Capitolul 1. Canale de comunicańie 1. CANALE DE COMUNICAłIE 1.1 EvoluŃia sistemelor de comunicańie Încă din cele mai vechi timpuri omenirea a căutat soluńii de transmitere a informańiilor la distanńă. Ruguri aprinse în locuri înalte, ştafete, clopote, tobe, buciume au reprezentat multă vreme o soluńie de comunicare. În 1790, francezul Claude Chappe propunea telegraful optic, realizat dintr-un catarg înalt de 4,55 m pe care erau fixate trei brańe mobile, a căror pozińie putea fi văzută de la mare distanńă. În anul 1837, Samuel Morse inventează alfabetul care-i poartă numele şi care reprezintă prima codificare binară, cu puncte şi linii, a literelor. Alfabetul Morse a permis transformarea simplă şi directă a caracterelor în semnale electrice. Sistemul de comunicańie bazat pe acest principiu s-a numit telegraf electric. În 1876 a urmat telefonul lui Graham Bell (prioritatea este disputată cu Edison dar Bell a fost primul care a comercializat servicii telefonice). La începutul secolului XX s-a declanşat o nouă revoluńie în telecomunicańii. Inventarea triodei, în 1906, de către Lee de Forest a dus la introducerea pe scară largă a electronicii în telecomunicańii. Astfel s-a deschis calea realizării de stańii de comunicańii radio, capabile să transmită mesaje fără a avea o conexiune fizică între emińător şi receptor. Utilitatea unor asemenea sisteme a fost sesizată mai întâi în sfera aplicańiilor militare, pentru ca mai apoi, in anii '20, să apară primele stańii de radiodifuziune comerciale. Începând cu anii '50, marcańi de aparińia tranzistorului, a circuitelor integrate, telecomunicańiile, adică transmiterea informańiilor la distanńă, au intrat într-o nouă eră. Odată cu dezvoltarea tehnologiilor corespunzătoare, s-au extins la scară mondială facilităńile de transport a unor volume impresionante de date folosind infrastructuri performante, pe fibră optică sau bazate pe comunicańii radio (reńele fără fir, satelińi de comunicańie). În acest context a devenit posibil accesul utilizatorilor individuali la serviciile publice de date, deservite de o infrastructură mondială de comunicańie cunoscută sub denumirea de Internet. Acest concept include atât infrastructura cât şi tehnologiile de comunicańie aferente precum şi ansamblul serviciilor asociate acestora: accesul la informańii text sau grafice (pagini web), transfer de fişiere (servicii ftp), mesagerie electronică dar şi altele mai recente, cum ar fi telefonia Internet (VoIP), video la cerere (VoD), difuzarea programelor de radio şi televiziune (IPTV). 3
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE Din punct de vedere istoric, începuturile reńelelor de comunicańie bazate pe transfer de informańii în format binar se confundă cu primele schimburi de date realizate între echipamente de calcul sau de procesare. Din punctul de vedere al evoluńiei istorice trebuie amintite câteva momente importante, cum ar fi lansarea primului satelit, de către Uniunea Sovietică, în 1957, sau crearea, în Statele Unite, a AgenŃiei de Cercetare pentru Proiecte Avansate (ARPA - Advanced Research Projects Agency) de către preşedintele Eisenhower, în 1958, în cadrul Pentagonului. În 1961, în cadrul MIT (Massachusetts Institute of Technology), Leonard Kleinrock defineşte pentru prima dată comunicańia bazată pe comutańia de pachete (packetswitching) ca alternativă la comutańia de circuite (bazată pe relee) utilizată în centralele telefonice clasice. La nivelul reńelei de cercetare creată de ARPA, în 1963 J.R.C. Licklider defineşte o primă viziune detaliată a ceea ce înseamnă o reńea de comunicare mondială. Prima interconectare a unor calculatoare aflate la distanńă a avut loc în 1969 între mai multe universităńi şi institute de cercetare printre care Stanford Research Institute, University of Utah, University of California Los Angeles si Santa Barbara. Cu toate neajunsurile acelui moment, reńeaua astfel creata, numită ARPANET, este unanim considerată ca fiind strămoşul Internetului de astăzi [19], [26]. Doi ani mai târziu, în 1971, Ray Tomlison propune un prim sistem de mesagerie electronică, e-mail. El introduce si simbolul consacrat, @, cu semnificańia "la", "pe" - engl. at. Trei ani mai târziu a apărut prima versiune comercială a unei reńele de date numită Telnet. Ea s-a constituit pe structura ARPANET existentă (1974). În aceiaşi perioadă (1974) au fost definite si alte elemente fundamentale care au stat la baza dezvoltării ulterioare a Internetului. Printre acestea trebuie amintit şi standardul de comunicańie care stă la baza Internetului modern, standard fundamentat pe un protocol de comunicańie propus de o echipă din cadrul ARPANET, Robert Kahn şi Vinton Cerf şi cunoscut sub denumirea de TCP/IP - Transport Control Protocol / Internet Protocol. Un moment foarte important în evoluńia reńelelor de calculatoare a fost anul 1976, atunci când în cadrul corporańiei Xerox, la Palo Alto Research Center se fundamentează primele reguli de comunicare la nivelul unei reńele locale de calculatoare, reguli reunite sub denumirea Ethernet şi devenite ulterior un standard fundamental de comunicańie la nivelul reńelelor locale. După numai un an existau deja peste 100 de calculatoare în cadrul acestei prime reńele incipiente de tip Internet. Interesul mediului de cercetare a condus ulterior la extinderea acestei prime reńele astfel încât în 1984 existau deja peste 1000 de computere interconectate în această manieră. Creşterea rapidă a numărului de sisteme interconectate s-a datorat în mare parte şi interesului crescut al comunităńilor de cercetători din universităńi de a avea acces la sisteme cu mare putere de calcul, super-computere, cum au fost cele introduse în această reńea de National Science Foundation (NSFNET), în 1986. Serviciile de bază disponibile inińial în reńelele de date constau în mesagerie electronică (email), serviciul de ştiri (news), servicii de transfer de fişiere (ftp - file tranfer protocol) şi comenzi la distanńă (telnet). Conceputul de World Wide Web a apărut în 1991 în Europa, fiind propus de Tim Berners-Lee şi Robert Cailliau în cadrul unor proiecte dezvoltate în colaborare cu reńeaua de laboratoare de fizică CERN (OrganizaŃia Europeană pentru Cercetare Nucleară), ca un sistem specializat de acces la informańii de interes pentru o anumită comunitate. World Wide Web - "pânza de păianjen peste întreaga lume", a devenit 4
