Báječný svět počítačových sítí (5) - Základy datových komunikací II

Základem pro fungování počítačových sítí jsou přenosová média, protože právě
ona a pouze ona fakticky přenáší nějaká data. Přenosových médií ovšem existuje

celá řada a jejich vlastnosti a schopnosti se v mnohém liší. Jak je to

například s koaxiálními kabely, kroucenými dvoulinkami, optickými vlákny či

třeba s bezdrátovými přenosovými médii?



V předchozí části tohoto seriálu jsme dospěli k tomu, že schopnost přenášet

data je dána zejména šířkou přenosového pásma a také kvalitou média (linky),

vyjádřenou jako poměr mezi užitečným signálem a neužitečným šumem.

Šířka pásma, měřená v hertzích (Hz), představuje vlastně rozsah frekvencí,

které je dané přenosové médium schopné přenášet. Schopnost přenášet data je na

ní pak lineárně závislá: čím větší je šířka pásma, tím větší je i schopnost

přenášet data. Tuto schopnost ale již vyjadřuje tzv. přenosová rychlost, kterou

měříme v bitech za sekundu, resp. v násobcích (kilobitech za sekundu,

megabitech za sekundu atd.).

Závislost na kvalitě linky, resp. na poměru mezi užitečným signálem a

neužitečným šumem je již poněkud složitější ale i zde platí, že čím je „odstup“

užitečného signálu od šumu větší (čím je signál silnější v porovnání se sílou

šumu), tím lépe. Konkrétní závislost vychází z tzv. Shannonova teorému, který

jsme popsali již v minulém dílu. Pro připomenutí ale jeden důležitý dovětek:

maximální dosažitelná přenosová rychlost při určité šířce pásma a určitém

odstupu signálu od šumu vůbec nezávisí na dokonalosti technologií a způsobu,

jak přenosové médium využíváme. Takže ani sebedokonalejší technologie nás

nedostane přes maximum, plynoucí ze Shannonova teorému.

V praxi ovšem narážíme i na prozaičtější překážky, jako třeba na útlum

(zeslabení) signálu či jeho zkreslení během přenosu. To jsou ale věci, se

kterými si dokonalejší technologie dokáží poradit (například vhodným zesílením

signálu, použitím signálu vhodného průběhu atd.).



Klasifikace přenosových médií

Než se začneme bavit o vlastnostech jednotlivých přenosových médií, nejprve si

je vhodně „rozškatulkujme“. Pro začátek si je můžeme rozdělit na „drátová“ a

„bezdrátová“ přenosová média. Můžeme jim také říkat „vodičová“ a „éterová“.

Drátová (vodičová) média jsou specifická tím, že přenášený signál prochází

pouze skrze ně (tedy jej tzv. vedou) a až na nežádoucí vyzařování, které se

snažíme maximálně omezit, je signál neopouští. Naproti tomu bezdrátová

(„éterová“) média předpokládají šíření signálu ve formě elektromagnetických vln

otevřeným prostorem, ať již ve všech směrech či jen v určitém konkrétním směru.

Drátová média si můžeme dále rozdělit na metalická (kovová) a optická

(přenášející světelné paprsky). Přitom „optická a drátová“ jsou optická vlákna,

která jsou nejčastěji skleněná (křemíková), ale existují i optická vlákna

vyrobená z plastů. Naopak „metalická drátová“ média se nejčastěji vyskytují buď

v podobě tzv. kroucené dvoulinky (anglicky: twisted-pair), nebo v podobě tzv.

koaxiálních (souosých) kabelů. Existují však i různé hybridy mezi oběma

variantami.

Bezdrátová média zase nejčastěji dělíme podle toho, na jakých frekvencích (v

jakých frekvenčních pásmech) je příslušný signál přenášen, resp. vysílán a

přijímán. Pak se hovoří o přenosech mikrovlnných, infračervených, obecněji o

rádiových atd. Kritériem může být i způsob bezdrátového přenosu, pak se hovoří

například o satelitních přenosech, pozemních přenosech atd. Poměrně samostatnou

kategorií pak tvoří bezdrátové optické přenosy (FSO, Free-Space Optics),

označované také jako „laserové“.



