Medii de Comunicatie. Transmiterea Informatiilor la Nivel Fizic

CAPITOLUL I

INTRODUCERE

Întrepătrunderea între domeniul calculatoarelor și cel al comunicațiilor a avut o influență profundă asupra modului în care sunt organizate sistemele de calcul. Conceptul de Centru de Calcul în accepțiunea sa de încăpere unde există un calculator mare, la care utilizatorii vin să-și ruleze programele, este depășit. Vechiul model în care un singur calculator mare deservește problemele organizației, a fost înlocuit de un model în care munca este realizată de un număr mare de calculatoare, independente dar interconectate.

O rețea de calculatoare este o colecție de sisteme autonome interconectate. Dacă un calculator poate să pornească, să oprească sau să controleze în mod forțat un altul, atunci calculatoarele nu sunt autonome.

Adeseori se face confuzie între rețelele de calculatoare și sistemele distribuite. Deosebirea esențială constă în faptul că într-un sistem distribuit, existența mai multor calculatoare autonome este transparentă pentru utilizator. Într-o rețea, utilizatorii trebuie să se conecteze explicit la o anumită mașină, să comande explicit execuția proceselor la distanță, să transfere explicit fișierele, etc. Un sistem distribuit este de fapt o aplicație construită pe infrastructura unei rețele de calculatoare.

Rețelele de calculatoare au următoarele caracteristici, care le fac atractive pentru utilizatori:

Fiabilitate ridicată.

Rețelele de calculatoare au o fiabilitate ridicată, doearece permit accesul la mai multe unități de prelucrare și echipamente periferice alternative.

Preț de cost scăzut.

Calculatoarele personale au un raport de preț/performanță mult mai bun decât sistemele mari. O rețea alcătuită din mai multe calculatoare personale ieftine, poate să concureze în ceea ce privește performanțele cu un sistem de calcul de categoria celor medii.

Scalabilitate.

Performanțele unei rețele de calculatoare pot să fie înbunătățite pe parcurs, prin adăugarea de noi echipamente, din ce în ce mai performante.

Principalele aplicații ale rețelelor de calculatoare beneficiază de posibilitățile de partajare a resurselor și de schimbul de informații între echipamente, pe care acestea le oferă.

Pentru buna distribuire a resurselor și a informațiilor între echipamentele rețelei de calculatoare acestea sunt organizate sub forma mai multor straturi, fiecare dintre ele bazându-se pe cel inferior. Scopul fiecărui nivel este să asigure anumite servicii nivelurilor superioare, protejându-le de detaliile de implementare a acestora.

Nivelul n de pe o mașină conversează cu același nivel de pe mașina partenerului de comunicație. Regurile și convențiile utilizate în conversație sunt cunoscute sub denumirea de protocol. Un protocol de comunicație reprezintă o înțelegere între părțile ce comunicăasupra modului de desfășurare a comunicării.

De fapt nivelurile superioare nu comunică direct, ci prin intermediul nivelurilor de dedesubt. Comunicația efectivă se realizează la fiecare calculator gazdă pe verticală și pe orizontală doar între nivelurile aflate la baza ierarhiei. Modelul de organizare al unui echipament de calcul conectat la o rețea de calculatoare, este prezentat în figura_1:

Comunicație virtuală

Figura_1. Organizarea echipamentelor de rețea

Cele mai cunoscute modele arhitecturale ale rețelelor de calculatoare sunt:

Modelul OSI;

Modelul TCP/IP;

Modelul Novell NetWare.

Primul model, are un caracter mai teoretic, și este foarte util pentru înțelegerea funcționării rețelelor de calculatoare. Ultimele două au la bază arhitecturi funcționale de rețele de calculatoare.

Modelul OSI (Open System Interconnection) a fost propus de către ISO (International Standards Organisation) în anul 1984. Modelul OSI oferă o descriere a modului în care componentele hardware și software dintr-o rețea pot funcționa pe mai multe niveluri pentru a face posibilă comunicația.

Acest model prevede structurarea funcțiilor de rețea pe șapte niveluri. Nivelurile modelului OSI sunt:

Nivelul Fizic;

Nivelul Legătură de date;

Nivelul Rețea;

Nivelul Transport;

Nivelul Sesiunii;

Nivelul Prezentare;

Nivelul Aplicație.

Pentru ca un mesaj de nivel n să ajungă la destinație, acesta străbate pe verticală toate nivelurile de dedesubt, până la nivelul fizic. Fiecare nivel adaugă mesajului un antet specific (vezi figura_2). La destinație mesajul străbate în sens invers stiva de protocoale, fiecare nivel eliminând propriul antet.

Aplicație

Prezentare

Sesiune

Transport

Rețea

Leg. de

date

Fizic

Figura_2.Călătoria unui mesaj prin stiva de protocoale OSI

Subrețeaua de comunicație poate să modifice anteturile pachetului până la nivelul rețea inclusiv sau chiar să fragmenteze pachetele pentru a le putea trimite prin anumite tipuri de rețele.

1 .NIVELUL FIZIC

Nivelul Fizic se găsește la baza ierarhiei modelului OSI. Acesta realizează efectiv transmisia biților prin mediul fizic, între calculatoarele învecinate (între care există o legătură fizică), fără a le interpreta semnificația. Specificațiile nivelui fizic se referă la:

-Viteza de comunicație;

-Tipul comunicației (duplex sau semiduplex);

-Modalitatea de reprezentare a valorilor binare;

-Tipul de conector și tipul de cablu;

– Modalitatea de stabilire și de încheiere a conexiunii.

2 .NIVELUL LEGĂTURĂ DE DATE

Acest nivel transformă mediul de comunicație într-unul lipsit de erori nedetectate. În acest scop, îmbracă pachetele nivelului rețea în cadre , pe care le transmite secvențial și prelucrează cadrele de comfirmare sosite de la receptor. Deoarece nivelul Fizic nu face decât să transmită o succesiune de biți, fără să se preocupe de structura sau semnificația acestora, nivelului Legătură de date îi revine sarcina de a marca și de a recunoaște delimitările cadrelor. Marcarea se realizează prin inserarea unor șabloane speciale la începutulși la sfârșitul fiecărui cadru. Dacă șabloanele apar accidental în interiorul cadrului, trebuie luate măsuri pentru a se evita confuziile.

Recepționarea cadrelor poate fi afectată de diverse perturbații.astfel cadrele pot să sosească la destinație cu erori sau se pot pirde cu totul. Pierdera confirmărilor duce la apariția unor cadre duplicate, deoarece cadrele neconfirmate vor fi retransmise. Toate aceste probleme trebuie rezolvate la acest nivel.

Nivelul Legătură de date poate să ofere nivelurilor superioare mai multe clase de servicii, caracterizate prin calitate și preț.

Pentru verificarea corectitudinii este nevoie de niște mesaje de confirmare din partea receptorului. Dacă linia poate transmite date în ambele sensuri, este mai economic să se atașeze confirmările de cadrele care circulă în sens invers, ocupând astfel un singur câmp din antetul acestora (procedeul se numește piggybacking). Dacă nu apare nici un astfel de cadru în timp util, trebuie transmisă confirmarea printr-un cadru separat pentru evitarea retrasmisiilor.

O altă funcție a acestui nivel, ce este implementată și în cadrul unor niveluri superioare, este controlul fluxului. Prin cotrolul fluxului se evită ca un transmițător rapid să sufoce cu o multitudine de pachete un receptor lent. Pentru rezolvarea acestei probleme este nevoie de un mecanism prin care receptorul să poată să determine transmițătorul să-și întrerupă periodic transmisia pachetelor. De obicei controlul fluxului și tratarea erorilorsunt integrate.

Pentru rețelele cu difuzare de mesaje, trebui să se rezolve problema accesului la nivelui Legătură de date, care se numește subnivelul de Acces la Mediu.

3 . NIVELUL REȚEA

Acest nivel se ocupă de controlul funcționării subrețelei de comunicație. Principala problemăce trebuie rezolvată este dorijarea pachetelor de la sursă spre destinație.

Există algoritmi de dirijare statici, ce se bazează pe niște rute înscrise în memoria comutatoarelor, și care se modifică rar, și algoritmi dinamici, care stabilesc traseul pentru fiecare pachet în funcție de distanțe, de întârzieri sau de gradul de încărcare a liniilor subrețelei de comunicație.

O altă funcție a nivelului Rețea este evitarea congestionărilor. În acest scop trebuie să existe o comunicare între toate comutatoarele, pentru limitarea numărului de pachete transmise pe rutele aglomerate.

La acest nivel se poate realiza și contabilizarea traficului diverșilor utilizatori. Această problemă poate să fie dificil de rezolvat dacă pachetele traversează rețele cu sisteme de contabilizare diferite.

Dacă lungimea unui pachet depășește limita suportată de o rețea pe care trebuie să o traverseze, acesta va fi fragmentat și refăcut în partea cealaltă.

Deoarece pachetele trebuie dirijate uneori prin rețele diferite, nivelul Rețea trebuie să rezolve problemele legate de diferențele de protocol și de schemele de adresare diferite.

În cadrul rețelelor cu difuzare de mesaje problema dirijării este extrem de simplă, și în consecință acest nivel este foarte subțire, sau poate să lipsească.

4.NIVELUL TRANSPORT

Nivelul Transport este primul nivel în care are loc o comunicație de tip capăt-la-capăt între calculatoarele gazdă. Anteturile și mesajele de control ale protocoalelor de acest nivel nu vor fi modificate sau interpretate în rețeaua de comunicație. La nivelurile inferioare, comunicațiile se desfășoară între vecinii imediați. Calculatoarele gazdă pot să fie separate de multe comutatoare.

Acest nivel asigură transportul mesajelor nivelului Sesiune la destinație, în ordine și fără erori.

Pentru creșterea eficienței transmisiilor, mesajele ce nu au o lungime corespunzătoare, vor fi împachetate. Cele prea lungi vor fi fragmentate în mai multe pachete, iar cele prea scurte vor fi concatenate într-un singur pachet.

Nivelul Transport izolează nivelurile superioare de schimbările de tehnomogie ce afectează nivelurile de dedesubt.

Acest nivel stabilește și anulează conexiunile de nivel Rețea. Există următoarele 3 variante:

Pentru fiecare conexiune de nivel Transport, se creează o singură conexiune de nivel Rețea.

Dacă întreținerea unei conexiuni de nivel Rețea este costisitoare, se pot multiplexa mai multe conexiuni de nivel Transport, pe o singură conexiune de nivel Rețea.

O singură conexiune de nivel Transport poate să fie distribuită pe mai multe conexiuni de nivel Rețea, asigurându-se echilibrarea încărcării acestora.

O altă funcție a nivelului Transport, pe care am întâlnit-o și la nivelul Legătură de date, este controlul fluxului. De data aceasta este vorba însă de controlul fluxului între comutatoare, dar se realizează prin tehnici similare.

Anteturile nivelului Transport conțin niște numere de port, care indică aplicația cărei îi aparțin mesajele.

Cel mai obișnuit tip de conexiune de nivel Transport este un canal capăt-la-capăt, care furnizează mesajele fără erori, în ordinea în care au fost transmiși. Există însă și alte tipuri de servicii, cum ar fi de exemplu transmiterea mesajelor individuale fără garanții referitoare la livrare sau trimiterea mesajelor către destinații multiple.