Capitolul 1. Canale de comunicańie un serviciu din ce în ce mai prezent, identificat prin prescurtarea www, sau simplu web. Primul program de navigare, numit şi web browser, a apărut în 1993 sub numele MOSAIC, fiind introdus de Marc Andreesen de la Universitatea din Illinois. La acel moment Internet-ul cuprindea peste 2 milioane de sisteme interconectate şi erau accesibile circa 600 de locańii web. Sistemele interconectate poartă denumirea de gazde (hosts), host-uri fiind o denumire încetăńenită deja în jargonul tehnic. Un sistem de tip host care oferă un serviciu de date poartă denumirea de server. LocaŃiile web sunt găzduite de servere web şi se mai numesc şi site-uri. În condińiile create ulterior prin dezvoltarea infrastructurii de transport a datelor şi a puterii de procesare a acestora s-au multiplicat şi diversificat serviciile electronice oferite utilizatorilor interconectańi, ceea ce a determinat ca în paralel să apară şi o explozie a aplicańiilor software care să faciliteze, într-o manieră cât mai simplă, accesul public. Astfel au apărut numeroase aplicańii de tip client pentru servicii de date dedicate: client de poştă electronică, client ftp, client web etc. În domeniul programelor de navigare şi acces la servicii, anul 1996 marchează declanşarea unei competińii acerbe, marcată inclusiv de conflicte comerciale, ca de exemplu între Netscape şi Microsoft în legătură cu unele practici neconcurenńiale ale celor din urmă. În perioada respectivă Internetul depăşise 12 milioane de gazde şi 500.000 de locańii web. La sfârşitul anului 2000 existau peste 360 de milioane de utilizatori şi peste 200 de milioane de gazde (host-uri). Astăzi Internetul a depăşit 1,5 miliarde de utilizatori [24], existând şi peste 570 de milioane de gazde (host-uri) [25]. ÎnŃelegând prin comunicańie, la modul cel mai general, un schimb de informańii utile, rezultă că vehicularea acestora trebuie să se facă pe baza anumitor reguli de comunicare. Ansamblul acestor reguli este cunoscut sub denumirea generică de protocol de comunicańie. Sistemele interconectate în scopul comunicării formează o reńea de comunicańie. Sistemele interconectate dar amplasate grupat formează o reńea (network) internă (sau locală, aşa cum se va vedea mai târziu) de tip Intranet (intranetwork). Un ansamblu de reńele Intranet care comunică între ele formează reńeaua Internet (inter-network). La acest nivel putem defini Internetul ca fiind o reńea alcătuită din subreńele. Având în vedere extinderea actuală la nivel mondial a Internetului şi funcńionalităńile tehnice sau de servicii pe care le oferă acesta, se poate remarca că definińia de mai sus reprezintă doar un punct de plecare, nefiind acoperitoare. 1.2 Modelul de comunicańie în reńelele de date Analiza nońiunilor legate de reńelele de calculatoare presupune, înainte de toate, clarificarea unor aspecte legate de suportul de comunicańie necesar. Vehicularea informańiilor transmise de către o sursă către o destinańie, indiferent dacă acestea sunt operatori umani sau maşini, presupune o abordare complexă şi o viziune de ansamblu multidisciplinară. Tehnicile utilizate în transmiterea informańiilor se referă la totalitatea mijloacelor şi metodelor de transmisie eficientă şi de protejare a informańiei împotriva perturbańiilor. 5
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE Modelul general valabil al unui sistem pentru transmiterea informańiei este prezentat în figura 1.1. SemnificaŃiile blocurilor funcńionale din figura 1.1 sunt: E = emińător G = generator de purtătoare C = canal de transmisiuni P = perturbańii S = sursa de informańii R = receptor D = destinatar S m E s C s+n R m D p n G P Figura 1.1 Modelul unui sistem de transmitere a informańiei În general, prin sursă de informańii (S) se va înńelege mecanismul prin care se alege într-un mod imprevizibil la nivelul destinatarului, un anumit mesaj ce urmează a fi transmis. Sursa de informańii poate furniza o mulńime de mesaje (m), dar la un moment dat ea va alege un anumit mesaj pe care-l va transmite, fără ca destinatarul să cunoască alegerea făcută. În scopul transmiterii mesajelor la distanńă este necesar un emińător care, în cazul cel mai general, realizează trei operańii: traducerea codarea modularea Deoarece natura fizică a mesajelor furnizate de o sursă este foarte diversă şi nu întotdeauna de natură electrică, în general este necesară transformarea acestor mesaje, cu ajutorul unor traductoare, în semnale electrice. OperaŃiunea se numeşte conversie (sau traducere). În scopul măririi eficienńei transmisiunii şi protejării informańiei transmise împotriva perturbańiilor, semnalele de la ieşirea traductoarelor sunt transformate în semnale elementare prin operańiunea de codare. Pentru asigurarea posibilităńii de propagare la distanńă a semnalului tradus şi codat, se generează un semnal de înaltă frecvenńă numit semnal purtător sau purtătoare (p), care este modulat de informańia mesajului prelucrat anterior prin procedura de modulare. Prin canal de transmisiuni se înńelege în general, orice mediu fizic prin care se poate propaga informańia (cablu telefonic, cablu telegrafic, cablu coaxial, canal radio, canal TV, cablu optic). Toate canalele de transmisiuni sunt perturbate de anumite zgomote astfel încât semnalul de la ieşirea canalului, este o sumă între semnalul transmis de emińător (s) şi zgomotul (n) ce apare inevitabil pe orice cale de transmisiune. În transmisiunile binare, zgomotul are caracter aditiv (se sumează binar modulo 2 cu bińii transmişi). Acest model de abordare se bazează pe observańia că eronarea unui bit înseamnă de fapt complementarea lui, operańiune modelată de operatorul XOR 6
Capitolul 1. Canale de comunicańie (sau-exclusiv, sumă modulo 2). Se poate deci considera că, la nivelul unui canal de comunicańie, se realizează o inversare comandată a bitului vehiculat. Bitul care comandă inversarea se numeşte bit eroare. Receptorul (R) realizează operańiile inverse celor asociate emińătorului, în scopul recuperării informańiei inińiale: demodularea decodarea traducerea Receptorul (R) trebuie astfel sintetizat, ca din semnalul recepńionat şi pe baza cunoaşterii statisticii zgomotului ce poate apărea pe canal, să estimeze, după un anumit criteriu de fidelitate, ce mesaj a transmis sursa. La ieşirea receptorului se obńine astfel un mesaj care este, cu o anumita probabilitate, similar cu mesajul transmis şi care este numit estimatorul mesajului transmis (m ). Între m şi m există o anumită diferenńă, numită eroare de estimare. Scopul urmărit în implementarea receptorului este acela de a realiza o eroare de estimare cât mai mică. Unul din elementele fundamentale într-o reńea de date este linia de comunicańie. O linie de comunicańie poate conńine mai multe canale, circuite sau trunchiuri. Un canal de comunicańie poate fi definit ca o cale de vehiculare a informańiei în interiorul unei linii. La modul cel mai general, prin linie de comunicańie se va înńelege atât infrastructura fizică de transport asociată cât şi echipamentele şi configurańiile aferente utilizate. Canalele prezintă limitări în ceea ce priveşte posibilităńile de vehiculare a informańiilor, limitări dependente de caracteristicile lor electrice şi fizice. În funcńie de posibilităńile de vehiculare direcńionată a datelor, sunt cunoscute trei tipuri fundamentale de canale: simplex, semi-duplex (half-duplex) şi duplex (full-duplex). simplex semi-duplex duplex A B A B A B Figura 1.2 Tipuri de canale de comunicańie Considerând o legătură de tip "punct la punct" între două puncte A şi B, sunt posibile situańiile: - transmisie într-un singur sens, de la A către B, specifică terminalelor de supervizare. Un astfel de canal este de tip simplex. - transmisia de la A către B sau de la B către A, dar alternativ şi nu simultan, defineşte canalele semi-duplex (half-duplex). În cazul circuitelor care utilizează o pereche de conductoare, linia trebuie comutată pentru schimbarea sensului de transmisie. În cazul transferului bazat pe pachete de date, se permite inińierea transmisiei, succesiv, de către cei doi sau mai mulńi corespondenńi. Comutarea liniei poate fi evitată dacă se utilizează circuite pe patru fire sau separarea benzilor de frecvenńă în cazul transmisiunilor modulate. 7
