Fizikai réteg

Általános elméleti alapok

A csatornán történő információátvitel során az adó megváltoztatja a csatorna fizikai közegének valamilyen tulajdonságát, ami a közegen továbbterjed, és a vevő ezt a fizikai közegváltozást érzékeli. Például vezetékek esetén az átfolyó áram változhat, vagy a feszültség, vagy ha elektromágneses hullámot használunk, akkor a hullám amplitudója, frekvenciája, vagy kezdeti fázisszöge. Azért kell ilyen általánosan fogalmaznunk, mert például kommunikálnak a börtönben a rabok is egymással, itt a kommunikációs közeg a vízcsővezeték és ez vezeti a kopogtatást, azaz a hangot, vagy gondoljunk az indiánok által használt füstjelzésre.

10. ábra: Az adatátvitel modellje

A közeg fizikai jellemzői változásának mértéke, a változtatás lehetséges sebessége, a tovaterjedés során fellépő jelgyengülés az átvitel során fellépő tényleges fizikai korlátok. Sokszor digitális hálózati terminológiaként használják a sávszélességet: azon maximális információátviteli sebességet értik alatta, amely egy adott kommunikációs csatornára jellemző. Valójában a sávszélesség analóg rendszerek esetén használt fogalom: egy adott analóg jel maximális és minimális frekvenciájának a különbségét értjük alatta.

Például az emberi beszéd alsó frekvenciája 300Hz, a felső frekvenciája 3400 Hz, így a sávszélessége: 3400-300=3.1 kHz

Digitális hálózatokat az adatátviteli sebességükkel: az időegység alatt átvitt bitek számával jellemezhetjük. Ezt célszerű bit/s-ban mérni. Az átvitelt jellemezhetjük a felhasznált jel értékében 1 másodperc alatt bekövetkezett változások számával is, amit jelzési sebességnek, vagy közismert néven baud-nak nevezünk.

1 baud = log2 P [bit/s], ahol P a kódolásban használt jelszintek száma.

Például olyan átvitelnél ahol ezt kétállapotú jelekkel valósítjuk meg, ott a baud és a bit/s azonos számértéket adnak, de ha a jelet négy szint felhasználásával visszük át, ott a baud számértéke már csak fele a bit/s-ban megadott valós adatátviteli sebességnek. Ezért mindig gondosan, ne egymás szinonimájaként használjuk a baud és bit/s mértékegységeket!

Vonalak megosztása

A következők megértéséhez meg kell különböztetnünk a csatornákat, amelyeken az információcsere történik, és a felhasznált, tényleges, fizikailag létező összeköttetéseket biztosító vonalakat. A csatornák amelyeken az üzenetek áramlanak, igen jelentős költséggel megépített és üzemeltetett összeköttetéseken (vezeték, rádióhullám) keresztül valósulnak meg. Ezért nem célszerű, ha egy kommunikációs csatorna számára kisajátítunk egy vonalat, mert nagyon sok esetben a kommunikáció jellegéből fakadóan nincs folyamatos információcsere rajta, azaz a legtöbb kapcsolatban a vonalhasználat időszakosan jelentkezik. Mivel az ADÓ és VEVŐ oldal számára csak a végeredmény, az információ a fontos, ezért több csatorna is kialakítható egy vonalon, amelynek megvalósítására több lehetőség van.

Jelenleg az analóg átviteli vonalakat felváltották a digitális átviteli utak. Ez azt jelenti, hogy szükségtelenné váltak a közbenső analóg-digitál és digitál-analóg átalakítók. Ezt azt is jelentette, hogy a frekvencia osztásos multiplexelést az időosztásos multiplexelés váltotta fel. Míg a beszéd analóg átviteléhez 300-3400 Hz-es sávszélesség elegendő, ugyanezen beszéd digitális átvitele 64 kbit/s-os adatátviteli sebességet igényel.

Vonalkapcsolás

Az ADÓ és a VEVŐ közti összekötetés megteremtésére ki kell alakítani azt az útvonalat, amelyeknek részei kapcsolóközpontokon keresztül vannak összekötve. Első lépésben fizikai kapcsolat létesül az ADÓ és VEVŐ között, ami az összeköttetés idejére áll fenn. Az összeköttetésen keresztül megvalósul az adatátvitel, majd annak befejeztével a kapcsolat lebomlik. A folyamatot a távbeszélő technikában hívásnak nevezik. Fontos tény, hogy az információátvitelt meg kell hogy előzze a híváskérés hatására létrejövő összeköttetés. Előnye a tényleges fizikai összeköttetés létrehozása. Ezek után a két állomás úgy képes kommunikálni, mintha pont-pont összeköttetés valósult volna meg közöttük.

