1 1 RAZVOJ PRIJENOSA PODATAKA Od poĉetka poznate povijesti ĉovjeĉanstva, opstanak i napredak društvenih zajednica ovisio je o mogućnosti razmjene informacija izmeĊu meĊusobno udaljenih skupina ljudi. Jedino su se njihovom brzom i pravodobnom dostavom mogle koordinirati aktivnosti na korist cjelokupne zajednice. Sadrţaj informacije i sredstva za prijenos podataka razvijala su se u skladu s općim društvenim razvojem. Smatramo da razvoj telekomunikacija zapoĉinje korištenjem elektriĉne energije u prijenosu info rmacija, odnosno pojavom telegrafa i telefona. Telegraf je izumljen u prvoj polovici 19. stoljeća. Podaci su prenošeni jednoţilnim vodovima (zemlja se koristila kao povratni vodiĉ), u obliku duţih i kraćih strujnih impulsa. Od njih su formirani znakovi Morse-ovog koda, koji su bili emitirani ruĉno pomoć u tipkala. Na prijemnoj strani korišteni su pisaći na traku, ĉiji se ispis sastojao od toĉkica i crtica. Krajem 19. stoljeća otkrivena je mogućnost beţiĉnog prijenosa, putem radio valova. Tu su toĉkice i crtice predstavljane duljim i kraćim periodom emitiranja radio predajnika. Takva vrsta prijenosa naziva se radiotelegrafija. Signale primaju izvjeţbani operateri - radiotelegrafisti na sluh. Radiotelegrafija je danas od malog komercijalnog znaĉaja, jer je sk upa i ostvaruje mali kapacitet kanala. Koristi se u vojne svrhe kada zbog ometanja drugi sustavi prijenosa podataka nisu upotrebljivi. Za prijenos govora znaĉajan je izum telefona u drugoj polovici 19. stoljeća. Karakterizira ga pretvorba zvuĉnog signala u elektriĉni (mikrofon) i elektriĉnog u zvuĉni (slušalica).
52
Embed
1 RAZVOJ PRIJENOSA PODATAKA - personal.oss.unist.hrpersonal.oss.unist.hr/~alen/Literatura-SKRIPTA!!!/MrezeRacunala_I.pdf · Asinkroni prijenos je pogodan za male brzine prijenosa,
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
1 RAZVOJ PRIJENOSA PODATAKA
Od poĉetka poznate povijesti ĉovjeĉanstva, opstanak i napredak društvenih zajednica ovisio je o mogućnosti razmjene informacija izmeĊu meĊusobno udaljenih skupina ljudi. Jedino su se njihovom brzom i pravodobnom dostavom mogle koordinirati aktivnosti na korist cjelokupne zajednice. Sadrţaj informacije i sredstva za prijenos podataka razvijala su se u skladu s općim društvenim razvojem. Smatramo da razvoj telekomunikacija zapoĉinje korištenjem elektriĉne energije u prijenosu informacija, odnosno pojavom telegrafa i telefona.
Telegraf je izumljen u prvoj polovici 19. stoljeća. Podaci su prenošeni jednoţilnim vodovima (zemlja se koristila kao povratni vodiĉ), u obliku duţih i kraćih strujnih impulsa. Od njih su formirani znakovi Morse-ovog koda, koji su bili emitirani ruĉno pomoć u tipkala. Na prijemnoj strani korišteni su pisaći na traku, ĉiji se ispis sastojao od toĉkica i crtica. Krajem 19. stoljeća otkrivena je mogućnost beţiĉnog prijenosa, putem radio valova. Tu su toĉkice i crtice predstavljane duljim i kraćim periodom emitiranja radio predajnika. Takva vrsta prijenosa naziva se radiotelegrafija. Signale primaju izvjeţbani operateri - radiotelegrafisti na sluh. Radiotelegrafija je danas od malog komercijalnog znaĉaja, jer je skupa i ostvaruje
mali kapacitet kanala. Koristi se u vojne svrhe kada zbog ometanja drugi sustavi prijenosa podataka nisu upotrebljivi.
Za prijenos govora znaĉajan je izum telefona u drugoj polovici 19. stoljeća. Karakterizira ga pretvorba zvuĉnog signala u elektriĉni (mikrofon) i elektriĉnog u zvuĉni (slušalica).
2
Grafitni mikrofon zvuĉne titraje pretvara u promjenjivu impedanciju, te na liniji dolazi do promjene strujnog nivoa u ritmu promjene zvuĉnog tlaka. U slušalici se ta promjena na liniji ponovo pretvara u zvuk.
Jednostavnost upotrebe uvjetovala je mnogo brţi razvoj mreţa za prijenos govora (telefonskih) od mreţa za prijenos podataka (telegrafskih). Prve mreţe za prijenos govora su podrţavale vezu “svatko sa svakim” Struktura potpuno povezanog grafa (isprepletena mreţa) je vrlo brzo napuštena, jer je bila ekonomski neopravdana. Prešlo se na sustav s prospajanjem (komutacijom) kanala, (slika desno).
Svaki korisnik je vezan na komutacijsko ĉvorište (telefonsku centralu), a veza se uspostavlja na njegov zahtjev. To ĉini zvjezdastu pretplatniĉku (pristupnu) mreţu. Karakteristiĉno je da je pretplatniĉki vod vrlo malo iskorišten, ali to je neizbjeţno. Telefonske centrale su meĊusobno spojene, pa korisnik moţe zahtijevati vezu s korisnikom na istoj ili na nekoj drugoj centrali.
Prospajanjem se uspostavlja dvosmjerni fiziĉki komunikacijski kanal meĊu uĉesnicima. Kanal im stoji na raspolaganju do raskida, uz naplatu prema vremenu korištenja. Ovakav fiziĉki kanal ima minimalno kašnjenje neophodno za razgovor u stvarnom vremenu. Mreţe meĊu centralama su kombinacija hijerarhijskog sustava s topologijom stabla i mreţe povezanog grafa. Skupi kanali meĊu udaljenim centralama na raspolaganju su svim korisnicima. Broj kanala izmeĊu dvije centrale je kompromis izmeĊu cijene usluge i potreba korisnika u periodima vršnog prometa. "Glavni prometni sat" je sat u toku dana s najvećim prometom. U samom poĉetku se prospajanje obavljalo ruĉno, a s vremenom su se razvijale automatske telefonske
centrale. Dijelovi centrale koji obavljaju prospajanje razvijali su se od elektromehaniĉkih (koraĉni releji, relejni automati) preko elektroniĉkih do mikroprocesorskih. Broj tih ureĊaja je opet kompromis izmeĊu cijene usluge i potrebe korisnika u periodima vršnog prometa. Takvi kompromisi se pojavljuju na bezbroj mjesta u telekomunikacijskim mreţama. Radi se o sustavima s posluţivanjem (npr. sustav koji prospaja telefonski kanal meĊu uĉesnicima), kod kojih zahtjevi stiţu nenajavljeni kao dolazni promet s nekim statistiĉkim svojstvima, a posluţuju se npr. redom kojim su pristigli. Ako u kratkom vremenu stigne više zahtjeva nego što sustav moţe posluţiti, stvara se red ĉekanja.
Prvi telefonski kanali bili su zapravo fiziĉki vodovi, kao zraĉni vodovi ili upletene parice telefonskog kabela. Pretplatniĉke mreţe su i danas dominantno izgraĊene na tom principu. MeĊutim, skupe veze na velike udaljenosti (meĊugradske) morale su bolje iskoristiti informacijski kapacitet voda.
3
Kako je informacijski volumen na nekoj trasi: V = 2B D T n [bita]
B = širina pojasa u Hz, a 2B je onda mogućnost prijenosa broja signalnih elemenata u sekundi
Najgori mogući sluĉaj koji traţi najvišu frekvenciju u prijenosu, jest kada se naizmjeniĉno izmjenjuju 0 i 1. Vidimo da uz sinusoidalnu aproksimaciju to zadovoljava uz 2 simbola (bita) po periodi. Stoga je mogućnost prijenosa 2B simbola u sec. D = dinamika (ovisna o odnosu signala i šuma) kao broj bita po signalnom elementu Umjesto dvo-razinskog kodiranja (npr. Ima/nema napona), moguće je koristiti više razina, kako bi se sa jednim
simbolom (polu-periodom) kodiralo više bita. Tako npr. Sa 8 razina moţemo kodirati 3 bita, sa 16 – 4 itd. Time smo povećali propusnost za 3, odnosno 4 puta.