5.NIVELUL SESIUNE

Nivelul Sesiune oferă în principal următoarele trei servicii:

Controlul dialogului.

Gestionarea jetonului.

Sincronizarea.

Prin controlul dialogului între procesele care comunică, se stabilește care parte urmează transmisă, când, pentru cât timp, etc.

Gestionarea jetonului se poate utiliza pentru excluderea mutuală a proceselor ce efectuează operații critice.

Sincronizarea între procese se realizează prin inserarea unor marcatori în fluxul de date, cu scopul ca în caz de eșec să se poată relua operațiunea din punctul în care a fost întreruptă.

6.NIVELUL PREZENTARE

Nivelul prezentare oferă servicii de transformări asupra datelor operând la nivelul sintactic și semantic al informației transmise. Serviciile tipice oferite de acest nivel sunt:

Compresia datelor.

Conversia datelor între formatul de reprezentare al calculatoruluilicația cărei îi aparțin mesajele.

Cel mai obișnuit tip de conexiune de nivel Transport este un canal capăt-la-capăt, care furnizează mesajele fără erori, în ordinea în care au fost transmiși. Există însă și alte tipuri de servicii, cum ar fi de exemplu transmiterea mesajelor individuale fără garanții referitoare la livrare sau trimiterea mesajelor către destinații multiple.

5.NIVELUL SESIUNE

Nivelul Sesiune oferă în principal următoarele trei servicii:

Controlul dialogului.

Gestionarea jetonului.

Sincronizarea.

Prin controlul dialogului între procesele care comunică, se stabilește care parte urmează transmisă, când, pentru cât timp, etc.

Gestionarea jetonului se poate utiliza pentru excluderea mutuală a proceselor ce efectuează operații critice.

Sincronizarea între procese se realizează prin inserarea unor marcatori în fluxul de date, cu scopul ca în caz de eșec să se poată relua operațiunea din punctul în care a fost întreruptă.

6.NIVELUL PREZENTARE

Nivelul prezentare oferă servicii de transformări asupra datelor operând la nivelul sintactic și semantic al informației transmise. Serviciile tipice oferite de acest nivel sunt:

Compresia datelor.

Conversia datelor între formatul de reprezentare al calculatorului gazdă și formatul standard folosit pentru transfer.

Criptarea informațiilor.

Autentificarea.

Compresia are efectul benefic de reducere a volumului de date ce sunt transmise prin rețea, însă cu prețul unui effort de calcul mai mare.

Conversia datelor este esențială pentru asigurarea interoperabilității între sisteme de calcul ce au o structură diferită.

Criptarea informațiilor poate să asigure (într-o anumită măsură) confidențialitatea comunicațiilor.

Autentificarea are rolul de a stopa accesurile neautorizate la resursele unei rețele de calculatoare.

La acest nivel funcționează un redirector, care are rolul de a dirija operațiile de intrare/ieșire către resursele unui server.

7.NIVELUL APLICAȚIEI

Acesta este cel mai înalt nivel în ierarhia modelului OSI. El servește drept fereastră prin care aplicațiile au acces la serviciile de rețea. Cele mai cunoscute protocoale de nivel Aplicație sunt cele de transfer de fișiere (FTP File Transfer Protocol), poșta electronică (SMTP Simple Mail Transfer Protocol), accesarea unor pagini hipertext (HTTP Hipertext Transfer Protocol), terminal virtual, etc.

Un protocol de terminal virtual realizează corespondența între funcțiile terminalului real, și cele ale unui terminal virtual de rețea. Pe baza unui astfel de protocol se pot realiza aplicații de rețea independente de tipul de terminal.

Protocoalele de nivel aplicație sunt responsabile de tratarea erorilor (ce nu au putut fi rezolvate la nivelurile inferioare) și controlul fluxului.

CAPITOLUL II

TRANSM ITEREA INFORMAȚIILOR LA NIVEL FIZIC

Nivelul fizic are sarcina de a transporta o secvență de biți de la o mașină la alta. Pentru transmisie se pot folosi diverse medii fizice, fiecare fiind caracterizat, prin lărgime de bandă, întârziere, preț și cost de instalare și întreținere. Mediile fizice se pot împărți în două categorii:

-medii ghidate (cabluri de cupru sau fibre optice);

-medii neghidate (unde electromagnetice, raze infraroșii, fascicule laser, etc.).

A.VITEZA DE COMUNICAȚIE

Viteza maximă de comunicație ce poate fi suportată de un mediu fizic depinde de o serie de factori, dintre care de foarte mare importanță sunt lărgimea de bandă și nivelul de zgomot. Lățimea de bandă reprezintă diferența dintre frecvența cea mai mare și cea mai mică a unui semnal ce poate fi transmis prin mediul respectiv.

Nu există mediu capabil să transmită semnalele fără pierderi de putere. Dacă toate armonicele semnalului ar fi atenuate în aceeași măsură, semnalul ar ajunge la destinație fără distorsiuni. Din păcate însă nivelul de atenuare a armonicelor crește odată cu frecvența acestora. Figura_3 prezintă forma de undă a unui semnal digital, și ceea ce rămâne după filtrarea unor armonice.

Urmează un scurt exemplu de calcul a numărului de armonice care ar putea fi transferate printr-un circuit telefonic, în funcție de viteza de comunicație. Notăm cu v viteza de comunicație în biți/secundă (bps). Perioada armonicei fondamentale T, reprezintă durata de transmitere a 8 biți.

Deci T= 8/v.

Frecvența armonicei fundamentale ff = 1/v = v/8.

Numărul de armonice na =H/ff , unde H este lățimea de bandă a circuitului. Pentru circuitele telefonice, H≈3KHz, deci na≈ 2400/v.

Rezultă imediat, că pentru o viteză de 9600 biți/s, vor ajunge la destinație doar două armonice, și pentru viteze mai mari, situația se înrăutățește și mai mult.

Viteza maximă de comunicație suportată de un anumit mediu fizic, este limitată de lățimea de bandă a acestuia, chiar și pentru medii perfecte. Pentru obținerea unor viteze cât mai mari, se folosesc tehnici de codificare sofisticate, cu mai multe niveluri de tensiune.

Semnalul

inițial

Amplitudinile primelor 16 armonice

din dezvoltarea Fourier

Suma primelor 8 armonice

Figura_3. Distorsiunea unui semnal digital prin eliminarea unor armonice

B. VITEZA MAXIMĂ DE COMUNICAȚIE PRINTR-UN MEDIU FIZIC

Transmiterea datelor de la un calculator la altul se realizează bit cu bit. În acest scop, transmițătorul codifică informațiile binare prin nivele de tensiune, frecvență sau fază. Receptorul citește forma de undă a semnalului și convertește starea acestuia la un moment dat, în informație binară.

Există două unitați de măsură pentru viteza de comunicație: baud și bps. Viteza exprimată în baud indică numărul de tranziții (numărul de schimbări de stare) pe secundă a semnalului. Viteza exprimată în bps indică numărul de biți transferați pe secundă. Dacă pentru codificare se folosesc două stări, atunci viteza în bps este egală cu viteza exprimată în baud. Însă dacă pentru codificare se folosesc 2ⁿ stări, atunci fiecare baud va transporta n biți de date. În acest caz, viteza exprimatăm în bps este de n ori mai mare decât viteza exprimată în baud.

Viteza maximă de transfer pentru un mediu fizic lipsit de zgomote, este dată de formula lui Nyquist:

vmax=2•H•log2V [bps]

Unde: H -reprezintă lățimea de bandă a mediului;

V -reprezintă numărul de nivele discrete folosite pentru codificarea valorilor binare.

Claude Shanon a demonstrat că pentru mediile fizice care au o lățime de bandă finită și sunt afectate de zgomote aleator distribuite în banda respectivă. Viteza maximă de transfer este dată de următoarea formulă:

vmax=H•log2(1+S/N) [bps]

Unde: H -reprezintă lățimea de bandă a mediului;

S/N –reprezintă raportul semnal/zgomot.

Un calcul sumar, arată că o linie telefonică nu va putea transporta, conform formulei lui Shanon, un flux de date mai mare de 30 kbps, chiar dacă raportul semnal/zgomot este de 30 dB (1dB= 10 log10 S/N).

În mod normal viteza maximă calculată cu formula lui Shanon nu poate fi atinsă, deoarece în fiecare canal există numeroase alte perturbații, pe lângă cele luate în considerare de respectiva formulă. Se poate observa că datorită naturii funcției log2, viteza poate fi mărită mai ușor prin creșterea lățimii de bandă decât prin creșterea raportului semnal/zgomot.

Modemurile din ultima generație pentru linii telefonice ating viteze de până la 56 kbps. Pentru a ajunge la asemenea performanțe, aceste modemuri utilizează o bandă de frecvențe mai lată de 3 kHz. Figura_4 ilustrează curba de răspuns tipică amplitudine – frecvență a unui circuit telefonic.

Amplitudine

0dB

300 3300 3.300 Figura_4.Curba de răspuns a unui circuit telefonic.

La un nivel de 0 dB lățimea de bandă este de aproximativ 3kHz. Pentru niveluri mai scăzute însă banda de frecvențe este cu ceva mai lată, ceea ce permite obținerea unor viteze de transmisie mai mari.

C.TRANSMISIA ÎN BANDA DE BAZĂ

Pentru transmisia în banda de bază se folosesc semnale digitale pe o singură frecvență. Semnalele sunt transmise sub forma unor impulsuri luminoase sau electrice. Întreaga lățime de bandă a mediului fizic este folosită pentru transmiterea unui singur semnal de date. Nivelul distorsiunilor și atenuările cresc odată cu distanța dintre transmițător și receptor. Pentru compensarea acestui neajuns, se pot instala pe traseu repetoare, care recepționează semnalul și îl retransmit amplificat și regenerat în forma sa inițială.

C1. CODIFICAREA MANCHESTER

Cea mai simplă metodă de reprezentare a cifrelor binare este bazată pe utilizarea a două niveluri de tensiune. Pentru cifra 0 se va folosi nivelul coborât de tensiune, iar pentru cifra 1 nivelul ridicat. Această tehnică simplă are două inconveniente, care o fac improprie folosirii în transmisiile de date la viteze mari.

Este dificilă determinarea marginilor biților. În acest scop sunt necesare semnale de ceas, care să permită sincronizarea receptorului cu treansmițătorul datelor.

În cazul unor succesiuni lungi de cifre de aceeași valoare, nu au loc tranziții ale semnalului, deci se va genera o componentă importantă de curent continuu. Aceasta face imposibilă folosirea unor elemente ieftine de izolare electrică între echipamentele de comunicație și mediul fizic (elemente de cuplare în curent alternativ).

Codificarea Manchester asigură o tranziție la mijlocul fiecărui bit. Aceste tranziții pot fi folosite pentru sincronizare ca semnal de ceas, iar semnalul rezultat nu va avea componentă continuă. Pentru codificarea datelor se folosesc tranziții și nu niveluri, ceea ce diminuează efectul zgomotului. Prețul ce trebuie plătit pentru toate aceste avantaje este dublarea lățimii de bandă necesare pentru transmiterea semnalului rezultat.

