Báječný svět počítačových sítí

Naše dnešní povídání o přenosových technikách začneme tím, co jsou duplexní a
simplexní přenosy. Rozdíl mezi nimi spočívá v tom, zda jsou data přenášena jen

v jednom směru (pak jde o simplexní přenos), nebo v obou směrech (pak jde o

duplexní přenos).

S tím úzce souvisí i pojmy jako kanál a okruh, které nepochází tolik ze světa

počítačových sítí, jako spíše ze světa telekomunikací a spojů. Jako kanál se

označuje taková přenosová cesta, která je pouze jednosměrná (dá se tedy využít

pouze k simplexním přenosům). Naproti tomu okruh již je obousměrný, umožňuje

duplexní přenos.



Simplex, semiduplex

Příkladem čistě simplexního přenosu může být televizní a rozhlasové vysílání.

To klasické (analogové) sice místo digitálních dat přenáší pouze analogový

signál, ale i tak názorně ilustruje podstatu „simplexu“: přenos probíhá jen

jedním směrem, ke koncovým příjemcům. Stejně je na tom i nastupující digitální

televizní vysílání, u něhož již lze hovořit o přenosu dat. Pozemní (i

satelitní) digitální vysílání, řešené na bázi standardu DVB-T (resp. DVB-S pro

satelit) totiž také počítá jen se simplexním přenosem.

Pokud se tedy v souvislosti s digitálním vysíláním hovoří o interaktivitě a

interaktivních službách, jako například o možnosti on-line hlasování,

nakupování či třeba čtení e-mailů, pak musí být použit ještě nějaký „externí“

přenosový kanál, umožňující přenos v opačném směru, od diváka k tomu, kdo

programy připravuje a vysílá. Může to být v zásadě jakýkoli kanál – třeba

telefonický (vytáčené připojení k internetu), mobilní GPRS, ADSL apod.

Přenosy, které již fungují oběma směry, ale v každém z nich jiným způsobem, se

obecně označují jako semiduplexní, někdy také jako asymetrické – ale to není

příliš šťastné. Toto adjektivum se častěji používá k vyjádření rozdílu v

rychlostech přenosu v obou směrech a nikoli v technice přenosu, resp. druhu

použitého přenosového kanálu.



Plný duplex, poloviční duplex

I v případě obousměrných přenosů připadají v úvahu různé varianty, mezi nimiž

je třeba rozlišovat. Někdy je totiž komunikace v obou směrech sice možná, ale

nikoli současně. To je případ tzv. polovičního duplexu, který umožňuje v každém

okamžiku přenášet jen jedním směrem. Je to analogie železniční tratě s jednou

kolejí – vlaky po ní mohou jezdit oběma směry, ale nikoli současně.

Naproti tomu varianta, kdy je možné přenášet oběma směry současně, je

označována jako tzv. plný duplex. V rámci analogie s železnicí by to dopovídalo

dvojkolejné trati.

Ještě ale k terminologii: někdy se lze i v češtině setkat s anglickými názvy

„half-duplex“ (poloviční duplex, zkráceně poloduplex), a „full duplex“ (plný

duplex).



Duplexní a poloduplexní přenosy

Důležité je rovněž si uvědomit, že různé varianty „duplexů“ se nemusí týkat

pouze schopností přenosových médií a cest (resp. okruhů, v terminologii spojů)

jako takových. Mohou vypovídat také o tom, jak jsou tyto schopnosti využívány

pro konkrétní přenosy. Například můžeme mít přenosovou cestu, která je sama o

sobě plně duplexní. Z nějakého důvodu ji ale budeme využívat pouze

poloduplexně. To znamená, že nad plně duplexní přenosovou cestou budou probíhat

pouze poloduplexní přenosy.