MeĊutim, prolaskom kroz kanal signalu se pribraja i šum na kanalu, te šum na kanalu ograniĉava max. broj razina koji se moţe koristiti, a bez gubitka informacije. T = vrijeme raspoloţivosti sustava (koji je podloţan kvarovima) n = broj paralelnih istovrsnih vodova na trasi
Kako su kanali na velikim udaljenostima skupi, potrebno ih je maximalno iskoristiti po svakoj dimenziji (frekvencijski opseg B, dinamika D, vrijeme T, prostor n). Za prijenos govora dovoljna je širina pojasa od oko 3 kHz, od 300 do 3300 Hz. Fiziĉki vodovi od metalnih vodiĉa imaju daleko širi upotrebljivi frekvencijski opseg B, ĉak i na velikim udaljenostima, pa je moguće istovremeno prenositi više govornih signala. Dva su osnovna naĉina kako osnovni kanal podijeliti na više logiĉkih kanala. To su: Sustavi s podjelom frekvencije (FDM, Frequency Domain Multiplexing) ostvareni su analognom tehnologijom.
- Druga, bolja mogućnost je slanje signala velikom brzinom, uz podjelu kapaciteta kanala po vremenu. Takvi sustavi s podjelom vremena (TDM, Time Domain Multiplexing) ostvareni su
digitalnom tehnologijom. Digitalizacija prijenosnih (transmisijskih) sustava otvorila je put
4
digitalizaciji telefonskih centrala. U današnjim mreţama veze meĊu centralama su dominantno digitalne, same centrale su preteţno digitalne, a nazire se i digitalizacija pretplatniĉkih vodova, koji su još uvijek preteţito analogni.
Digitalizacija se postiţe uzimanjem dovoljne gustoće uzoraka signala u jedinici vremena. Veća preciznost
uzimanja vrijednosti signala znaĉi i veću propusnost za digitalizirani signal. Npr. upotrebom 16 bita (65 535 razina) umjesto 8 bita (256 razina) znaĉi dvostruku širinu kanala za prijenos informacije. Isto tako što je veća frekvencija signala koji digitaliziramo, potrebna je i veća uĉestalost uzimanja uzoraka, te samim tim opet i širina pojasa za prijenos. N digitaliziranih kanala se šalje na izlazni kanal koji mora imati N x veću propusnost od svakog digitaliziranog kanala pojedinaĉno. Uzorci se šalju multipleksiranjem jedan za drugim, te se na prijemnoj strani obrnutim redoslijedno uzimaju i “grade” pojedinaĉni kanali u prijemu. Znaĉaj razvoja telefonskih mreţa za prijenos podataka je dvojak. Prvo, kanali telefonskih
(telekomunikacijskih) mreţa se vrlo ĉesto koriste u izgradnji mreţa za prijenos podataka (zakupljeni kanali), dok su vlastiti kapaciteti vrlo rijetki. Drugo, pretplatniĉke mreţe se dominantno koriste za pristup javnim mreţama za prijenos podataka. Prva mreţa za prijenos podataka napravljena je poĉetkom 20. stoljeća, za što je znaĉajnu ulogu imao izum elektriĉnog pisaćeg stroja. Ideja je bila povezati dva elektriĉna pisaća stroja, tako da se tipka na jednom, a tekst ispisuje na drugom stroju. U svezi s tim se pojavio problem kodiranja i problem pretvorbe paralelnog prijenosa u serijski.
Kod paralelnog je nekodiranog prijenosa za prijenos 26 znakova bilo potrebno 26 ţiĉanih vodova, što je skupo i nepraktiĉno, posebno na velike udaljenosti (a). Od 226
kodnih rijeĉi koristi se svega 26.
Kodiranjem 25=32 svaki od 26 simbola predstavljen je jednom kodnom rijeĉi duljine 5 bita (b). Tako se
26 vodova svelo na 5 (kod starijih sustava uvijek je korištena zemlja kao povratni vodiĉ).
5
PrevoĊenjem paralelnog prijenosa u serijski ostvario se je prijenos jednoţilnim vodom, kao kod Morse-ove telegrafije (c). Tada se pojavio novi problem, potreba za sinkroniziranjem prijemnog i predajnog ureĊaja. To je riješeno uvoĊenjem pokretaĉko - zaustavnog (start - stop) sustava. Kod takvog prijenosa,
kojeg nazivamo asinkronim prijenosom, prije kodne rijeĉi šalje se strujni (pokretaĉki) impuls, nakon toga pet do osam informacijskih impulsa koji mogu biti strujni ili bestrujni, te na kraju jedan bestrujni (zaustavni) impuls.
Start/stop impuls sluţe za sinkronizaciju vremena prijemnika i predajnika. Brzina slanja i primanja mora biti jednaka i definira se prije uspostave prijenosa. 5 – 8 bita se lako sinkroniziraju uz poznate brzine prijenosa/trajanja signala. Bez start/stop bita postojala bi opasnost da kod dugog niza 0 ili 1 prijemnik/predajnik izgube sinkronizaciju. Asinkroni prijenos je pogodan za male brzine prijenosa, dok kod velikih dolazi do problema sa mjerenjem duljine vrlo kratkog signala, te se za velike brzine ne koristi.
Uskoro su se razvile javne telegrafske, tzv. teleks mreţe. Prospajanje kanala obavljalo se je posredstvom telegrafskih centrala. Drţave su obvezale svoje poštanske organizacije da se teleks mreţom obavlja automatska identifikacija pošiljaoca, pa su telegrami imali vrijednost originalnog dokumenta. Standardizirani su naĉin kodiranja, iznosi struja i napona na liniji, te brzina prijenosa. Da bi se izbjeglo tipkanje za vrijeme prijenosa, teleprinteri su snabdjeveni ĉitaĉima i bušaĉima papirnatih traka (svojevrsna vanjska memorija). Tako je omogućeno slanje ranije pripremljenog teksta maksimalnom brzinom i bez pogrješki. Razlikujemo europski i ameriĉki standard za teleks mreţe:
Standard Brzina Kod Bita/znaku Zaustavni bit
Europski 50 b/s CCITT No2 5 1,5
Ameriĉki 1 1 0 b / s C C I T T N o 5 ( A S C I I ) 7 1
Slijedeći korak je bio razvoj telegrafskih centrala s memorijom. Izvorno korištene kod prevoĊenja s europskog na ameriĉki sustav, ubrzo su preuzele funkciju prosljeĊivanja poruka. Telegram se je mogao poslati iako je primalac bio zauzet. Tako je ostvarena mreţa s prospajanjem poruka, koja po potrebi obavlja prevoĊenje s europskog na ameriĉki standard i obrnuto. Krajem 20. stoljeća a teleks mreţe gube na vaţnosti i polako izumiru jer ih je istisnuo daleko fleksibilniji sustav telefaks poruka. Osnovne su mu prednosti u mogućnosti prijenosa slikovnih informacija, te u korištenju telefonske mreţe koja je daleko rasprostranjenija od telegrafske. Problem izvornosti dokumenta rješava se slanjem originala poštom.
Telegrafske mreţe su rijetko koristile vlastite komunikacijske kanale. Najĉešće su korišteni postojeći kanali telefonske mreţe. To je najraniji primjer integracije sustava za prijenos podataka i govora. Da bi se efikasnije iskoristio kapacitet telefonskog kanala, napravljeni su ureĊaji koji omogućuju prijenos više telegrafskih kanala jednim telefonskim. Naime, telegrafski kanal brzine 50 b/s zahtijeva u praksi širinu propusnog opsega od oko 120 Hz. Stoga je moguće telefonski kanal s širinom frekvencijskog opsega od oko 3000 Hz iskoristiti za prijenos 24 telegrafska kanala. To se postiţe podjelom po frekvenciji (FDM) korištenjem tzv. ureĊaja sa signalima nosivih frekvencija (UNF). U praksi su se koristila dva rješenja, prijenos 24 telegrafska kanala, ili prijenos jednog reduciranog telefonskog kanala širine oko 2000 Hz i 8
telegrafskih kanala jednim telefonskim.
6
Do pojave raĉunala, mreţe za prijenos podataka i mreţe za prijenos govora su se razvijale na principu
prospajanja kanala, s iznimkom prospajanja poruka u teleks mreţi. To znaĉi da je sustavom telefonskih ili telegrafskih centrala komunikacijski kanal uspostavljen s kraja na kraj mreţe, ĉime je stalno zauzet odgovarajući komunikacijski kapacitet. Na korisniku je da raspoloţivi kapacitet efikasno iskoristi, pošto uspostavljeni kanal plaća bez obzira na njegovo korištenje.