Există următoarele variante de codificare:

Manchester, care codifică biții prin sensul tranziției de la mijlocul intervalului acestora. Tranziția 1 → 0 indică cifra 1, iar tranziția 0 → 1 indică cifra 0. (vezi figura_5.a).

Manchester diferențial, ce codifică biții prin tranziția de la începutul perioadei acestora. Orice tranziție indică cifra 0, iar lipsa tranziției indică cifra 1. (vezi figura_5.b).

Manchester Manchester diferențial

1 0 1 0

(a) sau

(b)

Figura_5.Codificările Manchester și Manchester diferențial

D. Transmisia în bandă largă

Transmisia în bandă largă folosește semnale analogice, într-un domeniu de frecvențe. Dacă lățimea de bandă a mediului fizic este suficient de mare, se pot realiza mai multe transmisii simultan. De exemplu același cablu poate fi folosit atât pentru transmisii TV, cât și pentru rețelele de calculatoare. Dacă pentru transmisia în banda de bază se folosesc repetoare pentru regenerarea semnalelor, în cazul transmisiei în bandă largă se folosesc amplificatoare, pentru a reduce semnalele analogice la puterea lor inițială.

0 1 0 0 0 1 1 0

Figura_6. Prezintă forma de undă a unui cuvânt de date codificat Manchester și Manchester diferențial

E. TRANSMISIA DATELOR PRIN SISTEMUL TELEFONIC

Rețeaua telefonică comutată utilizează diverse metode de transmisie, de la perechi de fire, până la microunde, și filtrează semnalele ale căror frecvențe sunt în afara benzii de trecere de 300Hz-3.400Hz (banda vocală). Deci datele în forma lor inițială de impulsuri de curent continuu nu pot fi transmise prin aceste circuite, și este necesară o conversie a informațiilor digitale în tonuri (sau forme de undă asemănătoare tonurilor) care au frecvențe în bandă vocală.

La capătul emițător impulsurile semnalului digital sunt convertite în tonuri și transmise prin canalul telefonic, iar la capătul receptor se realizează conversia inversă. Aceasta este funcția unui modem (modulator-demodulator). Modemul emițător modulează un semnal analogic sinusoidal numit purtătoare pe baza datelor, și utilizează acest semnal pentru transportul informațiilor la celălalt capăt al circuitului telefonic. Modemul receptor demodulează semnalul analogic pentru reconstituirea semnalului inițial. În timp ce modemurile mai vechi nu acționau asupra datelor, cele moderne sunt capabile de a realiza compresia acestora, cu ajutorul unui procesor specializat.

Circuitele telefonice restricționează utilizarea anumitor frecvențe din banda de trecere, care sunt folosite pentru transmisia semnalelor de control în centrale. Modemurile nu pot utiliza aceste frecvențe, deoarece s-ar putea ca rețeaua să le interpreteze ca semnale de control.

Forma de undă a purtătoarei este caracterizată complet prin frecvență, amplitudine și fază. Aceștia sunt deci singurii parametri care pot fi modificați prin modulare pentru codificarea datelor.

Figura_7 ilustrează modulația în amlitudine , frecvență și fază. Modulația simplă în amlitudine nu se utilizează în comunicațiile de date, deoarece este sensibilă la zgomotele cauzate de diverse interferențe. Modemurile de mică viteză folosesc modulația în frecvență, cele de viteză mare modulația în fază, iar cele de foarte mare viteză realizează o combinație de modulație în fază și amplitudine.

0 1 0 0 0 1 1 0

Figura_7. Modulațiile în amplitudine, frecvență și fază

Modemurile performante utilizează o combinație de modulație cu deplasare diferențială de fază și modulație în amplitudine, rezultând mai multe stări posibile. Figura_8 reprezintă două diagrame amplitudine – fază (constelații) pentru modemurile de 9600 bps.

Alegerea numărului de faze și a nivelurilor de amplitudine se face funcție de o estimare cu privire la distorsiunile ce pot fi cauzate de sistemele telefonice. Pentru asigurarea interoperabilității modemurilor realizate de diverși producători, a fost necesară dezvoltarea unor standarde.

Standardul ITU V.32 utilizează o purtătoare cu frecvența de 1800Hz, și o viteză de modulare de 2400 baud. Constelația acestui modem are 16 puncte, deci fiecare baud va transporta 4 biți de date. Viteza maximă de comunicație este de 9.600 bps.

12 faze, 3 amplitudini

8 faze, 2 amplitudini

Figura_8.

Standardul ITU V.32 bis permite realizarea de comunicații full duplex la viteze de până la 14.400 bps în rețelele telefonice comutate. Pentru a se ajunge la o astfel de viteză, ar trebui ca transmisia să se facă cu 6 biți/baud. Pentru evitarea erorilor ce ar putea să apară la recepție datorită confuziei între punctele învecinate, s-a introdus un bit redundant, care este calculat de transmițător și verificat de receptor. Astfel se ajunge la o constelație cu 128 de puncte. Majoritatea modemurilor de v32 bis permit și comprimarea datelor în conformitate cu un standard ce se numește v.42 și care asigură un raport de compresie de aproximativ 4:1, în funcție de specificul datelor transmise. Astfel combinația v.32 bis + v.42 are o productivitate potențială de 57,6 kbps.

Standardul ITU v.34 introduce o tehnică sofisticată de codificare a datelor care permite atingerea unei viteze de 28.800 bps și a unei rate foarte scăzute de erori. Viteza de modulare este în acest caz de 3.200 baud, iar fiecare baud codifică 9 biți de date.

Ultimele standarde elaborate sunt v.32 bis, ce atinge viteza de 33.600 bps, și V.90 care definește un modem asimetric, ce poate recepționa date cu viteze de până la 56 kbps, și poate transmite în același timp date cu viteze de până la 33,6 kbps.

F. CABLUL COAXIAL

Cablul coaxial este frecvent utilizat în cadrul rețelelor locale de calculatoare.

Figura_9. Structura cablului coaxial.

Numele acestui cablu vine de la faptul că acești doi conductori au o axă comună. Autoecranarea dă rezultate bune la frecvențe de peste 100 kHz. Pierderile rezistive cresc proporțional cu pătratul frecvenței. Acest tip de cablu poate transporta semnale ce au frecvențe de până la 9.000 de MHz.

Pentru interconectarea echipamentelor de calcul se pot folosi următoarele două tipuri de cabluri coaxiale:

Cablu coaxial pentru transmisii în banda de bază, ce are o impedanță de 50 Ω și este folosit în cadrul rețelelor locale;

Cablul coaxial de bandă largă, ce are o impedanță de 75 Ω, și este folosit în cadrul rețelelor metropolitane. Datorită transmisiei analogice, cu acest tip de cablu se pot interconecta calculatoare aflate la distanțe mari, însă este nevoie de modemuri speciale, care au un preț de cost ridicat. Acest tip de cablu are avantajul că este deja instalat în majoritatea localităților importante.

G. FIBRE OPTICE

Capacitatea de transmisie a unui mediu fizic depinde direct de frecvența maximă pe care acesta o poate transporta. Fibrele optice sunt adecvate aplicațiilor ce necesită rete mari de transfer, pe distanțe lungi.

Fibrele optice prezintă următoarele avantaje:

Pierderile de putere sunt mici, deci se pot folosi fără probleme pentru transmisii la distanțe mari;

Frecvența de operare este cea a luminii. Lungimea de undă a transmisiilor prin fibre actuale este de 1,2 microni, ceea ce corespunde unei frecvențe de 800 THz. Această frecvență permite atingerea unor viteze de 20 Gbps;

Nu sunt afectate de zgomote electromagnetice și diafonie;

Nu prezintă probleme de securitate, sunt imposibil de realizat cuplaje inductive neautorizate;

Nu produc scântei, deci nu prezintă pericol de explozie;

Principalul dezavantaj al acestor cabluri constă în dificultatea de realizare a conexiunilor.

Pentru transmiterea informațiilor se folosește o sursă de lumină, ale cărei raze cad sub diferite unghiuri în raport cu axul fibrei optice (vazi figura_10). Dacă unghiul de incidență este 0, fasciculul luminos intră perpendicular pe secțiunea transversală, și se va propaga pe o direcție paralelă cu axa fibrei (figura_10.a). Dacă unghiul de incidență se situează între anumite limite, , atunci raza luminoasă este reflectată în interiorul fibrei, și se propagă în zigzag până ajunge la celălalt capăt (figura_10.b). Dacă unghiul de incidență este prea mare, raza luminoasă va ieși în afara fibrei optice și va fi absorbită de stratul de izolație al cablului (vazi figura_10.c).

Figura_10. Propagarea razelor luminoase prin fibre optice.

Modul în care se propagă lumina prin fibrele optice, depinde de diametrul acestora. În cazul fibrelor optice cu diametru mult mai mare decât lungimea de undă a fasciculului luminos, propagarea se realizează în zigzag. Unghiurile de incidență se mai numesc și moduri, iar o fibră care transportă mai multe moduri se numește multimod. Propagarea multimod are dezavantajul că la părăsirea fibrei apare o interferență între fasciculele de moduri diferite, vor fi defazate. Acest efect se numește dispersie modală a întârzierii, și limitează capacitatea de transport a fibrei, deoarece lărgește impulsurile în domeniul timp (vezi figura_11). Efectul dispersiei modale a întârzierii limitează lungimea cablurilor multimod.

Dacă diametrul fibrei este doar de câteva ori mai mare decât lungimea de undă a fasciculului luminos, se va propaga doar o singură rază în lungul fibrei, și nu vor apărea interferențe. Aceste fibre se numesc monomod.

Limitarea lățimii de bandă a fibrelor optice are două cauze:

Dispersia modală a întârzierii, ce apare în cazul fibrelor multimod;

Dispersia de material, ce apare în cazul unor surse luminoase ce emit mai multe componente spectrale, ce se vor propaga prin fibră cu viteze diferite.

Cablurile optice sunt folosite pentru legături punct-la-punct, deoarece tehnologia de conectare nu permite realizarea unor legături multipunct. Datorită lățimii de bandă și a atenuărilor reduse, acest tip de cablu este preferat pentru interconectarea rețelelor locale aflate la distanță.

H. CABLUL TORSADAT

Cablul torsadat (Twister Pair, pereche de fire răsucite) este în prezent cel mai folosit tip de cablu pentru rețelele locale.

Figura_12. Cablu torsadat.

Răsucirea firelor este necesară pentru reducerea interferențelor, deoarece o pereche de cabluri lungi dispuse în paralel s-ar comporta ca și o antenă ce ar capta diverse zgomote electromagnetice din mediul înconjurător. În cazul unui cablu cu mai multe perechi torsadate, pașii de răsucire sunt diferiți pentru fiecare pereche, și ei sunt astfel calculați încât să se minimizeze diafonia (interferența între perechile cablului).

Cu câțiva ani în urmă, acest tip de cablu era folosit doar în telefonie, și avea o lățime de bandă de 4kHz. Datorită progreselor tehnologice, în prezent cablurile torsadate ce suportă o lățime de bandă de 125 MHz au devenit obișnuite, și tendința de creștere a performanțelor se menține.

Cablurile torsadate pentru rețele de calculatoare se împart în 3 categorii:

UTP (Unshielded Twisted Pair), care prevede doar un înveliș de plastic exterior pentru protejarea perechilor.