Dělat to obráceně, tedy realizovat plně duplexní přenosy nad poloduplexní (či

dokonce jen simplexní) přenosovou cestou není v principu možné. Lze to ale

snadno obejít: stačí vzít dvě přenosové cesty (ať již poloduplexní či plně

simplexní) a každou z nich používat pro přenos jedním směrem.

Příkladem mohou být přenosy po optických vláknech, které jsou (bez dalších

opatření) pouze simplexní. Stačí ale použít jedno vlákno pro každý směr a je

možné realizovat plně duplexní přenosy.



Channel bundling

Další oblíbenou technikou, která souvisí s přenosovými kanály a jejich

„duplexností“, či spíše „simplexností“, je jejich slučování, resp. skládání

(známější spíše pod anglickým výrazem „channel bundling“, případně „channel

bonding“). Jde o to, že v praxi nemusíme mít vždy k dispozici takový přenosový

kanál, který by svými parametry (hlavně rychlostí, resp. přenosovou kapacitou)

odpovídal potřebám zamýšlených přenosů. Někdy ale můžeme získat takových kanálů

více a používat je souběžně. Vlastně z nich jakoby složíme jeden větší (širší,

resp. rychlejší) přenosový kanál, který bude našim potřebám stačit. Právě tomu

se říká „channel bundling“.

V praxi se s takovýmto spojováním kanálů můžeme setkat například u přípojek

ISDN. Ty nabízí přenosové kanály (kanály B, fakticky jde o obousměrné okruhy) o

rychlosti 64 Kb/s. Pokud nám tato rychlost nestačí, můžeme je spojovat (na

principu channel bundlingu) do větších celků, odpovídajících celistvým

násobkům. Vezmeme tedy vždy patřičný počet jednotlivých kanálů a používáme je

jako jeden výsledný (sloučený, „bundlovaný“) kanál. Pozor ale na to, že právě u

ISDN přípojek je použití jednotlivých kanálů standardně zpoplatněno, a to

samostatně. Takže když použijeme n kanálů současně, platíme n-krát více!

Jiným příkladem mohou být mobilní sítě GSM. Ty vlastně také nabízejí dílčí

přenosové kanály (byť se jim říká timesloty, časové sloty, viz dále), v každém

z nich lze dosáhnout určité přenosové rychlosti (standardně buď 9,6 Kb/s v

případě Oskara a T-Mobile, 14,4 Kb/s u Eurotelu). Chceme-li dosáhnout vyšší

rychlosti, např. v rámci služeb GPRS, musíme použít více takových dílčích

kanálů (timeslotů) současně. Kolik jich skutečně využijeme, záleží na více

faktorech: na tom, zda je mobilní síť má momentálně k dispozici, zda je

provozovatel sítě (operátor) ochoten je uvolnit (resp. přidělit více timeslotů

stejnému uživateli) a také zda je naše mobilní zařízení schopné pracovat s více

timesloty současně. Když se dočtete, že nějaké zařízení podporuje GPRS se 4 + 2

timesloty, znamená to, že může využít nejvýše 4 timesloty pro přenosy ze sítě a

nejvýše 2 pro přenosy opačným směrem (do sítě).



Multiplex a inverzní multiplex

Techniku slučování kanálů (channel bundlingu) si můžeme představit jako řešení

problému s neexistencí dostatečně velkého (širokého) přenosového kanálu. Místo

něj se tedy použije patřičný počet menších (užších) kanálů, mezi něž se celkový

datový tok rozloží.

V praxi ale často nastává přesně opačný problém: máme jeden větší (širší)

přenosový kanál a potřebujeme jej rozdělit na několik dílčích částí, které by

se chovaly jako samostatné a na sobě nezávislé kanály. Tedy tak, aby po nich

bylo možné přenášet několik zcela samostatných a na sobě nezávislých datových

toků.

