Nätverksteknologier Delprov part 2. Sammanfattning och detaljerade studienoter

Överföring via kabel

• Med överföringsmedia menar man den väg som kommunikationen tar rent fysiskt. Flera medier kan användas längs vägen, t.ex. olika kablar, galvaniska eller fiberoptiska.

• Två tekniker för överföring av modulerade signaler på en kabel: basband och bredband (förklarats tidigare).

• Viktiga problemställningar vid dataöverföring i kabel: bandbredd, dämpning, signalförskjutning, störningar, störningskänslighet, överhörning och anpassning.

Bandbredd

• Bandbredd är ett mått på frekvensomfånget som mediet klarar att överföra.

• Exempel med fyrkantsvåg: fyrkantsvågen består av en sinussignal med basfrekvensen samt högfrekventa komponenter hos Fourier-serien (3f, 5f, …):

• En fyrkantsvåg består av en sinussignal med frekvensen f plus komponenter vid 3f, 5f, ….

• Om bandbredden är begränsad så kan höga frekvenser förvränga signalen. En Schmitt-trigger kan återfå en fyrkantsvåg trots bandbegränsning.

• Om grundtonen/frekvensen för fyrkantsvågen överskrider bandbredden så går signalen inte fram. Bandbredden sätter alltså en övre gräns för tillåten kommunikationshastighet.

• Formel/exempel: fyrkantsvågens Fourier-serie kan skrivas som
  $x(t) = rac{4}{\pi} \, <br>\sum_{k=1,3,5,\dots}^{\infty} \frac{1}{k} \sin(2\pi k f t)$
  där de nämnda högfrekventa komponenterna påverkas av kabelns bandbredd.

Dämpning och signalförskjutning

• Signaler dämpas när de färdas i ett medium. Kabeln har ofta resistans och impedans, och kabeln dämpar också radiovågor beroende på avståndet.

• För längre avstånd används förstärkare längs vägen, en enhet kallas Repeater.

• Signaler är växelspänningar och påverkas av induktans, kapacitans och impedans som är frekvensberoende:
  $Z(f) = R + j\big( \omega L - \frac{1}{\omega C} \big), \quad \omega = 2\pi f$

• Generellt gäller att högre frekvenser dämpar mer än lägre.

Störningar, störningskänslighet och överhörning

• En växelström i en ledare skapar ett elektromagnetiskt fält som kan störa omgivningen och vice versa; regler finns för hur mycket utrustning får störa.

• Exempel på störningar: radio/TV i närheten trots datorn i rummet; mobiltelefoner kan också orsaka störningar.

• Störningskänslighet: hur känslig kabeln är för yttre störningar. Skärmad kabel ger bäst skydd (jämför Faradays bur – inga elektriska fält passerar genom nätet).

• Fiberoptisk kabel är också okänslig för yttre störningar.

• Överhörning (korslyssning) uppstår när en ledare stör en annan i samma kabel; t.ex. samtal i ett ledarpar hörs svagt i bakgrunden i ett annat par.

• Åtgärder mot överhörning: tvinnat ledarpar (UTP/STP) där de två ledarna av parat kabelen tvinnas runt varandra; effekt mot störningar.

• Exempel/anknytning: gamla luftledningar för telefoni hade liknande tvinnad struktur.

Jordning

• Jordströmmar kan uppkomma när olika byggnader har olika jordpotentialer (t.ex. pga olika transformatorstationer) och kopplas samman med nätverkskabel.

• Om jordströmmar flyter i kabeln kan det orsaka störningar eller skador.

• Lösning: använd icke-galvanisk förbindelse (t.ex. fiberoptisk kabel eller optokopplat filter).

Anpassning

• Koaxialkabel: avsluta ändarna med en anpassningsmotstånd som motsvarar kabelns inre impedans för att undvika stående vågor.

• Exempel: RG-58 kabel har en inre impedans på $Z_0 = 50\Omega$; därmed krävs två ändmotstånd på 50 ohm vardera.

• Stående vågor (standing waves) uppstår när ändarna inte är rätt avbalanserade i koaxialkabeln, vilket gör att signalen blir otydlig.

Kabeltyper

USB

• USB står för Universal Serial Bus och kopplar periferiutrustning som tangentbord, mus, skrivare, scanner, kamera, etc.

• Två kontaktstandarder: Type A och Type B; moderna moderkort/datorer använder USB 2.0 standarden.

