Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

Prezentace na téma: "Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat"— Transkript prezentace:

1 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Tento "telefon" má příliš mnoho nedostatků, než aby mohl být někdy použit jako prostředek mezilidské komunikace. Pro nás nemá absolutně žádnou cenu …. r.1876 zhodnotila tlf. tehdy největší telegrafní společnost Western Union Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

2 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

3 Veřejná (pevná) telefonní síť
Veřejná (pevná) telefonní síť vznikla pro potřeby přenosu hlasu, a velmi dlouho sloužila výlučně tomuto účelu. Teprve v nedávných letech se stala zajímavou alternativou i pro přenos dat, a zejména pro vytáčené připojení k Internetu (dial-up). Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

4 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Jak ale takovéto přenosy fungují,  - jakých rychlosti mohou dosahovat telefonní modemy v analogové telefonní síti, -a jakých v digitální síti? Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

5 Spojované/nespojované služby
spojované (connection-oriented) služby obdoba telefonního spojení zaručeno doručení datagramů ve správném pořadí (stream) aplikace je jednodušší, ale nemůže řídit komunikaci nespojované (connectionless) služby obdoba poštovního spojení není zaručeno pořadí ani doručení datagramů kontrolu musí provádět aplikace aplikace může lépe řídit komunikaci TCP se používá pro spojované služby, tj. služby, u nichž je nutné mít neustále informaci o stavu spojení i za cenu zvýšené režie. TCP vysílá pakety v přesném pořadí a kontroluje doručení každého paketu. Příkladem použití je přenos souborů (File Transfer Protocol). UDP (User Datagram Protocol) se používá pro služby nespojované, např. u vzdáleného volání procedur (Remote Procedure Call). V tomto případě by jednak režie příliš zdržovala a jednak by vznikaly problémy při výpadku některého počítače. UDP vysílá pakety aniž kontroluje jejich doručení nebo pořadí. Kontrolu konzistence musí zabezpečovat aplikace. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

6 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Telefonní síť ČR dnes ČR to vypadá tak, že máme 8 tzv. tranzitních telefonních ústředen, které představují nejvyšší patro celé hierarchie.Na ně je pak napojeno přes 140 tzv. místních ústředen (též: tzv. HOST ústředen), které představují další (nižší) patro celé hierarchie.V telefonní síti se vyskytuje ještě kolem 3 tisíc malých „předsunutých ústředen“ (či „satelitních ústředen“), kterým se říká také „jednotky RSU“, z anglického Remote Subscriber Unit. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

7 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Telefonní síť ČR dnes Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

8 Místní smyčka (formálně: účastnické vedení)
Z těchto místních ústředen paprskovitě vychází velké počty tzv. místních smyček (formálně: účastnických vedení), které vytváří vodivé propojení mezi ústřednou a koncovým zařízením (telefonem). Fakticky jsou tyto místní smyčky tvořeny páry vzájemně zkroucených vodičů (drátů- TP) Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

9 Místní smyčka (formálně: účastnické vedení)
Klasické použití TP kabeláže bylo pro realizaci takzvané místní smyčky (účastnického vedení), což je dvoubodové spojení mezi telefonní ústřednou a telefonní zásuvkou v bytě, kanceláři atd. Tato kabeláž se začala používat i při výrobě redundantních telefonních rozvodů v rámci objektů, od pobočkové telefonní ústředny (PBX). Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

10 Náhradní schéma elementu homogenního vedení
Poměr U a I je v každém bodě homogenního vedení stálý a nazývá se charakteristická (vlnová) impedance vedení Zc Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

11 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Místní telefonní kabely v přístupové síti • původní určení: přenos hovorových signálů analogových telefonních přípojek • obvyklý průměr Cu jader: 0,4; 0,6 nebo 0,8 mm Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

12 Uspořádání radioreleového spoje
Radioreleové spoje díky použití úzce směrových antén (parabolických) vyzařují minimální výkon do okolí mimo určeného směru. Jediná anténa vyzařuje signál současně do na více kanálech a pracuje zároveň jako vysílací i přijímací. Přenos elmag. vlny je možný jen na přímou viditelnost, protože používáme tzv. mikrovlné pásmo v oblasti až 10 GHz. Na všech úsecích používáme stejné kmitočtové pásmo, pouze střídáme z důvodů oddělení vysílacího a přijímacího směru kmitočty nosných frekvencí. Radioreleové spoje jsou velmi rozšířené a jejich hlavní výhodou je operativnost. Odpadá nákladná pokládka kabelů. Na druhé straně jsme omezeni šířkou pásma, které je v dané oblasti pro tento účel přiděleno. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