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE - transmisia simultană de la A către B şi de la B către A se numeşte transmisie full-duplex sau mai simplu duplex. De multe ori un canal full-duplex utilizează circuite distincte din punct de vedere fizic, în situańiile uzuale folosindu-se câte o pereche de conductoare pentru fiecare sens. Există şi posibilitatea unei transmisii full-duplex pe un circuit fizic comun, de exemplu prin divizarea spectrului de frecvenńă, creându-se astfel un canal de transmisie şi un canal de recepńie sau prin utilizarea de radiańii optice cu lungimi de undă diferite pentru cele două sensuri, în cazul comunicańiilor prin fibră optică. Un caz particular îl constituie transmisia de tip echoplex pe canale full-duplex, care constă în retransmisia înapoi a caracterului recepńionat, efect similar cu ecoul. Echoplexarea este utilă pentru detectarea şi corectarea erorilor. De exemplu, caracterele tastate de la o tastatură pot fi verificate prin vizualizare pe un monitor, prin redirecńionarea lor de către echipamentul receptor (ecou). Transmisia informańiei între o sursă şi una sau mai multe destinańii presupune transferarea datelor, într-un format adecvat, prin intermediul unor semnale de natură electrică, electromagnetică sau optică adaptate canalului de transport disponibil. Scopul fundamental al unei transmisiuni este acela de a reproduce, la echipamentul receptor, mesaje cu acelaşi conńinut cu cele care au fost expediate. Canalul de comunicańie poate fi deci privit ca fiind alcătuit din infrastructura de comunicańie (echipamente) şi mediul aferent de transmitere a informańiei (semnale electrice pe perechi de conductoare, radiańii luminoase prin fibră optică, unde radio). PerformanŃele unui canal de comunicańie sunt evaluate în principal prin cantitatea de informańie care poate fi vehiculată printr-o secńiune a canalului, în unitatea de timp, parametru numit lăńime de bandă (bandwidth). În cazul transmisiilor analogice, lăńimea de bandă se referă la intervalul de frecvenńe ocupat în spectrul frecvenńelor. La nivelul transmisiunilor digitale, evaluarea cantităńii de informańie transferate se face prin volumul de informańie logică vehiculată. LăŃimea de bandă de frecvenńă este direct corelată cu volumul binar transferat. Din acest motiv, în cazul comunicańiilor digitale se utilizează uneori termenul de lăńime de bandă a unui canal pentru a exprima de fapt debitul binar. Se face astfel referire la cantitatea de informańie binară transferată într-o unitate de timp şi care se măsoară în bińi/secundă, bps (bits per second). Transferul unui bit într-o secundă defineşte unitatea fundamentală de măsură a lăńimii de bandă sau a debitului informańional de 1 bps (sau 1 b/s) cu multiplii specifici: 1 kbps = 10 3 bps, 1 Mbps = 10 6 bps, 1 Gbps = 10 9 bps. Uneori se utilizează o unitate de măsură derivată, bytes/secundă, Bps şi multiplii corespunzători (kbps, MBps, GBps). În cazul în care se foloseşte ca unitate de măsură Bps, conversia în bps va Ńine seama de faptul că 1B (byte, octet) = 8 bińi. Pentru informańie se foloseşte uneori ca unitate de măsura şi 1 Kibibit = 1024 b sau 1 KibiByte = 1024 B. În mod similar se definesc şi Mibibit, Mibibyte, Gibibit, Gibibyte iar prin raportare la secundă se obńin şi alte unităńi de măsură pentru transferul informańional. În transmisiunile de date se foloseşte pe larg termenul throughput (debit util) care se referă la lăńimea de bandă efectivă, la un moment dat, atunci când are loc un transfer de date. Se poate considera că termenul se referă la debitul informańional net sau la informańia efectiv transportată în unitatea de timp, fără a lua în considerare şi informańiile ajutătoare care însońesc transferul (delimitatori de secvenńă, informańii necesare pentru identificarea/corectarea erorilor, retransmisii etc.). Factorii care intervin în transferul de date şi influenńează lăńimea de bandă efectivă sunt numeroşi, 8
Capitolul 1. Canale de comunicańie fiind vorba de dispozitivele folosite, tipul de date transferate, topologia reńelei, echipamentul utilizat, numărul de utilizatori sau de procese concurente, viteza sursei de date, congestiile de transmisie etc. Prin urmare, debitul binar net (throughput) este diferit de rata de transfer a canalului de comunicańie. Calitatea transportului oferit de un canal se poate aprecia şi prin evaluări legate de transportul unui anumit volum de date binare. Se poate utiliza parametrul numit cel mai bun timp de transfer (volum binar de date / lăńimea de bandă) sau timpul tipic de transfer calculat prin raportul între volumul de date utile transportat şi debitul net (volum binar de date, throughput). EvoluŃia calitativă a performanńelor liniilor pentru transmisiuni de date este prezentată în figura 1.3. BL [bit/sec x km] 10 15 10 12 10 9 BL = (lăńime de bandă) x (distanńă maximă) Optică integrată Fibră optică 10 6 Microunde Cablu coaxial 10 3 1 Telegrafie Telefonie An 1850 1900 1950 2000 Figura 1.3 EvoluŃia performanńelor liniilor de comunicańie Primele medii de transmisie utilizate pentru transmisiuni de date au fost liniile telegrafice. Acestea deserveau un singur utilizato şi permiteau viteze de aproximativ 30 cuvinte telegrafice pe minut (datagrame cu lungimea de 5 caractere transmise în cod Morse), adică echivalentul a aproximativ 17 bps. În prezent, mediile de transmisie utilizate ating performanńe remarcabile care merg până la rate de transfer ce depăşesc 10 Gbps. Principalele medii de transmisie care prezintă interes în transmisiunile de date vor fi descrise în capitolele următoare. 1.3 Evaluarea capacităńii de transport a unui canal de comunicańie Harry Nyquist a arătat (1924) că, în cazul transmiterii unui semnal pe un canal de bandă limitată (W), în absenńa zgomotelor, este posibilă reconstruirea completă a 9
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE acestuia prin extragerea unui număr de eşantioane pe secundă NS egal numeric cu dublul benzii de trecere a canalului, W, [19]: NS = 2 W [eşantioane / secundă] (1.1) Eşantionarea cu o frecvenńă mai mare este inutilă deoarece eşantioanele suplimentare care ar putea fi extrase nu contribuie la creşterea preciziei de recuperare a semnalului inińial deoarece componentele spectrale de ordin superior au fost deja eliminate prin filtrarea introdusă de canal sau circuit. Pornind de la acest rańionament şi considerând un semnal având N nivele discrete, Nyquist a demonstrat teorema care îi poartă numele şi care determină viteza maximă de transfer a datelor (debit, D) printr-un mediu de bandă limitată, [19], [20], ca fiind: D= 2 W log2 N [ bps] (1.2) Pentru o bandă de 3 khz (aproximativ banda telefonică vocală) şi un semnal cu două nivele (binar), rezultă o viteză maximă de 6 kbps. Pentru a calcula capacitatea teoretică de transport a unui canal de comunicańie (viteza maximă), în prezenńa zgomotului, se foloseşte teorema lui Shannon. Extinzând cercetările lui