• USB 2.0: maximal bandbredd $480\,\mathrm{Mbit/s}$; USB 1.1: $12\,\mathrm{Mbit/s}$ (med skärmad kabel upp till 12 Mbit/s; oskärmad upp till 1.5 Mbit/s)

• USB 3.0: upp till $5\,\mathrm{Gbit/s}$; bakåtkompatibel med USB 2.0

• Maxavstånd per enhet: $5\ \text{meter}$

• Strömförsörjning via USB: sammanlagt upp till $500\ \mathrm{mA}$ till externa enheter

• Dessutom kan man ladda t.ex. mobiltelefoner via USB-kabeln

• USB 3.0 introducerar fem extra ledare jämfört med USB 2.0

• Fördelar: upp till 127 enheter; hubbar i 7 nivåer; Plug-and-Play; dynamisk anslutning; spänningsmatning via kabeln; mångsidigt protokoll

• Kvalitetsdetaljer: fyra ledare för data, övriga används för olika funktioner

IEEE 1394 FireWire

• FireWire är ett alternativ till höghastighetskommunikation mellan datorer och periferiutrustning, ofta i professionell videoproduktion.

• Max datahastighet: $400\ \mathrm{Mbit/s}$; 6-polig kabel; daisy chain-stöd; Plug & Play; hot-swapping

• Max kabellängd: $4.5\ \text{meter}$; kan kopplas i kedja

• FireWire kallas också DV och används mycket inom video- och bildredigering

eSATA (Extern Serial ATA)

• Externa hårddiskar uppkopplade via eSATA; samma typ av anslutning som interna SATA men för extern användning

• Maxhastighet: $3\ \mathrm{Gbit/s}$

• Maxlängd: $2\ \text{meter}$

Nätverkskablar

• Vanligtvis partvinnade kablar: UTP (Unshielded Twisted Pair) eller STP (Shielded Twisted Pair)

• Maximal kabellängd mot switch: $100\ \text{m}$

• Kategorier: Cat 5, Cat 5e

• Hastigheter: upp till 1000 Mbit/s (Cat 5e/2-pairs används för 1000BASE-T)

• Kablarna har 8 ledare; oftast används två par (4 ledare) i dagliga nätverk

• Kontakt: RJ-45

• RJ-45-pinnar och färgkod (typisk 8P8C, TIA/EIA-568B):

  • Pin 1: Orange/Vit (TD+)

  • Pin 2: Orange (TD-)

  • Pin 3: Grön/Vit (RD+/ RX+)

  • Pin 4: Blå

  • Pin 5: Blå/Vit

  • Pin 6: Grön (RD)

  • Pin 7: Brun/Vit

  • Pin 8: Brun

• Viktigt: De fyra inre ledarna används för kommunikation i standard 10/100/1000BASE-T; övriga kan användas för funktioner som Power over Ethernet (PoE)

• Byggnader brukar ha korskopplingspaneler där arbetsplatsuttagen kopplas till switchar via korta kablar

Fiberoptiska kablar

• Används i stora kommunikationsvägar och som stamnätverk (telefoni och data); används även i LAN-lösningar

• Bredbandskapacitet: finns 100 Mbit/s, 1 Gbit/s och 10 Gbit/s; avstånd upp till ca $10{,}000\ \mathrm{m}$

• Fördelar: mycket låg dämpning, mycket hög bandbredd, helt okänslig för elektromagnetiska störningar och avger inga störningar själv; svår avlyssning vilket ökar säkerheten

• Nackdelar: skarvning och koppling är svåra; kräver exakt ytfärgning (slipning) för att passera signaler utan dämpning

• Kontakter vanligt förekommande: ST, SC, SMA

• Färg på kabeln: vanligt svart, grönt eller orange; ofta styv och svår att böja

Koaxialkablar

• Koaxialkabel är okänslig för störningar och avger inte störningar tack vare metallhöljet runt centrumledaren (Faradays bur-principen)

• Används där högfrekventa signaler behövs, t.ex. mellan sändare/mottagare och antenner

• Tidigare vanligt i nätverk (Ethernet 10BASE-2) med RG-58 (inre impedans $50\Omega$)

• Stamledning i nätverk kan terminera i båda ändar; T-kopplingar används för att dra ut kabel till varje dator

• Nackdel: skada i kabeln kan stänga hela nätverket; längre slingor kräver förstärkning, men total längd får inte överstiga $925\ \text{m}$ (en slinga får vara upp till $185\ \text{m}$ utan förstärkare)