13 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Místní smyčka (formálně: účastnické vedení) pod pět kilometrů ( spíše tak kolem tří kilometrů!!) Vzhledem k jejich fyzikálním vlastnostem, zejména útlumu (který způsobuje zeslabení přenášeného signálu) ale nemohou být tyto místní smyčky příliš dlouhé. Maximem jsou jednotky kilometrů, obvyklým průměrem vzdálenosti pod pět kilometrů, spíše tak kolem tří kilometrů. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

14 FDM -dělení přenosového kanálu
Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

15 Dial-up (podle anglického originálu pro vytáčené připojení).
Snad největší předností veřejné telefonní sítě, z pohledu datových přenosů a počítačových sítí, je už její samotná existence a relativně velká hustota (pevných) telefonních přípojek. A tak se asi nelze divit, že v určité historické etapě -  u nás řekněme od začátku devadesátých let minulého století, až do počátku nového millenia - se „lidé od počítačů“ dosti intenzivně snažili využít tuto veřejnou (pevnou) telefonní síť  i pro přenos dat. Nejprve pro přenosy mezi dvěma či více počítači, a později stále více pro připojování k Internetu. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

16 Vznik počítačových sítí
izolované výpočetní systémy terminály point-to-point propojení Velké výpočetní systémy v době svého vzniku představovaly izolované celky s jediným interaktivním vstupně/výstupním zařízením - konzolí operátora. Přenos dat mezi nimi se uskutečňoval výhradně mechanicky. Velice brzy se objevila potřeba větší komunikace s uživateli i mezi počítači. Vznikly sítě terminálů - neinteligentních zařízení s klávesnicí a obrazovkou přímo připojených k počítači, které pouze předávaly povely uživatele systému a zobrazovaly výsledky. Jednotlivé systémy navzájem se začaly propojovat dvoubodovými spoji (point-to-point sítě). S prudkým rozvojem techniky došlo ke snaze více přiblížit výpočetní sílu koncovému uživateli a vznikly pracovní stanice - samostatné počítače propojené navzájem i s centrálním systémem pomocí lokální sítě. S tím došlo i ke změně typu aplikací, vedle kompaktních řešení na centrálním systému vznikají: jednoduché aplikace umožňující provádění výpočtu na centrálním systému v režimu emulace terminálu samostatné aplikace pracující na stanici nad kopií dat tzv. klient-server aplikace, klientský program na stanici posílá po síti požadavky na server a zpracovává odpovědi Point-to-point propojení vlastních systémů/sítí se nahrazuje topologicky a organizačně výhodnějšími strukturami - vznikají rozlehlé sítě. robustní kompaktní aplikace lokální síť rozlehlá síť emulace terminálu + klient-server aplikace Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

17 Typy síťových propojení
Sběrnice (např. 10base2) Point-to-point přímé      Point-to-point přes modemy Hvězda (např. 10baseT, ATM)        Klasifikace sítí z hlediska topologie: Multipoint propojení na sběrnici - sběrnici tvoří kabel procházející všemi uzly. Příkladem takového protokolu může být Ethernet. Přerušení sběrnice v jediném bodě znamená nefunkčnost celé sítě. Multipoint propojení do kruhu - odlišná metoda, zprávy se předávají postupně mezi jednotliými uzly. Multipoint propojení do hvězdy – pro protokoly založené na principu centrálních bodů, které si předávají zprávy určené pro účastníky sítě (např. ATM). Fyzické propojení do hvězdy se nyní používá i pro jiné technologie - zkolabováním sběrnice nebo kruhu do jediného fyzického zařízení - koncentrátoru – vzniká tzv. strukturovaná kabeláž (např. UTP - kroucená dvoulinka). Princip zůstává zachován, síť má ovšem vyšší fyzickou bezpečnost. Point-to-point propojení - většinou propojení lokalit nebo jednotlivých počítačů mezi sebou: sériovou linkou (přímo, pomocí modemu s vytáčením druhé strany, na pevné lince), Ethernetem po UTP nebo skleněném vlákně; bezdrátově radiovým nebo laserovým pojítkem atd. Point-to-point bezdrátové (např. laser, radioreléové, WiFi) Kruh (např. FDDI, Token-ring)      Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

18 Analogová telefonní síť
Telefonní síť byla od svého vzniku, až do poměrně nedávných dob, výhradně analogová. To znamená, že lidský hlas přenášela, po celé trase od volajícího až k volanému,  v podobě analogového signálu. Tomu pak byly uzpůsobeny jak samotné (analogové) telefony, tak i (analogové) telefonní ústředny. Analogová telefonní síť vlastně není na datové přenosy vůbec stavěna, a tak ji musíme svým způsobem obelstít. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