Řešení právě popsaného úkolu (rozdělení jednoho přenosového kanálu, případně

okruhu, na více částí) se obecně označuje jako „multiplexování“, resp.

multiplex. Jeho představu obecně naznačuje obrázek, který jej dává do

protikladu s již popsaným slučováním kanálů (channel bundlingem). Snad je z

nákresu dostatečně zřejmé, proč se technice slučování kanálů někdy říká také

inverzní multiplex.



Frekvenční multiplex

Realizace multiplexu, neboli rozdělení jednoho přenosového kanálu na více

samostatně využitelných částí (kanálů), může být v praxi provedena různými

technikami, resp. postupy. Ty přitom mohou mít jak analogový, tak digitální

charakter.

Příkladem analogové techniky multiplexu je tzv. frekvenční multiplex (anglicky

FDM, Frequency Division Multiplexing). Lze si jej představit tak, že na každém

ze vstupních kanálů je analogový signál posunut do jiné „frekvenční polohy“ (do

jiného rozsahu frekvencí), a to tak šikovně, aby se žádné polohy vzájemně

nepřekrývaly. Pak je možné takto frekvenčně posunuté signály jednoduše sečíst

(sloučit) do jednoho „širšího“ signálu, a ten přenést přes dostatečně „široký“

přenosový kanál. Na druhé straně se pak provede obrácený postup: jednotlivé

dílčí signály se od sebe oddělí a vrátí do původní frekvenční polohy (do svého

původního frekvenčního rozsahu). Představu ilustruje obrázek.

V praxi ovšem frekvenční multiplex není příliš výhodný právě kvůli tomu, že jde

o analogovu techniku – různé frekvenční posuny, vzájemné slučování a následné

oddělování nejsou nikdy ideální a vždy určitým způsobem znehodnocují přenášený

signál. Jde jen o míru tohoto znehodnocení, ostatně jako u všech analogových

technik.

V minulém dílu tohoto seriálu jsme si ukazovali ještě jednu variantu

analogového multiplexu – multiplex vlnový (WDM, Wavelength Division

Multiplexing). Byl založen na tom, že přes jedno optické vlákno se přenášelo

více „svazků“ světla, každý o trochu jiné frekvenci. Každý se choval samostatně

(jako samostatný přenosový kanál). V zásadě tedy šlo o specifickou variantu

frekvenčního multiplexu.



Časový multiplex

Z digitálních technik multiplexu je asi nejčastější multiplex časový (anglicky

TDM, Time Division Multiplexing). Můžeme si ho představit tak, že rozděluje

jeden „širší“ přenosový kanál v čase – vždy jej na krátký časový úsek (časový

slot, timeslot) přidělí celý jednomu vstupnímu kanálu, na další krátký časový

úsek (časový slot) jej svěří jinému vstupu, a tak stále dokola.

Pokud tato představa není zcela srozumitelná, lze si pomoci analogií s vláčkem

a vagónky: přes „širší“ přenosový kanál, který je dělen v čase pomocí časového

multiplexu, projíždí nekonečně dlouhý vláček. Má nekonečně mnoho vagónů, které

jsou všechny stejně velké (uvezou stejně velký náklad) a jsou pevně přiřazeny

jednotlivým vstupům. Například tak, že první vstupní kanál má vyhrazeny vagóny

č. 1, 3, 5, 7, druhý vagóny č. 2, 6, 10, 14 a třetí vstup pak 4, 8, 12 atd.

Rozdělení může být libovolné – ale s důležitým dovětkem, že je pevně dáno a

předem známo. Příjemce tedy nemusí nikdy přemýšlet o tom, komu patří obsah

určitého vagónu (časového úseku, resp. slotu). Jelikož zná příslušnou konvenci,

okamžitě ví, na který výstup má předat jeho obsah (vagónu, časového úseku,

timeslotu).

Rozdělení celkové přenosové kapacity (přidělení všech vagónů nekonečně dlouhého

vláčku) přitom nemusí být vůbec rovnoměrné. Časový multiplex může rozdělovat

celkovou přenosovou kapacitu „širšího“ přenosového kanálu na různě velké části

(různě velké dílčí přenosové kanály). Stále však platí, že toto rozdělení je

pevně dáno a nemění se v čase.