Trådlös kommunikation

• Trådlösa tekniker är starkt växlande och används tillsammans med mobiltelefoner, handdatorer och bärbara datorer

• Exempel på trådlösa vägar: IR, Bluetooth, WLAN, WiMAX, GPRS, 3G/4G, Laserlänk, Mikrovågslänk, Satellitlänk

IR (Infraröd)

• Används mellan datorer och externa enheter; liknar fjärrkontroller

• Bandbredd: ca $115{,}2\ \mathrm{kbit/s}$; kräver fri sikt och att inget blockeras

Bluetooth

• Trådlös dataöverföring mellan olika apparater; chip i enheter; Bluetooth SIG:s standardisering;

• Namn från vikingahövdingen Harald Blåtand; låg strömförbrukning; exempelvis headset

• Driftsförbrukning: ca $30\ \mu\mathrm{A}$ i viloläge; 5–30 mA under samtal

• Frekvensband: ISM 2,4 GHz; upp till ca $24\ \mathrm{Mbit/s}$ med senaste versionen; räckvidd ca upp till 10 m

• Kommunikation sker i 79 kanaler var och en 1 MHz; frekvenshoppsteknik (802 hopp/sekund) för att motverka störningar

• Piconet: ett masterenhet med upp till 8 aktiva enheter (1 master + upp till 7 slavar) samt parkerade enheter

• Profiler (exempel):

  • Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) – musiköverföring; digitalt ljud; hög kvalitet men viss fördröjning

  • Hands Free Profile (HFP) – bilhandsfree

  • Headset Profile (HSP) – headset till mobiltelefon; kan styra samtal och volym

  • Human Interface Device Profile (HID) – mus och tangentbord; låg fördröjning och låg strömförbrukning

  • Object Push Profile (OPP) – skicka objekt som bilder och kontaktkort; sändaren initierar överföringen

• Effektklasser och räckvidd:

  • Class 1, Class 2, Class 3 – olika sändareffekt och räckvidd

• Versioner och hastigheter:

  • Bluetooth 1.2: upp till $1\ \mathrm{Mbit/s}$; effektiv 721 Kbit/s

  • Bluetooth 2.0 + EDR: upp till $3\ \mathrm{Mbit/s}$; effektivt cirka $2{,}1\ \mathrm{Mbit/s}$

  • Bluetooth 3.0 + HS: upp till $3\ \mathrm{Mbit/s}$; effektivt upp till $24\ \mathrm{Mbit/s}$ (observat: data överförs via separat WLAN-länk)

  • Bluetooth 4.0: upp till $3\ \mathrm{Mbit/s}$; effektivt upp till $24\ \mathrm{Mbit/s}$

• Mer information: offciell webbplats www.bluetooth.org

RFID

• RFID står för Radio Frequency Identification; användningar där kortare avstånd krävs

• Varianter: passiva (kan inte sända egen signal utan svarar på radiostrål) och aktiva (med batteri)

• Passiva exempel användningar: prislappar, biblioteksböcker, djur-ID, passerkort, sportevenemangstider, varumärkning och lager

• Frekvenser som används i Sverige: 400–600 kHz, 13,56 MHz, 865 MHz och 2,4 GHz

• ISO-standarder: ISO/IEC 14443 (för mer avancerade versioner med chip i kortens form)

NFC (Near Field Communication)

• NFC är en vidareutveckling av RFID och arbetar vanligtvis över korta avstånd runt ca $10\ \mathrm{cm}$; inkluderar aktiva chips i båda ändar

• Frekvens: $13{,}56\ \mathrm{MHz}$; överföringskapacitet ca $424\ \mathrm{Kbit/s}$

• Kommunikation går i båda riktningarna; enkel starttid (<0{,}1 s) jämfört med Bluetooth (~0{,}1–6 s initialisering)

• NFC-mobilbetalningar och identifieringar är vanliga användningsområden

• Begränsningar: saknar inbyggt krypteringsstöd; signaler måste krypteras av sändaren och dekrypteras av mottagaren

• ISO/IEC 14443 standard; NFC Forum är en industriell organisation som främjar NFC

WLAN (Trådlöst nätverk)

• WLAN används i hem och företag samt offentligt (restauranger, flygplatser, etc.)