19 Analogová telefonní síť pomocí tzv. frekvenčního multiplexu,
Analogová telefonní síť, stejně jako její pozdější digitální nástupkyně, přitom fungovala na principu přepojování okruhů. To znamená, že mezi volajícím a volaným vytvářela přímé spojení (analogový přenosový okruh), které má charakter vyhrazené přenosové cesty, a chová se v zásadě jako ekvivalent přímého „kusu drátu“, vedoucího mezi oběma komunikujícími stranami. Ovšem s důležitým dovětkem, že rozsah frekvencí analogového signálu, který takovýto přenosový okruh (ekvivalent „kusu drátu“) dokáže přenést, je omezen na 3100 Hz, resp. 3,1  kHz. Konkrétně na frekvence od 300 do 3400 Hz. přenos fungoval analogově, a čím menší frekvenční pásmo zabíral jednotlivý hovor, tím více se jich dalo „naskládat vedle sebe“, pomocí tehdy používané techniky a přenést po spojích, které propojovaly telefonní ústředny. Praktické zkoušky totiž ukázaly, že omezení hovoru jen na frekvence od 300 do 3400 Hz jeho srozumitelnost až tak nenaruší. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

20 Analogová telefonní síť pomocí tzv. frekvenčního multiplexu,
Důležité tedy je, že frekvenční omezení na 300 až 3400 Hz je omezení umělé, realizované pásmovou propustí („omezovačem frekvencí“) v místě, kde místní smyčka vstupuje do telefonní ústředny.). Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

21 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
??DSL -samotná místní smyčka dokáže přenášet podstatně větší rozsahy frekvencí Samotná místní smyčka dokáže přenášet podstatně větší rozsahy frekvencí. Toho pak využívají technologie DSL, které nasazují své modemy na obě strany místní smyčky (na straně ústředny ještě před popisovanou pásmovou propustí Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

22 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
„Obyčejné“ ADSL takto využívá schopnost místní smyčky přenášet frekvence až do 1,1 MHz. Například „obyčejné“ ADSL takto využívá schopnost místní smyčky přenášet frekvence až do 1,1 MHz. Novější technologie ADSL 2+ pak využívá frekvence až do 2,2 MHz, a ani to ještě není poslední slovo, resp. maximální rozsah frekvencí, které jsou místní smyčky schopné přenášet. PRINCIP „datový tok“, přenášený skrze DSL, je odbočen ještě před telefonní ústřednou, a sveden do dostatečně dimenzované datové sítě (a odsud obvykle do Internetu). Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

23 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
PRINCIP „datový tok“, přenášený skrze DSL, je odbočen ještě před telefonní ústřednou, a sveden do dostatečně dimenzované datové sítě (a odsud obvykle do Internetu). Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

24 Maximální rychlost přenosu dat v analogové síti
Existuje principiální limit, nad který se nedostane ani sebedokonalejší technologie. Existenci tohoto limitu objevil pan Claude Shannon, a podle něj je příslušný vztah také označován jako Shannonův teorém. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

25 Podstatou Shannovova teorému je
Podstatou Shannovova teorému je odhalení závislosti maximální rychlosti přenosu dat (a konkrétní vyjádření této závislosti) na dvou faktorech: na šířce přenosového pásma, a pak na kvalitě přenosové cesty (vyjádřené jako odstup užitečného signálu od neužitečného šumu). Z našeho pohledu je důležitá zejména šířka přenosového pásma, nebo-li rozsah frekvencí, které je možné využít pro (modulovaný) přenos dat. Jak už víme, v případě pevné telefonní sítě je tento rozsah uměle omezen na 3,1 kHz. Z Shannonova teorému pak vyplývá, že maximální dosažitelná rychlost přenosu dat (skrze analogovou telefonní síť) se pohybuje kolem 30 000 bitů za sekundu. To ale jen v optimálním případě, pokud je telefonní linka „dostatečně kvalitní“ (s dostatečným odstupem signálu od šumu). V praxi, na konkrétní telefonní lince, může být i výrazně nižší. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

26 Umělé frekvenční omezení
Umělé frekvenční omezení, nasazené na vstupu do telefonní ústředny, není úplně ideální, ale částečně propouští i část dalších frekvencí, kolem hraničních hodnot 300 a 3400 Hz Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