Statistický multiplex

Fixní a v čase neměnný způsob rozdělení přenosové kapacity u časového

multiplexu může být jak výhodou, tak i nevýhodou. Výhodou je v situaci, kdy

jednotlivé vstupy generují rovnoměrné datové toky, bez významnějších odchylek v

čase. Pak skutečně má smysl a je efektivní rozdělit celkovou přenosovou

kapacitu na příslušný počet částí a toto rozdělení dále neměnit.

Jinak je tomu ale v situaci, kdy se objemy dat, procházející přes jednotlivé

vstupy, v čase významněji mění a kolísají. Problém nastává, když je skutečný

objem dat k přenesení menší, než se původně očekávalo (a odpovídá rozdělení

pomocí časového multiplexu). Pak totiž zůstává část přidělené kapacity

nevyužita a není možné ji přenechat jinému vstupu, který by ji naopak naléhavě

potřeboval, protože potřebuje přenést naopak více dat.

Pokud je třeba reflektovat měnící se zátěž (datové toky) na jednotlivých

vstupech a podle ní průběžně upravovat rozdělení celkové přenosové kapacity na

příslušný počet částí, už je nutné místo časového multiplexu použít multiplex

statistický (anglicky STDM, Statistical Time Division Multiplexing). Jeho

podstatu si lze přiblížit tak, že každý časový úsek (resp. vagón, v analogii se

železnicí) nemá pevně a dopředu určeno, jaký náklad bude přenášet. Místo toho

může být přidělen podle okamžité potřeby tomu vstupu (dílčímu přenosu), který

jej právě potřebuje.

Má to ale jeden závažný důsledek: příjemce se už nemůže spoléhat na to, že zná

konvenci o rozdělení celkové přenosové kapacity a tudíž dopředu ví, komu patří

obsah příslušného časového úseku (timeslotu, vagónu). Místo toho musí u

statistického multiplexu každý časový úsek sám o sobě a explicitně říkat, jaký

obsah přenáší. Spolu s „užitečnými“ daty tak musí nést nějakou režijní

hlavičku, ve které je potřebná informace o příslušnosti dat obsažena.

Kolísání objemu dat na jednotlivých vstupech, se kterým si statistický

multiplex dokáže poradit (zatímco časový nikoli), může mít velmi racionální

původ. Jde zejména o použití různých kompresí, které mají co nejvíce zmenšit

objem dat, určených k přenosu. Například při přenosu zvuku (hlasu) či obrazu je

úspěšnost komprese (a s ní i velikost komprimovaných dat) závislá na dění na

scéně, resp. na průběhu zvuku. Naproti tomu bez použití komprese by generovaný

objem dat byl stejný, bez ohledu na to, co se na scéně právě děje, zda právě

někdo mlčí či naopak mluví atd.

Ve stručnosti proto lze konstatovat, že časový multiplex je vhodný pro

nekomprimované přenosy, zatímco statistický je vhodný pro přenosy využívající

komprese dat.



Kódový multiplex

Pro úplnost se musíme zmínit ještě o dalším druhu multiplexu, jímž je multiplex

kódový (CDM, Code Division Multiplexing). Jeho princip si lze nejlépe

představit na příkladu rádiových přenosů s několika na sobě nezávislými

vysílači a přijímači, přičemž všechny tyto přijímače a vysílače využívají

stejný rozsah frekvencí. Vše pak funguje tak, že každý vysílač svá data nejprve

vhodně zakóduje a pak rovnou vysílá, na stejné frekvenci jako ostatní vysílače.

V éteru pak sice dochází ke „smíchání“ všech takto vysílaných signálů, ale

důležité je, že není nevratné. Naopak, každý přijímač by měl být schopen z

přijaté „směsi“ extrahovat právě to, co vyslal konkrétní vysílač, jehož data

chce přijímat. Představu ilustruje obrázek, který znázorňuje různé signály

(složky) prostřednictvím barev.

