Fizikai réteg

A fizikai réteg felelős a bináris adatok átviteléért. Ennek érdekében a fizikai átviteli közeg valamely tulajdonságát megváltoztatja. A vevő ezt a változást érzékelve képes abból az eredeti adatokat visszaállítani. Az átviteli közeg többféle lehet, ennek megfelelőek lesznek azok a jellemzők, amelyeket az adatátvitel céljából meg lehet változtatni. Az adatátvitel vázlatos felépítését a 10. ábra mutatja.

A számítógép hálózatokban az adatátvitel a számítógépek között kialakított összeköttetéseken valósul meg. Az információ továbbítása történhet digitális és analóg jelekkel egyaránt. Az analóg jelek esetében valamilyen periodikus jel amplitúdója, a frekvenciája, vagy a fázisszöge hordozza az információt. A digitális átvitelnél a jel egy négyszögjel, aminek az amplitúdója csak a két megadott értéket veheti fel. A szintek közötti váltás csak megadott időpontokban következhet be és elvileg végtelen gyorsan történik. Az információt az amplitúdók és a hozzájuk tartozó időpontok hordozzák.

Az analóg átvitel esetében a leglényegesebb jellemző a sávszélesség, ami a közegen átvihető jel maximális és minimális frekvenciájának a különbsége és a mértékegysége Hz.

A digitális hálózatok esetében a sebesség jellemzésére az időegység alatt továbbított bitek számát használjuk. A jellemző mértékegysége a bit/s, vagy találkozhatunk még a baud mértékegységgel is, ami az egy másodperc alatt bekövetkezett változások száma.

Az kialakított összeköttetésekről elmondható, hogy a kiépítésükhöz nagy anyagi befektetésre van szükség. Sajnos az is igaz, hogy az esetek többségében ezek a a közegek nincsenek teljesen kihasználva. Ebből az következik, hogy valamilyen módon optimalizálni kellene az átviteli közegek kialakítását. Erre több módszert is kialakítottak, ezeket tekintjük át a továbbiakban.

A hosztok, pontosabban a hálózati kapcsolóelemek és végpontok között vonalak valósítják meg a tényleges kapcsolatot. Abban az esetben, ha adatátvitel folyik, akkor a két "beszélgető" állomás kisajátítja a vonalat. Elképzelhető, hogy a hosszú kapcsolódási idő alatt alig van adatforgalom. Felismerték ezt a tényt és megoldásként a vonalakat több, kisebb kapacitású csatornákra osztják. Mindegyik csatorna önálló adatátvitelre alkalmas, tehát az átviteli idő alatt a két kapcsolódó hoszt között vonalként viselkedik. A fizikai vonalakon több ilyen csatorna alakítható ki, amivel a kapcsolatok száma növekszik, pénzbe pedig nem kerül. A vonalak megosztásának három, a gyakorlatban alkalmazott eljárása van.

• Az első megoldás szerint a fizikai közeget speciális eszközökkel megosztják több egység között. Ezt a műveletet multiplexelésnek nevezik. A multiplexelés során a vonalat meghatározott, rögzített módszer szerint osztjuk fel. Minden bemeneti csatornához tartozik a túloldalon egy kimeneti csatorna is. A vevő oldalon biztosítani kell, hogy az érkező információkat a címzett vegye. Azt a műveletet, amely ezt biztosítja, demultiplexelésnek nevezik. A gyakorlati megvalósítás alapján beszélhetünk frekvencia- és időosztásos multiplexelésről.

• • A frekvenciaosztásos multiplexelés bonyolultnak tűnő, ámde meglehetősen egyszerű vonalmegosztási módszer. Analóg átvitelben használják. Azon a felismerésen alapul, hogy a ténylegesen átvitelre kerülő analóg jelek viszonylag kis frekvenciatartományba esnek. Mivel a vonal sávszélessége ennél jelentősen nagyobb, több ilyen tartomány vihető át egyszerre rajta. Azt kell megoldani, hogy ezek a tartományok egymástól jól elkülöníthetők legyenek. Az analóg jelek esetében megvalósítható az, hogy a kisfrekvenciás jelek ráültethetők egy nagyobb frekvenciájú jelre. A vevőoldalon ezt a jelet kivéve az eredeti analóg jelsorozat rendelkezésre áll. Azt a jelet, amelyre az információt hordozó analóg jeleket rákeverik, vivőjelnek, vagy vivőfrekvenciának nevezik. Az adó oldalon a csatornák jeleit ráültetik egy-egy vivőfrekvenciára (modulálják). Ezeket összegzik, majd a jelek összegét átviszik a vevő oldalra. Ott a jeleket szűrőkkel szétválasztják, majd egy második szűrés során a hasznos jel alól kiszedik a vivőjelet. A módszer használatánál ügyelni kell, hogy az egyes vivőfrekvenciák között megfelelő szélességű frekvenciarés maradjon. Ez azért fontos, mert ha a hasznos jelek frekvenciatartománya összeér, akkor azokat nem lehet már szétválasztani. Figyelembe kell venni azt is, a vevő oldalon elhelyezett szűrők pontossága (meredeksége) véges, tehát a nagyon közeli csatornákat már nem tudják korrektül szétválasztani. A harmadik ok, hogy a vezetéken minden esetben rárakódnak a hasznos jelre zavarjelek. Ez azt eredményezheti, hogy a frekvenciatartomány elmászik valamelyik irányba, ekkor pedig már átlóghat a következő csatornába. A frekvenciaosztásos multiplexelés elvét a 11. ábra mutatja.