11. ábra: Vonalkapcsolás elve

Ilyenkor az adatok késleltetését már csak az elektromágneses jel terjedési ideje határozza meg, amely kb. 6 msec 1000 km-enként. Hátránya a kapcsolat létrehozásához szükséges sokszor jelentős időtartam, és az, hogy ilyenkor a csatorna mégis kisajátítja a vonalat. Ha a csatorna nem teljes kapacitással üzemel (telefonnál: hosszú csend), akkor ez a vonal kihasználtságát rontja.

Üzenet és csomagkapcsolás

Ilyenkor nincs előre kiépített út az ADÓ és a VEVŐ között. Az ADÓ az elküldendő adatblokkját elküldi az első IMP-nek, az pedig továbbküldi a következőnek, egészen a VEVŐ hoszt-hoz kapcsolódó IMP-ig. Az ilyen hálózatok a tárol és továbbít (store-and-forward) hálózatok. Az üzenetkapcsolás esetén nincs az adatblokk méretére korlátozás, ami nagy tárolókapacitású fogadó és továbbító IMP-ket igényel.

12. ábra: Üzenetkapcsolás elve

Másik hátránya az, hogy egy nagy üzenet akár percekre lefoglalhatja a közreműködő IMP-ket és a köztük lévő átviteli csatornát. Ezért gyakrabban használatos (számítógépes hálózatoknál csaknem kizárólagosan használt) az a módszer, mikor az átviendő adatblokk méretét korlátozzuk, és csomagokká bontjuk.

13. ábra: Csomagkapcsolás elve

A csomagkapcsoló hálózatok hatékonyan alkalmazhatók interaktív forgalom (ember-gép kapcsolat) kezelésére is mivel biztosítják hogy bármelyik felhasználó csupán néhány ezredmásodpercre sajátíthat ki egy vonalat. A csomagkapcsolás nagyon hatékonyan képes a vonalak kihasználására, mivel adott két pont között összeköttetést több irányból érkező és továbbhaladó csomag is használja. Másrészről fennáll annak a veszélye, hogy a bemenő adatforgalom csomagjai úgy elárasztanak egy IMP-t, hogy korlátozott tárolókapacitása miatt csomagokat veszít. Míg vonalkapcsolás esetén az üzenet lényegében egyben kerül átvitelre, csomagkapcsoláskor a csomagok sorrendje megváltozhat, és a sorrendhelyes összerakásukról is gondoskodni kell.

Hibakezelés

Az adatátvitel és a kommunikáció fontos kérdése az átvitel során fellépő hibák kezelése. A rétegfelosztást figyelembe véve ezt az alsó három rétegben kell megoldani. Az első hibakezelést a fizikai rétegben, a bitek és karakterek átvitelénél kell megoldani. A vonalakon fellépő hibákat különböző fizikai jelenségek okozzák: termikus zaj, a vonalakat kapcsoló berendezések impulzus zaja, a légköri jelenségek (villámlás) okozta zajok. A zajok időtartamából következően lehetnek egyedi és csoportos bithibák. A gyakoribb esetben a hibák fennállási ideje általában egy bit átviteli idejének a többszöröse, ezért ezek a hibák csoportosan, hibacsomók formájában jelentkeznek. Mivel az adatátvitel blokkos (keretes) formában történik, ezért az eredmény egy-egy blokk tönkremenése.

Egyedi bithibák kezelésére a hibajavító (error correcting codes - ECC) és hibajelző kódok (error detecting codes) alkalmazása ad lehetőséget. Mindkét esetben az adatblokkokat redundanciával küldik, hogy a vevő az esetleges hiba tényét felfedezhesse (hibajelzés) illetve megállapíthassa hogy minek kellett volna jönnie (hibajavítás).

Csoportos bithibák esetén inkább egy másik módszert használnak, Ez a hibavédelmi eljárás, a CRC - Cyclic Redundancy Check úgy működik, hogy egy keretnyi adatot egy előre meghatározott bitsorozattal “elosztunk”, és a “maradékot” a keret részeként továbbítjuk. A vevő oldalon ugyanezt az osztást végezzük el, és ha ez a keret részeként átküldött maradékkal egyezik, akkor hibátlannak fogadjuk el a keretet. Három szabványos bitsorozat terjedt el:

Az olyan 16 bites ellenőrző összeg, amit a az utóbbi két módszer alapján állítunk elő, észleli az összes egyes és kettős hibát, az összes páratlan hibás bitet tartalmazó hibát, az összes 16 vagy ennél rövidebb csoporthibát, a 17 bites csoporthibák 99.997%-át, valamint a 18 bites és annál hosszabb csoporthibák 99.998%-át.