Vysvětlení toho, proč je „smíchání“ jednotlivých signálů v éteru vratné a jak

lze následně extrahovat z výsledné „směsi“ jednotlivé složky, je poněkud

komplikovanější a vydalo by spíše na samostatný článek. Ve stručnosti si ale

můžeme naznačit, že vše je skryto ve způsobu, jakým jednotlivé vysílače kódují

vysílaný signál, resp. data. Musí být použito specifické kódování (u každého

vysílače jiné), které příjemci umožní provést opačný postup (dekódování) a díky

němu získat ze „směsi“ požadovanou původní složku či složky. Proto také

označení „kódový multiplex“.

Kódový multiplex má jednu zajímavou vlastnost, kterou je vhodné zde zmínit.

Pokud je použit pro rádiové přenosy, jak jsme si právě naznačili, je velmi

šetrný vůči přírodním zdrojům, konkrétně použitým frekvencím. Například

frekvenční multiplex s nimi naopak spíše plýtvá, protože když posouvá

jednotlivé složky (dílčí přenosy) do různých frekvenčních poloh, musí mezi nimi

dělat i určité nenulové odstupy, aby se vzájemně neovlivňovaly a bylo možné je

od sebe zase správně oddělit. Frekvenční multiplex vlastně přenáší svou režii

do vyšší spotřeby frekvencí. Těch je ale od přírody málo, a tak je nutné s nimi

hospodařit co nejefektivněji.

Naproti tomu kódový multiplex „pouští“ všechny dílčí přenosy (složky) do

jednoho (a tudíž stejného) frekvenčního pásma, kde dochází k jejich vzájemnému

smíchání. Režie, která je spojena s jejich opětovným oddělením, jde ale na vrub

výpočetní kapacitě jednotlivých odesilatelů a hlavně příjemců. Oni musí provést

příslušné dekódování. K tomu potřebují příslušnou výpočetní kapacitu (procesor,

paměť atd.). Ovšem výpočetní kapacita, na rozdíl od frekvencí, je prakticky

libovolně „nafukovatelná“ – lze ji přidávat podle potřeby a její cena navíc

postupně klesá.



Multiplex jako metoda řízení přístupu

Kódový multiplex je tedy šetrný vůči vzácným přírodním zdrojům (frekvencím). To

je důvod, proč je s oblibou používán i v situaci, kdy určitý počet stanic

soupeří o využití jednoho společného přenosového kanálu. K tomu dochází

například v mobilních sítích, protože jejich provozovatelé (mobilní operátoři)

dostali ve svých licencích k dispozici jen určitý omezený rozsah frekvencí

(frekvenčních kanálů), které smí využívat. Proto se operátoři snaží využívat

jednotlivé frekvenční kanály opakovaně a kvůli tomu rozdělují svou síť na buňky

V počítačových sítích se data přenášejí mnoha různými způsoby a s využitím

různých technik. Některé přenosy jsou například plně duplexní, zatímco jiné jen

simplexní. A jak postupovat, pokud potřebujeme rozdělit jeden přenosový kanál

mezi více dílčích přenosů? Jaké techniky multiplexu se k tomu používají?

Konkrétně český regulátor (Český telekomunikační úřad) vyčlenil pro potřeby

mobilních sítí GSM určitý rozsah frekvencí v pásmu 900 MHz (a později i v pásmu

1 800 MHz). Tento rozsah frekvencí pak rozdělil, na principu frekvenčního

multiplexu, na jednotlivé frekvenční kanály, vždy o šířce 200 kHz. Celkem jich

takto v pásmu 900 MHz vzniklo 124. Regulátor dal každému z mobilních operátorů

určitý počet – viz obrázek.