Drátová přenosová média

Přenosové schopnosti „drátových“ médií jsou dosti různorodé. Zatímco například

u kroucené dvoulinky jsme se dnes už často dostali „na doraz“, u koaxiálních

kabelů stále ještě existují jisté rezervy. Ty ale nejsou nic proti tomu, jaký

je přenosový potenciál optických vláken. Ten je skutečně obrovský a dnes jej

využíváme jen z velmi malé části. Jedno známé přísloví z branže dokonce říká,

že ani pořádně netušíme, jak je tento potenciál vlastně velký.

Něco málo o kapacitních možnostech optických vláken však přece jen tušíme. Mají

totiž k dispozici obrovskou šířku přenosového pásma, danou velikostí a rozpětím

frekvencí, které používají. Je to proto, že optická vlákna přenáší světlo ve

viditelném rozsahu, které má frekvenci kolem 108 MHz, resp. 1014 Hz, resp. 100

THz. Naproti tomu kroucená dvoulinka pracuje s relativně nízkými frekvencemi

(do stovek MHz) a koaxiální kabel zvládá ještě o něco vyšší frekvence. Ukazuje

to ostatně i obrázek, na kterém je znázorněn (na ose Y) měrný útlum

jednotlivých typů přenosových médií. Měrný útlum je veličina, udávající nakolik

médium o příslušné jednotce délky zeslabuje (utlumuje) přenášený signál. Jde

však jen o orientační představu, v praxi velmi záleží na provedení, použitém

materiálu atd. Navíc útlum obecně závisí i na frekvenci přenášeného signálu.

Spíše než přesné faktografické údaje by nám měl obrázek naznačit jednu

podstatnou věc: kroucená dvoulinka má relativně nejhorší přenosové vlastnosti

(největší útlum), a tak s ní „dosáhneme“ spíše jen na kratší vzdálenosti. S

koaxiálními kabely je to již o něco lepší, ale nejdéle se můžeme dostat s

optickými vlákny, která vykazují nejmenší měrný útlum.



Kroucená dvoulinka

S kroucenou dvoulinkou se v praxi můžeme setkat poměrně často, například v

rámci telefonních rozvodů (na větší vzdálenosti, z domovů či kanceláří až k

telefonním ústřednám), nebo v rámci „počítačových“ rozvodů, spíše na kratší

vzdálenosti (desítky metrů, max. 100 metrů).

Kroucené dvoulinky tedy existuje více druhů. Někdy se hovoří o „telefonní“

dvoulince a „datové“ dvoulince, ale přesnější je jejich rozdělení do tříd,

resp. do kategorií. Z „datových“ jsou dnes nejpoužívanější dvoulinky:

- kategorie 3: dimenzované pro signál o frekvenci do 10 MHz,

- kategorie 5: pro signál do 100 až 120 MHz,

- kategorie 6: do 200 MHz.

Přenosová rychlost, kterou v praxi na kroucené dvoulince můžeme dosáhnout, je

závislá i na tom, kolik párů (dvojic vodičů, respektive dvoulinek) použijeme.

Například pro desetimegabitový Ethernet (podle standardu 10BaseT) vystačíme se

dvěma páry dvoulinky kategorie 3. Pro stomegabitový Ethernet (100BaseTX) nám

stačí dva páry dvoulinky kategorie 5, ale existuje i řešení (100baseT4), při

kterém můžeme použít 4 páry dvoulinky kategorie 3. Pro ještě vyšší rychlosti

(gigabitový Ethernet atd.) se ovšem používá již jen kategorie 5 či vyšší.

V praxi se přitom používají kabely, které obsahují více párů kroucené dvoulinky

současně nejčastěji jde o 4 páry. V telefonii se pak lze setkat s kabely, které

obsahují až stovky párů „telefonní dvoulinky“.



UTP a STP

Proč je vlastně dvoulinka kroucená a nikoli rovná? To proto, že každé dva

vodiče, vedené vedle sebe, se chovají jako anténa a něco vysílají (vyzařují) do

svého okolí a stejně tak něco ze svého okolí přijímají. K pravidelnému kroucení

obou vodičů po celé délce (nejčastěji 1× každých 7,5 až 10 cm) dochází právě

kvůli tomu, aby se tento efekt minimalizoval. Bohužel se nikdy neodstraní

úplně, a tak i kroucená dvoulinka stále něco vyzařuje do svého okolí (a také z

něj něco přijímá).