Nyquist, Claude Shannon a arătat (1949) că pentru un canal ideal, caracterizat de o lăńime de bandă W (în Hz) şi un anumit raport între puterea de semnal P S (în W) şi respectiv puterea de zgomot P N (în W), capacitatea maximă de transport a canalului, în b/s, este [20]: PS C = W log 2 (1+ ) [ bps] (1.3) P N De obicei raportul puterilor de semnal şi de zgomot, S/N, se exprimă în db, conversia realizându-se după relańia 1.4. PS S / N = 10 log10 [ db] (1.4) P N De exemplu, în cazul în care se urmăreşte transmiterea de date pe un canal telefonic vocal de bandă limitată 300 3400 Hz, considerând W = 3100 Hz, P S = 0,0001 W (respectiv -10 dbm) şi P N = 0,0000004 W (respectiv -34 dbm), adică un raport conform (1.4) având valoarea S/N = 24 db, pe baza formulei lui Schannon (1.3) se obńine: C= 3100 log2 (1+ 250) 24700 b / s= 24, 7 kbps (1.5) Pentru acelaşi canal dar având un raport semnal-zgomot îmbunătăńit, S/N = 30 db (corespunzător unui raport al puterilor P S /P N de 1000), rezultă o capacitate crescută de transport a canalului, de 30,9 kbps, iar pentru o valoare S/N superioară, S/N = 38 db (corespunzător unui raport al puterilor P S /P N de 6309), rezultă o capacitate de transport a canalului care ajunge la de 39,6 kbps. Modem-urile de linie telefonică uzuale lucrează cu viteze tipice de 33.6 kbps. 10
Capitolul 1. Canale de comunicańie Uneori, deoarece transmiterea datelor binare presupune împachetarea acestora într-un anumit format, alături de bińii utili se adaugă şi informańii de control (bińi de start, bińi de stop, bińi de paritate, sume de control) care reduc viteza reală de transmitere a informańiei utile. Prin urmare, aşa cum s-a arătat şi anterior, capacitatea de transport a canalului nu este identică cu debitul binar util (throughput) al acestuia. Maniera cea mai simplă de a transmite informańii în format binar pe un canal de comunicańie constă în alocarea a două nivele de semnal distincte bińilor 0 şi 1. Altfel spus, celor doi bińi li se alocă două simboluri de transmisie numite şi simboluri de semnalizare: pulsuri rectangulare cu amplitudini diferite. Dacă durata de transmisie a unui bit este T b, valoare numită interval de bit, atunci numărul de bińi transmişi într-o unitate de timp se va numi rată de bit sau rată binară sau debit binar. Viteza de succedare a simbolurilor asociate bińilor este aceeaşi cu cea de succedare a bińilor. O astfel de transmisie se numeşte transmisie în banda de bază deoarece frecvenńa modificărilor în unitatea de timp ale formei de undă folosită pentru semnalizare este aceeaşi ca în secvenńa de succedare a bińilor. D= 1/ T [ b / s] (1.6) b În cazul în care sistemul funcńionează cu mai multe nivele de semnal N, nefiind posibilă întotdeauna o conversie directă într-un număr întreg de bińi, se operează cu nońiunea de rată de semnalizare (sau rata simbolurilor sau viteza de modulańie), R, care se defineşte ca fiind numărul simbolurilor transmise în unitatea de timp şi care se măsoară în [Bauds] sau [Bd] (după Emile Baudot). SemnificaŃia fizică a ratei de semnalizare este numărul de schimbări (de nivel sau de altă natură) ale semnalului în unitatea de timp. Dacă T este durata unui simbol (numit şi interval semnificativ), atunci rata de semnalizare va fi: R= 1/ T [ Bd] (1.7) Dacă un simbol transmis este codificat binar şi există N nivele, câte unul pentru fiecare simbol, atunci numărul n de bińi echivalenńi transmişi pe durata unui simbol va fi: T n= = log 2 N (1.8) T b Numărul de simboluri transmise în unitatea de timp, R, multiplicat cu numărul de bińi echivalenńi pentru un simbol, n, va determina deci numărul de bińi echivalenńi transmişi în unitatea de timp, adică debitul binar: T D= R n= R = R log 2 N (1.9) T b RelaŃia (1.9) exprimă legătura între debitul binar şi rata simbolurilor. Astfel este evident că dacă se foloseşte o transmisie pe 4 niveluri, pentru aceeaşi rată a simbolurilor, se obńine un debit binar echivalent dublu fańă de cazul transmisiei cu 2 niveluri. Figura 1.4 evidenńiază aceste situańii. 11
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE bit 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 t simbol simbol a 1 a 0 T b T Transmisie binară în banda de bază Transmisie binară cu două niveluri t T b =T N=2 R=1/T D=1/T b 11 - a 3 10 - a 2 01 - a 1 00 - a t 0 T Transmisie binară cu patru niveluri 2T b =T N=4 R=1/T D=1/T b =2/T Figura 1.4 Transmisiuni cu două şi patru niveluri Exemplul prezentat asociază bińilor sau grupurilor de bińi amplitudini diferite pentru pulsurile de semnalizare, deci este de fapt o modulańie în amplitudine. Deoarece în cazul transmisiilor digitale amplitudinea ia doar valori discrete, ea se numeşte transmisiune cu comutarea amplitudinii, ASK (Amplitude Shift Keying). În mod similar se pot asocia frecvenńe, obńinându-se o transmisiune cu comutarea frecvenńei - FSK (Frequency Shift Keying) sau fazei, în cazul transmisiunilor cu comutarea fazei PSK (Phase Shift Keying). Cu cât secvenńele transmise grupează mai mulńi bińi, cu atât este necesar un număr de niveluri mai mare, respectiv 2 n, unde n este numărul de bińi grupańi. Un număr mai mare de niveluri face însă ca şi separarea acestora la recepńie să devină mai dificilă, fiind mai apropiate. Deoarece nivelurile absolute sunt afectate de zgomote, o soluńie practică constă în evaluarea unui nivel prin diferenńa fańă de nivelul recepńionat anterior (modulańie diferenńială) sau chiar transmiterea pe canalul de comunicańie direct a sensului modificării formei de undă ( +/-, creştere/scădere), cum se întâmplă în cazul modulańiei sigma-delta sau CVSD (Continuously Variable Slope Delta Modulation). Toate aceste modulańii reprezintă o formă de adaptare a fluxului informańional transmis la canalul de comunicańie în scopul obńinerii unei viteze de transfer cât mai ridicate. Semnalul care este transmis pe canalul de comunicańie poate fi considerat ca fiind alcătuit dintr-o alăturare a pulsurilor asociate bińilor sau grupurilor de bińi şi poartă denumirea de formă de undă de semnalizare sau uneori, semnal de linie. Deşi formula lui Shannon determină capacitatea teoretică a unui canal, în practică capacitatea scade şi datorită altor factori, cum ar fi interferenńa dintre două simboluri transmise consecutiv, fenomen numit interferenńă intersimbol (figura 1.5). Aceste aspecte vor fi abordate într-un capitol ulterior. 12