    
    
    

    
    
    

    A 12/a ábrán az első frekvenciatartomány felső- és a második tartomány alsó frekvenciája között van egy kis távolság. Ez az optimális eset, mivel ekkor ha a tartományok eltolódnak – ami számos külső tényező miatt előfordulhat -, még mindig marad közöttük távolság és így a zavarérzékenység jó lesz. Nem célszerű azonban túl nagy távot hagyni, mivel ezzel a frekvenciatartományok és így a sávszélesség is csökken. Az optimális értékeket megfelelő tervezés során lehet meghatározni.

    A 12/b ábrán a két szomszédos tartomány határa érintkezik. Ebben az esetben a csatornák száma a maximális lehet, de a zavarérzékenység nagy. Ha egy zavarjel miatt az első tartomány kissé felfele tolódik, akkor a két tartomány átfedésbe kerül, tehát a két csatorna jele keveredik.

    A harmadik esetben, amit a 12/c ábra mutat, a két csatorna már eleve átfedésben van, ami a zavarjelek hatására tovább növekedhet. Ez a megoldás több csatorna létrehozását teszi lehetővé, mint a b. esetben, ugyanakkor a két szomszédos csatorna nem használható egyidejű átvitelre. Ennek oka, hogy a jelek keverednek, amit a vevőoldalon már nem lehet szétválasztani.

  • Időosztásos multiplexelést a digitális technikában alkalmazzák. Az eljárás során a nagyobb sávszélességű vonalat osztják fel időben több csatornára. A vonal két végén egy-egy kapcsoló, egy multiplexer és egy demultiplexer helyezkedik el. Ezek működése szinkronban történik. A két eszköz periodikusan az egyes adók jelét kapcsolja a vonalra, illetve veszi le a vonalról. A hasznos jelek közé el kell helyezni olyan bitsorozatokat, melyek a vonal két végén lévő “kapcsolót” egy időben működtetik. Ezek a szinkronbitek a hasznos sávszélességet csökkentik. Az időosztásos multiplexelés elvét a 13. ábra mutatja.
    

    
    
    

• A második megoldás szerint a teljes információ mennyiséget feldarabolják kisebb részekre. A vonalon ezeket a kisméretű csomagokat küldik át. A kis méret miatt a vonal foglaltsága rövid ideig tart, a vevő és az adó számára mégis a folyamatos összeköttetés látszatát kelti. A csomagok küldésének két módja lehetséges, ennek alapján beszélhetünk csomag- és üzenetkapcsolt adatátvitelről. Az üzenetkacsolás során az információt nem darabolják fel, így csak logikailag tartozik ebbe a csoportba. Az üzenetnek tartalmaznia kell a küldő és a címzett adatait. Az adó a teljes üzenetet elküldi a következő, éppen szabad hosztnak. Ezzel tulajdonképpen a kommunikációt be is fejezte. Az az állomás, amelynél az üzenet van, keres egy szabad útvonalat a következő IMP-ig és elküldi neki. Ez a folyamat addig ismétlődik, amíg a címzett megkapja az üzenetet. A megoldás nagy előnye, hogy a vonalakat csak nagyon rövid időre foglalja le, ráadásul mindig csak két hoszt vesz részt a küldésben. A hátrány nagy üzenetek esetében merül fel, ugyanis minden hosztnak minimálisan akkora szabad tárolókapacitással kell rendelkezni, amekkora az üzenet. Ha ez a feltétel nem valósul meg, akkor az üzenet egy része elveszik. A megoldás működése a 14. ábrán látható.

  
  
  

  A csomagkapcsolás működése nagyon hasonlít az üzenetkapcsolás működéséhez. A különbség az, hogy ebben az esetben feldarabolják az üzenetet kisebb méretű csomagokra. Ezeket a csomagokat egyenként, mint önálló információt küldik el a már megismert módon. Minden csomagküldés előtt egy hálózatvizsgálat történik, amelynek során megkeresik a leggyorsabb, vagy a legrövidebb útvonalat. Minden csomag más és más úton halad, az érkezési sorrend más lehet, mint az elküldési sorrend volt. Annak érdekében, hogy a vevő képes legyen az eredeti üzenetet összeállítani, minden csomagba be kell építeni azt, hogy melyik üzenet hányadik csomagja. A megoldás előnye, hogy nem igényel nagy átmeneti tároló helyet, a hátránya, hogy bármelyik csomag megsérül, vagy elveszik, nem lehet az eredeti üzenetet összeállítani. A csomagkapcsolás működése a 15. ábrán követhető végig.

  
  
  

• A harmadik módszer az előzőekhez képest alapvetően eltérő logika alapján működik. Ebben az esetben a vonalat nem konkrétan egy adóhoz és egy vevőhöz rendeljük hozzá, hanem az állomások a kommunikáció szükséglete alapján jutnak hozzá. Ezt a megoldást nevezik vonalkapcsolásnak. Abban az esetben, ha adatátvitelre van szükség, kialakítanak egy olyan vonalat, amely a vevő és az adó pont-pont kapcsolatnak érzékel. A vonal kialakítása kapcsolóközpontok által hajtódik végre. A kommunikáció végén a vonal bontásra kerül. Ezt a módszert szemlélteti a 16. ábra.

  
  
  

  Tegyük fel, hogy az A és a V hoszt között kell információtovábbítást elvégezni. Az A állomás jelzi az 1-es vagy a 2-es állomásnak, hogy kapcsolatot szeretne kialakítani a V jelzésűvel. Ha az 1-es állomás szabad, akkor az létrehoz egy kapcsolatot az A hoszttal. Ezt követően a következő szinten történik meg a kérelem. Látható az ábrán, hogy az 1-es csak a 4-essel áll kapcsolatban. Amikor képes ez a két állomás kapcsolatot létrehozni, akkor elvégzik ezt a műveletet. Gyakorlatilag ebben az esetben már az A és a 4-es állomás között van pont-pont kapcsolatot. A 4-es már közvetlen kapcsolatban áll a V végponttal, amikor az kész a kapcsolat kialakítására, létrejön a kapcsolat, de ezzel tulajdonképpen már az A és a V hoszt között alakult ki a kapcsolat. Miután ez létrejött, a V állomás nyugtajelet küld a közbenső hosztok segítségével az A-nak, amire az megkezdi az adatátvitelt. Ennek a műveletnek a befejezése után a vonalat bontani kell annak érdekében, hogy a hosztok közötti vonalak más számára is hozzáférhetők legyenek.