Dalším opatřením je použití přídavného stínění, které má vyzařování snižovat.

Podle toho, zda je či není použito, pak rozlišujeme:

lnestíněnou kroucenou dvoulinku (anglicky: UTP, Unshielded Twisted Pair), která

nemá žádné stínění,

lstíněnou kroucenou dvoulinku (STP, Shielded Twisted Pair), která má samostatné

stínění každého páru v kabelu.

Pochopitelně stíněná dvoulinka (STP) je dražší než nestíněná, a tak se v praxi

používá spíše dvoulinka nestíněná. Někdy se ale lze setkat ještě s třetí

variantou, v níž je stínění pro všechny páry v rámci daného kabelu společné.

Nechrání tak proti vzájemnému ovlivňování jednotlivých párů, ale chrání alespoň

proti vyzařování ven z kabelu. V angličtině je tato varianta označována jako

„Screened“ (ScTP).



Koaxiální kabely

Koaxiální kabely byly využívány pro datové přenosy dokonce ještě dříve než

kroucená dvoulinka. Například první standardy Ethernetu vznikly právě s

předpokladem použití koaxiálního kabelu, teprve později se objevila možnost

využití kroucené dvoulinky.

Dnes se koaxiální kabely pro datové přenosy znovu vrací na výsluní, a to

zejména v souvislosti s budováním tzv. hybridních sítí (HFC, Hybrid

Fiber-Coax), kombinujících optická vlákna s koaxiálními kabely. Jde většinou o

novější rozvody, u kterých jsou použity (relativně dražší) optické kabely pro

překlenutí větších vzdáleností, například po vstup do jednotlivých domů či

jiných objektů. Pro další rozvody, které již obvykle mají „paprskovitý“

charakter, by ale použití optických vláken bylo stále ještě příliš nákladné, a

tak se realizuje pomocí koaxiálních kabelů. Příkladem mohou být rozvody

kabelových televizí.

Předností koaxiálních kabelů je to, že jejich chování jako antény (hlavně

vyzařování do okolí, ale také příjem z okolí) je velmi malé. Je to dáno jejich

konstrukcí, které také vděčí za své jméno. „Koaxiální“, resp. „co-axial“ totiž

znamená „soustředný“, oba vodiče koaxiálního kabelu jsou skutečně soustředné

(mají společný střed).

Uvnitř koaxiálního kabelu se nachází vnitřní (středový) vodič, kolem kterého je

vrstva izolace, kolem ní se pak ve formě vodivého opletení nachází druhý vodič.

Jeho střed (středová osa) se přitom shoduje se středem vnitřního vodiče.

Podstatné ale je, že druhý vodič (ve formě vodivého opletení) funguje jako

účinné stínění po celé délce koaxiálního kabelu, a tím výrazně snižuje

vyzařování směrem ven.



Optická vlákna

Jak jsme již uvedli, optická vlákna mají oproti kroucené dvoulince i koaxiálním

kabelům zdaleka největší potenciál v přenosu dat, s tím, že dnes tento

potenciál využíváme stále jen velmi málo. Proto jsou optická vlákna instalována

všude tam, kde je potřeba realizovat větší přenosovou kapacitu či alespoň

vytvořit předpoklady pro budoucí využití takovéto větší kapacity. Na druhou

stranu instalace optických vláken je přece jen náročnější a nákladnější než u

ostatních drátových přenosových médií.

Optická vlákna již ze své fyzikální podstaty přenáší data modulovaná

(„naložená“) na světelný paprsek. K vedení tohoto paprsku optickým vláknem se

využívá základních poznatků z fyziky, konkrétně tzv. Schnellova zákonu lomu.

Ten říká, že když světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s různou

optickou hustotou (dvou „různě průhledných“ prostředí), část paprsku se odráží

zpět a část prostupuje dále, do druhého prostředí jak ilustruje další obrázek.