Capitolul 1. Canale de comunicańie A Impuls semnalizare Semnal la ieşirea canalului Zonă interferenńă t Figura 1.5 Principiul interferenńei intersimbol 1.4 Medii fizice de comunicańie Mediile de transmisie utilizate în mod curent pot fi grupate în două mari categorii: medii ghidate şi medii neghidate. Mediile ghidate sunt cele care oferă o cale de propagare în afara căreia semnalul nu poate să existe într-o formă utilizabilă, rămânând dependent de mediu. Principalele medii ghidate de transmisie sunt: o cablurile coaxiale o cablurile cu perechi de conductoare torsadate - neecranate: UTP (Unshielded Twisted Pairs) - ecranate: STP (Shielded Twisted Pairs), ScUTP (Screened UTP) sau FTP (Foiled Twisted Pairs) o fibrele optică: - multimod - monomod o ghiduri de undă pentru microunde Transmisiunile neghidate sunt cele la care propagarea nu este restricńionată la un spańiu fizic, înńelegându-se de obicei prin aceasta propagarea în aer liber, după ce semnalul a fost inińial direcńionat corespunzător de către sursa. Principalele semnale purtătoare utilizate pentru transmisiunile neghidate sunt: o undele radio o microunde o radiańia laser o radiańia infraroşie 1.4.1 Cabluri coaxiale Cablurile coaxiale sunt realizate dintr-un conductor central îmbrăcat într-o manta conductoare, spańiul dintre ele fiind izolator (material plastic PVC, teflon sau aer). Mantaua exterioară poate fi continuă (folie conductoare) sau întreńesută (împletitură). Mai multe linii coaxiale pot fi înmănuncheate într-un cablu de-a lungul căruia pot exista şi perechi de conductoare răsucite utilizate pentru vehicularea semnalelor de control sau de alimentare. Datorită modului de realizare a cablurilor 13
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE coaxiale, influenńa reciprocă a două canale adiacente (diafonie) este extrem de redusă chiar la frecvenńe mari ale semnalului. Aceasta se datorează distribuńiei sarcinilor electrice către interiorul conductorului exterior şi exteriorul conductorului central. Datorită efectului redus al diafoniei şi zgomotelor, semnalul util poate fi refăcut chiar dacă are un nivel scăzut, ceea ce nu este posibil în cazul transmisiilor clasice folosind perechi de conductoare. Circuitele în cablu coaxial permit o viteză de propagare ridicată, care variază foarte puńin cu frecvenńa, ceea ce implică existenńa unor distorsiuni de întârziere reduse. În cazul transmisiunilor binare, debitul binar scade cu creşterea distantei datorită atenuării semnalului electric. Lungimea maximă de propagare este limitată prin standardele de comunicańie de timpul de propagare acceptat, cu precădere în cazul comunicańiilor bazate pe cerere şi răspuns. În figura 1.6 este prezentată structura unui cablu coaxial. Deşi cablurile coaxiale sunt similare din punct de vedere constructiv, ele pot avea impedanńe diferite ( rezistenńa conductorului în semnal) estimate printr-o scală de grade radio, numite RG radio grade. De exemplu, varianta 10BASE2 Ethernet (sau Thinnet) utilizează RG-58, ce utilizează o impedanńă de 50 de ohmi şi care, la nivel fizic, se traduce printr-o viteză a semnalului de 10 Mbps pentru o lungime maximă de 180 de metri. În transmisiunile de date pe cablu coaxial, în banda de bază, se utilizează şi varianta 10BASE5 Ethernet (Thicknet sau cablu galben ) care are deasemena o impedanńă de 50 de ohmi dar care, la nivel fizic, permite o viteză a semnalului de 10 Mbps pentru o lungime maximă de 500 de metri. Figura 1.6 Cablu coaxial, conector BNC tip T Avantajul cablurilor coaxiale constă în faptul că oferă posibilitatea unor comunicańii de bandă largă pe distanńe relativ mari, echipamentele fiind conectate la o magistrală unică folosind conectoare adaptoare în formă de T. Aceste conectoare fac ca sistemele conectate să apară ca fiind, unul dupa altul, în cascadă (figura 1.7). Mediul de comunicańie se comportă ca un ghid de undă şi din acest motiv trebuie asigurată adaptarea de impedanńă la capetele liniei dar şi la nivelul punctelor de inserare a echipamentelor de date (folosind conectoarele T care se bazează pe impedanńa mare către interfańa de reńea conectată). Ele au fost folosite inińial ca medii de transmisie dedicate pentru reńelele de date tip Ethernet dar treptat au fost înlocuite cu medii de transmisie mai performante. Principalele dezavantaje ale acestui cablu, care au dus la înlocuirea sa aproape totală, sunt următoarele: este relativ fragil şi fără o rezistenńă mecanică deosebită, are un cost ridicat, o dimensiune a cablului semnificativă (grosime de 1 cm sau mai mult, în funcńie de tip) şi nu în ultimul rând, dificultăńi în a asigura adaptarea de impedanńă a magistralei de comunicańie prin faptul că orice intrerupere a continuităńii cablului (inclusiv conector BNC neconectat) înseamnă deteriorarea adaptării. Lipsa adaptării de impedanńă determină la rândul ei fenomene de reflexie a undelor electromagnetice, ceea ce 14
Capitolul 1. Canale de comunicańie conduce la interferenńe între unda incidentă şi cea reflectată, respectiv alterarea semnalului util. Pentru adaptare la capetele liniei de comunicańie se folosesc conectoare de capăt (numite şi conectoare de terminare). În cazul cablurilor coaxiale utilizate în reńelele locale de calculatoare (Ethernet) comunicańia are loc alternativ în cele două sensuri, fiind astfel de tip semiduplex. Pentru conectarea mediilor de transmisie la echipamentele de date se utilizează conectori specializańi (mufe), pentru cablurile coaxiale aceştia fiind de tip BNC (British Naval Connector dupa unii autori, Bayonet Neill Concelman sau Bayonet Needle Connector după alńii, existând însă şi alte interpretări). ReŃelele de comunicańie bazate pe cablu coaxial se pretează unor arhitecturi organizate în jurul unei magistrale unice, la care sunt ataşańi clienńii reńelei (gazde) prin intermediul conectoarelor T. DistanŃa maximă de comunicańie este determinată pe baza timpului necesar pachetului de date să călătorească între cele mai îndepărtate două gazde, cunoscând viteza de propagare a undei electromagnetice pentru acel mediu (mărime constantă) şi întârzierea admisă. DistanŃa maximă depinde şi de atenuarea semnalului electric pe calea de comunicańie, nivelul trebuind să rămână peste un anumit prag (un anumit raport semnal-zgomot). Standardele de comunicańie reglementează parametrii menńionańi. Gazde H0 H1 H2 H3 Hn Conector de capăt Conector T Magistrală de comunicańie pe cablu coaxial Figura 1.7 ReŃea de comunicańie pe cablu coaxial Pentru extinderea distanńei de comunicańie este necesar un echipament care să preia datele de pe un segment şi să le transmită pe altul (repetor de date, router). Simpla amplificare a semnalului nu oferă o soluńie deoarece amplificatorul utilizat ar trebui să aibă o bandă de trecere generoasă, ceea ce înseamnă că va amplifica in egală măsură şi zgomotul. 1.4.2 Cabluri torsadate Cablul UTP (cablu torsadat neecranat, Unshielded Twisted Pairs) este disponibil în diferite forme, dimensiuni şi grade radio. Pentru transmiterea datelor între echipamentele de calcul, cablul UTP folosit este alcătuit din patru perechi de conductoare. Cele patru perechi de fire înseamnă opt conductoare izolate şi rasucite câte două (procedeu numit torsadare). Torsadarea reduce efectul de degradare a semnalului cauzat de interferenńa cu radiańiile electromagnetice (EMI - interferenńe electromagnetice sau RFI - interferenńe ale frecvenńelor radio) la fel ca şi în telefonie. Pasul de torsadare permite definirea gamei de frecvenńe perturbatoare care trebuie 15