  A továbbiakban nézzük meg, hogy milyen fizikai átviteli közegeket használnak a gyakorlatban, illetve ezek milyen tulajdonságokkal rendelkeznek.

A koaxiális kábel sokáig szinte egyeduralkodó volt a számítógéphálózatok terén, a kisszámú (5-nél kevesebb) hosztot tartalmazó rendszerekben még ma is az.

A koaxiális kábel felépítése a 17. ábrán szemügyre vehető. Látható, hogy a legbelső szinten egy vezető ér húzódik, ezt nevezik melegérnek. Ennek anyaga lehet tömör, vagy sodrott. A tömör jobb paraméterekkel rendelkezik, viszont a szerelhetősége a merev belső ér miatt nehezebb. A melegér körül egy néhány mm falvastagságú szigetelőanyag található. Erre készítik el a kábel hidegvezetőjeként szolgáló árnyékolást. Ennek kialakítása az olcsóbb típusokban alumíniumfóliából, a jobb minőségűben sodrott hálóból áll. Az árnyékoló harisnyán elhelyeznek még egy szigetelő réteget, amely a külső környezeti határok ellen véd. A környezet zavarainak a kiküszöbölését lehet fokozni úgy, hogy az árnyékolást két rétegben készítjük el. Ezt a technikát elsősorban olyan helyeken alkalmazzák, ahol a jelvezetékek fokozattan ki vannak téve a környezet zavarainak.

A koaxiális kábel minőségét (jóságát) három paraméter határozza meg, ezek pedig a szerkezeti felépítéstől függenek:

• A késleltetési idő a kábel szigetelésének a dielektromos állandójától függ.
• A csillapítás a kábel ohmos ellenállásából, a dielektrikumon belül keletkező és a sugárzás okozta veszteségekből tevődik össze.
• A hullámimpedancia (Z0) általában 50 és 75W értékű, a vastagkoax 93W-os.

A tömör belső erű kábel késleltetése és a csillapítása kisebb, mint a több fémszálból összefonotté, viszont jóval merevebb is.

A koaxiális kábeleknek két fő típusát különböztetjük meg:

• Szélessávú koaxiális kábelek analóg átvitelt tesznek lehetővé a televízió sugárzás jeleinek továbbítására kialakított kábelrendszeren (TVNET). A kábelek tipikusan alkalmasak 300-500 MHz-es jelek átvitelére akár 100 km távolságba is. Ahhoz, hogy a kábelt használhassuk, a számítógépből kikerülő digitális jeleket át kell alakítani analóg jelekké, majd a fogadó oldalon el kell végezni a konverziót az ellenkező irányba. A szélessávú koaxiális kábelek sávszélessége akár GHz-es jelek átvitelét is lehetővé teszik. Ez a sávszélesség nagyon nagy, ezért ezekben a rendszerekben a vonalat több, kisebb sávszélességű csatornára osztják, amelyeken egymástól független információátvitel valósulhat meg. Ez a már ismertetett frekvenciaosztásos multiplexelés.
• Alapsávú koaxiális kábelt a digitális adatátvitelben alkalmaznak előszeretettel. Két további típusra bonthatók, a vékony és a vastag koaxiális kábelre. A vékony koaxot az Ethernet hálózatokban alkalmazzák, hullámimpedanciája legtöbbször 50 Ohm, de előfordulhat 75 Ohmos változatban is. A jellemző adatátviteli sebesség 100 Mbit/s 1 km-es szakaszon. Amennyiben a távolság kisebb, a sebesség növelhető és ez fordítva is igaz. A sebesség és a távolság között a kapcsolat nem lineáris. Ez azt jelenti, hogy ha a távolságot megduplázzuk, akkor nem feleakkora lehet a maximális sebesség, hanem kisebb. A vékonykoaxot BNC (Bayone-Neil-Councelman) csatlakozókkal szerelik, ami lehet vagy csavaros vagy sajtolt (krimpelt).
• A vastag koaxiális kábel a nevét onnan kapta, hogy az előzőnél vastagabb, a hullámimpedanciája majdnem duplája, 93 Ohm. A régebbi hálózati protokollokban használták, ma egyre inkább kikerül a piacról. A vastagkoax előnye, hogy a csillapítása kisebb, mint a vékony változaté, emiatt az áthidalható távolságok nagyobbak lehetnek ugyanakkora sebesség mellet. A kábel nehezen szerelhető a merevsége miatt, ezért ahhoz nem BNC, hanem ún. vámpírcsatlakozókat használnak a kapcsolat kialakítására. A nevét a működéséről kapta, mivel szereléskor a sajtolás következtében a szigeteléseket átszúrja és mind az árnyékolással, mind a belső érrel jó fémes kapcsolatot alakít ki.

A kábel két szigetelt, egymásra spirálisan felcsavart vezeték. Amennyiben az érpár körül árnyékolás is található, akkor árnyékolt sodrott érpárnak (Shielded Twisted Pair, STP), míg az árnyékolás nélkülit UTP (Unshielded Twisted Pair) kábelnek nevezzük. Mivel a két jelvezeték egymásra van felcsavarva, ezért a jelkisugárzást az egymás ellen hatás miatt minimálisra csökkentik. Minél több az egységnyi hosszra jutó csavarások száma, annál nagyobb sebességig használható a vezeték. Mivel általában nem csak egy szimplex kapcsolatra van szükség, ezért több érpárt fognak össze egy közös szigetelőben. Ezek egymásra, és a külvilágra való hatását tovább lehet csökkenteni, ha a párokat is egymásra csavarják.

