1. Fizikai réteg

A fizikai réteg feladata, hogy információt (biteket) vigyen át két fizikailag összekötött eszköz között. Definiálja az eszköz és a közeg kapcsolatát. A biteket jeleknek feleltetjük meg és ezt küldjük és fogadjuk. Kérdés, hogy hogyan lesz a bitekből fizikai jel.

Jelek:

Van a digitális és az analóg jel. A digitális jelnél 1 jelenti azt, hogy van feszültség, 0 azt, hogy nincs feszültség. (Tehát 2 jelszint van.) Az analóg jelnél a jel bármilyen szintet fel tud venni. A való életben analóg jelek vannak, ugyanis a digitális jel analóg jellé torzul a fizikai behatások hatására. A digitális jelet lehet javítani (a legközelebbi ismert diszkrét jelszintre "kerekítünk"), az analógot nem lehet javítani.

A digitális jel periódikus függvények sorösszegeként áll elő. Magában a digitális jel nem periódikus, de elképzelhetjük, hogy végtelen sokszor ismétlődik és így már egy periódikus függvényt kapunk.

Elnyelődés:

Lényegében a küldési és vételi energiák hányadosa. A vételi oldalon mindig gyengébb lesz a jel, mivel vannak befolyásoló tényezők pl. átviteli közeg, távolság, hő, sőt van olyan frekvencia, amin a jel jobban elnyelődik. A küldési és vételi energia hányadosa lesz az elnyelődés 10*log (P0/P1) dB.

Szimbólumok és bitek:

Létezik olyan technika, hogy 2 jelszint helyett több is használható. Így bitek helyett szimbólumokat is át tudunk vinni, tehát több bitet is átvihetünk egyszerre. Pl. ha van 4 jelszintünk, akkor van 4 szimbólumunk, ami 00, 01, 10, 11, 2 hosszúságú kódot tudja kódolni.

Előnye, hogy az adatrátát (bps) meg tudjuk duplázni, azaz az elküldött bitek számát másodpercenként. Ezzel a szimbólumráta (BAUD) is nő, azaz az elküldött szimbólumok száma másodpercenként.

Pl. 10 BAUD-nál 16 szimbólummal 10*log2 16 = 40 bps az adatráta.

Hátránya, hogy vételi oldalon nehezebb dekódolni, minél nagyobb a szimbólumráta.

Átviteli közegek:

Vezetékes:

Sodort érpár:

Az UTP kábel 4 érpárból álló, rézalapú átviteli közeg. Az UTP kábeleknek mind a 8 rézvezetéke különböző színű szigetelőanyaggal van körbe véve. A vezetékek párosával vannak összesodorva, így csökkentve az elektromágneses zajt.
Az STP kábel egy plusz védő réteggel van ellátva az elektromágneses interferencia ellen.

Koax kábel:

A koaxiális kábel a híradástechnikában használt vezetéktípus. Nagyobb sebesség és távolság érhető el, mint a sodort érpárral.

Fényvezető szálak: (Optikai kábel)

Részei: fényforrás, átviteli közeg és detektor. A fényimpulzus jelenti az 1-es bitet, ha nincs fényimpulzus, az jelenti 0-ás bitet. Fényvezető szálaknál azonos sebesség érhető el, mint rézkábellel, mivel oda-vissza pattog benne a fény.

Vezeték nélküli:

• Frekvencia (f): elektromágneses hullám másodpercenkénti rezgésszáma.
• Hullámhossz (\lambda): két egymást követő hullámcsúcs (vagy hullámvölgy) közötti távolság.
• Fénysebesség (c): az elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban.
  Összefüggés a fenti mennyiségek között: \lambda f = c.

Rádió frekvenciás átvitel:

Egyszerűen előállíthatóak, nagy távolságúak, kültéren és beltéren is alkalmazható. Kis sávszélesség jellemzi.

Mikrohullámú átvitel:

Csak egyenes vonal mentén terjed, ezért az elhalkulás problémája fennáll.