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE eliminată. Spirele conductoare alăturate care iau naştere prin torsadare sunt similare unor spire de bobină care îşi anulează reciproc curenńii (de sensuri contrare) ce apar prin efect de antenă. Cu cât debitul binar este mai mare, cu atât gama de frecvenńe ce trebuie rejectată este situată mai sus în spectrul de frecvenńe şi deci pasul de torsdare va trebui să fie mai mic (figura 1.8). În standardul Ethernet 10/100 Mbps folosit în reńelele locale de calculatoare, doar patru din cele opt conductoare sunt folosite: o pereche de conductoare oferă suport pentru transmisii într-un sens (TD+, TD-; transmission data), iar cealaltă pentru transmisii în sens invers, respectiv recepńie (RD+, RD-; received data). Acest tip de cablu are o impedanńă de 100 de ohmi. În standardul Ethernet 10/100 BASE T aceasta înseamnă o viteză de transmitere a informańiei cu 10 Mbps (Ethernet) sau 100 Mbps (Fast Ethernet) pe o distanńă de până la 100 de metri. Transmisia este de tip duplex. Conductoarele neutilzate pentru comunicańia de date sunt destinate telefoniei digitale care este de fapt echivalentă tot cu un transfer de date. Aceste perechi pot fi utilizate însă pentru a realiza un alt canal de comunicańie pe acelaşi cablu fizic. În standardul Gigabit Ethernet, toate cele opt conductoare sunt utilizate, perechile fiind bidirecńionale şi identificate ca A+/A-, B+/B-, C+/C-, D+/D-. Curent indus pas R L R L Câmp electromagnetic extern Pereche de conductoare torsadate Figura 1.8 Mediu de comunicańie cu perechi de conductoare torsadate Unele din avantajele acestui cablu ar fi faptul că este ieftin, uşor de instalat, suportând curbări şi îndoiri şi este subńire. În prezent este cel mai utilizat mediu de transmisie în reńelele locale (LAN). Principalele dezavantaje sunt: susceptibilitatea la interferenńe electrice şi în special elctrostatice în comparańie cu alte tipuri de cabluri, distanńa de transmisie a informańiei relativ scazută. Pentru interconectarea mai multor echipamente este obligatorie utilizarea unor dispozitive dedicate de interconectare, numite hub-uri. Conectorii utilizańi sunt de tip RJ45 (Registered Jack 45) cu 8 contacte (asemănători cu conectorii pentru aparate telefonice care sunt mai mici şi au 4 contacte, RJ11). Pentru interconectare există standarde de cablare specifice (TIA / EIA 568 A/B). Ele conńin specificańiile pentru interconectarea dispozitivelor de reńea cu mediul de transmisie. Cablul STP (cablu torsadat ecranat, Shielded Twisted Pairs) prezintă un strat conductor suplimentar, de tip ecran, în jurul firelor torsadate. Aceste straturi de ecranare acoperă atât fiecare pereche de conductoare cât şi separat, întregul cablu, cu un ecran aflat imediat sub învelişul extern. Scopul acestei ecranări este acela de a 16
Capitolul 1. Canale de comunicańie permite cablurilor torsadate să funcńioneze în medii predispuse la perturbańii electromagnetice (EMI) şi/sau interferenńe radio (RFI). Ecranul împiedică pătrunderea radiańiei externe perturbatoare dar şi emisia electromagnetică datorată efectului de antenă al conductoarelor proprii. Acest tip de cablu are o impedanńă de 150 de ohmi, este mai scump, mai greu de instalat şi mai gros decât cablul UTP, având aproximativ un centimetru diametru. Ecranul acestui tip de cablu trebuie conectat la un potenńial de referinńă nul (împamântare) la ambele capete, pentru a funcńiona corect, în caz contrar induce un nivel ridicat de zgomot. Cablurile ScUTP/FTP sunt modele hibride de cabluri STP şi UTP. Aceste tipuri de cabluri sunt asemănătoare cu cablul UTP dar sunt acoperite cu un ecran metalic (Screened Twisted Pairs) sau cu o folie de metal (Foiled Twisted Pairs) ce realizează ecranajul. ImpedanŃa tipică pentru acest tip de cablu este de 100 sau 120 de ohmi. Cablurile torsadate sunt standardizate prin performanńele pe care trebuie să le asigure şi nu prin parametrii fizici. În acest sens sunt definite mai multe categorii de performanńă. Acest fapt este un avantaj important deoarece, indiferent de producător, ne aşteptăm la performanńe similare pentru cabluri din aceeaşi clasă. Principalele organisme cu atribuńii în domeniul standardizării (ANSI, FCC, EIA) au definit standarde pentru cablare sau pentru elemente conexe de infrastructură dar şi categorii de performanńă pentru cabluri. IniŃial au existat cinci serii de test pentru a stabili categoriile de performanńă pentru cablurile torsadate, ulterior adăugându-se şi altele. Aceste categorii de performanńă sunt uzual numerotate de la 1 la 7, iar cablul care corespunde uneia este identificat ca fiind de Categoria x (sau CATx), unde x reprezintă numărul seriei de teste care a fost trecut cu succes. CAT 1 şi CAT 2 au fost rapid abandonate (1995), fiind considerate perimate datorită slabelor performanńe. Cablurile care încă se utilizează astăzi sunt CAT 3 (16 MHz lăńime de bandă, 10Mbps viteza până la 100m) şi CAT 5 (100 MHz lăńime de bandă, 100/155/256 Mbps cu distanńe de până la 100m). CAT 4 putea oferi o lăńime de bandă de 20MHz dar această categorie intermediară s-a dovedit a fi neeconomică. CAT 5e este o extensie a lui CAT 5, care permite conexiuni 100BaseT pe 350m sau 1000BaseT pe distanńe reduse. CAT 6 poate fi utilizat în reńele de viteză ridicată, tip Gigabit, în timp ce CAT 7 a fost proiectat pentru viteze de 10Gbps. Cablurile CAT 6 si CAT 7 folosesc perechi de conductoare cu pas de torsadare diferit şi profile speciale pentru menńinerea constantă a distanńei dintre perechi in interiorul cablului. Atunci când cablurile UTP se folsesc pentru a conecta două echipamente este necesar ca cele două perechi pentru transmisie (Tx), respectiv recepńie (Rx), să fie inversate (transmisia unuia să ajungă la recepńia celuilalt), rezultând cablul crossover (inversor). Atunci când se folosesc echipamente dedicate de interconectare, inversiunea respectivă este realizată în interiorul echipamentului (hub, switch), cablul folosit fiind de tip 1:1 (straight through, cablu direct). Echipamentele moderne au capacitatea de a determina singure perechea emińătoare, respectiv receptoare, funcńie numită Auto-sensing, Auto-MDI/MDI-X, Universal Cable Recognition sau Auto-uplink. În afara cablurilor menńionate există şi varianta roll-over (inversare în oglindă). În cazul reńelelor Gigabit Ethernet sunt utilizate toate cele 4 perechi de conductoare, în sistem cross-over. 17
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE 1 T+ Transmit Data + 2 T- Transmit Data - 3 R+ Receive Data + 4 n/c Not connected 5 n/c Not connected 6 R- Receive Data - 7 n/c Not connected 8 n/c Not connected Figura 1.9 Cablu UTP Fast Ethernet, conector RJ45 1.4.3 Fibre optice Fibrele optice folosesc ca purtător de informańie radiańia electromagnetică din spectrul 10 14-10 15 Hz. Ele permit o lăńime de bandă mult mai mare şi o capacitate de transport de date net superioară altor medii de transmisie. Principiul transmiterii datelor prin fibre optice este prezentat în figura 1.10. DistanŃa maximă de transmisie a informańiei optice depinde de atenuarea fasciculului luminos. Această atenuare depinde la rândul ei de două elemente: - calitatea radiańiei luminoase emise (lungime de unda, putere, coerenńă), fiind utilizate trei lungimi de undă: 850 nm, 1320 nm, 1500 nm - calitatea fibrei optice şi a îmbinărilor acesteia. Fibră optică TransmiŃător Receptor Figura 1.10 Principiul comunicańiilor pe fibră optică 18