Pro nás je ale v tuto chvíli podstatné něco jiného: i v rámci každé buňky jsou

frekvenční kanály určitým způsobem sdíleny jednotlivými mobilními stanicemi

(terminály), resp. rozděleny mezi ně. A k tomu je již využit multiplex časový.

Když vše hodně zjednodušíme, každý frekvenční kanál je v GSM rozdělen pomocí

časového multiplexu na 8 časových slotů (timeslotů). Představu ilustruje další

obrázek.

Mobilní telefony v sítích GSM pak při telefonování využívají vždy jeden

timeslot pro přenos (digitalizovaného lidského hlasu) v jednom směru, a jeden

timeslot pro přenos v opačném směru. Jak jsme již uvedli, pro datové přenosy se

může využívat i více timeslotů současně.

Síť GSM tedy využívá techniky časového multiplexu k řízení přístupu svých

stanic ke společnému přenosovému médiu, v podobě příslušného frekvenčního

kanálu. Kvůli tomuto konkrétnímu využití, pro potřeby řízení přístupu (anglicky

Access Control), se pak také hovoří o řízení přístupu na bázi časového

multiplexu (zkratka TDMA, Time Division Multiple Access), nebo o řízení

přístupu na bázi frekvenčního multiplexu (FDMA, Frequency Division Multiple

Access).

Ovšem GSM není jediný standard pro mobilní sítě, který se používá. Existují i

jiné, využívající pro sdílení přenosového média (frekvenčních kanálů) a řízení

přístupu jednotlivých stanic úplně jiné metody než časový multiplex, resp.

TDMA. Zejména v zámoří jsou oblíbené mobilní sítě, využívající k danému účelu

techniky kódového multiplexu. Ten je při daném využití (pro potřeby řízení

přístupu) již označován jako CDMA (Code Division Multiple Access). Snad netřeba

připomínat, že i v ČR máme jednu CDMA síť – provozuje ji Eurotel, v pásmu 450

MHz, a to výhradně pro datové přenosy (nikoli pro hlas).



TDD a FDD

Na závěr se musíme zmínit ještě o jedné související technice, a to o technice

tzv. duplexingu. Jak už její název napovídá, jde o způsob, jak je v

bezdrátových sítích řešena komunikace v obou směrech. Základní možnosti jsou

dvě, ilustruje je další obrázek.

( Technika tzv. frekvenčního duplexu (FDD, Frequency Division Duplex)

předpokládá, že pro každý ze směrů jsou použity samostatné (a tudíž různé)

frekvenční rozsahy. Takto je to řešeno například v GSM, kde je fakticky

vyhrazeno 2 × 124 frekvenčních kanálů: 124 v pásmu 890–915 MHz pro tzv. uplink

(směr od mobilního terminálu do sítě) a 124 v pásmu 935 až 960 MHz pro opačný

směr, tzv. downlink.

( Technika tzv. časového duplexu (TDD, Time Division Duplex) předpokládá, že

pro komunikaci v obou směrech se používají stejné frekvence, ale střídavě v

čase. Každý timeslot je vždy použit pro přenos jedním směrem, ale další

timeslot již může být využit pro přenos opačným směrem.

Zajímavé je, že obě tyto techniky nejsou zcela rovnocenné, pokud jde o jejich

vhodnost pro potřeby datových služeb. V případě hlasových služeb ještě nikoli,

protože zde je „spotřeba“ přenosových kapacit v obou směrech v zásadě stejná. V

případě datových přenosů bývají požadavky asymetrické, konkrétně vyšší ve směru

downlinku (od sítě k uživateli) a nižší v opačném směru. Technika frekvenčního

duplexu, v jejímž rámci by pro oba směry byl vyhrazen stejný počet frekvenčních

kanálů, by pak nebyla nejvhodnější. Naopak technika časového duplexu umožňuje

rozkládat celkovou přenosovou kapacitu mezi oba směry podle momentálních potřeb.