Infravörös átvitel:

Csak kis távolságon használható és nem hatol át szilárd tárgyakon.

Látható átvitel:

Habár nagy sávszélességű de befolyásolja az időjárás.

Egyéb közegek:

Mágneses adathordozók:

Nem online kapcsolat. A sávszélesség jó, de nagy a késleltetés. Sokszor olcsóbb átutaztatni az egész világon egy-egy szervert, ha nagyon nagy mennyiségű adatot szeretnénk letölteni.

Adatátvitel problémái és kódolások:

Két jelszint van, magas (1) és alacsony (0). Az átvitelt egy óra vezérli. A fogadónál csak bizonyos időpillanatokban lehet ránézni a jelre, ezért a küldő nem küldhet túl gyorsan, mert akkor kimaradhatnak jelek. Erre több kódolást vezettek be:

NRZ (Non-Return to Zero):

Az átvitelt egy óra szinkronizálja. Egy órajelciklus alatt egyszer lehet állítani a jelszintet. Ha nincs szinkron az órák között, akkor az elcsúszás hibás adatértelmezéshez vezet. Ilyen akkor fordulhat elő, amikor pl. sokáig csak 1-eseket küldünk, mivel az átmenetek jelzik az óra ütemezését. Egy hosszabb azonos jelből álló sorozatban nincs átmenet, ezért csúszhatnak el az órák.

Elcsúszás javítására több módszer is létezik. Csinálhatjuk azt, hogy szinkronizálunk például egy szimbólum vagy blokk kezdetén és ekkor az órák rövid ideig szinkronban futnak. Vagy önütemező jeleket küldhetünk, ami órajel szinkronizáció nélkül dekódolható jel.

Manchester:

Ez a kódolás megoldást nyújt az órák elcsúszásának problémájára. A 10 Mbps ethernet ezt használja. Az 1-es bitet magasról alacsonyra, a 0-st alacsonyról magasra váltás kódol. Itt az a probléma, hogy egy bit átviteléhez 2 órajelciklus kell, így ezzel lefelezzük a sávszélességet.

NRZI (Non-Return to Zero Inverted):

Egy órajelciklus kell 1 bit átviteléhez. Az 1-es bitet átmenet (váltás), a 0-ást a változatlan jelszint kódol. A csupa egyes sorozat problémáját megoldja ugyan, de a csupa nulla sorozatot ez sem kezeli.

4-bit/5-bit kódolás:

NRZI jól működik, amíg nincs csupa 0-ákból álló sorozat. Erre a problémára találták ki azt, hogy kódoljunk minden 4 hosszú bitsorozatot 5 hosszú bitsorozatba. 100 Mbps ethernet ezt használja. Ezzel a módszerrel 20%-ot veszítünk a hatékonyságból. 8-bit/10-bitet használ a gigabit ethernet.
Ennek szabályai:

• nem lehet egynél több nulla a sorozat elején,
• nem lehet kettőnél több nulla a végén.

Jelátvitel:

Az alapsávnál a digitális jel direkt feszültséggé alakul. A jel minden frekvencián átvitelre kerül (vagy van jel vagy nincs).

A szélessávnál az átvitel egy széles frekvenciatartományt történik. Itt lesz egy vivőhullám, amire adatokat "ráültetjük". A vivőhullám tulajdonságait megváltoztatjuk valamilyen kódolással.

Amplitudó moduláció (AM):

Ahol magas a jelszint ott magas az amplitudó, ahol alacsony ott alacsony.
f(t) = s(t) * sin(2 * pi * f * t + phi), ahol f a frekvencia és phi a fáziseltolás.

Frekvencia moduláció (FM):

Az amplitudó megmarad, viszont ahol magas a jelszint ott magasabb lesz a frekvencia, tehát sűrűbb lesz a függvény, ahol alacsony a jelszint, ott pedig ritkább lesz a függvény.
f(t) = a * sin(2 * pi * s(t) * t + phi), ahol a az amplitúdó és phi a fáziseltolás.