• Bygger på Access Points och standard IEEE 802.11

• Vanligaste hastigheten idag är 802.11g: upp till $54\ \mathrm{Mbit/s}$; stöd för 2,4 GHz ISM-bandet (802.11b/g)

• 5 GHz-bandet används av 802.11a och 802.11h; 802.11h har dynamiskt frekvensval och uteffektbegränsning i Europa

• Produkter har ofta inbyggd antenn; för längre räckvidd används externa antenner

Mobiltelefoni GSM, 3G och 4G

• GSM är det dominerande systemet; kompletterat av 3G/4G för ökad kapacitet och datatrafik

• Historik i Sverige:

  • 1956: Första mobilsystemet MTA (Stockholm, GBM, Malmö); manuella växlar

  • NMT infördes 1981 (Nordisk Mobil Telefoni) – analogt system (450/900 MHz); förstadium till 2G

  • 900 MHz används nu av GSM; 450 MHz bandet används i synnerhet i glesbygd (3G via CDMA i Sverige via Net1)

• Tillverkare som var framstående: Ericsson, Nokia, Motorola

Mikrovågslänkar, laserlänkar och satellitlänkar

• Mikrovågslänkar används mellan sändare och mottagare med mycket hög frekvens (några GHz); räckvidd flera mil; kräver tillstånd

• Laserlänkar kräver fri sikt mellan sändare och mottagare; räckvidd ca några kilometer

• Satellitlänkar utnyttjar kommunikationssatelliter i geostationär bana (36000 km); används för TV och särskild datakommunikation; kräver parabolantenner; fördröjning ca 250 ms pga avstånd

Sammanfattning av viktiga grunder och praktisk relevans

• Bandbredden sätter gränsen för hur mycket data som kan överföras över mediet; om frekvenser över bandet används uppstår signalförvrängning

• Dämpning och signalförskjutning kräver förstärkning och korrekt design av kabeln (impedans och frekvensberoende beteende)

• Störningar kan motverkas med skärmade kablar och parning (tvinnade ledare) för att minska utsläpp och mottagna störningar

• Jordning och icke-galvaniska kopplingar är viktiga för att undvika jordströmmar som stör kommunikation

• Anslutningstekniker och kablar varierar stort i användningsområde: USB, FireWire, eSATA, Ethernet (UTP/STP), fiber, koaxial och trådlösa tekniker

• För varje teknik finns specifik hastighet, avståndsgränser, och särskilda risker eller fördelar (t.ex. fiberoptikens immunitet mot EM-störningar men svårigheter vid ihopkoppling, eller koaxialens enkla terminering men känslighet vid kabelbrott)

Viktiga tekniska referenser och exempel

• Fyrkantsvågens komplexa innehåll och bandbreddens påverkan:
  $x(t) = rac{4}{\pi} \sum_{k=1,3,5,\dots}^{\infty} \frac{1}{k} \sin(2\pi k f t)$

• Impedans och transmission: $Z(f) = R + j\big( \omega L - \frac{1}{\omega C} \big), \quad \omega = 2\pi f$

• Terminering i koaxialkabel: $Z_0 = 50\Omega$

• USB 2.0: $480\ \mathrm{Mbit/s}$; USB 1.1: $12\ \mathrm{Mbit/s}$; USB 3.0: $5\ \mathrm{Gbit/s}$; maxavstånd $5\ \mathrm{m}$; ström $500\ \mathrm{mA}$

• FireWire: $400\ \mathrm{Mbit/s}$; maxlängd $4.5\ \mathrm{m}$; 6-polig kontakt

• eSATA: $3\ \mathrm{Gbit/s}$; maxlängd $2\ \mathrm{m}$

• Ethernet (UTP/STP) kablar: Cat 5/Cat 5e; max 1000 Mbit/s; 8 ledare; RJ-45; användning av PoE är vanligt

• RJ-45 pinout (typisk 568B): 1 Orange/Vit (TD+), 2 Orange (TD-), 3 Grön/Vit (RD+), 4 Blå, 5 Blå/Vit, 6 Grön (RD), 7 Brun/Vit, 8 Brun

• Fiberoptikens fördelar: låg dämpning, hög bandbredd, immunitet mot EM-störningar, säkrare mot avlyssning; nackdel: skarvning och skärpning kräver precision

• Kamerunerade system och frekvenser används över olika medier och tekniker, inklusive ISO-standarder som ISO/IEC 14443 för RFID/NFC