STP (Shielded Twisted Pair), care prevede atât ecranarea separată a fiecărei perechi pentru eliminarea diafoniei, cât și un ecran exterior pentru toate perechile, pentru reducerea interferențelor și a posibilităților de interceptare neautorizate.

FTP, care prevede doar o folie exterioară de ecranare pentru întreg cablul.

I. COMUNICAȚII RADIO DE ÎNALTĂ FRECVENȚĂ

Undele electromagnetice de înaltă frecvență sau (HF Hight Freqvency) sau frecvențe cuprinse între 3 șo 30 MHz. Benzile din acest domeniu sunt alocate prin tratate internaționale unor servicii: posturi de radio, radioamatori, comunicații mobile navale și aeronautice, etc. Prin unde din domeniul HF se pot realiza comunicații la distanțe mari (de exemplu 6.500 km), cu puteri mici de emisie, deoarece sunt reflectate de diverse straturi ale ionosferei.

Ionosferă

Figura_13. Propagarea undelor electromagnetice din gama HF.

Mediul de transmisie în cazul radioreleelor este spațiu liber. Coeficientul de atenuare, în dB, nu crește la fel ca și în cazul cablurilor proporțional cu distanța ci doar cu logaritmul acestuia. Astfel se pot obține distanțe mai mari de acoperire fără amplificare decât dacă s-ar utiliza cabluri de cupru. În practică apar atenuări suplimentare datorită absorbției atmosferice și datorită dispersiei pe stropii de ploaie. Problema stropilor de ploaie apar doar la frecvențe ce depășesc 10 GHz. În acest caz este necesară utilizarea unei distanțe mai mici între radiorelee ceea ce duce ca frecvențele mai mari să se utilizeze în rețele mici.

În cazul comunicațiilor terestre interferențele datorită propagării pe trasee multiple pot crea serioase probleme.

Acestea se datorează reflexiilor la nivelul solului, suprafața apelor și tranzițiilor abrupte între straturile troposferice.

Capacitatea de transmisie a legăturilor radio sunt limitate. În cazul comunicațiilor terestre aceasta se datorează absorbției și datorită faptului că aceleași frecvențe pot fi reutilizate doar în locuri diferite suficient de depărtate. Astfel în canalele radio se realizează o transmisie a semnalului digital la debite de 155 Mbps, un debit SDH, 2×155 Mbps iar în viitor se vor utiliza transmisii la 622 Mbps.

Pentru comunicațiile spațiale se aplică același factor de bază din comunicațiile terestre la care se mai adaugă atenuarea datorită ploii. În sistemele cu sateliți se utilizează frecvențe în jur de 30 GHz. Problema în acest caz apare datorită numărului limitat de sateliți geostaționari care pot fi plasați pe orbite în planul ecuatorial. Distanța minimă dintre sateliți se dorește a fi de 2° .

Dezavantajul major al sistemelor cu sateliți este întârzierea mare introdusă (260 ms pentru o legătură sol – satelit – sol). Acest lucru introduce probleme în comunicațiile telefonice și în comunicațiile de date interactive. Legăturile de radioreleu, incluzând și sateliți, poate fi util în cazul în care încă nu există o zonă cablată sau dacă este vorba de o zonă geografică greu accesibilă.

CAPITOLUL III

TEHNICI DE ALOCARE STANDARDIZATE

În orice rețea cu difuzare de mesaje (rețea locală care folosește un mediu de fizic partajat sau rețea cu transmisii prin satelit), problema cheie constă în a determina cine poate utiliza canalul, atunci când există mai mulți utilizatori concurenți. Pentru excluderea mutuală a stațiilor ce transmit date, s-au dezvoltat două categorii de tehnici de alocare a mediului fizic:

Tehnici de alocare statică.

Tehnici de alocare dinamică.

Tehnicile de alocare statică realizează de fapt o multiplexare a transmisiilor, prin divijarea mediului fizic în timp (TDM Time Division Multiplexing) sau în frecvență (Frequency Division Multiplexing). Divizarea rigidă a mediului fizic duce la folosirea ineficientă a lățimii de bandă, deoarece aceasta este distribuită în mod egal tuturor stațiilor, chiar și celor care nu au nevoie la un moment dat.

Tehnicile de alocare dinamică sunt mai flexibile și încearcă să împartă lățimea de bandă a mediului fizic între stațiile ce au date de transmis.

În acest capitol vor fi prezentate cele mai cunoscute tehnici de alocare dinamică standardizate.

IEEE (Institute of Electrical Engineers) a definit câteva standarde în rețelele locale, care diferă la nivelul fizic și la nivelul de acces la mediu, însă sunt compatibile la nivelul legăturii de date. Standardul 803.2 descrie nivelul legăturii de date, pentru care s-a definit protocolul LLC (Logical Link Control). Pentru nivelurile de dedesubt, au fost definite standardele 802.3 (Ethernet CSMA/CD), 802.4 (Token Bus) și 802.5 (Token Ring).

Standardul IEEE 802.3, Ethernet

Rețelele 802.3 sunt rețele de difuzare, ce folosesc protocolul CSMA/CD pentru accesul la mediul fizic. Comunicațiile se realizează prin transmisii în banda de bază, iar valorile binare sunt codificate Manchester diferențial. Pentru interconectarea echipamentelor, se pot folosi următoarele 5 tipuri de cabluri:

Coaxial gros;

Coaxial subțire;

Cu perechi torsadate;

Fibră optică.

Cablul coaxial gros sau 10Base5 funcțioează la viteze de 10 b Mbps, poate suporta maxim 5 segmente de 500m lungime, interconectate prin repetoare . Numărul maxim de echipamente ce pot fi conectate printr-un segment este de 500. Pentru conectare se folosesc niște conectori vampiri, la care unul din pini este introdus oână în miezul cablului coaxial. Acest conector face legătura cu un transiver(transceiver) care este responsabil cu detecția purtătoarei și a coliziunilor. Legătura între transiver și interfața calculatorului se realizează prntr-un cablu separat de maxim 50m lungime. Acest cablu conține 5 perechi torsadate, dintre care 2 sunt folosite pentru date(intrare /ieșire), 2 pentru semnale de control (intrare/ieșire) și una pentru alimentarea electronicii transiverului.

Cablul coaxial subțire (10Base2) diferă de cel gros prin faptul că lungimea segmentelor se reduce la 200m, peun segment de cablu se pot conecta doar 30 de echipamente, iar pentru conectare se folosesc mufe BNC. Transiverul se află în acest caz pe placa de interfață.

Rețelele bazate pe cablu coaxial au o topologie liniară, sunt relativ ieftine și simplu de instalat (în special varianta cu cablu subțire), însă au ca principal dezavantaj fragilitatea conectorilor, iar un conector defect poate să blocheze complet comunicațiile în segmentul respectiv de cablu.

Cablul torsadat (10BaseT) conține 4 perechi torsadate, se montează în stea , distanța maximă (pe cablu) între calculator și concentrator este de 100m. Pentru conectare se folosesc mufe RJ45, care sunt ieftine și ușor de întreținut.

Fibrele optice (10BaseF) au un preț de cost ceva mai ridicat , însă sunt din ce în ce mai frecvent folosite datorită avantajelor pe care le prezintă (pierderi mici, imunitate la zgomote, etc.).

Formatul cadrelor IEEE 802.3 este prezentat în figura următoare:

Câmpul Preambul este alcătuit din 7octeți 10101010, care formează o undă dreptunghiulară de10MHz, ce permite receptorului să-și sincronizeze ceasul cu cel al transmițătorului.

Următorul câmp ocupă un singur octet , se numește Delimitator Start, are valoarea 10101011 și are rolul de a semnaliza începutul propriu-zis al cadrului.

Următoarele câmpuri specifică adresa destinației și a sursei. Adresle care încep cu 0 sunt adrese obișnuite, iar cele ce încep cu 1 sunt adrese de grup. Pachetele transmise către grupuri vor fi recepționate de toate echipamentele din cadrul grupului. Adresa ce are toți biții 1 este rezervată pentru dofuzare. Pachetele trimise la această adresă vor fi recepționate de către toate stațiile rețelei.

Adresa unei interfețe Ethernet este înscrisă de către fabricant și de obicei nu poate fi schimbată.

Câmpul Lungime date specifică lungimea câmpului de date în octeți.

În cazul apariției unor coliziuni, transmițătorii pot să-și întrerupă brusc transmisia. Astfel pe cablu pot să apară fragmente scurte de cadre . Pentru a se putea distinge mai ușor cadrele corecte, standul stabilește ca lungimea minimă a acestora să fi 64 de octeți. Câmpul Completare are rolul de a aduce cadrele mai scurte la lungimea minimă. Un alt motiv pentru evitarea cadrelor scurte este detectarea corectă a coliziunilor. În lipsa acestei restricționări, ar putea să apară următoarea situație: un transmițător A trimite un cadru scurt C, care parcurge mediul fizic până la stația cea mai îndepărtată B. Cu puți timp înainte ca C să ajungă la stația B, aceasta începe transmisia unui cadru propriu care întră în coliziune cu C. Dacă C este foarte scurt transmițătorul ți-ar putea încheia transmisia înainte ca semnalul rezultat în urma coliziunii să se propage înapoi pri mediul fizic până la acesta și astfelsă nu sesizeze coliziunea.

Condiția ce trebuie îndeplinită pentru ca astfel de fenomene să nu se producă este ca timpul (t) necesar transmisiei cadrului cel mai scurt admis să depășească durata de propagare dus – întors a semnalului prin mediul fizic, între cele mai îndepărtate stații (2•τ).

t>2•τ

Pentru o rețea locală de 2500m, ce functionează la 10 Mbps, acest timp corespunde perioadei de transmisie a 64 de octeți. Pe măsură ce crește viteza de comunicație ar trebui să crească lungimea minimă a cadrelor sau să scadă lungimea maximă a cablului.

Câmpul Suma de control permite detectarea erorilor de comunicație .

După producerea unei coliziuni, conform protocolului CSMA/CD, stațiile care au inrat în coliziune vor aștepta perioade de timp aleatoare înainte de a încerca din nou. Timpii de așteptare sunt generați în modul următor:

-după prima coliziune se așteaptă 0 sau 1 interval de lungime 2•τ;

-după a doua coliziune se așteaptă 0,1,2 sau 3 astfel de intervale;

-după a n-a coliziune succesivă se așteaptă 0,1,…2ⁿ-1 intervale, n<11;

-după 10 coliziuni succesive durata maximă de așteptare este limitată la 1024 itervale, iar după a 16-a coliziune succesivă se raportează eșec,și rezolvarea problemei rămâne în sarcina nivelurilor superioare. Acest algoritm adaptează dinamic timpii de așteptare la numărul de stații ce vor să transmită.

Protocolul CSMA/CD nu oferă confirmări. Pentru o comunicație sigură, destinația trebuie să verifice suma de control, și dacă e corectă să transmită în sens invers o confirmare.    

Standardul IEEE 802.3u, Fast Ethernet

Odată cu creșterea numărului de echipamente dintr-o rețea locală, este de așteptat să crească și traficul prin mediul de comunicație. Extinderea rețelelor de calculatoare este limitată de capacitatea de transport a acestuia. În cazul în care traficul prin mediul fizic a ajuns la saturație, se poate rezolva problema comunicației in rețea pe două căi:

Creșterea vitezei de comunicație, care de obicei implică schimbarea interfețelor de comunicație și a întregii infrastructuri de cabluri, conectori și concentratoare;

Înlocuirea concentratorului cu un comutator, care elimină coliziunile și permite comunicații în paralel între toate echipamentele.