Capitolul 1. Canale de comunicańie Atenuare [db/km] Banda de 850 nm Banda de 1320 nm Banda de 1550 nm 2,2 1,8 1,4 1,0 0,6 Lungime de undă [µm] 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Figura 1.11 VariaŃia atenuării cu lungimea de undă pentru o fibră optică În ceea ce priveşte nivelul de atenuare al fibrei optice, acesta a evoluat continuu, de la valori de ordinul 500 1000 db/km în 1966, 20 db/km la 850 nm în 1970 sau 0,47 db/km la 1300 nm în 1976. După 1980 au devenit uzuale atenuări de 0,1-0,2 db/km la 1550 nm. Atenuarea depinde şi de lungimea de undă a radiańiei luminoase utilizate, aşa cum se poate observa în figura 1.11. ExistenŃa unor intervale ale lungimilor de undă cu atenuare mare, respectiv mică, se datorează interferenńelor optice care au loc la nivel molecular şi depind de compozińia chimică a materialului utilizat şi de impurităńile existente. Intervalele cu atenuare scăzută definesc astfel ferestre de transmisie care favorizează propagarea. Cele mai bune performanńe se obńin în banda de 1550 nm unde atenuarea este minimă. ComunicaŃiile pe fibra optică reprezintă în prezent cea mai convenabilă soluńie din aproape toate punctele de vedere: capacitate mare de transport, imunitate la zgomot, cost redus raportat la capacitatea oferită. Din punct de vedere istoric, în dezvoltarea comunicańiilor pe fibră optică pot fi evidenńiate câteva repere evolutive, după cum urmează: o 1965: fundamentarea teoretică a transmiterii datelor folosind fibre optice de către Charles Kao şi George Hockham. o 1976: s-au realizat primele legături între instituńii, cu distanńe de 7 km între repetoare şi viteze de 34 sau 45 Mbps la 850 nm. o 1983: Biarritz Videocoms realizează unul din primele experimente pentru distribuńia TV prin cablu optic, conectând peste de 1000 de abonańi, pe baza tehnologiei de 850 nm, cu diode laser şi fibre multimodale. o 1986: devine funcńională legătura submarină Marseilles-Corsica care acoperea o distanńă de 400km, viteza de transfer fiind de 280 Mbps, cu 8 repetoare, tehnologie 1300 nm, linie terestră la 1.6 Gbps. 19
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE o 1988: intră în exploatare sistemul transatlantic TAT 8 la viteza de 280 Mbps, tehnologie 1300 nm, 70 km distanńa dintre repetoare, 8000 circuite telefonice conectate optic. o 1990: prima legătură trans-mediteraneană Almeria (Spania) - Melila (Africa), 200 km, 140 Mbps, pe 1550 nm. o 1991: un nou sistem de comunicańie optică transatlantică, TAT 9, atinge 560 Mbps, foloseşte tehnologia 1550 nm, 130 km distanńa dintre repetoare, 60.000 circuite telefonice conectate optic. o 1995/1996: alte sisteme transatlantice TAT 12 şi TAT 13: 5 Gbps, 370.000 circuite, amplificare optică. o 2000: generalizarea comunicańiilor pe fibră optică până la nivelul reńelelor locale la viteze uzuale de 1 Gbps şi peste. Inveliş ProtecŃie Kevlar Tub protector Fibre optice Detaliu cablu optic Conector LC Conector MTRJ Conector ST Conector SC Figura 1.12 Cabluri cu fibre optice şi conectori uzuali Aşa cum se observă, comunicańiile prin fibră optică au ajuns la maturitate tehnologica cu mult timp înainte de aparińia Internetului. Dupa anii 90, odată cu dezvoltarea rapidă a serviciilor de date de tip Internet dar şi a soluńiilor de transport a datelor pe fibre optice, se poate considera că transportul optic a devenit cea mai eficientă solutie pentru comunicańiile terestre. Fibrele optice pot avea o gamă variată de forme, dimensiuni şi domenii de lungimi de undă transportate. Tipic, un cablu cu fibre optice are structura din figura 1.12, el inglobând mai multe fibre individuale. Axa centrală a unei fibre optice este ocupată de către un mediu optic pur care are capacitatea de a transporta în siguranńă radiańia luminoasă pe distanńe mari. Lipsa semnalelor electrice şi a conductoarelor de cupru flexibile face ca transmisiunile bazate pe fibre optice să fie relativ sigure din punctul de vedere al interferenńelor electromagnetice. Spre deosebire de cablurile de cupru, în cazul fibrelor optice nu este posibilă introducerea zgomotelor prin metodele clasice. Mediul optic utilizează aproape întotdeauna un material pe bază de siliciu, asemănător 20
Capitolul 1. Canale de comunicańie sticlei sau un material plastic (polimer) cu calităńi optice superioare. Un fascicul luminos emis la un capăt al fibrei va fi recuperat la capătul opus, semnalul purtător de informańie fiind unda luminoasă. Deoarece fasciculul luminos se propagă de la o sursă către receptor, rezultă că o fibră poate transporta informańia într-un singur sens. Pentru o transmisie duplex sunt necesare cel putin două fibre. În cazul în care se utilizează lungimi de undă diferite, două radiańii luminoase pot călători pe aceeaşi fibră cu condińia ca elementele opto-electronice utilizate la emisie şi recepńie să aibă capacitatea de a le separa, ceea ce presupune costuri suplimentare sub acest aspect. Mai multe fibre alcătuiesc un cablu optic. Diametrul fibrei optice variază de la 5 microni până la câteva sute de microni. În cazul fibrelor optice care au diametrul miezului mult mai mare decât lungimea de undă a luminii transmise, fasciculul luminos circulă prin fibră reflectându-se continuu la suprafańa de separare dintre miez şi înveliş. Fasciculele care pătrund în fibră sub diferite unghiuri sunt reflectate de un număr variabil de ori, pe măsură ce se deplasează de la un capăt la celalalt al fibrei şi în consecinńă, ajung la capătul îndepărtat defazate diferit. Recompunerea semnalului optic din fascicule defazate face ca ceea ce rezultă să nu fie întocmai semnalul optic transmis. Unghiurile diferite de intrare definesc aşa numitele moduri de propagare (sau pe scurt, moduri), iar o fibră care transportă mai multe moduri se numeşte fibră multimod. Propagarea multimod face ca razele care parcurg fibra să interfere atât într-o manieră constructivă cât şi într-una distructivă. Acest efect este numit împrăştiere (dispersie) modală a întârzierii. Fibrele care transportă un singur mod se numesc monomod. Figura 1.13 prezintă modurile de propagare în fibra optică. n 1 n 2 200 µ a. Propagare multimod cu indice de refracńie de tip treaptă n 1 n 2 50 µ b. Propagare multimod cu indice de refracńie de tip n 1 n 2 10 µ c. Propagare mono-mod (mod unic) Figura 1.13 Moduri de propagare în fibra optică 21
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE Fibra multimod Transmisiunea multimod este datorată propagării unui grup de fascicule luminoase emise de obicei de către o diodă electrolumiscentă LED. Un LED nu este o sursă de lumină foarte concentrată, fasciculul emis având o împraştiere mare şi prin urmare necesită o cale de transmisie optică destul de largă. Această rată de dispersie impune mai departe şi limitele maxime ale lungimii efective a fibrei optice. După o anumită distanńă parcursă, dispersia face ca o parte din raza emisă de LED să se reflecte în peretele interior al mediului optic. Când se întâmplă acest lucru, impactul are loc sub un unghi foarte mic. În consecinńă, lumina nu trece în stratul de protecńie, ci este reflectată de perete sub un unghi complementar. Această reflexie plasează razele dispersate pe o direcńie de coliziune cu razele din fasciculul inińial rămase pe calea de transmisie axială. Aceste raze transportă în continuare acelaşi semnal informańional ca şi raza rămasă aliniată cu axa centrală a fibrei. Deoarece razele sunt astfel supuse unor reflexii multiple, pentru că viteza luminii