A közepes méretű hálózatokban az esetek túlnyomó többségében az UTP kábeleket alkalmazzák, mivel ezek minden jellemzője, valamint az áruk is lehetővé teszi a biztos összeköttetés kialakítását. Az UTP kábeleket több kategóriára osztják, ezek jelátviteli tulajdonságokban és természetesen árban térnek el egymástól. A legelterjedtebb típusokat az alábbi táblázatban foglaljuk össze.

Az Ethernet hálózatokban a 3.-5. kategóriájú kábeleket használják. Ezeket összefogták egy csoportba és a 10BaseT névvel látták el. A rendszer két sodrott érpáron működik, az egyik érpár adásra, míg a másik vételre szolgál. Az UTP kábel esetében a megengedett legnagyobb, még erősítés nélkül áthidalható távolság (szegmenshossz) 100 méter. Ezzel a módszerrel pont-pont kapcsolat alakítható ki, több gép esetében csillag topológiával, aminek az előnyeit és hátrányait már az előzőekben ismertettünk.

A kábel a számítógéphez RJ-45 típusjelzésű csatlakozóval kapcsolódik. Ennek nyolc érintkezője van, tehát a kábelben négy érpárnak kell lennie. A vezetékek megkülönböztetése nehézkes lenne, ezért színkódolást alkalmaznak. Négy különböző színű vezeték van, a maradék négy pedig ezek és a fehér szín keveréke A szabványos színkód a következő táblázatban látható, de természetesen létezhetnek ettől eltérő kódok is. A csatlakozó felépítése a 18. ábrán vehető szemügyre A bekötésre használatos a cross-over kifejezés is, mivel a jelvezetékek keresztbe vannak kötve.

A kábelek között találunk vékonyabb és vastagabb, kültéri és beltéri fajtákat is. Ezek tulajdonságaikban eltérhetnek, ami értelemszerűen az árban is tükröződik.

Manapság már egyre kiterjedtebben használják, ami kiváló paramétereinek és egyre csökkenő árának köszönhető. Az információ fényimpulzusok formájában terjed egy olyan közegben, ami ezt lehetővé teszi. A közeg lehet a levegő is, azonban ebben az esetben szükséges, hogy az adó és a vevő egymás számára látható legyen. Ez nagyobb távolságok esetében nem megoldható több tényező (a Föld görbülete, tereptárgyak, időjárás, stb.) miatt. A megfelelő választás az optikai szál.

Az fényvezető egy speciális, nagyon vékony cső, aminek a belseje nem üreges, hanem valamilyen speciális anyag tölti ki. Ebben halad a fénysugár. A mag körül helyezkedik el a köpeny, aminek a célja, hogy a fény kilépését a magból megakadályozza. A köpenyen egy lány burkolat található, aminek a szerepe a nagyobb ellenállóság biztosítása a fizikai terhelésekkel szemben. Az egész szálat egy kemény, műanyag burkolat véd a környezet behatásaival szemben. Attól függően, hogy a fény milyen módon halad a csőben, beszélhetünk egy- és többmódusú optikai kábelről. A vezető felépítését a 19. ábrán vehetjük szemügyre. Figyeljük meg, hogy milyen méretekkel rendelkezik a kábel!

A többmódusú kábel esetében a teljes fényvisszaverődés fizikai jelenséget használják fel. Ez kimondja, hogy ha a két közeg törésmutatójának különbsége megfelelő, akkor az erre a felületre eső fény nem lép át a másik közegbe, hanem teljes egészében visszaverődik. A cső anyagának a kiválasztásánál is ezt a szempontot kell figyelembe venni. Ha a paraméterek megfelelőek, akkor létrejön a teljes visszaverődés és a fénysugár gyakorlatilag csillapodás nélkül tud a vezetőben haladni.

Az egymódusú kábel esetében a cső átmérője a fény hullámhosszával megegyező. Ez azért különleges eset, mivel ekkor a fény nem fog ide-oda verődni. Ezzel a módszerrel nagyobb távolság hidalható át erősítés nélkül.

Az optikai kábeleknél nagyon fontos szempont, hogy a vezeték egységnyi hosszon mekkora jelcsillapítással rendelkezik. A csillapítást dB-ben adják meg egységnyi hosszúságra vonatkoztatva (pl.: dB/km).

A fényforrás egy LED, vagy lézer dióda. Ezek az eszközök félvezetők, melyek nagyon jól fókuszálható fényt állítanak elő a rajtuk átfolyó áram erősségétől függő intenzitással (erősséggel). Fényérzékelőként fotótranzisztort alkalmaznak. Ez szintén félvezető, ami a kristályra eső fény erősségétől függő kimeneti jelet állít elő.

Az optikai adatátvitel esetében az áthidalható távolságot a fényveszteség határozza meg, ami három jellemzőnek a függvénye.

A két közeg összeillesztésénél a fény egy része visszaverődik. Ezen segíteni lehet a lehető legpontosabb illesztéssel. Erre a célra ma már rendelkezésre állnak a megfelelő eszközök.

Ugyanezt a hatást okozzák az átviteli közegben lévő szennyeződések is. Ezen a tényen a megfelelő anyagválasztással lehet csökkenteni.

A harmadik veszteség abból adódik, hogy ha fény nem megfelelő szögben érkezik a közeg határfelületére, akkor a fény egy része nem verődik vissza. Ezen az anyagválasztással és a fény hullámhosszának a helyes meghatározásával tudunk segíteni.