Standardul IEEE 802.3u (Ethernet rapid) permite comunicații la viteze de 100 mbps, pe cablu UTP sau fibră optică. Sunt posibile următoarele trei variante de cablu:

UTP categoria 3 (100BaseT4);

UTP categoria 5 (100BaseFX);

Fibre Optice (100BaseFX).

În cazul cablului UTP categoria 3 (100BaseT4) se folosește o frecvență de semnalizare de 25MHz, (cu 5 MHz mai mult decât la standardul 802.3). Pentru obținerea vitezei de 10 Mbps, se folosesc toate cele 4 perechi torsadate ale cablului UTP. Una dintre perechi se va folosi pentru transmisii spre concentrator, a doua pentru transmisii în sens invers, iar celelalte două vor fi comutate în sensul transmisiei curente. Pentru a se ajunge la viteza dorită, nu se folosește codificarea Manchester, ci o codificare originală pe trei stări (într-o perioadă de tact, semnalul se poate afla în una din cele trei stări). Deoarece datele se transmit simultan pe trei perechi de fire, sunt posibile în total 3³ = 27 combinații, care sunt suficiente pentru codificarea a patru biți, cu o anulită redundanță. Această schemă de codificare se numește 8B6T (8 Biți înseamnă 6 Triți). Dacă pe fiecare tact se transmit patru biți, iar frecvența semnalului este de 25 MHz,rezultă o viteză de comunicație de 100Mbps. În plus există în permanenșă un canal invers de 33,3Mbps care folosește perechea rămsă .

Pentru cablul UTP categoria 5 (100BaseTX) arhitectura este mai simplă deoarece cablul suportă o frecvență de semnalizare de 125 MHz. Numai două din cele patru perechi ale cablului sunt folosite pentru transmisii de date, celelalte două rămânând disponibile (de exemplu pentru telefonie).

Cu cele două perechi de fire se realizează o legătură bidirecțională între echipament și concentrator. Schema de codificare a valorilor binare se numește 4B5B, și prevede transmiterea a 4 biți în 5 perioade de tact. Această codificare urmărește ca semnalul rezultat să aibă suficiente tranziții, să conțină o cantitate de redundanță pentru detectarea erorilor și definirea unor șabloane speciale pentru delimitarea cadrelor.

Pentru cablurile 100BaseT4 și 100BaseTX se pot folosi două tipuri de concentratoare:

Concentratoare partajate (hub-uri), în cadrul cărora toate liniile sunt concentrate logic, formând un singur domeniu de coliziuni. În acest caz se aplică regulile standardului 802.3.

Concentratoare comutate (switch-uri), care memorează cadrele sosite pe fiecare linie în câte un modul de intrare, urmând ca acestea să fie transferate ieșirilor corespunzătoare destinației lor printr-un fund de sertar de viteză foarte mare. Astfel toate echipamentele pot transmite și recepționa cadre simultan. Fundul de sertar nu a fost standardizat, în intenția de a se permite competiția între diverșii producători de echipamente.

Cablul 100BaseFX conține două fibre optice multimod, câte una pentru fiecare direcție. Distanța între stații și concentrator poate ajunge la 2km. Aceste distanțe sunt mult prea mari pentru aplicarea protocolului CSM/CD, deoarece și întărzierile de propagare a semnalelor sunt pe măsură. În consecință pentru utilizarea acestor cabluri este nevoie de switch-uri cu memorie tampon. Există concentratoare care permit conectarea unui amestec de stații 802.3 și 802.3u, pentru a simplifica modernizarea rețelelor.

Standardul IEEE 802.4, Token Bus

Natura probabilistică a protocolului CSMA/CD și fragilitatea inelului au determinat companiile interesate în automatizări industriale să susțină elaborarea unui standard separat, adecvat domeniilor lor de activitate. Principalele argumente în sprijinul elaborării acestui standard au fost următoarele:

La rețelele Ethernet, timpul pe care o stație trebuie să-l aștepte înainte de a putea să transmită un cadru este nedeterminat, iar cadrele sunt lipsite de priorități.

Topologia inel nu se potrivește cu structura liniară a liniilor de asamblare, și întreruperea inelului blochează total comunicațiile în rețea.

Rețeaua propusă (Token Bus) are o topologie liniară, însă din punct de vedere logic, stațiile sunt așezate într-un inel virtual. Fiecare stație trebuie să cunoască adresele celor doi vecini: cel din stânga și cel din dreapta (vezi figura următoare).

Pentru interconectarea echipamentelor, se folosesc cabluri coaxiale de bandă largă și modemuri. Au fost definite 3 scheme diferite de modulație, care permit reprezentarea simbolurilor 0, 1 și liber, și a încă 3 simboluri rezervate pentru controlul rețelei. Viteza de comunicație poate fi de 1,5 sau 10Mbps.

Tehnica de acces la mediul fizic se bazează pe un jeton unic. Doar stația care deține jetonul la un moment dat, are drept de transmisie. În acest mod se evită coliziunile. O stație poate să rămână în posesia jetonului doar o perioadă limitată de timp, după care este obligată să-l transmită stației următoare din cadrul inelului logic. În această perioadă stația poate să transmită unul sau mai multe cadre.

Standardul Token Bus definește 4 clase de priorități (0, 2, 4 și 6). Fiecare stație are patru corzi diferite de așteptare, în care se depozitează cadrele ce trebuie transmise, în ordinea priorităților. Când o stație intră în posesia jetonului, deservește cele 4 cozi în ordinea priorităților. Astfel este garantată o fracțiune cunoscută din lărgimea de bandă a rețelei, pentru traficul de prioritate maximă (6), ce conține de obicei informații care trebuied transmise în timp real.

Formatul cadrelor IEEE 802.4 este prezentat în figura de mai jos:

Câmpul Preambul are același rol de sincronizare a ceasurilor, ca și în cazul standardului 802.3.

Câmpurile Delimitator Start și Delimitator Stop marchează limitele cadrului cu ajutorul simbolurilor rezervate ale modulatoarelor.

Pentru cadrele de date, câmpul Control Cadru indică prioritatea,și poate să conțină o cerere de confirmare adresată receptorului. Pentru întreținerea inelului logic, este nevoie de niște cadre cu semnificație specială. Tipul acestor cadre este specificat cu ajutorul unor biți ai câmpului Control Cadru .

Tabelul următor prezintă câteva tipuri de cadre de control:

Întreținerea inelului logic

Inițializarea inelului este declanșată de prima stație care sesizează trecerea unei perioade prea lungi de timp, fără apariția jetonului. Pentru semnalizarea intenției de creare a unui nou jeton stația va transmite un cadru Solicitare jeton. Dacă nu mai concurează nimeni pentru această operațiune, stația ce a emis cadrul va crea un nou jeton, ți va inițializa un inel în care se va găsi doar ea. În cazul în care la transmisia cadrului se produce o coliziune, se va alege stația care va crea jetonul prin Binary countdown.

După stabilirea inelului logic, fiecare stație păstrează adresele stațiilor predecesoare și sucesoarea. Periodic, deținătorul jetonului transmite un cadru Solicitare succesor, ce conține adresa transmițătorului și adresa succesorului. Stațiile ceau adresele cuprinse între două , pot să ceară intrarea în inel. Transmițătorul așteaptă răspunsul o peerioadă de timp egală cu durata de propagare dus-întors a semnalului între stațiile cele mai îndepărtate.

Dacă vor încerca mai multe stații să răspundă la această cerere, se va produce o coliziune. Rezolvarea situației începe cu un cadru Rezolvare conflict din partea transmițătorului și urmează o tehnică de semnaloizare asemănătoare cu Binary countdown, în urma căreia se alege stația ce va intra în inel. La fiecare solicitare, va vintra în inel cel mult o stație. Nu există nici o garanție referitoare la timpul maxim trebuie să-l aștepte pentru a intra în inel.

Stația care dorește să părăsească inelul,trebuie să transmită predecesorului un cadru Stabilire succesor, prin care-i face cunoscută adresa noului succesor.

Întreținerea inelui logic nu este de loc simplă, pentru că trebuie să rezolve toate situațiile speciale ce pot să apară. De exemplu, în lipsa unor măsuri de precauție, transmiterea jetonului către o stație ce s-a defectat ar avea drept consecință pierderea acestuia. Pentru evitarea acestor situații, sația care a transmis jetonul ascultă mediul de comunicație. Dacă nici după a doua tentativă de plasare a jetonului nu recepționează nimic din parte destinatarului, trnsmite un cadru Cine urmează, specificând adresa succesorului. Stația următoare răspunde cu un cadru Stabilire succesor. Astfel stația defectă va fi eliminată automat din inel.

Dacă și stația următoare s-a defectat, stația care încearcă să paseze jetonul trimite un cadru Solicitare succesor 2, lacare răspund toate stațiile din rețea. În cazul în care răspund mai multe stații la această solicitare, se va rezolva conflictul prin Binary countdown.

Jetonul se poate pierde și dacă deținătorul acestuia se defectează. Dacă apare această problemă ea se rezolvă prin reinițializarea inelului. Fiecare satație din rețea are un cronometru care măsoră timplu scurs de la recepționarea ultimului cadru. Dacă o stație constată că acest timp este suspect de lung, va emite un cadru Solicitare jeton, care declanșează procedura de inițializare a inelului.

În afară de pierderea jetonului, se poate întâmpla din cauza unor erori, să apară mai multe jetoane în rețea. Dacă deținătorul jetonului recepționează o transmisie de la o altă stație, renunță la propriul jeton. În cazul în care în urma acestor manevre inelul rămâne fără jeton, va urma reinițializarea acestuia.

IEEE 802.5, Token Ring

Acest standard poate fi utilizat atât pentru rețelele locale, cât și cele metropolitane, deoarece comunicația nu se bauează pe un mediu fizic partajat, ci pe o colecție de legături punct – la – punct, ce formează un inel. În consecință nu vor exista coliziuni, și nu mai este nevoie de electronica analogică de detectare a acestora. Pentru conectarea echipamentelor se poate folosi cablu torsadat, coaxial sau fibră optică.

La configurarea unei rețele Token Ring trebui să se țină seama de lungimea fizică a unui bit (măsurată pe cablu), care va fi dependentă de viteza de comunicație.

Dacă notăm cu R rata de transfer a datelor prin mediul fizic, atunci timpul de transmisie a unui bit tbit = I/R.

Viteza de propagare a semnalelor prin cablu vp ≈ 200 m/µs.

Deci lungimea unui bit l bit = vp · t bit = vp / R.

De exemplu, pentru o viteză de transmisie de 10 Mbps, conform formulei de mai sus, lungimea unui bit pe cablu de cupru este de 20m.

Topologia unei rețele Token Ring este prezentată în figura _15.

Intrare Ieșire

Interfață de comunicație

Calculator

Informațiile se rotesc pe inel într-un anumit sens, și cu un anumit tact. Fiecare bit sosit pe cablu va fi memorat într-un tampon, și la tactul următor va fi transmis pe celălalt cablu. În timp ce se află în interfață, bitul poare fi inspectat și eventual modificat înainte de a fi expediat. Astfel fiecare interfață introduce o întârziere de 1 bit (vezi figura_15).