2 RAZVOJ TERMINALSKIH MREŽA
Razvoj terminalskih mreţa kretao se je usporedo s razvojem digitalnih raĉunala, koja svoje korijene vuku iz ranijih mehaniĉkih i elektromehaniĉkih naprava. U prvoj polovini dvadesetog stoljeća elektromehaniĉki strojevi za obraĉunavanje (kalkulatori, IBM) korišteni su u knjigovodstvu velikih kompanija, da bi svoj uzlet doţivjeli za vrijeme drugog svjetskog rata kroz naprave za strojno šifriranje. Elektroniĉka digitalna raĉunala realizirana su vakumskim elektronskim cijevima (ĉetrdesete), diskretnim tranzistorima (pedesete)
te digitalnim integriranim krugovima (od šezdesetih godina dvadesetog stoljeća). U poĉetku se digitalnim raĉunalima komuniciralo posredstvom konzole s ţaruljicama i prekidaĉima. Na taj je naĉin operater upravljao sklopovljem raĉunala bez posredovanja upravljaĉkih programa. Osim konzole, ta su raĉunala imala ĉitaĉ bušenih kartica za unos korisnikovih programa i podataka, te linijski pisaĉ za ispis rezultata. Ĉitaĉ i pisaĉ formiraju terminal za unos zadaća (JE, Job Entry terminal).
Uskoro se ispostavilo da je konzola nefleksibilna, pa je svedena na najmanju moguć u mjeru (samo da se raĉunalo pokrene). Umjesto nje upotrijebljen je teleprinter, odnosno ameriĉki teletype, kao konzolni terminal, Raĉunala su mogla primati poruke sa teleprintera i slati poruke na teleprinter. To je bila prva mreţa: jedno raĉunalo s jednim terminalom. Koristio se 7-bitni ASCII kod, a IBM je razvio svoj EBCDIC
kod, kojega su koristila IBM-ova velika (mainframe) raĉunala.
7
Prva raĉunala mogla su obraĊivati jedan po jedan program, a dotle su korisnici ĉekali u redu sa bušenim karticama da bi njihovi podaci bili obraĊeni. Na taj naĉinn se stvarala “guţva” korisnika oko raĉunala, te je uskoro omogućen prihvat korisnikovih programa i podataka na disk raĉunala. Tu su oni ĉekali na obradu i ispis. Takav se rad naziva grupna obrada (engl. Batch Processing). Ona ne dozvoljava nikakvu komunikaciju s programom za vrijeme njegova izvoĊenja. Omogućavanje grupne obrade, ma koliko bilo
jednostavno, dovodi do razvoja prvih sloţenih kontrolnih programa za upravljanje raĉunalom, koja danas nazivamo "operacijskim sustavima" (engl. Operating Systems). Uskoro su ulazne i izlazne jedinice udaljene iz prostora u kojem se nalazilo samo raĉunalo s masovnom memorijom. Time je ostvarena daljinska grupna obrada (engl. Remote Batch Processing). Na raĉunalo je bilo prikljuĉeno više terminala za daljinski unos zadaća (RJE, Remote Job Entry terminal), povezanih lokalno ili preko telefonskih kanala uz uporabu modema. Već u ovoj ranoj fazi razvoja umreţavanja raĉunala pokazalo se je da telegrafski kanali nemaju dostatnu brzinu za potrebe prijenosa podataka u raĉunalnim mreţama.
Uskoro su banke zatraţile automatizaciju šalterskog poslovanja. Uveden je interaktivni naĉin rada, kod kojega raĉunalo u podjeli vremena obavlja prividno istovremeno više zadaća, tako da svaki korisnik ima
dojam kako raĉunalo sluţi samo njemu. Trebalo je sa više geografski razdvojenih mjesta ostvariti brz dohvat podataka, koji su bili smješteni na jednom centru (u sjedištu banke). Korisnici komuniciraju s raĉunalom posredstvom interaktivnih terminala. Na raĉunalo se povezuje već i broj terminala u tzv. terminalske mreţe.
U takvim mreţama terminali su prikljuĉeni lokalno, unutar zgrade u kojoj je smješteno raĉunalo,
8
ili daljinski, posredstvom telekomunikacijske mreţe. Na samom poĉetku korišteni su teleprinteri. Razvojem tehnologije su se pojavili ekranski (CRT, Cathode Ray Tube) terminali, koji su uvedeni u uporabu umjesto teleprintera. Interaktivni rad podrţan je sloţenim operacijskim sustavom raĉunala, koji omogućava prividno
istovremeno posluţivanje više zahtjeva korisnika - operatora. Zapravo se radi o podjeli kapaciteta raĉunala (procesora) u vremenu, a naĉin rada je višekorisniĉki i višezadaćni (engl. Multi-user, Multitasking). Za povezivanje ekranskih terminala, teleks mreţa je bila nedovoljnog kapaciteta, pa su i ovdje za prijenos podataka bili prikladniji telefonski kanali. Korišteni su stalni (iznajmljeni) telefonski kanali opremljeni ureĊajima za utiskivanje digitalne informacije u analogni telefonski kanal, modemima (skraćeno od MODulator-DEModulator). U praksi su se iznajmljeni telefonski kanali pokazali priliĉno skupima. Nastojalo se smanjiti troškove povezivanjem više terminala na isti telefonski kanal, što je ostvareno radom u podjeli vremena.
Za efikasan rad ekranskog terminala potreban je cijeli kapacitet kanala. Pri tome kod interaktivnog rada terminali velik dio vremena miruju, tako da se periodi intenzivne aktivnosti (ispis bloka podataka na ekranu) izmjenjuju sa dugaĉkim periodima neaktivnosti ili male aktivnosti (tipkanje operatera na tastaturi, ĉekanje na odaziv sustava, donošenje odluka). Povezivanje više terminala na isti telefonski kanal moguć e je uporabom koncepta statistiĉkog multipleksiranja. Za vrijeme neaktivnosti jednog terminala, drugi terminal moţe koristiti cjeloviti kapacitet kanala. To zahtijeva odreĊenu tehniĉku podršku kako terminali u pokušaju komuniciranja s raĉunalom ne bi smetali jedan drugome. U svezi s tim pojavila su se dva
koncepta povezivanja: jednospojno i višespojno. Kod jednospojnog povezivanja (engl. point-to-point), svaki terminal je vezan vlastitim vodom na raĉunalo (lokalno povezivanje) ili na komunikacijski procesor (daljinsko povezivanje). Komunikacijski procesor prihvaća podatke s terminala znak po znak istovremeno s tipkanjem, oblikuje ih u poruke terminala, te ih šalje raĉunalu koristeći jedan telefonski kanal. Obrnut postupak primjenjuje se za pristigle poruke raĉunala. Takvi se terminali zbog rada "znak po znak" zovu znakovno orijentirani (engl.
Character Oriented), ili znakovni terminali.
Kod višespojnog povezivanja (engl. multi-point, multi-drop), slika 1.9, više terminala je spojena
istom kanalu. Centralna stanica vrlo brzo proziva jedan terminale po jedan, a oni koji su spremni
šalju već pripremljene poruke. Postupak prozivanja moţe se i ovdje prenijeti na komunikacijski
procesor radi rasterećenja raĉunala. U suprotnom smjeru, centralna stanica (procesor ili
komunikacijski procesor) selektiraju odredišni terminal, te mu prenesu cjelovit blok podataka,
kojeg terminal ispisuje na ekranu. Takvi se terminali zbog rada "blok po blok " zovu blok-
orijentirani (engl. Block Oriented), ili blokovni terminali.
9
Terminali za jednospojno i višespojno povezivanje se meĊusobno razlikuju po unutrašnjoj
kompleksnosti. Znakovni terminali su izrazito jednostavni i Ĉesto se zovu neinteligentnim (engl.
Dumb) terminalima. Blokovni terminali raspolaţu sloţenim funkcijama lokalne pripreme bloka
podataka i sloţenim komunikacijskim funkcijama, najĉešće su realizirani primjenom
mikroraĉunala, i nazivaju se inteligentnim terminalima. Svaka poruka nosi identifikaciju sa kojeg
je terminala došla.
Kod korištenja telefonskih kanala za prijenos podataka, digitalni je signal trebalo nekim
modulacijskim postupkom prevesti u analogni signal spektra sukladnog propusnom opsegu
telefonskog kanala
.
UreĊaji za prijenos podataka nazivaju se MODEMI. Sastoje se od modulatora i demodulatora.