Az optikai szál nagyon kényes a fizikai terhelésre. Mivel a kábel nagyon vékony és viszonylag merev, ezért a fizikai megterhelést nehezen viselik. Minden nagyobb, vagy hosszan tartó terhelést más szerkezeti elemnek kell átvennie. Annak érdekében, hogy azért a vezeték kezelhető legyen, a lágy burkolatban a köpenyt és a magot hullámosítva helyezik el. Ez biztosítja a bizonyos szintű nyújthatóságot és a hajlíthatóságot.

Ennél az átviteli közegnél a legproblémásabb és legfontosabb kérdés a jelek be és kicsatolása, amire alapvetően kétféle csatolótípust alkalmaznak.

A passzív illesztő két, az optikai szálra kapcsolódó csatlakozóból áll. Az egyik egy LED-et, míg a másik egy fényérzékelő félvezetőt tartalmaz.

Az aktív illesztő annyiban több, mint a passzív, hogy a vett jeleket átalakítja villamos mennyiséggé, felerősíti, visszaalakítja fényimpulzusokká és újra a közegre kapcsolja.

Az optikai adatátvitel során az információt különböző hullámhosszúságú fényjel hordozza. Könnyű belátni, hogy a kétirányú adatátvitelhez két optikai szál szükséges. Ez gyakorlati problémát nem okoz, mivel a szilárd szigetelőben rendszerint több kábelt fognak össze. Megoldható üzenetszórásos topológia is, mivel léteznek az ehhez szükséges interfészek.

Az optikai szálakat az Ethernet hálózatokban 10BaseF névvel látták el.

A fizikai réteg esetében nagyon fontos annak az eldöntése, hogy az adatok átvitele milyen módon történjen meg. Mivel villamos vezetőket használunk a kapcsolat kialakításához, ezért valamilyen villamos jellemző fogja az információt hordozni. Annak alapján, hogy ezek milyen módon képesek az információt reprezentálni, beszélhetünk analóg és digitális átvitelről. Mindkét módot használják a gyakorlatban, röviden mi is áttekintjük az ezzel kapcsolatos tudnivalókat.

A digitális átvitelt elsősorban mikroszámítógépekben és a számítógépek között valósítanak meg. A digitális jelek két állapottal rendelkeznek, a kikapcsolt állapot a logikai 0, a bekapcsolt pedig a logikai 1. Annak érdekében, hogy ezek az állapotok kezelhetők legyenek, hozzájuk a gyakorlatban legtöbbször konkrét feszültségszinteket vagy feszültségszint-tartományokat rendelnek (0 szint: 0V, 1 szint: 5V). Fontos, hogy a két feszültségszint között a digitális jelek nem vehetnek fel értéket, a két szint közötti váltásnak pedig nagyon rövid idő alatt kell megtörténnie (lehetőleg nullához közeli érték alatt). Ezzel kapcsolatban még el kell mondani azt is, hogy a váltások nem történhetnek akármikor. Ennek az oka, hogy a digitális rendszerek áramkörei megadott ütemezés szerint működnek. Erre azért van szükség, hogy a megfelelő jelszinteket a vevő is megfelelő időben legyen képes értelmezni.

A digitális adatátvitel során digitális jeleket viszünk át a kialakított vonalon. Az átvitt információ legkisebb mennyisége a bit. A bit két lehetséges értéket vehet fel (0 vagy 1). Minden adat előállítható bitek sorozatából. A bitek csoportosításából nagyabb adategységek jönnek létre: 8 bit az 1 bájt, 1024 bájt az 1 kbájt (1kB) 1024 kbájt az 1Mbájt (1MB).

Amikor először alkalmaztak digitális átvitelt, akkor azt szövegek átvitelére használták. Minden szöveg összeállítható karakterek sorozatából. A csatornán ezeket a karaktereket kell továbbítani. Minden karakter megadott számú bittel leírható. Létrehoztak egy táblázatot, amelyben az összes angol karaktert felsorolták, és hozzárendeltek egy bináris bitsorozatot. Így jött létre az ASCII táblázat, amelyről még a későbbiekben lesz szó. Mivel a karakterek átvitelénél az információ alapegysége az a bitcsoport volt, amely egy karaktert egyértelműen meghatározott. Ezek alapján ezt a módszert szokás karakterorientált átviteli eljárásnak nevezni. Annak érdekében, hogy a karakterek megfelelő módon kerüljenek átvitelre, speciális karaktereket, ún. vezérlőkaraktereket használnak. (Itt jegyeznénk meg, hogy a hálózati szabványokban és leírásokban a bájt helyett az oktet (octet) fogalmát használják a 8 bites csoport jelölésére.)

Minél inkább elterjedtté váltak a digitális hálózatok, annál inkább szükségessé vált a karaktereken kívül más információnak a továbbítása is. Ezekről általánosságban el lehet mondani, hogy a különböző adatcsomagok hosszúsága nagyon eltérő. Szükség volt a karakterorientált átviteli eljárást átalakítani úgy, hogy bitcsoportok helyett tetszőleges számú bit átvitelére lehetőség nyíljon. Így alakult ki a bitorientált átviteli eljárás. Természetesen fontos a bitcsoportok egymástól való elkülönítése is, amelyre speciális bitcsoportokat használnak. Erről még a későbbiekben részletesebben is lesz szó.