Pentru excluderea mutuală a stațiilor ce doresc să transmită, se folosește un jeton. În perioadele de inactivitate, jetonul se rotește pe inel. Pentru ca acest lucru să fie posibil, jetonul trebuie să încapă pe inel (deci cablul trebuie să fie suficient de lung). Când o stație dorește să transmită un cadru, trebuie să preia jetonul și să-l elimine de pe inel înainte de a începe transmisia. Pentru aceasta este suficient să inverseze un singur bit al jetonului, care are o lungime de 3 octeți. Astfel jetonul se transformă în primii trei octeți ai unui cadru de date. Deoarece există un singur jeton, numai o singură stație va putea transmite cadre la un moment dat.

Interfețele inelului au următoarele două moduri de lucru: Tramsmisie și Recepție. În modul recepție, datele de la intrare sunt copiate la ieșire cu întârzire de un bit . O interfață se poate găsi în modul Tramsmisie, numai dacă posedă jetonul. În acest mod, interfața întrerupe legătura dintre intrare și ieșire, introducând propriile informații pe inel. Pentru a putera comuta din modul Recepție în modul Transmisie în interval de 1 bit, interfasța trebuie să aibă pregătit într-un buffer propriu cadru ce trebuie transmis. Pe măsură ce biții cadrului se întorc prin el la stația care ia transmis, aceștia sunt eliminați de pe cadru. Lungimea cadrelor nu este limitată ,deoarece nu este necesar ca aceasta să încapă pe inel. La sfârșitul transmisie, stația transmițătoare trebui să regenereze jetonul. După eliminarea de pe cablu a ultimului bit al ultimului cadru transmis, stația transmițătoare trebui să treacă în mod recepție, pentru a evita eliminarea jetonului.

La încărcare redusă, jetonul se va roti liber e cablu, iar la încărcare mare jetonul eliberat de către o stație la sfârșitul transmisiei, va fi imediat acaparat de către stația următoare.

Pentru reprezentarea valorilor binare, se folosește codificarea Manchester diferențială. Cele două combinații invalide (fără tranziție la mijlocul perioadei bitului,1/1 și 0/0) sunt fșlsite pentru controlul inelui.

Singurul dezavantaj al acestui standard contă în faptul că întreruperea cablului de legătură blochează comunicațiile în întreaga rețea. Perntu eliminarea acestui dezavantaj cablarea rețelei se face sub formă de stea (vezi figura următoare). Toate legăturile către stații pleacă de la un centru de cablare. Dacă una dintre stații se defectează sau trebuie dezactivată temporar, operațiunea de eliminare din rețea se face la nivelul centrului de cablare, prin acționartea unor relee de trecere controlate prin soft (vezi figura_16).

Echipamente de calcul

Centru de cablare

Figura_16. Cablarea unei rețele Token Ring

Formatul jetonului și formatul cadrelor Token Ring sunt prezentate în figura următoare:

Format jeton

Format cadru

Figura_xy. Formatul jetonului și formatul cadrelor

Token Ring

-Câmpurile Delimitator start și Delimitator stop au lungimea de 1 octet și marchează începutul și sfârșitul unui cadru cu ajutorul unor codificări Manchester invalide. Câmpul Delimitator conține un bit ce este setat în cazul în care o interfață detectează o eroare în interiorul cadrului(de exemplu un șablon Manchester invalid), și un bit prin care se poate marca ultimul cadru dint-o secvență logică.

-Câmpul Control acces (8 biți) conține următoarele informații:

unde :

Prioritate cadru ( 3 biți ) indică prioritatea cadrului;

Jeton este un bit ce indică dacă octetul aparține unui cadru de date sau unui jeton;

Monitor este un bit ce indică dacă pachetul curent a trecut prin interfața stației monitor;

Prioritate rezervată ( 3 biți ) indică cea mai înaltă prioritate ce a fost cerută pentru noul jeton .

– Câmpul Control cadru (8 biți) este folosit de cadrele de control și indică tipul acestora.

– Lungimea câmpului de date este limitată prin faptul că intervalul de timp în care o stație poată să dețină jetonul, și deci să transmită un cadru este fixată prin standard la 8,9 ms.

Câmpul Stare cadru (8 biți) are următoarea structură:

Biții A și C sunt dublați pentru siguranță deoarece ei nu sunt protejați de suma de control. Destinația comută bitul A de pe 0 pe 1, pentru a indica faptul că pachetul a ajuns, și bitul C de pe 0 pe 1, dacă reușește să preia cadrul. Sunt posibile următoarele combinații:

Prioritatea cadrelor

Prioritate jetonului este indicată de câmpul Control acces. O stație care dorește să transmită un cadru de prioritate n, trebuie să aștepte până când poate captura un jeton de prioritate mai mică sau egală cu n. dacă stația nu poate acapara un jeton pentru că prioritatea acestuia este prea mare, poate să-și anunțe intenția prin înscrierea prioritații dorite în biții de rezervare ai câmpului Control acces. Rezervarea este posibilă numai dacă nu s-a făcut deja o rezervare de prioritate mai mare. La terminarea cadrului curent, noul jeton va fi eliberat la prioritatea rezervată. Pentru a se evita blocajele, stația care ridică prioritatea jetonului, este obligată să o refacă atunci când termină de transmis.

Această schemă diferă substanțial de cea de la Token Bus, în care orice stație are rezervată un fragment din lățimea de bandă. La Token Ring dacă o stație are de transmis numai pachete de prioritate mică, poate să aștepte la nesfârșit apariția unui jeton corespunzător.

Întreținerea jetonului

Supravegherea și întreținerea inelui sunt realizate de către o stație monitor. Dacă monitorul se defectează este desemnată o altă stație pentru această funcție, cu ajutorul unui protocol de tratarea conflictelor. Orice stație trebuie să aibă capacitatea de a deveni monitor.

Dacă o stație observă absența monitorului ( la inițializarea inelului sau în caz de defectare a monitorului), transmite un cadru de tip Solicitare jeton. Dacă acest cadru parcurge inelul înainte de a fi transmis un al cadru de același fel, emițătorul devine noul monitor.

Stația monitor are următoarele responsabilități:

Moniterizează jetonul și îl reface dacă se pierde.În acest scop monitorul cronometrează intervalele de timp între două apariții ale jetonului.Dacă un astfel de interval depășește durata maximă admisă de deținere a jetonului, monitorul va emite un nou jeton și va drena inelul;

Inserează biți de întârziere astfel încât jetonul să încapă pe inel;

Preia inițiativa în cazul în care se întrerupe inelul pentru localizarea și scurtcircuitare stației ce a cauzat întreruperea;

Curăță inelul de cadre deteriorate sau orfane. Un cadru orfan apare dacă o stație trimite un cadru scurt într-un inel lung, și se defectează înainte de al elimina. Cadrele orfane sunt detectate cu ajutorul bitului Monitor al Câmpului Control Acces. În acest scop, fiecare cadru care trece prin interfața monitorlui, va fi marcat cu ajutorul acestui bit. Dacă un cadru trece și a doua oară prin această interfață, înseamnă că este orfan, și va fi eliminat;

Transmite periodic niște cadre de control prin care-și anunță prezența.

CAPITOLUL IV

APLICATII

Scopul nivelului fizic este de a transporta o secventa de biti de la o masina la alta. Pentru aceasta pot fi utilizate diverse medii fizice. Fiecare dintre ele este definit de largimea sa de banda, intarziere, cost, si usurinta de instalare si de intretinere. Aceste medii pot fi impartite in doua grupe mari: mediile ghidate, cum ar fi cablul de cupru si fibrele optice,si mediile neghidate, cum ar fi undele radio si laserul.

Cablul torsadat.

Cel mai vechi si inca cel mai utilizat mediu de transmisie este cablul torsadat. Un cablu torsadat este format din 2 fire de cupru izolate, avand o grosime tipica de 1 mm. Firele sunt impletite intr-o forma elicoidala, pentru a reduce interferenta electrica (2 fire paralele constituie o antena; daca le impletim nu mai formeaza o antena).

Cablurile torsadate pot fi folosite atat pentru transmisia analogia cat si pentru cea digitala. Banda de frecventa depinde de grosimea firului si de distanta parcursa, dar in multe cazuri poate fi atinsa o viteza de mai multi megabiti / secunda pe distante de cativa kilometri.

Exista numeroase feluri de cablu torsadat, doua dintre acestea fiind importante pentru retelele de calculatoare. Cablurile torsadate din Categoria 3 sunt formate din 2 fire izolate impletite impreuna. In mod obisnuit 4 astfel de perechi sunt grupate intr-un material din plastic pentru a le proteja si a le tine impreuna. Incepand cu 1988, au fost introduse cablurile din Categoria 5, care sunt similare celor din categoria 3, dar au mai multe rasuciri pe centimetru, si sunt izolate cu teflon, rezultand o interferenta redusa si o mai buna calitate a semnalului pe distante mari. Aceste 2 categorii sunt cunsocute sub denumirea de cabluri UTP Unshielded Twisted Pair (cablu torsadat neecranat).

Cablul coaxial in banda de baza.

Acesta are o ecranare mai buna decat cablurile torsadate, putand acoperi distante mai mari la rate de transfer mai mari. Exista 2 tipuri de cabluri coaxiale folosite pe scara larga. Primul, cablul de 50 de ohmi, este folosit in transmisia digitala, iar al doilea, cablul de 75 de ohmi, este frecvent folosit in transmisia analogica.

Un cablu coaxial este format dintr-o sarma de cupru dura, protejata de un material izolant.

Acest material este incapsulat intr-un conductor circular, de obicei sub forma unei plase strans intretesute. Conductorul exterior este acoperit cu un invelis de plastic protector.

Structura si ecranarea cablului coaxial asigura o buna combinatie intre o banda de frecventa larga si o imunitate la zgomot excelenta. Banda de frecventa poate depinde si de lungimea cablului. Pentru cabluri de 1 km este posibila de transfer a datelor intre 1 si 2 Gbps. Pe distante lungi calburile coaxiale au fost deja in mare parte inlocuite cu fibre optice.

Cablul coaxial de banda larga.

Celalalt model de cablu coaxial este folosit pentru transmisia analogica in sistemele de televiziune prin cablu. Deoarece retelele de banda larga se bazeaza pe tehnologia standard a televiziunii prin cablu, cablurile pot fi folosite pana la 300 MHz (si de multe ori pana la 450 MHz), si datorita transmisiei analogice pot acoperi distante de aproape 100 km.

Sistemele de banda larga sunt impartite in mai multe canale, in televiziune fiind frecvent folosite canalele de 6 MHz. Fiecare canal poate fi folosit in televiziunea analogica, in transmisia audio de calitateaaa CDului (1.4 Mbps) sau intr-un flux de date la o viteza de 3 Mbps (de exemplu), independent de celelalte. O diferenta majora intre banda de baza si banda larga este aceea ca sistemele de banda larga acopera de obicei o suprafata mai mare, fiind nevoie de amplificatoare analogice care sa reamplifice periodic semnalul. Aceste amplificatoare pot transmite semnalul intr-o singura directie, astfel ca un calculator care transmite un pachet nu poate sa primeasca date de la alte calculatoare daca intre ele se afla un amplificator. Pentru a ocoli aceasta problema, au fost dezvoltate 2 tipuri de sisteme de banda larga: sisteme cu cablu dual (pe un cablu se transmite, pe celalalt se receptioneaza), si sisteme cu cablu simplu (pentru transmisie si receptie sunt alocate benzi diferite de frecventa).