Povezuju raĉunalo ili terminal na telefonski kanal, te omogućavaju prijenos podataka telefonskim
kanalom.
3 RAZVOJ MREŽNIH ARHITEKTURA
Slijedeći korak u razvoju umreţavanja raĉunala ostvaren je povezivanjem više raĉunala. Zbog
rasta koliĉine podataka stalno se javljala potreba za povećanjem kapaciteta centralnog raĉunala,
što je postalo ekonomski neisplativo. Zato se javila potreba za distribucijom kapaciteta obrade
koja se postiţe umreţavanjem manjih raĉunala. Te su mreţe bile privatno vlasništvo i imale su
primitivne sigurnosne mehanizme, a pristup im je bio ograniĉen. Sedamdesetih godina 20.
stoljeća pojedini proizvoĊaĉi raĉunala i vladine organizacije razvijaju vlastite arhitekture
raĉunalnih mreţa:
· IBM - SNA
· DEC - DECNET
· DARPA - ARPANET, preteĉa Interneta
Pojava raĉunalnih mreţa prisilila je telekomunikacijske kompanije da ponude rješenja koja će
zadovoljiti korisnike raĉunala bolje nego teleks i telefonska mreţa. Javljaju se slijedeće javne
mreţe:
10
Mreţe s komutacijom kanala za sinkroni i asinkroni prijenos podataka po preporukama
X.20 i X.21;
Mreţe s komutacijom paketa X.25, od kojih se jedan dio razvija prema frame - relay
mreţama;
Integrirana digitalna mreţa (IDN, Integrated Digital Network), iz koje se razvija digitalna
mreţa integriranih usluga (ISDN, Integrated Services Digital Network). ISDN mreţa na
bazi komutiranih kanala kapaciteta 64 kb/s nije nudila dovoljan kapacitet za potrebe
prijenosa podataka i danas se koristi samo dio specifikacije u dijelu korisniĉke mreţe
(veza od korisnika do prvog ĉvorišta);
Razvijaju se digitalne pretplatniĉke (pristupne) mreţe velike brzine prijenosa (xDSL).
Kreće pokušaj razvoja širokopojasne B-ISDN (Broadband ISDN) mreţe, takoĊer s
komutacijom kanala varijabilnog kapaciteta N´ 64 kb/s. To se pokazalo vrlo
nefleksibilnim, pa je koncept napušten. Današnja B-ISDN mreţa zasniva se na tehnologiji
asinkronog naĉina prijenosa ATM,
Asynchronous Transfer Mode) koja koristi prospajanje paketa. ATM mreţom prenose se
kratki paketi - ćelije (stanice, engl. cell) duţine 53 okteta, i to 5 okteta zaglavlja koje
ukljuĉuje 1 oktet zaštite od pogreški, te 48 okteta podataka. Ćelije se mogu optimalno
komutirati sklopovskim strukturama. Takva veliĉina ćelije je kompromis izmeĊu
prijenosa većeg paketa (interesantno za prijenos podataka zbog manjeg opterećenja
ĉvorišta) i prijenosa oktet po oktet (interesantno za prijenos govora zbog minimalnog
poĉetnog kašnjenja). ATM mreţa se realizira optiĉkim vlaknima, sa standardnim
brzinama od 155 Mb/s, 625 Mb/s i 2,4 Gb/s. Za prikljuĉak korisnika koriste se i niţe
brzine od 2 Mb/s, 48/38 Mb/s i 155 Mb/s. ATM tehnologija je perspektivna jer
objedinjuje razliĉite vrste prometa, ali su potrebna visoka ulaganja. Stoga je izgradnja
globalne ATM mreţe upitna. Do tada, Internet će koristiti ATM kanale (sve rjeĊe) ili
se od dva prepletena vodiĉa i cilindriĉnog opleta, koji moţe biti i folijski. Koristi se kod
novijih instalacija lokalnih mreţa, iako su prednosti prema UTP kabelu upitne.
twinax kabeli - sastoje se od dva centralna vodiĉa i cilindriĉnog opleta, primjenjuju se kod
prstenastih lokalnih mreţa, npr. IBM token-ring 16 Mb/s.
Optiĉki vodovi (svjetlovodi, optiĉka vlakna) su strukture od vodljive plastike kroz koje se
vodi svjetlosni signal. Imamo dvije vrste optiĉkih vodova:
o jednomodno optiĉko vlakno omogućava prolaz svjetlosti koja se lomi na samo
jedan naĉin. Karakterizira ga manje gušenje i već i doseg signala (oko 25 km), ali i
veća cijena vlakna, konektora i opreme (laserske diode). Koristi se za gradnju
telekomunikacijskih i WAN mreţa.
o višemodno optiĉko vlakno omogućava prolaz svjetlosti koja se lomi na više
naĉina. Karakterizira ga već e gušenje i manji doseg signala (oko 2 km), ali i
manja cijena vlakna, konektora i opreme (svjetlosne diode). Koristi se za gradnju
LAN mreţa. Koriste se kod optiĉke lokalne mreţe FDDI (Fiber Distributed Data
Interface, brzine 100 Mb/s),ATM korisniĉkih prikljuĉaka i mreţa (brzine 48/38
Mb/s, 155 Mb/s i 625 Mb/s) i Ethernet lokalne mreţe (100BaseFX brzine 100
Mb/s i 1000BaseLX brzine, 1000 Mb/s, 10GBASE-LX).
· Elektromagnetska zraĉenja imaju razliĉita svojstva ovisno o frekvenciji signala:
* infracrvena zraĉenja, koriste se za beţiĉno povezivanje unutar jedne prostorije (npr. beţiĉna
tastatura),
* radio kanali, koriste se za prijenos podataka na podruĉjima gdje nije izgraĊena telefonska
mreţa, kod beţiĉnih lokalnih mreţa (2,4 GHz) ili za mobilne komunikacije (npr. GSM),
* satelitske veze, koriste se kao medij za izgradnju telekomunikacijskih mreţa.
Vrste kanala po načinu korištenja medija
Kanal je spojni put kojim prenosimo podatke. Sastoji se od fiziĉkog medija i potrebne opreme da
bi prijenos podataka bio moguć . Razlikujemo osnovne i izvedene kanale.
22
· Osnovni kanal nastaje potpunim korištenjem kapaciteta fiziĉkog voda ili medija. Pri
tome je najĉešće obuhvaćena i istosmjerna komponenta spektra, pa govorimo o osnovnom
frekvencijskom podruĉju (baseband), od 0 do neke graniĉne frekvencije. Informacijski
volumen osnovnog kanala moţemo podijeliti na više korisnika, ĉime dobijemo izvedene
kanale.
· Izvedeni kanali nastaju podjelom informacijskog volumena osnovnih kanala. Pojedinom
korisniku se moţe fiksno dodijeliti dio kapaciteta osnovnog kanala u vremenu t (TDM,
Time Domain Multiplexing),
B
t ili dio njegovog frekvencijskog
opsega (FDM, Frequency Domain Multiplexing), ili kombinirano (kod beţiĉnih lokalnih
mreţa s preskakanjem frekvencija, FHSS), B
t
F D M
T D M
UreĊaji za podjelu po frekvenciji su vrlo nefleksibilni zbog nemogućnosti jednostavne promjene
frekvencije LC filtara. Fleksibilnija je podjela po vremenu (TDM)
Podjelu kanala po vremenu nazivamo vremensko multipleksiranje. Ono moţe biti fiksno i
statistiĉko.
Kod fiksnog multipleksiranja toĉno se zna koji je vremenski odsjeĉak predviĊen za terminal T1,
koji za terminal T2, itd. Dok traje odsjeĉak predviĊen za T1, T1 prenosi podatke, a kada to
vrijeme proĊe, T1 prekida rad i tada poĉinje raditi T2. Mana fiksnog multipleksiranja je u tome,
što je raspoloţivo vrijeme kanala izgubljeno ako ga terminal ne koristi (npr. trenutno nema
podataka za slanje). Npr. kod PCM sustava u osnovni okvir trajanja 125 ms multipleksiraju se 32
okteta kanala, tako da imamo 32x64 kb/s = 2,048 Mb/s (primarni PCM multipleks).