A bitek továbbítása alapvetően két különböző módon történhet. A legegyszerűbb eset, amikor a biteket sorban egymás után egy csatornán elküldjük a vevőnek. Ezt az átviteli módot nevezik soros adatátvitelnek. A másik lehetőség, hogy az adó és a vevő között annyi vonalat alakítunk ki, amennyi bitet egyszerre át szeretnénk vinni. Ebben az esetben tehát bitcsoportok átviteléről van szó. Ezt az adatátviteli módot párhuzamos adatátvitelnek nevezik. Természetesen mindkét módszernek van előnye és hátránya egyaránt. E soros átvitel kialakítása olcsó, mivel kevés számú kapcsolódásra van szükség, de ezzel együtt az átvitel sebessége a párhuzamos átvitelhez képest lényegesen kisebb. A soros kapcsolattal nagyobb távolság hidalható át, mint a párhuzamossal. Azt, hogy melyik módszert alkalmazzák, egyértelműen a feladat dönti el. Általában mikroszámítógépek belső áramköreinek az összekapcsolására párhuzamos módot választanak a kis távolságok és a nagy átviteli sebesség miatt. A külső eszközök összekapcsolása a számítógépekkel már mindkét módszer szerint történhet (például az egér soros, a nyomtató viszont párhuzamos átvitelt használ).

Már említettük, hogy nagyon fontos a digitális eszközöknél, hogy az információt akkor vegyék, amikor ténylegesen az van a csatornán (a másodikként kiadott bitet a vevő is másodikként értelmezze). Elmondhatjuk, hogy az átvitel során a bitek továbbítása legtöbbször sorban történik. Most sokan azt gondolhatják, hogy az előzőekben leírtakat megcáfoljuk az előbbi állítással. Ha átgondoljuk, belátjuk, hogy ez nem igaz, mivel a párhuzamos átvitelénél is egymás után továbbítjuk az adatokat, azonban itt egyidőben több bitet küldünk át. Tehát mindkét átviteli mód esetében nagyon fontos az adó és a vevő egyidejű működésének (szinkronizáció) a biztosítása. A gyakorlatban kétféle módszert használunk, az egyik a szinkron, a másik pedig az aszinkron adatátvitel.

A szinkron átvitelnél a bitek kezdete, közepe és a vége csak egy megadott alapidőtartam egész számú többszörösére helyezkedhetnek el egymástól. Ebből is látható, hogy ebben az esetben a bitek nagyon szigorúan meghatározott sorrendben követik egymást, a bitek kezdete és hosszúsága is pontosan meg van határozva. A szinkronizációt speciális bitcsoportokkal valósítják meg, amelyek a tényleges információt előzik meg. A szinkron bitcsoport általában a legtöbb átmenetet tartalmazó csoport (1010101010101010) amelynek ideje alatt a vevő képes a saját működésének az ütemezését beállítani.

Az aszinkron átvitel tipikus karakterátviteli módszer, azonban még a mai napig is használják nap, mint nap (egér). Általában ezt a módszert a soros átvitelnél használják. Az adatátvitel egyszerűsített idődiagramja a 20. ábrán látható.

Mint az ábrán is felismerhető, az átvitel megkezdése előtt a vonal állapota állandó magas szint. Mikor a vevő szeretne csomagot küldeni, a vonalat egy bitnyi időtartamra alacsony szintre húzza. Ez jelzi a vevőnek az átvitel kezdetét, ezért nevezik ezt START bitnek. Ezt követően kerülnek elküldésre az adatbitek. A különböző szabványok 5, 6, 7 vagy 8 adatbitet használnak. Ezek után kerül továbbításra a paritásbit, amennyiben használunk ilyent az átvitelben. Ez egy védelmi eljárás, ami lehet páros és páratlan. Páros paritás alkalmazásakor a paritásbit olyan logikai értéket vesz fel, hogy az adatcsomagban vele együtt az 1 szintű bitek páros számban legyenek. A páratlan paritás használatakor az 1 szintű bitek páratlanok lesznek. A vétel során a paritás ellenőrzésével egybites hiba felismerhető. Sajnos a módszer nem teszi lehetővé sem a javítást, sem a hiba pontos behatárolását. Hiba esetén ismételten kérni kell az adótól az utolsó csomag küldését. A paritásbit után a csomagot és az átvitelt le kell zárni STOP bittel, amely logikai 1 szintű. Ennek hossza egy, másfél vagy két bit lehet. Ez biztosítja a vevőnek, hogy felkészüljön a következő csomag küldésére. Az aszinkron soros átvitelnél nincs követelmény arra vonatkozólag, hogy mikor kerülhet sor adatátvitelre. A START és a STOP bit biztosítja a csomag kezdetének és végének a felismerését.

Az aszinkron soros átvitel nagyon elterjedt a mikroszámítógépek terén, számos speciális áramkört alakítottak ki az átvitel megvalósításának egyszerűbbé tételére. A gyakorlatban a PC-s technikában az RS-232C (CCITT V.24), az ipari környezetben pedig az RS-485 interfészt használják.

A szabvány kétféle berendezést különböztet meg:

• Adatvég berendezés (Data Terminal Equipment, DTE), ami tulajdonképpen a számítógépet vagy a terminált jelenti.
• Adatáramköri-végberendezés (Data Circuit-Terminating Equipment), ami a kapcsolatot megvalósító modem jelölése.

Az eszközök kapcsolatát a 21. ábrán vehetjük szemügyre.

Maga a szabvány tulajdonképpen a DCE és a DTE közötti soros, digitális interfész leírását határozza meg. A kapcsolatot 25 pólusú csatlakozó valósítja meg.

A villamos jellemzői a szabványnak kicsit furcsának tűnhet. A bináris 1-et -3V és -25V közötti feszültéség, a logikai 0-át pedig a +3V és a +25V közötti feszültéség jelenti. A megvalósítás tehát negatív logika alapján történik. A -3V és a +3V közötti feszültségtartomány tiltott. A szabvány a bináris 1-et MARK-nak, a bináris 0-át SPACE-nek nevezik. A kábel maximálisan 15 méter hosszú lehet, amelyen keresztül maximálisan 20 kbit/s a maximális átviteli sebesség. Az elektromos jelek közül az esetek többségében nincs mindegyikre szükség, a leggyakrabban használtakat mutatja a 23. ábra, ahol egy DTE és a DCE kapcsolatát vehetjük szemügyre.