Fibre optice.

Folosind tehnologiile actuale de fibre optice, banda de frecventa care poate fi atinsa este de peste 50.000 Gbps (50 Tbps). Limita practica actuala de circa 1 Gbps este o consecinta a imposibilitatii de a converti mai rapid semnalele electrice in semnale optice. Oricum, in laborator sunt posibile rate de 100 Gbps pe distante scurte, iar in cativa ani se va obtine o viteza de 1 Tbps. Sunt de asemenea in curs de realizare sistemele integral optice (inclusiv intrarea si iesirea din calculator).

Un sistem de fibre optice este format din 3 componente: sursa de lumina, mediul de transmisie si detectorul. Prin conventie, un impuls de lumina inseamna bitul 1 si absenta luminii indica bitul 0. Mediul de transmisie este o fibra foarte subtire de sticla. Atunci cand intercepteaza un impuls luminos, detectorul genereaza un impuls electric. Prin atasarea unei surse de lumina la un capat al fibrei optice si a unui detector la celalalt capat, obtinem un sistem unidirectional de transmitere a datelor care accepta semnale electrice, le converteste si le transmite ca semnale luminoase si apoi le reconverteste la iesire in semnale electrice.

Fenomenul fizic care sta la baza transmisiei luminii prin mediu este urmatorul: cand o raza luminoasa trece de la un mediu la altul, de exemplu de la siliciu la aer, raza este refractata la suprafata de separatie intre cele 2 medii. Pentru unghiuri de incidenta mai mari decat o anumita valoare critica, lumina este refractata inapoi in siliciu fara nici o pierdere. Fenomenul este cunoscut sub numele de reflexie totala.

Se pot transmite mai multe raze cu unghiuri de incidenta diferite datorita faptului ca orice raza de lumina cu unghi de incidenta la suprafata de separare maimare decat unghiul critic va fi reflectata total. Se spune ca fiecare raza are un mod diferit, iar fibra care are aceasta proprietate se numeste fibra multimod. Daca insa diametrul fibrei este redus la cateva lungimi de unda ale luminii, fibra actioneaza ca un ghid si lumina se va propaga in linie dreapta, fara reflexii, rezultand o fibra monomod. Aceste fibre sunt mai scumpe, dar pot fi folosite pe distante mai mari. Fibrele monomod curente pot transmite date la mai multi Gbps pe distante de 30 km. Rate de transfer mai mari au fost obtinute in laborator pe distante mai scurte.

Atenuarea luminii prin sticla depinde de lungimea de unda a luminii. Pentru tpiul de sticla folosit la fibre optice, atenuarea in decibeli este data de formula:

Atenuare_in_decibeli=10*log(putere_transmisa/putere_consumata)

In practica sunt folosite razele infrarosii. Lumina vizibila are lungimi de unda putin mai mari,de la 0.4 la 0.7 microni. Trei benzi din acest spectru sunt folosite in comunicatii; ele sunt centrate respectiv la 0.85, 1.3 si 1.55 microni. Ultimele 2 au proprietati bune de atenuare (mai putin de 5% pierderi pe kilometru). Banda de 0.85 microni are o atenuare mai mare, dar are avantajul ca la aceasta lungime de unda, laserul si echipamentul electronic pot fi facute din acelasi material (arseniura de galiu). Toate cele 3 benzi au o largime a benzii de 25.000 pana la 30.000 de Ghz.

Cablurile din fibra de sticla

Cablurile din fibra de sticla sunt similare celor coaxiale cu singura deosebire ca nu prezinta acel material conductor exterior sub forma unei plase. In centru se afla miezul de sticla prin care se propaga lumina. In fibrele multimod, miezul are un diametru de 50 de microni, aproximativ grosimea firului de par uman. In fibrele monomod, miezul este de 8 pana la 10 microni.

Miezul este imbracat in sticla cu un indice de refractie mai mic decat miezul, pentru a pastra lumina in miez. Totul este protejat cu o invelitoare subtire de plastic. De obicei, mai multe fibre sunt grupate impreuna, protejate de o teaca protectoare.

Fibrele pot fi conectate in 3 moduri. Primul mod consta in atasarea la capatul fibrei a unor conectori care se pot lega la un soclu pentru fibra. Conectorii pierd aproape 10-20% din lumina, dar aceste sisteme sunt usor de reconfigurat.

Al doilea mod consta in imbinarea mecanica. Imbinarile mecanice se obtin prin atasarea celor 2 capete unul langa altul intr-un invelis special si fixarea lor cu ajutorul unor clame. Alinierea se poate face prin trimitere de semnale prin jonctiune si relizarea de mici ajustari pentru a maximiza semnalul. Unui specialist ii trebuie circa 5 minute pentru a realiza o jonctiune, aceasta avand ca rezultat o pierdere a luminii de 10%.

A treia posibilitate este de a imbina (topi) cele 2 bucati de fibra pentru a forma o conexiune solida. Insa chiar si aici poate apare o mica atenuare.

Pentru semnalizare se pot folosi 2 tipuri de surse de lumina, LED-uri si laserul din semiconductori. Ele se pot ajusta in lungime de unda prin introducerea unor interferometre intre sursa si fibra optica. Interferometrele sunt simple cavitati rezonante formate din 2 oglinzi paralele. Lumina cade perpendicular pe oglinzi. Lungimea acestei cavitati selecteaza acele lungimi de unda care incap in interior de un numar intreg de ori.

Capatul fibrei optice care receptioneaza semnalul consta dintr-o fotodioda, care declanseaza un impuls electric cand este atinsa de lumina. Raspunsul tipic al unei diode este de 1 ns, ceea ce limiteaza viteza de transfer de date la aproximativ 1 Gbps.

Retelele din fibre optice

Transmisia prin fibra optica este mult mai complexa decat conectarea la Ethernet. O retea in inel este doar o colectie de legaturi punct-la-punct. Interfata fiecarui calculator lasa sa treaca impulsul de lumina catre urmatoarea legatura si totodata are rolul unei jonctiuni T pentru a face posibila transmiterea si receptia mesajelor.

Se folosesc 2 tipuri de interfete. O interfata activa consta din 2 conectori sudati pe fibra centrala. Unul din ei are la capat un LED sau o dioda cu laser (pentru transmisie) si celalalt are la capat o fotodioda (pentru receptie). Conectorul este complet pasiv si prezinta incredere, deoarece un LED sau o fotodioda defecta nu intrerupe inelul, ci doar scoate un calculator din circuit.

Un alt model de interfata este repetorul activ. Lumina receptionata este convertita intr-un semnal electric, regenerat la puterea maxima daca este atenuat, si retransmis ca semnal optic.

Interfata cu calculatorul este o sarma de cupru obisnuita care se leaga la regeneratorul de semnal.

In prezent sunt folosite si repetoare integral optice, care nu necesita conversiile optic – electric – optic, ceea ce le permite sa operese cu largimi de banda foarte inalte.

In cazul in care repetorul activ se deterioreaza, inelul este intrerupt si reteaua cade.

Pe de alta parte, deoarece semnalul este regenerat la fiecare interfata, legaturile intre 2 calculatoare adiacente pot avea lungimi de kilometri, practic fara nici o limita in dimensiunea totala a inelului. Interfetele pasive pierd lumina la fiecare jonctiune, ceea ce are ca efect restrictii drastice in ce priveste numarul de calculatoare ce pot fi conectate si lungimea totala a inelului.

Comparatie intre fibrele optice si firul de cupru

Fibra are multe avantaje. In primul rand, largimea de banda pe care o suporta este mai mare decat a cuprului. Datorita atenuarii scazute, repetoarele sunt necesare la fiecare 30 km pe liniile lungi, in comparatie cu 5 km pentru cupru. Fibra are avantajul ca nu este afectata de socurile electrice, de interferenta campului electromagnetic sau de caderile de tensiune. De asemenea, nu este afectata de substantele chimice corozive din aer, fiind ideala pentru mediile aspre din fabrici.

Companiile de telefoane prefera fibra si din alt motiv: este subtire si foarte usoara.

Canalele cu cabluri sunt in general pline pana la refuz, iar prin inlocuirea cuprului cu fibra se golesc canalele, iar cuprul are o valoare foarte buna pe piata. In plus, 1000 de cabluri torsadate de 100 km lungime cantaresc 8000 kg. Doua fibre au o capacitate mai mare si cantaresec doar 100 kg, acest lucru reducand drastic necesitatea unor echipamente mecanice scumpe care trebuie intretinute.

Pe traseele noi fibra castiga detasat in fata cuprului datorita costului de instalare foarte scazut.

In fine, fibrele nu pierd lumina si sunt foarte dificil de interceptat. Acest lucru le ofera o excelenta securitate.

Motivul pentru care fibra este mai buna decat cuprul este intrinsec. Electronii in miscare dintr-un cablu interactioneaza cu alti electroni, si sunt influentati de alti electroni din afara cablului. Fotonii dintr-o fibra nu interactioneaza intre ei si nu sunt afectati de fotonii din exterior.

Pe de alta parte, fibra este o tehnologie nefamiliara si necesita o pregatire pe care cei mai multi dintre ingineri nu o au. Deoarece transmisia optica este prin natura ei unidirectionala, comunicatiile bidirectionale necesita fie 2 fibre, fie 2 benzi de frecventa diferite pe aceeasi fibra. In sfarsit, interfetele pentru fibra costa mult mai mult decat interfetele electrice.

Insa este o certitudine faptul ca in viitor toate comunicatiile de date pe lungimi mai mari de cativa metri se vor face prin fibra.

Transmisiile fara fir.

Transmisia radio

Undele radio sunt usor de generat, pot parcurge distante mari, penetreaza cladirile cu usurinta,fiind larg raspandite in comunicatii, atat interioare cat si exterioare. Undele radio sunt de asemenea omnidirectionale (se pot propaga in orice directie de la sursa), ceea ce elimina necesitatea unei alinieri fizice a receptorului cu emitatorul. Proprietatile undelor radio sunt dependente de frecvente. La frecvente joase, undele radio se propaga bine prin obstacole, dar puterea semnalului scade mult odata cu distanta de la sursa, aproximativ cu cubul distantei in aer.

La frecvente inalte, undele radio tind sa se propage in linie dreapta si sa sara peste obstacole.

De asemenea, ele sunt absorbite de ploaie. Toate undele radio sunt supuse la interferente datorate motoarelor si a altor echipamente electrice.

Datorita capacitatii undelor radio de a se propaga pe distante mari, interferenta intre utilizatori devine o problema. In benzile inalte si foarte inalte, undele de la sol tind sa fie absorbite de pamant. Oricum, undele care ating ionosfera (intre 100 si 500 km) sunt refractate de aceasta si trimise inapoi spre pamant.

Transmisia prin microunde

Peste 100 MHz, undele se propaga in linii drepte si pot fi din acest motiv directionate.