27 ADSL DMT (8Mbit/s) + Telef. hovor.
Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

28 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Co digitalizace telefonní sítě přesně znamená, a jak se projevuje na její schopnosti přenášet data? Plné digitalizace jsme se dočkali až ke konci roku 2002, když už byl trh (pevných) hlasových služeb otevřen Uvnitř digitální telefonní sítě, neboli v rámci ústředen a mezi nimi, však jsou jednotlivé hovory přenášeny již plně digitálně, jako proud (digitálních) dat. To ale nutně znamená, že někde – konkrétně na vstupu do ústředny a na výstupu z ní – musí dojít ke konverzi, neboli k převodu hovoru z analogové do digitální podoby a naopak. O tyto konverze se starají převodníky, umístěné na stejných místech, jako původní pásmové propusti u analogových ústředen (viz obrázek). Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

29 Co digitalizace telefonní sítě přesně znamená?
Digitalizace (pevné) telefonní sítě fakticky obnáší pouze digitalizaci jejích ústředen a způsobu jejich vzájemného propojení, ale nikoli už „konců“ telefonní sítě, kterými jsou místní smyčky a koncová zařízení (telefony) jednotlivých uživatelů. Tyto „konce“ zůstávají nadále analogové, a díky tomu uživatelé mohou nadále používat své analogové telefony. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

30 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Dosažení potenciálně vyšších rychlostí zde brání zejména potřeba častých konverzí mezi digitálním a analogovým tvarem. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

31 Důsledky –asymetričnost sítě
maximální dosažitelné rychlosti přenosu dat nejsou pro oba směry stejné zde existují modemy „zákaznické“, určené pro koncové uživatele (a běžně prodávané na maloobchodním trhu), a modemy „serverové“, určené pro poskytovatele služby. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

32 Komprese a oprava chyb (dnešní telefonní modemy)
Na závěr si ještě řekněme, že dnešní telefonní modemy jsou poměrně sofistikovaná zařízení, která mají vedle své základní funkčnosti ještě řadu dalších schopností. Například dokáží průběžně testovat kvalitu telefonní linky, a podle toho dynamicky volit rychlost vzájemné komunikace s modemem na protější straně, tak aby přenos dat byl co nejefektivnější. Další užitečnou schopností dnešních modemů jsou jejich mechanismy na opravu chyb. Ty jim umožňují opravit některé chyby, ke kterým může při přenosu docházet, a zajistit tak spolehlivější přenos. Fungování těchto mechanismů je přitom postaveno na obdobném principu, jako jinde v počítačových sítích: data jsou přenášena po určitých blocích, opatřených zabezpečovacím údajem. Pokud ten detekuje v přeneseném bloku chybu, vyžádá si příjemce jeho opakované zaslání. To pak ale zpomaluje přenos dat, což ne vždy musí být žádoucí. Samozřejmě ale lze tuto schopnost u modemů v případě potřeby potlačit, resp. vypnout. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

33 QAM-kvadraturní amplitudová modulace (Quadrature amplitude modulation)
Modulace QAM představuje běžně používanou a propracovanou modulační techniku, používanou ve velké míře v modemech pracujících v hovorovém pásmu a v mikrovlnných radiových systémech. Přicházející data jsou nejprve rozdělena do dvou toků s poloviční přenosovou rychlostí a potom modulována na dvojici ortogonálně vzájemně posunutých nosných (obrázek 4). Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

34 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Modulaci QAM si lze představit jako dvourozměrnou PAM (Quadrature amplitude modulation) (Pulsně amplitudová modulace), kde každá z jednotlivých nosných (vzájemně posunuté o 90o) je modulována jednorozměrnou PAM. QAM symbol může být popsán jako dvourozměrné uspořádání signálových bodů, kde rozsah v každé dimenzi závisí na počtu úrovní signálu jednodimenzionální PAM. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

35 PLC (PowerLine Communication)
technologie určená pro přenos dat po energetických sítích. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

36 Princip přenosu dat po energetických sítích
Datový signál je na vysílací straně modulován na frekvence v řádech jednotek až desítek MHz a tento signál je pak injektován do energetické sítě. Na přijímací straně je pak proces opačný. Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

37 Spektra tří hlavních modulací používaných v PLC systémech.
 DSSSM (Direct Sequence Spread Spectrum Modulation)  OFDM (Orthogonaly Frequency Division Multiplex)  GMSK (Gaussian MinimumShift Keying) Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

38 Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat
Všechny dílčí subkanály QAM jsou udržovány zcela ortogonální, proto nedochází mezi nimi k vzájemným interferencím. V přenosové technice ortogonalita představuje architekturu procesingu, schopnou rozdělit data při zpracování instrukce na více úkonů a ty pak provést v jednom strojovém cyklu Pevná telefonní síť a její využití pro přenos dat

39 FDM dělení přenosového kanálu.

40 EC dělení přenosového kanálu