UreĊaj za fiksno multipleksiranje se naziva multiplekser. On promet sa više ulaznih medija
prebacuje na jedan izlazni medij Ĉiji je kapacitet fiksno podijeljen. Stoga ukupni kapacitet
izlaznog medija mora biti već i ili jednak zbroju kapaciteta ulaznih:
1
2
3
4
Multiplexer IZLAZ
1
2 3
4
s
p
r
e
m
n
i
k
i
ikkapacitet
Kod statistiĉkog multipleksiranja vremenski odsjeĉci nisu fiksno dodijeljeni. Stoga terminal T1
moţe koristiti vremenske odsjeĉke terminala T2 kad taj ne radi, i obrnuto. Dok jedan terminal
23
radi, drugi mora ĉekati. Situacija se poboljšava podjelom poruka na manje dijelove, blokove ili
pakete. UreĊaj za statistiĉko multipleksiranje se naziva se statistiĉki multiplekser. On promet sa
više ulaznih medija prebacuje na jedan izlazni medij ĉiji je kapacitet podijeljen prema potrebama
korisnika. Iako dugoroĉno ukupni promet mora biti manji ili jednak kapacitetu izlaznog medija,
aktivnom korisniku se privremeno dodjeljuje puni kapacitet medija. Stoga je kapacitet izlaznog
medija jednak kapacitetu pojedinaĉnog ulaznog medija:
1
2
3
4
Multiplexer
statističkiIZLAZ
1
2 3
4
Selekcija i zadržavanje prema
prioritetu korisnika ikkapacitet
Specifiĉna vrsta statistiĉkog multipleksiranja koristi se kod prospajanja kanala. Koncentrator
koristi povremenu aktivnost telefona sliĉno kao što statistiĉki multiplekser koristi povremenu
aktivnost terminala. Kapacitet izlaznog medija (npr. 5 telefonskih kanala) je znatno manji od
kapaciteta ulaznih medija (npr. 50 telefonskih kanala):
i
ikkapacitet
Koncentrator dodjeljuje izlazne kanale aktivnim telefonima po principu "tko prvi doĊe, prvi je
posluţen". Kad su svi izlazni kanali angaţirani, nova se veza ne moţe uspostaviti dok se neki od
kanala ne oslobodi raskidom postojeće veze.
Kapacitet kanala.
Na fiziĉkoj se razini raĉunarska mreţa izravno dodiruje sa prijenosnim medijem. To mogu biti
osnovni ili izvedeni kanali izgraĊeni za prijenos govora ili podataka. Sam prijenos moţe biti
analogan ili digitalan. Ĉesto se za prijenos podataka koriste telefonski kanali.
Kod stvarnih medija, kao što su vodovi, gušenje raste porastom frekvencije signala zbog porasta
gubitaka u izolaciji. Postoji neka gornja upotrebljiva frekvencija na kojoj je prijenos signala još
uvijek ekonomiĉan, pa smatramo da se vod ponaša kao niskopropusni filtar.
Signal koji je propušten kroz niskopropusni filtar širine frekvencijskog pojasa B, moţe se
potpuno obnoviti ako se naĉini 2B uzoraka u sekundi. To znaĉi da kanalom širine pojasa B
moţemo prenijeti 2B uzoraka, koje nazivamo signalnim simbolima ili signalnim elementima.
24
Kapacitet kanala se najĉešće izraţava u b/s (bita u sekundi), a za brzinu signalizacije jedinica je Bd (Baud, ĉita se
bod, simbola u sekundi). Ako se signal prenosi sa R diskretnih razina, vrijedi:
k = B× ldR
gdje je B* brzina signalizacije, izraţena u simbol/sekunda (Bd). Ako se signalnim elementom
prenosi 1 bit, numeriĉka vrijednost b/s i Bauda je ista. Najveći mogući kapacitet kanala širine
pojasa B iznosi:
k 2B(ldR) max = [b / s]
Ako se uzme telefonski kanal širine pojasa B = 3000 Hz (telefonski kanal), tada se uz dvorazinski
prijenos (R = 2) moţe postići najveći kapacitet:
k = 2 * 3000 * ld2 = 6000 [b / s]
Danas se koriste višerazinske modulacije. Za telefonski kanal brzina prijenosa ide do 33600 b/s
dvosmjerno, odnosno do 56000 b/s za lokalni telefonski prikljuĉak prema digitalnoj centrali.
Vaţan parametar kanala je kašnjenje Tp. Kod osnovnog kanala to je vrijeme propagacije
(prostiranja) definirano kao omjer udaljenosti i brzine prostiranja (oko 0,6c; c = brzina svjetlosti).
Kod izvedenih kanala moţe biti veće zbog Ĉekanja na paralelno-serijsku pretvorbu ili na
emitiranje signala.
Umnoţak kapaciteta i kašnjenja daje nam ukupni broj bita "uskladišten" na kanalu. Taj parametar
zove se BDP (Bandwidth Delay Product).
Vrste sinkronizacije Sinkronizacija se odnosi na prepoznavanje poĉetka i kraja prijenosa nekog elementa informacije.
Pri tome moramo raĉunati da se radi o prijenosu podataka meĊu ureĊajima koji su geografski
udaljeni, te proizvedeni od razliĉitih proizvoĊaĉa. Kanali mogu biti sinkroni i asinkroni.
Kod asinkronog prijenosa, podatak (znak) je “uokviren” sa pokretaĉkim (start) i zaustavnim
(stop) bitom. Startni bit je 0, strujni, nakon njega dolaze bitovi podatka, eventualno paritetni bit, a
onda jedan ili više stop bitova 1, bestrujni. Stanice koje ţele komunicirati moraju unaprijed
dogovoriti brzinu prijenosa, ali je zbog kratkoće poruke dozvoljeno nekoliko postotaka
odstupanja. Ovakav naĉin prijenosa istovremeno osigurava sinkronizaciju i po bitu i po oktetu
(znaku). Najĉešće se koriste formati s 8 bita, 8N1 (8 podatkovnih bez pariteta, 1 stop), i 7E1 (7
podatkovnih i parni paritet - Even, 1 stop bit).
25
Kod sinkronog prijenosa, osim samih podataka, kanalom se prenosi i takt signala. Time je
definiran trenutak uzorkovanja signalnog elementa, ali ne i poĉetak okteta (znaka). Sinkroni
prijenosa osigurava samo sinkronizaciju po bitu.
Načini prijenosa po smjeru Po smjeru prijenosa razlikujemo dvosmjerne, obosmjerne i jednosmjerne kanale. Dvosmjerni
kanal (duplex) omoguć ava istovremeni prijenos podataka u oba smjera.
Obosmjerni kanal (half duplex) omogućava prijenos podataka u oba smjera, ali u razliĉitim
vremenskim odsjeĉcima. Unutar tih odsjeĉaka prijenos je jednosmjeran.
Jednosmjerni kanal (simplex) omogućava prijenos podataka u samo jednom smjeru. Za
postizanje dvosmjernog prijenosa koriste se dva jednosmjerna kanala.
Ĉvorišta razlikujemo prema razini hijerarhijske strukture na kojoj rade, te prema broju
prikljuĉaka
(2 ili više). Imamo tako obnavljaĉe i zvjezdišta, premosnike i prospojnike, usmjernike i
poveznike.
Obnavljač (repeater, transceiver) je ureĊaj s dva, a zvjezdište (hub) s više prikljuĉnica, koji
samo pojaĉava signal i obavlja prilagodbu impedancije. Koriste se na fiziĉkoj razini za proširenje
dosega mreţe (obnavljaĉ) ili za povezivanje više kabelskih segmenata u jednu višespojnu
sabirniĉku strukturu
Premosnik (bridge) je ureĊaj s dva, a prospojnik (switch) s više prikljuĉnica, koji prima okvir
protokola podatkovne razine i prosljeĊuje ga prema odredištu. Funkcija filtriranja sa
samouĉenjem efikasno dijeli promet na segmente mreţe, i time omogućava povećanje
propusnosti mreţe.
Prospojnici prosljeĊuju okvire s univerzalnom adresom na sve segmente, ali samo u okviru istog
virtualnog LANa (biti će objašnjeno kasnije).
26
Usmjernik (router) je ureĊaj koji prima pakete mreţne razine i nekim ih od algoritama
prosljeĊivanja i usmjeravanja šalje prema odredištu. Raspolaţe znanjem o dostupnosti svih
dijelova mreţe.
Poveznik (gateway) je ureĊaj koji obavlja posebne zadaće radeći na prijenosnoj i korisniĉkoj
razini, npr. vatrozid (Firewall). Ranije se podrazumijevalo da povezuje dvije raznorodne mreţe,
te pri tome obavlja prevoĊenje protokola mreţne i prijenosne razine.