Záleží ovšem také na rozdílu optických hustot (na rozdílu v „průhlednosti“ obou

prostředí) a na úhlu dopadu paprsku pokud je tento úhel dostatečně malý (měřeno

od osy vlákna, na obrázku od vodorovné osy), pak se celý paprsek odráží zpět do

původního prostředí a nic z něj neprostupuje do druhého prostředí (dochází k

úplnému odrazu). A to už je to, co optická vlákna potřebují: stačí vhodně volit

materiál obou prostředí (jádra i pláště) a také úhel dopadu světelného paprsku,

měřeno od osy vlákna. Pokud bude tento úhel dopadu menší než určitá mezní

hodnota (označovaná jako tzv. numerická apertura), bude uvnitř vlákna docházet

jen k úplným odrazům a světelný paprsek bude optickým vláknem veden po celé

jeho délce.



Mnohovidová a jednovidová optická vlákna

To, co jsme si právě popsali, platí pro tzv. mnohobodová vlákna, skrze která

může procházet více svazků paprsků (tzv. vidů) současně. Každý z nich přitom

vstupuje do optického vlákna pod trochu jiným úhlem, a proto také „cestuje“ po

trochu jiné dráze. Na druhém konci vlákna pak díky tomu vystupují jednotlivé

vidy s určitým vzájemným posunem (označovaným jako vidová disperze). Příjemce

ovšem nevyhodnocuje jednotlivé vidy samostatně, ale pouze jejich součet. Kvůli

vidové disperzi pak přijímá původní signál v poněkud deformovaném (zkresleném)

tvaru, což ilustruje následující obrázek.

Konstrukčně jsou přitom mnohovidová vlákna řešena tak, že jejich optická

prostředí (jádro a plášť) se mění skokovitě (se skokovitým indexem lomu), nebo

pozvolna (s gradientním indexem lomu). Podle toho se pak jednotlivé vidy buď

skokovitě odráží, nebo pozvolna „ohýbají“.

Není jistě těžké nahlédnout, že vidová disperze u mnohobodových vláken bude mít

více šancí se uplatnit a více zkreslit přenášený signál, pokud bude optické

vlákno delší. Dosah mnohovidových vláken je proto relativně omezený, alespoň

oproti tzv. jednovidovým vláknům. Ta již podle svého názvu vedou vždy jen jeden

vid, a to zcela bez odrazů. Nedochází u nich tudíž k vidové disperzi, která by

zkreslovala přijímaný signál, a tak s nimi lze v praxi dosáhnout na větší

vzdálenost a také dosahovat vyšších rychlostí.

Rozdíl mezi jednovidovými a mnohovidovými vlákny je samozřejmě i v jejich

provedení, ceně a náročnosti na manipulaci a instalaci. Jednovidová vlákna jsou

obecně tenčí, dražší, křehčí a náročnější na manipulaci (např. na osazení

konektory). Naproti tomu mnohovidová vlákna jsou silnější, lacinější, méně

křehká a méně náročná na manipulaci:

- jednovidová vlákna mají průměr jádra 4 až 10 mikronů (mikrometrů),

- mnohovidová vlákna mají průměr jádra 50, 62,5 nebo 100 mikrometrů.



Optické kabely

Oba druhy optických vláken jsou stále příliš slabé a křehké na to, aby se daly

v praxi používat samostatně. Když už tomu tak má být, musí být obalena další

silnou vrstvou vhodného materiálu, který zabezpečí potřebné mechanické

vlastnosti (například je ochrání proti snadnému zlomu). Spíše se ale větší

počty jednotlivých optických vláken sdružují do jednoho konstrukčního celku

optického kabelu. Ten pak zajišťuje také potřebné mechanické vlastnosti

(tuhost) a ochranu jednotlivých vláken před poškozením.

Existují přitom i kombinované (hybridní) kabely, které kromě optických vláken

obsahují také koaxiální kabely. Ty jsou většinou dostatečně tuhé na to, aby

zajišťovaly potřebnou tuhost i pro celý kabel. Kromě nich pak jsou v kabelu

umístěna ještě optická vlákna. Po instalování takového kabelu je možné zpočátku

používat třeba jen koaxiální kabel. Když pak požadavky na přenosovou kapacitu

vzrostou, je možné začít používat i jednotlivá optická vlákna.

