. 38
Obrázek 20: Příklad měření OTDR (Zdroj: http://thefoa.org/tech/ref/testing/5ways/fiveways.html) Na Obrázku 23 je příklad 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 Výsledky, ztráta v db, směrodatná odchylka 1 kabelová reference 2,96 db, +/-0,02 db 2 kabel reference 2,66 db, +/-0,2 db 3 kabelová reference 2,48 db, +/-0,24 db OTDR samotného kabelu 1,91 db / 2,05 db (reverzní směr) (Zdroj: http://thefoa.org/tech/ref/testing/5ways/fiveways.html) 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 na směru tak, jak je uvedeno u OTDR. Toto je 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. 39
7. 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. 7.1. Volná pásma Tyto standardy jsou určeny pro běţné uţivatele. Vzhledem k ceně aktivních prvků se Wi-Fi sítě velmi rychle rozšířily a dnes jsou ve většině nově prodaných zařízení. Celosvětově jsou jako volná pásma definovány frekvence 2,4 GHz a 5,3-5,8 GHz. V České republice do této kategorie spadá ještě pásmo 10,5 GHz a 80 GHz. V případě 10,5GHz je to výjimka do roku 2012. 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, kdy 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. S 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 10 GHz standardně spoje dokáţí přenést stovky Mbit/s. Na frekvenci 80 GHz jiţ dnes existují spoje s rychlostí aţ 1 Gbit/s. Všechna zařízení montovaná do spotřební elektroniky operují v bezlicenčních pásmech s poměrně nízkou úrovní vysílaného výkonu, aby nebyly neporušovány platné předpisy telekomunikačních úřadů. 40
7.2. Modulace signálu bezdrátových sítí DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Modulace přímého rozprostřeného spektra. Kaţdý jednotlivý bit určený k přenosu je nahrazen početnější sekvencí bitů. Tímto vzniká redundance přenášených dat, která poskytuje spoji větší odolnost vůči rušení. OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing) Širokopásmová modulace vyuţívající dělení kanálu na větší mnoţství dalších frekvencí. Tímto se dosahuje ještě větší odolnosti vůči rušení neţ u DSSS. OFDM modulace se například také pouţívá u ADSL. 7.3. Normy bezdrátových sítí Níţe jsou popsány nejběţnější a nejpouţívanější normy bezdrátových sítí pouţívaných v Česku. Jedná se pouze o normy, které spadají do volných pásem. 802.11b/g Norma definovaná v roce 1999 na frekvenci 2,4 GHz. Pro tuto normu je definováno 13 kanálů se šířkou 22 MHz, které se navzájem překrývají. 802.11b Norma s maximální rychlostí přenosu 11 Mbit/s half-duplex, reálná přenosová rychlost v jednom směru 5,5 Mbit/s. Tato norma pouţívá modulaci signálu DSSS. 802.11g Maximální rychlost přenosu 55 Mbit/s half-duplex, reálná přenosová rychlost v jednom směru 20 Mbit/s. Tato norma se pouţívá především uvnitř budov pro zapojení domácích sítí. Tato norma jiţ vyuţívá modulaci OFDM. 41
Tabulka zobrazující frekvence jednotlivých kanálů a jejich překryv Kanál Prostřední frekvence Šířka kanálu 1 2,412 GHz 2,401-2,423 2 2,417 GHz 2,406-2,428 3 2,422 GHz 2,411-2,433 4 2,427 GHz 2,416-2,438 5 2,432 GHz 2,421-2,443 6 2,437 GHz 2,426-2,448 7 2,442 GHz 2,431-2,453 8 2,447 GHz 2,436-2,458 9 2,452 GHz 2,441-2,463 10 2,457 GHz 2,446-2,468 11 2,462 GHz 2,451-2,473 12 2,467 GHz 2,456-2,478 13 2,472 GHz 2,461-2,483 V tabulce je zobrazen překryv jednotlivých kanálů. Reálně zabírá kaţdý kanál další 4 kanály kolem sebe (2 kanály nahoru a 2 kanály dolů). 802.11a Norma definovaná v roce 1999 na frekvenci 5 GHz. Pro tuto normu je definováno 52 kanálů se šířkou 20 MHz, které se navzájem na rozdíl od 802.11b nepřekrývají. Modulace signálu je jiţ OFDM. První zařízení pro tuto normu se začali objevovat v roce 2001, ze začátku bránila většímu rozšíření cena zařízení, v současné době se ceny zařízení pohybují kolem 1 000 korun. 42