Terminal Mreţe Pod pojmom terminal mreţe podrazumijeva se svaki ureĊaj koji je spojen na mreţu. To mogu biti
raĉunala i terminali u uţem smislu (inteligentni i neinteligentni). Kod raĉunalnih mreţa ĉesto se
sama raĉunala koriste kao Ĉvorovi (npr. svako UNIX raĉunalo moţe biti usmjernik ako je
povezano na dva segmenta mreţe). Takva raĉunala obavljaju istovremeno funkciju ĉvorišta i
terminala mreţe.
HIJERARHIJSKI SUSTAVI
Današnje mreţe imaju slojevitu hijerarhijsku arhitekturu, Na jednom ureĊaju mreţe, ĉvorištu ili
raĉunalu, obavljaju se funkcije više razina. Za svaku razinu pokreće se proces koji komunicira sa
susjednima (nadreĊenim i podreĊenim) preko suĉelja (engl. interface). Proces razine N+1 traţi
uslugu prijenosa podataka od razine N, koja komunicira s korespondentnim procesom druge
stanice prema pravilima protokola N. Pri tom razina N koristi usluge razine N-1. Stvarni tok
podataka odvija se putem suĉelja meĊu susjednim razinama na istom raĉunalu, te
komunikacijskim medijem prema udaljenom raĉunalu.
27
Proces N generira jedinicu informacije PDU (Protocol Data Unit) dodavanjem zaglavlja N
korisnikovoj informaciji SDU (Service Data Unit). PDU(N) šalje se preko suĉelja N-1
podreĊenoj razini kao SDU(N-1).
Ovaj proces naziva se enkapsulacija, te se odvija u procesu predaje.
U suprotnom smjeru, u procesu prijema podataka sa niţih razina, proces N formira SDU(N)
odvajanjem zaglavlja sa primljenih PDU, te ga prosljeĊuje nadreĊenoj razini preko suĉelja N. Za
proces N+1, SDU(N) ima znaĉenje PDU(N+1),
Tijekom pripreme poruke za prijenos na odredište, moţe se obaviti i dijeljenje (fragmentacija)
poruke prema pravilima upotrijebljenog protokola, Fragmentacija opterećuje ĉvorišta i smanjuje
efikasnost mreţe, te se treba raditi samo gdje je nuţno i ne više od jedan put u procesu
enkapsulacije korisnikove poruke.
Koncepti na kojima se zasnivaju hijerarhijski sustavi su koncept razine, koncept suĉelja, koncept
protokola, koncept zaglavlja, koncept fragmentacije.
* po konceptu razine, procesi te razine kroz meĊusobnu komunikaciju pruţaju nadreĊenoj razini
uslugu prijenosa podataka, koristeći pri tome usluge podreĊene razine. Moţemo reći da proces
promatrane razine proširuje uslugu podreĊene razine i tako proširenu pruţa je nadreĊenoj razini.
po konceptu sučelja, komunikacija meĊu procesima susjednih razina unutar istog ureĊaja odvija
se preko suĉelja. Svaka razina komunicira preko dva suĉelja, preko "gornjeg" prema nadreĊenoj
razini i preko "donjeg" prema podreĊenoj razini.
28
Specifikacija suĉelja moţe biti interna stvar proizvoĊaĉa raĉunala, ali danas je već ina suĉelja
javno specificirana/standardizirana po principu otvorenosti.
Na taj naĉin sustav se moţe izgraditi korištenjem programskih rješenja i sklopovlja razliĉitih
proizvoĊaĉa.
Kroz suĉelje moţe prolaziti više tokova podataka. Kako bi se identificirao stvarni korisnik
informacije, upotrebljava se mehanizam pristupnih toĉaka (SAP, service access point). To su
programski kanali kojima procesi u raĉunalu meĊusobno komuniciraju. Kod otvaranja kanala
dodjeljuje se identifikacijski broj, ĉijom je upotrebom jednoznaĉno odreĊen korisnik informacije.
Identifikacijske brojeve moguće je dodjeljivati dinamiĉki prema potrebi, ili trajno. Iako dio
mehanizma suĉelja, identifikatori pristupnih toĉaka su dio specifikacije protokola.
* po konceptu protokola, na ureĊajima koji meĊusobno razmjenjuju podatke, dva procesa iste
razine prividno neposredno komuniciraju po pravilima protokola. Oni u stvarnosti komuniciraju
koristeći usluge podreĊenih razina. Stvarni tok podataka i upravljaĉkih informacija prolazi kroz
suĉelje. Specificiranje protokola je osnovni naĉin standardizacije komunikacijskih sustava. Fragmentacija Svaki SDU(N) moţe u postupku formiranja PDU(N) biti podijeljen na manje dijelove, tako da od
jednog SDU(N) formiramo jedan ili više PDU(N). Pri tome svaki PDU(N) sadrţi cjelovito
zaglavlje H(N). U praksi se fragmentacija koliko je to god moguće izbjegava. Dijeljenje PDU na
manje dijelove izaziva veće opterećenje ĉvorišta u funkcijama usmjeravanja, a detekcija
pogrješke i gubitka PDU je oteţana. Gubitak jednog fragmenta moţe znaĉiti gubitak ĉitavog
PDU. Posebno kod mreţa s pojedinaĉnim usmjeravanjem paketa, kada redoslijed pristizanja nije
zagarantiran, ĉvorište mora dosta dugo ĉekati na izgubljeni fragment prije donošenja konaĉne
odluke da je ĉitavi PDU izgubljen. Zbog toga se nastoji korisnikova poruka odmah podijeliti na
onolike dijelove, koji nakon ukljuĉivanja zaglavlja svih podreĊenih razina, bez daljnje
fragmentacije mogu proći kroz mreţu. Npr. kod Interneta, predajnik pokušava odrediti
maksimalnu duljinu fragmenta MSS (Maximum Segment Size) po posebnom postupku.
Maksimalni segment koji ne fragmentiran moţe proći kroz mreţu nazivamo MSS (Maximum
Segment Size), a zajedno sa zaglavljima je to MTU (Maximum Transmission Unit)
Jedinice informacije mogu biti pojedini bitovi, okteti (znakovi), okviri (ili blokovi, blok se
sastoji od više okteta), paketi, segmenti, datagrami i poruke.
* bit (binarna znamenka) je najmanja jedinica informacije koju prenosimo na fiziĉkoj razini.
Kanalom prenosimo vremenski niz signalnih elemenata (serijski prijenos), od kojih svaki moţe
nositi jedan ili više bita. Signal na kanalu moţe biti oblikovan tako, da osim signalnih elemenata
prenosi i taktni signal potreban za njihovo pravovremeno uzorkovanje (sinkroni prijenos). Za
svaku mreţu znaĉajan je redoslijed emitiranja bita okteta, npr. LSB prvi.
* oktet (znak, bajt) je najmanja kodna rijeĉ, kojom baratamo kao cjelinom. Najĉešće PDU
podatkovne razine (blok, okvir) nakon serijsko-paralelne pretvorbe pamtimo u memoriji kao niz
okteta. Iako su moguće i druge duljine kodne rijeĉi, danas se je ustalilo korištenje okteta zbog
organizacije memorije raĉunala, ĉija je širina kodne rijeĉi višekratnik od osam bita. Kod
asinkronog prijenosa, sinkronizacija po oktetu obavlja se na fiziĉkoj razini, a kod sinkronog na
podatkovnoj. Stoga se oktet nekad obraĊuje na fiziĉkoj, a nekad na podatkovnoj razini, u oba
sluĉaja sklopovljem. Za svaku mreţu znaĉajan je redoslijed emitiranja okteta, NBO (Network
Byte Order). U raĉunalu, PDU se pamti u memoriji u nizu uzastopnih okteta. Prilikom Ĉitanja
29
kodnih rijeĉi od 16 ili 32 bita, treba prevesti NBO na redoslijed okteta raĉunala. Koriste se "little
endian" (LS bajt na niţoj, MS bajt na višoj adresi) i "big endian" (LS bajt na višoj i MS bajt na
niţoj adresi) arhitekture.
* okvir (blok) je osnovni PDU podatkovne razine. Sastoji se od više okteta (znakova). Njegov
poĉetak je sinkroniziran posebnom sinkronizacijskom sekvencom, koju zovemo okvirni znak.
Ovo je najmanja jedinica informacije koja ima vlastito zaglavlje. U procesu predaje, okvir se iz
memorije prenosi oktet po oktet na serijski vezni sklop, gdje se obavlja paralelno-serijska
pretvorba. U prijemnom smjeru postupak je obrnut. Istovremeno s prijemom znakova okvira,
obavlja se provjera adrese odredišta i cjelovitosti okvira. U sluĉaju oštećenja, okvir se odbacuje.