Nézzük meg, hogy mit is jelentenek és mire szolgálnak az egyes jelek:

• Adatterminál kész (Data Terminal Ready, DTR) jelet magas szintre állítja a számítógép vagy a terminál akkor, ha bekapcsolják.
• Az Adat kész (Data Ready, DSR) jelet a modem állítja magas szintre akkor, amikor bekapcsolják.
• A Vivőérzékelés (Carrier Detect) jel akkor lesz aktív, ha a modem a vonalon vivőjelet érzékelt.
• Az Adáskérés (Request to Send, RTS) jel jelzi, hogy a terminál szeretne adatot küldeni.
• Adásra kész (Clear to Send, CTS) aktív állapota jelzi, hogy modem felkészült az adatok fogadására.
• Az Adás (Transmit, TxD) vonalon történik meg az adatok vétele.
• A Vétel (Recieve, RxD) vonalon folyik az adatok küldése.

Az RS-232C interfész nagyon jó két számítógép ideiglenes összekapcsolására is. Ebben az esetben az egyik gép adási vonalát a másik vételi vonalával kell összekapcsolni és viszont. Ezt nevezik null-modem megoldásnak. Ez így összekötött gépek között valamilyen programmal valósítható meg a kapcsolat. Az összekapcsolás módját a 24. ábra vázolja.

Az RS-232C protokoll nem használható nagy távolságok áthidalására, valamint zavart környezetben csak korlátozott sebességű kapcsolat hozható létre. Ilyen esetekben előfordulhat az is, hogy a kábelben indukálódó feszültség ellen védeni kell a számítógép egységeit. Erre jó módszer az optikai úton való leválasztás. A nagyobb távolságok áthidalására feszültségszintek helyett (mivel az meglehetősen zavarérzékeny) áramhurkot használnak. Ilyen kialakításban az adó és a vevő mindkét adatirányban egy-egy vezetékhurokkal van összekapcsolva. Az adó logikai 1 információ küldésekor 20mA-es áramot kényszerít a hurokba, amelyet a vevő képes érzékelni. Ebből következik, hogy az információt az áram megléte, illetve hiánya hordozza. A vezeték sodrott érpár, a jó zavarérzéketlenség miatt.

A maximálisan áthidalható távolság akár 1 km is lehet, az adatátviteli sebesség kissé korlátozott, 9600 bit-s körüli érték.

Az áraminterfészt az RS-449-es "szabványgyűjteményben" szabványosították. Több különböző módszer alakult ki az átvitel megvalósítására, amelyekre most nem térünk ki, a szakirodalmakban megtalálhatók. Az egyik leggyakrabban használt megoldás az RS-485 megnevezést kapta. Ez szimmetrikus átvitelt valósít meg, a vonalon több adó és vevő lehet, ezek között egy vezetékpáron a kapcsolat fél-duplex. A duplex kapcsolat kialakításához négy vezetékre van szükség.

A digitális átvitel során a logikai biteket valamilyen módon ábrázolnunk kell. A legegyszerűbb ábrázolásnál a két szintnek két feszültségértéket feleltetünk meg. Ettől eltérő kódolási eljárások is ismertek, a továbbiakban a leggyakoribb módszereket tekintjük át.

A kódolási eljárások meghatározásánál több szempont szerint kellett a feladatot elvégezni:

• Minél kisebb a kódolás sávszélessége, annál több csatornára lehet egy vonalat felosztani. A sávszélesség a jelváltások számának a függvénye.
• Minél kevesebb azonban a váltások száma, az adó és a vevő szinkronizálása annál nehezebben valósítható meg.
• Fontos, hogy a jelek kis egyenfeszültségű összetevővel rendelkezzenek, mivel az egyenfeszültségű jelek jobban gyengülnek, ami az átviteli távolság csökkenését vonja maga után.

Nullára nem visszatérő (Non Return to Zero, NRZ) kódolásnál mindig az a feszültségszint van a vonalon, amelyet az az adott bit meghatároz. Ez nagyon egyszerűen megvalósítható kódolás. Sok váltást tartalmazó csomagoknál jó megoldás, azonban ha a sok egyforma bit van egymás után, akkor a vonal állapota is azonos szinten marad. Ez a szinkronizációt nagyon megnehezítheti.

Nullára visszatérő (Return to Zero, RZ) kódolás az előzőhöz képest annyi változást tartalmaz, hogy a 0 szintet 0V, az 1 szintet viszont a bitidő felében +V, a félében pedig 0V jelenti. A működés a 27. ábrán nagyon jól nyomon követhető.

Nullára nem visszatérő megszakadásos (Non Return to Zero Invertive, NRZI) módszernél a 0 bitnek 0V felel meg. A logikai 1 értékű a bit, akkor 0 szint lesz, ha az előző 1-es +V volt és +V szintű lesz, ha az előző 0 szintű volt. A logikai 0 utáni első 1-es értéke mindig +V lesz.

Váltakozó MARK invertálás (Alternate Mark Inversion, AMI) kódolás már szimmetrikus feszültséget használ, a működése pedig az NRZI kódoláséhoz nagyon hasonló. Minden logikai 1 értékű bit szintje az előző 1-esének az ellentetje.

A Nagy sűrűségű bipoláris 3 (High Density Bipolar 3, HDB3) kódolás az AMI módszerrel azonosan működik, de itt már beépítették a hosszú logikai 0 sorozatok kezelését is. Abban az esetben, ha a 4 egymást követő 0 szintű bit van a csomagban, az utolsó 0 bitet kicserélik olyan szintűre, mint ami az előző 1-eshez volt rendelve. A vevő ezt a plusz információt automatikusan képes eltávolítani. Annak érdekében hogy ne legyen egyenfeszültségű összetevő, a következő ilyen csoportban az első nullát kicseréljük az előzőleg cserélt bittel ellentétes szintűre. A módszer jól nyomon követhető a 30. ábrán.