Fázis moduláció (PM):

Ezt csak digitális jelek átvitelére használják. Egy fázissal mindig el van tolva a jel.
f(t) = a * sin(2 * pi * f * t + s(t))

QPSK (Quadrature Phase Shift Keying):

Használhatunk több szimbólumot is a fázis modulációnál. Pl. 4 szimbólum esetén mindegyikhez megfeleltethetünk egy fázis-eltolt értéket: pi/4, 3 pi/4, 5 pi/4, 7 pi/4, ez a Quadrature Phase Shift Keying (QPSK).

QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation-16):

A modulációkat lehet kombinálni. A QAM-16 kombinálja a fázis és amplitúdó modulációt, tehát ez használja a vivőhullám legtöbb jellemzőjét. Diszkrét halmaz kódolja a szimbólumokat, 16 különböző szimbólum. Az amplitúdó itt az origótól vett távolság, a fázis a szög.

Csatorna hozzáférés módszerei:

Lehetővé teszi, hogy több jel is utazzon egy időben a fizikai közegen. A csatornát logikailag elkülönítjük alcsatornákra. Ehhez a küldő oldalon kell egy multiplexer, ami a megfelelő alcsatornára helyezi a jeleket.

Térbeli multiplexálás (Space-Division Multiplexing):

Vezetékes kommunikáció esetén minden egyes csatornához külön pont-pont vezeték tartozik. Vezeték nélküli esetben egy adótorony több irányba forgalmaz, mindegyik irányban áll egy antenna.

Frekvencia multiplexálás (Frequency-Division Multiplexing):

Egy frekvenciatartományt használunk adatátvitelre, ezt kisebb alcsatornákra osztjuk. Minden jelhez más frekvencia tartozik. Minden állomas saját frekvencia tartományt kap. Tipikusan analóg vonalon használják.

Hullámhossz multiplexálás (Wavelength-Division Multiplexing):

Optikai kábeleknél alkalmazzák.

Időbeli multiplexálás (Time-Division Multiplexing):

Mindenki egy-egy diszkrét időszeletben küldhet. Mindenkinek meg kell várnia a saját idejét.

CDMA (Code Division Multiple Access):

A korábbi módszerek közül mindegyik felbontja a sávszélességet. Ha nem küldenek folyamatos, akkor egy-egy alcsatorna kihasználatlan lesz, ezzel sávszélességet veszítünk.

Ezt oldja meg a CDMA. Itt mindenki folyamatosan sugározhat bármilyen frekvencián a teljes sávszélességen. A jelek lineárisan összeadódnak. A bitidőket m intervallumra osztjuk (chip). Minden állomásnak van egy speciális m bites kódja (chip sequence). Ezeknek páronként ortogonálisnak kell lenniük, különben nem működik. Ha 1-est akarunk küldeni akkor elküldjük, a saját chip sequence-ünket, ha 0-át, akkor a saját chip sequence-ünk komplemensét. Itt sem kapunk ingyen sávszélességet, mivel m időre van szükség 1 bit átküldéséhez.

Példa:

A állomásnak (1,-1) chip kódja.
B állomásnak (1,1) chip kódja.

A állomás 110-t, B állomás 010-t küld át.

Kódolás:
Ebből az lesz, hogy (1,-1)(1,-1)(-1,1) és (-1,-1)(1,1)(-1,-1). Ahol 1-es volt ott a saját chip kódjukat küldték az állomások, ahol 0 volt, ott a komplemensét.
Ezeket összeadva a jel tehát (0,-2)(2,0)(-2,0) lesz.

Dekódolás:
A (0,-2)(2,0)(-2,0)-t az A állomás chip kódjával skalárisan szorozva ezt kapjuk: 2,2,-2. Ahol pozitív, ott 1-est, ahol negatív ott 0-ást írunk. Ezzel visszakaptuk az A állomás által küldött kódot: 110.