P/S pretvorba
* paket je osnovni PDU mreţne razine, ujedno i oblik kojim se obavlja promet s kraja na kraj
mreţe. Obavezno sadrţi identifikaciju odredišta, bilo njegovu globalnu adresu ili indikator
virtualnog kanala. Nastoji se, ako je to moguć e, paket prenijeti jednim okvirom podatkovne
razine. Tada nije potrebna posebna sinkronizacija po paketu. Ukoliko paket fragmentiramo,
potrebno je oznaĉiti okvire koji ĉine cjeloviti paket.
* segment i datagram su osnovni PDU prijenosne razine. Termin segment koristimo za dio već e
korisnikove poruke, dok je datagram kratka zasebna poruka. Nastojimo jedan segment odnosno
datagram prenijeti jednim paketom. To je najĉešće moguć e lako postići, jer tek na podatkovnoj
razini (okvir) duljina PDU ovisi o tehnologiji korištenog kanala.
* poruka korisnika je najveći PDU, onaj koji formira proces korisnik komunikacije. To moţe biti
kratka poruka u interaktivnom radu, blok podataka koji ĉini odaziv neke baze podataka, datoteka
s podacima ili programom, ili neki multimedijski element koji prenosimo samostalno ili kao dio
već e cjeline (Web stranica). Veće poruke fragmentiramo na segmente, a kako pri tome imamo
potpunu slobodu, nastojimo odabrati duljinu segmenta koja prolazi kroz mreţu bez potrebe za
daljim fragmentiranjem. Poruku korisnik dostavlja komunikacijskom sustavu kao cjelinu, ili u
dijelovima. Veliĉina dijelova ovisi o kapacitetu memorijskog spremnika, a mora biti veća od
optimalne veliĉine segmenta.
Jedinice pretvaramo paralelno-serijskom konverzijom, enkapsulacijom i segmentiranjem.
Kao referentna mreţna arhitektura koristi se ISO/OSI model od 7 razina.
30
1) Fiziĉka razina definira suĉelje izmeĊu raĉunala i medija kojeg koristimo za prijenos.
Specificiraju se elektriĉne, funkcionalne i mehaniĉke karakteristike kabela, konektora i signala,
kako bismo ureĊaj standardno mogli prikljuĉiti na kanal. Ostvaruje se sinkronizacija po bitu ili po
bitu i oktetu.
2) Podatkovna razina neposredno nadzire fiziĉku razinu tako da upravlja vezom ostvarenom na
jednospojnom ili višespojnom mediju. Ostvaruje se sinkronizacija po okviru ili po oktetu i
okviru.
3) Mreţna razina osigurava prijenos poruke sa kraja na kraj mreţe, pakete usmjerava kroz mreţu.
4) Prijenosna razina osigurava vezu od korisnika do korisnika. Obavlja se kontrola pogrješki i
kontrola toka.
5) Sjedniĉka razina provjerava cjelovitost poruke. Isporuĉuje poruku na pravo odredište unutar
raĉunala.
6) Predodţbena razina obavlja prevoĊenje informacija sa formata koji su standardni na mreţi, na
format standardan na raĉunalu.
7) Korisniĉka razina posluţuje korisniĉke procese i mreţne usluge.
Ĉvorišta prema razinama ISO/OSI modela
31
Zvjezdište i prospojnik povezuju istovrsne mreţe podatkovne razine. Usmjernik povezuje
istovrsne mreţe mreţne razine, ali okviri podatkovne razine mogu biti razliĉiti. Poveznik obavlja
specijalne funkcije, ili povezuje razliĉite mreţe i obavlja potrebne pretvorbe protokola.
KOMUNIKACIJSKI PROTOKOLI Komunikacijski protokol je skup pravila po kojima procesi iste razine razmjenjuju jedinice
informacije, PDU, u ĉijim zaglavljima je sadrţana kontrolna informacija potrebna za obavljanje
funkcije promatrane razine hijerarhijskog sustava. Treba imati u vidu da se komunicirajući
procesi odvijaju na odvojenim raĉunalima, ĉesto geografski udaljenim, tako da su primljeni PDU
jedina informacija o radu korespondentnog procesa. Na osnovu primljenih PDU i sadrţaja
njihovih zaglavlja, ili na osnovu izostanka oĉekivanih PDU, komunicirajući proces treba sa što
većom toĉnošću odrediti stanje korespondentnog procesa kako bi u svakom trenutku bio u stanju
poduzeti odgovarajuće mjere, sve s ciljem pruţanja usluge prijenosa podataka procesu nadreĊene
razine.
DataProtokol
zaglavlje
DataProtokol
zaglavlje
Kako su udaljeni ureĊaji ĉesto u vlasništvu razliĉitih osoba i proizvedeni od strane razliĉitih
proizvoĊaĉa, od vitalnog je znaĉaja za funkcioniranje promatrane razine, kao i mreţe kao cjeline,
striktno i formalno specificiranje protokola, odnosno njihovo usvajanje kao industrijskih ili
meĊunarodnih standarda. Tek će ureĊaji koji su u potpunosti sukladni sa svim protokolima mreţe
uspješno meĊusobno komunicirati.
U praksi je donošenje standarda vrlo sloţen i mukotrpan posao. S jedne strane postoji pritisak
korisnika i proizvoĊaĉa da se nove, perspektivne tehnologije što prije standardiziraju radi
komercijalizacije novih proizvoda. S druge strane, svaka brzopletost u donošenju standarda moţe
rezultirati propustima u funkcionalnoj specifikaciji, ĉije ispravljanje kasnije moţe izazvati znatne
nepredviĊene troškove. Stoga se nove tehnologije detaljno ispituju simulacijom u laboratorijima i
pokusnim radom na ispitnim mreţama, a na osnovu predloţenih (draft) standarda. Nakon
postizanja zadovoljavajućih rezultata donosi se formalni standard. Svaki standard je podloţan
naknadnim modifikacijama i usavršavanjima. Kod standardizacije komunikacijskih protokola,
razlikujemo dvije grupe pravila. To su vanjska i unutarnja specifikacija protokola.
Vanjska specifikacija protokola odnosi se na oblik PDU kao cjeline, ukljuĉujući i format
zaglavlja. U zaglavlju se definiraju polja, format podataka u njima, te znaĉenje koje mora biti
jednoznaĉno za sve ureĊaje sukladne protokolu. Jednom donesena vanjska specifikacija protoko la
vrlo teško se mijenja, zato jer je potrebno istovremeno obaviti korekcije na tisućama ureĊaja koji
već koriste raniju varijantu. Najĉešće je jednostavnije uvesti potpuno novi protokol. Stoga neki
protokoli raspolaţu s mogućnošću korištenja dodatnih neobaveznih funkcija prema dogovoru
korespondentnih procesa. Dodavanjem novih funkcija moguće je donekle ublaţiti nedostatke
prvobitne vanjske specifikacije protokola. Kod nekih protokola postoje neiskorišteni bitovi (zbog
podešavanja duljine zaglavlja na 32 bita), koji omogućavaju naknadne izmjene.
32
Unutrašnja specifikacija protokola odnosi se na pravila rada procesa, algoritme protokola,
kojima se obraĊuju informacije iz zaglavlja PDU i donose odluke o radu procesa. Algoritmi
protokola mogu se u znatnoj mjeri naknadno modificirati, pod uvjetom da je vanjska specifikacija
oĉuvana. Pri tome, naravno, treba oĉuvati i funkcionalnost protokola u cjelini. Dobar je primjer
TCP protokol Interneta, ĉija je unutrašnja specifikacija kontinuirano mijenjana u svrhu
poboljšanja kontrole toka, a da pri tom nije mijenjana vanjska specifikacija. Štoviše, ostvarena je
i funkcionalna kompatibilnost ureĊaja koji rade po starim i novim specifikacijama. Da bi razliĉiti
proizvoĊaĉi uspješno uskladili rad svojih proizvoda s usvojenim standardima, potrebno je
osigurati njihovo jednoznaĉno tumaĉenje.
To se osigurava formalnim specificiranjem protokola, uz korištenje posebnih formalnih jezika.
To moţe biti govorni jezik, neki stvarni ili formalni programski jezik, ili grafiĉki jezik dijagrama
stanja na osnovi konaĉnog automata.