A Manchester kódolást (Phase Encode, PE) nagyon gyakran használják, az Ethernet hálózatok ezt a kódolási eljárást alkalmazzák. Itt a biteket nem jelszintek, hanem a jelváltások iránya határozza meg. A lefutó él a logikai 0, a felfutó pedig a logikai 1 szintet jelöli. Amennyiben az egymást követő bitek azonos értékűek, akkor a jelnek a bitidő felénél vissza kell térnie az előző szintre. A módszer alkalmas akár mágneses jelrögzítésre is.

A karakterek ábrázolására készítették el az ASCII kódtáblázatot. Ebben minden, az angol nyelvben szereplő karakterhez egy bináris kódsorozat tartozik. Természetesen külön kell beszélni a kis- és a nagybetűkről. Az ASCII táblában minden karakternek 7 bites bináris sorozat felel meg. Nem volt szükség a 8. bitre, mivel 7 bittel is minden angol karakter ábrázolható. Mivel nincs 128 ábrázolható karakter az ABC-ben, ezért kiegészítő karakterek ábrázolására is lehetőség nyílik. A táblázatban a két karaktercsoportot különböztethetünk meg:

• A grafikus karakterek csoportjába tartoznak mindazok a karakterek, amelyeket a képernyőn meg lehet jelenteni.
• A vezérlőkarakterek csoportja is meglehetősen népes, hasonlóan a grafikus karakterekéhez. Az itt szereplő karakterekről általánosságban elmondható, hogy a számítógép számára hordoznak a működésükre vonatkozó információkat. Ennek a csoportnak három alkategóriáját különböztethetjük meg:

• Információcsere vezérlőkarakterek az információ átvitelében vesznek részt.
• Formátum befolyásolókkal lehet az képernyőn megjelenő karakterek formáit megváltoztatni.
• Információ elkülönítők az információk logikai értelemben történő elkülönítésére szolgálnak.

Az eredeti ASCII kódtáblában nem volt lehetőség az egyes nyelvekben szereplő speciális karakterek ábrázolására. A megoldást a 8. bit bevonása jelentette, így 128 további karakter definiálására volt lehetőség. Így minden nyelv számára lehetőség volt kialakítani a saját kódtábláját. A kompatibilitás az ASCII-vel megmaradt, hiszen az alső 128 bit nem változott. A megoldás hátránya, hogy nincs lehetőség egy szövegben eltérő nyelvi részek elkészítésére.

1987-ben a XEROX cég kifejlesztett egy új karakterkódolási rendszert, amelyben már 16 biten ábrázoltak egy karaktert. Ez 65536 különböző variációt jelent. A kialakított kódolás a Unicode nevet kapta. Az ábrázolás lehetővé teszi a világ összes nyelvének a karaktereinek az ábrázolását. Így az előző bekezdésben említett korlát megszűnt. Mint minden új technikával, ezzel is az volt (illetve még napjainkban is az), hogy nem támogatták megfelelően. A programozóktól teljesen más szemléletet kívánt. Az elsők között volt a Microsoft Office 97 programja. Ma már egyre több program és operációs rendszer támogatja ezt a kódolási módszert.

Az analóg jelek időben folyamatosan változnak. Általában elmondhatjuk róluk, hogy periodikusak, azaz bizonyos időközönként ismétlődnek. Nagyon fontos, hogy a nagyságuk (amplitúdó) két szélső határ között bármilyen értéket felvehetnek. Az ilyen jeleknek három tulajdonsága van, amely adatátvitelre felhasználható.

• Frekvenciája, vagy periódusideje: az az időtartam, amely elteltével a jel megismétlődik.
• Amplitúdója: az analóg jel nagyságát határozza meg. Az analóg jelek amplitúdója tetszőleges értéket felvehet két határérték között.
• Fázisszöge: annak az időnek az értéke, amikor az analóg jel amplitúdója 0.

Az analóg jelek kezelése meglehetősen bonyolult. A fenti felsorolásban látható, hogy a jellemzők meglehetősen széles tartományban mozoghatnak. Meg kell oldani, hogy az információt képesek legyenek továbbítani. A számítógépek digitális jelekkel dolgoznak, ezeket kell analóg úton továbbítani a másik számítógéphez. A megoldás az analóg jel valamely jellemzőjének a megváltoztatása a digitális információnak megfelelően. Ezt a műveletet nevezzük modulációnak. A vevő oldalon értelemszerűen vissza kell alakítani a digitális információt. Ez a folyamat a demoduláció. A különböző modulációs eljárásokat a 32. ábrán vehetjük szemügyre.

• Az amplitúdómoduláció során az analóg jel amplitúdóját változtatják meg a digitális jelnek megfelelően. A művelet egyszerű, más amplitúdó értéket rendelnek a logikai 0 és mást a logikai 1 szinthez. Például a logikai 0 bitnek 0V-os, a logikai 1-nek pedig 5V-os amplitúdóérték felel meg.
• Hasonlóan képezzük az analóg jelet a frekvenciamoduláció során is. Itt a két logikai értékhez más-más frekvenciaérték tartozik. A két frekvencia között megfelelően nagy különbségnek kell lenni a biztonságos érzékelés érdekében. Általában 1-2 nagyságrend a két érték közötti különbség.
• A fázismoduláció is hasonló elven alapszik. Ebben az esetben a jel fázisszögét módosítják a digitális jelnek megfelelően.

Bizonyos esetekben előfordulhat, hogy egy analóg jel több jellemzőjét is modulálják. Ennek az előnye, hogy egyszerre több bit átvitelére nyílik lehetőség.