este constantă (300.000 km/s), rezultă că transmisiunea axială ajunge la capatul fibrei înaintea reflexiilor multiple ale aceluiaşi semnal. Această dispersie multimodală determină şi interacńiuni la nivel fotonic, modurile multiple se vor intersecta inevitabil pe axa centrală şi vor interfera cu alte transmisiuni de semnale. Datorită dispersiei modale transmisiunile multimod sunt predispuse unor distorsiuni importante ale semnalului optic deoarece fasciculele componente sunt recuperate doar parńial, decalate şi atenuate (figura 1.13.a). Aceste limitări le fac utilizabile în special pe distanńe scurte, unde oferă un raport preń/performanńă rezonabil. Fibra optică tipică utilizată în mod obişnuit în reńelele de calculatoare are diametrul de 200 microni (380 microni cu învelşul protector) şi oferă suport pentru comunicańii multimod comandate de un LED, care este o componenta electronică relativ ieftină. Tipic se ating viteze de 100 Mbps pe distanńe de 10 km şi 1 Gbps pe 1 km. Deoarece vehicularea informańiei presupune transmiterea unor impulsuri luminoase, s-a descoperit că se poate reduce semnificativ efectul dispersiei modale dacă impulsurile optice transmise au o formă specială (definită prin reciproca cosinusului hiperbolic), numite soliton-uri. Fibra monomod Dacă diametrul miezului fibrei este doar de câteva ori mai mare decât lungimea de undă a luminii transmise, va fi favorizată propagarea doar a unui singur fascicul (sau mod) şi nu va apărea nici o interferenńă semnificativă între raze. Aceste fibre, numite fibre monomod, sunt mediile utilizate în majoritatea sistemelor de transmisie pe distanńe mari. Fibra monomod utilizează de obicei o diodă laser cu injecńie (ILD Injection Laser Diode). Laserele sunt binecunoscute pentru fasciculele lor extrem de focalizate şi coerente. Şi aceste raze suferă dispersii dar acestea sunt aproape insesizabile pe distanńele din domeniul reńelelor. Într-un sistem de fibre optice monomod fasciculul laser transportă informańia în lungul fibrei, reflexiile fiind nesemnificative (figura 1.13.c). Prin urmare, fasciculul purtător transmis rămâne aliniat cu axa centrală a fibrei de-a lungul întregului drum prin mediul respectiv. Pentru a reduce cât mai mult probabilitatea reflexiilor se utilizează medii optice cu indice de refracńie n variabil după un anumit profil (figura 1.13.b), astfel încât, pe măsură ce raza se apropie de marginea fibrei, părăsind traseul axial, ea să sufere o refracńie progresivă, datorită modificării corespunzătoare a indicelui de refracńie al mediului. Pentru a determina fasciculele să se întoarcă către direcńia axială înainte de a atinge suprafańa de separańie se realizează fibre optice a căror indice de 22
Capitolul 1. Canale de comunicańie refracńie nu este constant, ci variază în secńiune după un profil progresiv care determină o deviere progresivă de revenire. Utilizarea diodelor laser presupune costuri mai ridicate şi necesită stabilizarea puterii emise cu temperatura dar permite obńinerea unor rate de transfer ridicate, limitate în principiu doar de proprietăńile de comutańie ale fotodetectorului (uzual la aproximativ 1 sau 10Gbps). DistanŃele acoperite sunt de ordinul zecilor sau sutelor de km. Fibrele optice monomod au în general un diametru între 5 şi 10 microni şi un strat protector de 125 de microni. La distanńe de 60 km se pot atinge viteze de 1 Gbps iar la 10 km 6 Gbps. Intensitate luminoasă Intensitate luminoasă LASER LED 50% 2 nm 50% 40 nm λ λ 1300 nm 1300 nm Figura 1.14 Dispersia lungimii de undă pentru diverse surse luminoase Dispersia lungimilor de undă la emisia radiańiei luminoase pentru sursa laser şi LED este prezentată în figura 1.14. O fibră optică instalată dar neutilizată (de obicei componentă a unui cablu optic), capabilă sa preia fluxuri de date necesare unor dezvoltări ulterioare se numeşte fibră întunecată, dark fiber. 1.4.4 Transmisiuni prin ghiduri de undă pentru microunde Un ghid de undă pentru microunde este un tub metalic cu o secńiune determinată şi prin care se propagă unde radio de înaltă frecvenńă. Există două tipuri principale de ghiduri de undă: rectangulare şi circulare. Ghidurile de undă rectangulare sunt utilizate pentru racordarea antenelor la echipamentele asociate, rareori fiind utilizate pentru distanńe mai mari de câteva sute de metri. Ghidurile circulare pot transmite frecvenńe superioare celor rectangulare. Ele pot avea structuri speciale: de exemplu pot conńine un conductor de cupru spiralat, înconjurat de un strat subńire de fibră de sticlă şi un înveliş carbonic. Această structură este protejată de un înveliş de ońel şi rigidizată cu răşini epoxidice. O astfel de structură permite atenuarea modurilor de propagare nedorite. Interiorul ghidului de undă este uneori presurizat cu aer uscat sau cu azot pentru a elimina umiditatea din mediul de propagare, care ar putea atenua microundele. Ghidurile de undă nu sunt flexibile, ele având forme prestabilite. Un sistem care foloseşte ghiduri de undă vehiculează tipic frecvenńe între 1 şi 110 GHz. Atenuarea în ghidurile de undă creşte cu creşterea frecvenńei, fiind 23
TRANSMITEREA INFORMAłIEI ÎN REłELELE DE CALCULATOARE semnificativă la peste 100 GHz. Aceste semnale se pot propaga şi neghidat dar pentru a reduce interferenńele şi pierderile precum şi pentru a direcńiona puteri semnificative de semnal, se preferă ghidarea undei prin elementele descrise. Figura 1.15 Ghiduri de undă utilizate în comunicańiile prin microunde, ghidate 1.4.5 Medii neghidate de transmitere a informańiei Aşa cum s-a arătat, principalele transmisiuni neghidate ale informańiei se referă la undele radio (inclusiv domeniul microundelor), radiańiile laser şi radiańiile infraroşii. Transmisiunile care utilizează semnale purtătoare sub 1 GHz sunt considerate în mod curent transmisiuni radio, iar cele peste 1 GHz sunt numite uzual transmisiuni prin microunde. Prin extrapolare, în practică, se consideră de multe ori domeniul microundelor inclus domeniului transmisiunilor radio, ceea ce permite o abordare globală (comunicańii wireless, telefonie mobilă). În acest context comunicańiile prin microunde sunt asociate doar cu situańii particulare (comunicańii prin satelit, de exemplu). A. Transmisiuni radio Transmisiunile ghidate prezentate necesită existenńa unui mediu de propagare intrinsecă (conductoare, fibre optice, ghiduri de undă). În practică este necesară de multe ori depăşirea unor obstacole naturale, ceea ce a determinat utilizarea undelor electromagnetice radio ca purtător de informańie. Undele radio au avantaje importante. Ele se pot propaga prin aer sau vid şi pot traversa obstacole, transportând date. ComunicaŃiile radio sunt utilizate atât pentru transmisii terestre cât şi pentru transmisii prin satelit atunci când se urmăreşte conectarea unor zone greu accesibile. ExistenŃa undelor electromagnetice a fost dedusă teoretic de fizicianul britanic James Clerk Maxwell, în 1865 şi au fost generate şi studiate experimental pentru prima dată de fizicianul german Heinrich Hertz, în 1887. Ele sunt caracterizate de frecvenńa f şi lungimea de undă λ (lambda). Viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid este viteza luminii: 24