Funkcije pojedine razine hijerarhijske strukture znatno se razlikuju i naĉelno su definirane
ISOOSI specifikacijom. U obavljanju svoje funkcije komunicirajući procesi moraju voditi raĉuna
o ispravnom tumaĉenju primljenih PDU, o radu korespondentnih procesa, o identifikaciji PDU, o
pojavi pogreški, te o usklaĊivanju brzine rada s mogućnostima korespondentnog procesa i mreţe
u cjelini.
Stoga se protokol pojedine razine promatra kroz obavljanje tih pojedinaĉnih zadaća. Govorimo o
ĉetiri osnovna mehanizma protokola, o adresiranju, sinkronizaciji, kontroli pogrješaka i kontroli
prometa, ĉime se rješava problem razdvojenog usmjeravanja. Kada primi indikaciju zagušenja,
izvorište usklaĊ uje brzinu predaje multiplikativnim smanjenjem, a kada indikacija izostane,
poveć ava je aditivnim porastom (izvorišno upravljanje tokom). Druga je mogućnost da odredište
na osnovu indikacije zagušenja korigira parametre kontrole toka (npr. širinu prozora) koji inaĉe
sluţe za usklaĊenje brzine meĊu korisnicima (odredišno upravljanje tokom). Simulacije i praksa
su pokazali da unaprijedna indikacija daje bolje rezultate od povratne, iako je kašnjenje duţe.
Sloţeniji algoritmi omogućavaju dojavu mjere zagušenja, pa ĉak i optimalne brzine slanja paketa.
Kod implicitne dojave, predajnik mjeri kašnjenju potvrde, tj. vrijeme obilaska koje oznaĉavamo s
T ili RTT, (Round Trip Time), podatak o trenutnom prozoru W (window) i, nakon pojave
preopterećenja, uĉestalost gubitaka paketa (ćelija). Vrijeme obilaska i prozor mjerimo prema slici
Vrijeme obilaska i prozor na mreţi s prospajanjem paketa Predajnik pošalje na mreţu prozor paketa, koji se (u idealnom sluĉaju) ravnomjerno rasporede po
stazi. Paketi stiţu do prijemnika, koji odmah ili s malim kašnjenjem šalje potvrde. Kad primi
potvrdu aj, predajnik zna da je paket izašao iz mreţe, te smije poslati slijedeći paket pk. Pri tome
predajnik izmjeri trenutni prozor:
jk
ajpkW
U trenutku prijema potvrde aj, predajnik izraĉuna i vrijeme obilaska iz poznatih trenutaka predaje
paketa i prijema njegovi potvrde:
jj
ptatT Vrijeme obilaska treba raĉunati s oprezom, jer ako se radi o ponovljenom paketu moţe doći do
nesigurnosti da li je potvrĊen izvorno poslati paket (koji je kasnio) ili njegova kopija. Kod TCP
protokola Interneta, vrijeme obilaska za ponovljene pakete se ne raĉuna.
Filtriranje informacije Kod eksplicitnih i implicitnih metoda dojave (detekcije) zagušenja pojavljuje se problem
trenutnih promjena mjernih veliĉina. To su one promjene, koje nastaju zbog statistiĉkih svojstava
prometa na niţim vremenskim razinama, kraćim od vremena kašnjenja na mreţi (trenutno
zagušenje). Zbog toga je nuţno trenutno mjerene vrijednosti filtrirati, kako bi se iz niza mjerenih
51
vrijednosti dobila traţena informacija za višu vremensku razinu. Problem filtriranja se komplicira
ĉinjenicom da je frekvencija uzorkovanja ĉesto varijabilna, da mjerni podaci kasne, da je
podataka nekad premalo (frekvencija uzorkovanja preniska, naroĉito u uvjetima zagušenja), te da
isti algoritam protokola koristimo za veze s vrlo kratkim, kao i za one s vrlo dugim kašnjenjem,
odnosno vremenom obilaska.
Ĉesto korišteni algoritam filtriranja je eksponencijalno uprosjeĉivanje, gdje se sukcesivni uzorci
mnoţe faktorom pojaĉanja a pribrajaju sumi, prethodno pomnoţenoj s (1-a). Tako je udio i-tog
prošlog uzorka proporcionalan s ai. Za neku veliĉinu x bit će: nmnxnx 11
gdje je m(n) trenutna izmjerena vrijednost. Prednost metode je u tome što ne zavisi o vremenu, a
pogodnim izborom pojaĉanja realizira se cjelobrojnom aritmetikom. Veći faktor pojaĉanja znaĉi
veći utjecaj mjerene veliĉine u odnosu na usrednjaĉenu vrijednost, te veću osjetljivost na
fluktuacije.
Algoritmi predajnika Nakon detekcije, odnosno dojave zagušenja, predajnik treba uskladiti brzinu predaje s nastalom
situacijom. Taj postupak nazivamo kontrolom brzine predaje, odnosno algoritmom predajnika.
Postavlja se problem odreĊivanja nove brzine predaje, a s ciljem postizanja kakvoće usluge i
pravednosti. Pri tome je nemoguće raĉunati na centralizirane, već se treba osloniti na
distribuirane algoritme predajnika.
Kod eksplicitnih dojava raspoloţivog kapaciteta, predajnik jednostavno nastavlja odašiljanje
novom dozvoljenom brzinom. Kod eksplicitne ili implicitne dojave zagušenja, podatak o
raspoloţivom kapacitetu nije poznat i korekcija brzine predaje odvija se na osnovu ugraĊenih
algoritama predajnika. Za sluĉaj zagušenja, predajnik će smanjiti brzinu, a za sluĉaj
podopterećenja mreţe, povećati će brzinu predaje. Pokazalo se je da je optimalan algoritam
predajnika koji koristi aditivni porast kod podopterećene mreţe, i multiplikativno smanjenje
brzine kod pojave zagušenja. Na taj naĉin korisnici koji nepravedno koriste već i dio kapaciteta
brţe smanjuju svoju brzinu, dok kod podjele novoosloboĊenog kapaciteta svi imaju podjednaku
šansu. Poznate su dvije grupe mehanizama kontrole toka predajnika, prozorska kontrola (window
control) i kontrola brzine predaje (rate control).
Prozorska kontrola zasniva se na ograniĉenju broja paketa (ćelija) koje predajnik smije poslati
prije nego dobije potvrdu prijema od odredišta. Prozor je apsolutno ograniĉen modulom
numeracije PDU. Najveći dozvoljeni prozor ima vrijednost slobodnog dijela memorije
prijemnika. Na taj se naĉin sprjeĉava slanje i prijenos paketa koje prijemnik ne bi bio u stanju
primiti. Predajnik šalje brzinom koja ovisi o širini prozora prijemnika RWIN (Receiver Window)
i vremenu obilaska T, prema formuli
T
RWINL
max
Isti mehanizam moguće je koristiti za izbjegavanje zagušenja na mreţi korekcijom širine prozora
zagušenja CWIN (Congestion Window) nakon prijema implicitne ili eksplicitne dojave
zagušenja. Predajnik šalje na mreţu onoliko paketa koliko je dozvoljeno prozorom zagušenja, a
najviše onoliko koliko je dozvoljeno prozorom prijemnika:
T
CWINRWINL
,min
52
Prozorska kontrola je prirodan naĉin kontrole toka kada je kapacitet kojim se upravlja ograniĉen
koliĉinom memorije u ĉvorištima. Ona efikasno nadzire broj paketa u mreţi. Mana je prozorske
kontrole što ne nadzire efikasno ulazni promet, te izvorišta ĉesto generiraju praskove (eng. burst)
paketa. Kontrola brzine predaje zasniva se na korekciji perioda emitiranja paketa, gdje je
propusnost obrnuto proporcionalna periodu emitiranja paketa t:
1L
Predajnik smanjuje brzinu predaje radi izbjegavanja zagušenja. Prednost metode je u
izbjegavanju praskova paketa, tako da se karakteristike predajnika pribliţavaju determiniranom
modelu izvorišta. Mana joj je što ne ograniĉava broj paketa u mreţi i tako ne štiti spremnike
ĉvorišta od popunjenosti. Kontrola brzine predaje je prirodan naĉin kontrole toka kada je
upravljani kapacitet ograniĉen brzinom prijenosa (komunikacijski kanal) ili obrade (usmjernik).
Ona efikasno nadzire ulazni promet. Zbog prednosti i mana dvaju pristupa, oĉekuje se primjena
algoritama kontrole toka koji su kombinacija prozorske kontrole i kontrole brzine predaje.
Kontrola brzine treba sprijeĉiti pojavu praskova prometa, a prozorska kontrola sprijeĉiti
nekontrolirano popunjavanje redova u usmjernicima.