Concentrand toata energia intr-un fascicul ingust cu ajutorul unei antene parabolice, se obtine o valoare mult mai ridicata a ratei de semnal – zgomot, dar antenele care transmit si cele care receptioneaza trebuie sa fie aliniate cu precizie una cu alta.

In plus, faptul ca aceste unde sunt orientate permite ca mai multe transmitatoare sa fie aliniate si sa comunice cu mai multe receptoare fara interferente.

Datorita faptului ca microundele se propaga in linii drepte, daca turnurile sunt foarte departate, atunci sta in cale pamantul. De asemenea sunt necesare, periodic, repetoare. Cu cat turnurile sunt mai inalte, cu atat repetoarele se pot afla la distante mai mari. Distanta intre repetoare creste aproximativ cu radicalul inaltimii turnului. Pentru turnuri cu o inaltime de 100 m, repetoarele se pot afla la distante de 80 km.

Spre deosebire de undele radio la frecvente joase, microundele nu trec bine prin cladiri.

In plus, cu toate ca unda poate fi bine directionata la emitator, apare o divergenta in spatiu.

Unele unde pot fi refractate de straturile atmosferice joase si sosi intarziate (defazate) fata de celelalte. Undele intarziate pot anula semnalul (unda directa). Acest efect se numeste atenuare multicai (multipath fading) si este o problema serioasa, care depinde de vreme si de frecventa.

La frecventa de aproape 8 GHz apare o noua problema: absorbtia de catre apa. Undele sunt absorbite de catre ploaie.

Microundele au mai multe avantaje semnificative fata de fibra. Cel mai important avantaj este ca nu sunt necesare drepturi de acces la drum, cumparand un mic teren la fiecare 50 km si montand un turn pe el se poate ocoli sistemul telefonic si se poate realiza o comunicare directa.

Comunicatiile cu microunde sunt prin comparatie cu alte medii de transmisie mai ieftine. Pretul ridicarii a doua turnuri simple (doi stalpi inalti asigurati cu 4 cabluri) si prin montarea unei antene pe fiecare turn, poate fi mult mai mic decat pretul ingroparii a 50 de km de fibra intr-o zona urbana foarte populata sau peste un munte, si poate fi mai mic decat costul inchirierii fibrei de la o companie telefonica, mai ales cand acestea nu au platit inca integral cuprul care a fost inlocuit cu fibra.

Undele infrarosii si milimetrice

Acestea sunt larg folosite pentru comunicatiile pe distante reduse. Telecomenzile pentru tv, aparate video si stereo folosesc comunicatiile in infrarosu. Ele sunt relativ directionale, ieftine si usor de construit, dar prezinta un dezavantaj major: nu penetreaza obiectele solide. (In general, cum ne deplasam de la undele lungi catre lumina vizibila, undele se comporta din ce in ce mai mult ca lumina si din ce in ce mai putin ca undele radio).

Pe de alta parte, faptul ca undele infrarosii nu trec prin obiecte este un avantaj din punctul de vedere al interferentei intre sisteme diferite, si al securitatii (al susceptibilitatii la interceptare).

Aceste calitati au facut din undele infrarosii un candidat serios pentru LAN-urile interioare fara fir.

Satelitii de comunicatie

Primul satelit de comunicatie a fost lansat in 1962. Principalul avantaj al unui satelit artificial fata de unul natural (pana atunci Luna fusese folosit pe post de satelit, nu cu prea mult succes) este acela ca satelitul artificial poate amplifica semnalele inainte de a le transmite inapoi. Un satelit de comunicatie poate fi gandit ca un mare repetor de microunde, aflat pe cer. Acesta contine mai multe dispozitive de emisie-receptie automata (transponderi) fiecare dintre acestea ascultand pe o anumita portiune din spectru, amplificand semnalul receptionat, si redifuzandu-l pe o alta frecventa pentru a nu interfera cu semnalul care este receptionat.

Unda descendenta poate fi difuzata, acoperind astfel o fractiune substantiala din suprafata Pamantului, sau poate fi concentrata pe o zona de cateva sute de km in diametru.

Satelitii geosincroni

La o altitudine de 36000 km deasupra ecuatorului, perioada unui satelit este de aproape 24 de ore (23h, 56 minute si 4.09 secunde), si deci satelitul se invarteste la aceeasi viteza ca si Pamantul. Este ideal ca satelitul sa apara fix pe cer deoarece altfel ar fi nevoie de o antena rotativa foarte scumpa (pentru urmarirea sa). Pentru a evita interferentele, in conditiile tehnologiilor actuale, nu este bine sa existe sateliti mai aproape de 2 grade in planul ecuatorial de 360 de grade. La o spatiere de 2 grade, pot exista pe cer la un moment dat doar 360 / 2 = 180 de sateliti de comunicatie geostationari. O parte din acesti sateliti sunt rezervati (in scopuri guvernamentale, militare, TV, etc).

Din fericire, satelitii care folosesc portiuni diferite din spectru nu interfera, si de aceea fiecare din cei 180 de sateliti posibili pot avea mai mult fluxuri de date care urca si coboara simultan.

Pentru a preveni haosul, s-au realizat acorduri internationale in urma carora au fost stabilite cine poate folosi ce benzi de frecventa.

Un satelit obisnuit are 12 – 20 de transpondere, fiecare cu latime de banda de 36 – 50 MHz. Un transponder de 50 Mbps poate fi folosit pentru a codifica un singur flux de date de 50 Mbps, sau 800 de canale vocale digitale de 64 kbps, etc. Mai mult decat atat, doua transpondere pot folosi polarizari diferite ale semnalului si prin urmare pot folosi acelasi domeniu de frecvente fara sa interfere. In trecut, impartirea transponderilor pe canale s-a facut static, prin FDM. In prezent, se foloseste de asemenea TDM datorita marii sale flexibilitati.

Satelitii de comunicatie au cateva proprietati care se deosebesc substantial de legaturile terestre punct-la-punct. Ca prim aspect, desi semnalele spre si dinspre satelit se propaga cu viteza luminii, distanta mare dus-intors introduce o intarziere substantiala. Depinzand de distanta intre utilizator si statia terestra si de inaltimea satelitului deasupra orizontului, timpul depropagare capat-la-capat este intre 250 si 300 msec. Pentru comparatie, legaturile terestre prin microunde au o intarziere in jur de 3 microsecunde/km, iar legaturile pe cablu coaxial sau fibra optica au o intarziere de 5 microsecunde/km (semnalele electromagnetice se propaga mai repede in aer decat in materiale solide).

O alta proprietate importanta a satelitilor este aceea ca ei sunt in mod inerent sistemecu difuzare. Transmiterea unui mesaj catre miile de statii din raza de actiune a unui transponder costa tot atat de mult cat pentru o singura statie, ceea ce reprezinta un avantaj evident din punct de vedere al pretului.

Pe de alta parte, din pucnt de vedere al securitatii si confidentialitatii, satelitii sunt un

dezastru complet: oricine poate asculta orice. Atunci cand este necesara securitate, criptarea este esentiala.

Satelitii au de asemenea proprietatea ca pretul transmisiei unui mesaj este independent de distanta parcursa. Satelitii au rate de eroare excelente si pot fi instalati aproape instantaneu, un considerent major pentru comunicatiile militare.

Sateliti de joasa altitudine

In anii '90, Motorola obtinuse acordul FCC pentru instalarea unei retele de sateliti de joasa altitudine – 77 de sateliti pentru proiectul Iridium. S-a dovedit totusi ca 66 de sateliti ar fi fost suficienti, deoarece in momentul in care un satelit dispare din campul vizual, ar putea sa ii ia locul un altul.

Scopul principal al sistemului Iridium este sa furnizeze servicii mondiale de telecomunicatie, folosind dispozitive portabile care sa comunice direct cu satelitii Iridium. Sistemul furnizeaza servicii vocale, de date, paging, fax si navigare in orice loc de pe glob.

Sistemul foloseste ideea din radioul celular, dar cu o modificare. In mod normal, cererile sunt fixe si utilizatorii mobili. In acest caz fiecare satelit are un numar considerabil de raze punctuale care pot scana Pamantul pe masura ce satelitul se deplaseaza.De aceea, in acest sistem atat celulele cat si utilizatorii sunt mobili, dar tehnicile de transfer folosite pentru radioul celular se aplica la fel, atat pentru cazul in care celula paraseste utilizatorul, cat si pentrucazul in care utilizatorul paraseste celula.

Satelitii ar fi pozitionati la 750 km deasupra Pamantului, fiecare satelit avand maximum 48 de raze punctuale, cu un total de 1628 de celule pe suprafata Pamantului. Frecventele pot fi refolosite doua celule mai incolo ca si in radioul celular conventional. Fiecare celula va avea 174 de canale full-duplex, cu un total de 283.272 canale pe tot globul. Se estimeaza ca 200 MHz ca largime de banda ar fi suficienti pentru intregul sistem.

Sateliti versus fibre optice

In timp ce o singura fibra optica are in principiu mai multa latime potentiala de banda decat toti satelitii lansati vreodata, aceasta latime de banda nu este disponibila majoritatii utilizatorilor. Fibrele optice instalate la ora actuala sunt folosite in sistemul telefonic pentru a gestiona simultan mai multe apeluri de distanta lunga, si nu pentru a furniza utilizatorilor individuali latime de banda ridicata. Mai mult decat atat, putini utilizatori pot avea acces la un canal pe fibra optica, deoarece le sta in drum vechea bucla local din cablu torsadat (Daca oficiul final al companiei de telefoane se acceseaza pe 28.8 kbps, nu se va obtine niciodata o latime de banda mai mare de 28.8 kbps, indiferent de cata latime de banda are cablul intermediar). In cazul satelitilor, un utilizator poate sa scoata o antena pe acoperisul cladirii si sa ocoleasca complet sistemul telefonic.

O alta nisa o reprezinta comunicatiile mobile. In zilele noastre multi oameni doresc sa comunice in timp ce fac jogging, navigheaza, zboara, etc. Legaturile terestre prin fibre optice nu le sunt deci de nici un folos, in schimb le pot fi utile legaturile prin satelit. Este posibil totusi ca o combinatie intre radioul celular si fibra optica sa satisfaca cerintele majoritatii utilizatorilor (cu exceptia celr din avion sau de pe mare).

O alta nisa o reprezinta situatiile in care este esentiala difuzarea. Un mesaj transmis de satelit poate fi receptionat simultan de mii de statii terestre.

O alta nisa o constituie comunicatia in locurile cu terenuri greu accesibile sau cu o infrastructura terestra slab dezvoltata.

O alta nisa pe piata satelitilor este acolo unde dreptul de instalare a fibrei optice este dificil de obtinut sau nejustificat de scump.

In fine, atunci cand instalarea rapida este critica, de exemplu in cazul sistemelor militare, satelitii obtin castig de cauza fara probleme.

Pe scurt, se pare ca in viitor fluxul principal de comunicatie va fi pe fibra optica combinata cu radioul celular, iar pentru cativa utilizatori specializati, satelitii. Mai exista un factor demn de luat in calcul: economia. Desi fibra optica ofera mai multa latime de banda, daca progresele tehnologice vor reduce radical costul de instalare al unui satelit sau daca vordeveni populari satelitii de joasa altitudine, este posibil ca pe unele piete fibrele optice sa isi piarda pozitia de lider.