Myšlenka kombinovaných (hybridních) kabelů se snaží reagovat na skutečnost, že

v poslední době už nejsou nejvíce nákladné samotné kabely, ale jejich pokládka.

Proto nabízí možnost „zakopat do země“ něco (optická vlákna), co třeba ještě

není aktuálně zapotřebí, ale do budoucna může být a pak lze vše využít, aniž by

bylo nutné znovu „kopat do země“.

Ze stejné úvahy vychází i další dnešní praxe, která také úzce souvisí s

optickými vlákny a kabely. Jde v ní o to, že když už se musí „kopat do země“,

pak se do ní „zakope“ více, než je právě potřeba, jako určitá rezerva pro

budoucnost. Dokonce ani nemusí jít o hotové kabely, optické či jiné. Stačí

„zakopat“ prázdné plastové trubky, tzv. chráničky. Když se pak někdy později

objeví potřeba zřídit nějakou přenosovou kapacitu, stačí těmito chráničkami

protáhnout potřebné kabely aniž by se muselo znovu „kopat do země“. Dokonce

díky chráničkám je možné již jednou položené kabely zase někdy později

vytáhnout a místo nich natáhnout skrze chráničky kabely nové.



Plastová optická vlákna

Optická vlákna má smysl používat i na krátké vzdálenosti, třeba jen na několik

metrů například pro propojování výkonnějších zařízení. V takovém případě by ale

klasická „skleněná“ optická vlákna byla zbytečným luxusem, navíc s ne zrovna

jednoduchou manipulací (náročností na konektorování atd.).

Proto se v praxi používají také jiná optická vlákna, nikoli skleněná, ale

plastová. Jsou relativně nenáročná na cenu i provedení, na krátké vzdálenosti

mohou nabízet i dostatečně vysoké přenosové rychlosti. Průměr optických vláken

je na jedné straně výrazně větší než průměr vláken skleněných. Na druhé straně

ale ani větší průměr není v praxi překážkou, ale spíše výhodou, kvůli lepším

mechanickým vlastnostem.



Vlnový multiplex

Optické přenosové technologie se s postupem času výrazně zdokonalují. Časem se

možná dočkáme i čistě optického zpracování dat, ale zatím zůstaňme jen u

optických přenosů a přenosových médií. Zde je jasným trendem postupné zvyšování

dosahu souvislých optických segmentů (bez zesilovačů), stejně jako zvyšování

dosahovaných rychlostí.

K ještě výraznějším změnám však dochází v důsledku prosazování techniky,

označované jako „vlnový multiplex“ (wavelength multiplexing). Ta umožňuje

použít jedno optické vlákno pro více (samostatných) přenosů současně. Vlastně

jde o jakési rozdělení (proto multiplex) optického vlákna na několik samostatně

využitelných kanálů. V každém z nich pak lze dosahovat obvykle stejných

rychlostí jako bez takovéhoto dělení. Jinými slovy to znamená, že pomocí

vlnového multiplexu lze vynásobit dosahovanou přenosovou kapacitu optického

vlákna n-krát, kde n je počet „kanálů“, na něž je vlákno rozděleno.

Vlnový multiplex ve skutečnosti funguje tak, že od sebe dokáže oddělit světelné

paprsky různých vlnových délek (proto vlnový multiplex). Přitom paprsky různých

vlnových délek odpovídají světlu o různé barvě, a proto se i zde hovoří o

„barvách“: vlnový multiplex přenáší přes optické vlákno různé barvy, každá z

nich může nést samostatný „náklad“ dat (každá může být modulována samostatně).

Základní představu naznačuje obrázek vlevo dole.

Počet barev, používaných v praxi, se pochopitelně také vyvíjí v čase. Dnes jsou

běžně dostupné (ve formě komerčních řešení) systémy pracující s desítkami

barev. V laboratorních podmínkách však nejsou výjimkou ani tisíce barev na

jediném vlákně.

Příkladem řešení z praxe mohou být optické sítě EuroRing, které v roce 2001

zprovoznila po celé Evropě i u nás společnost KPNQwest. Do země zakopala vždy

určitý počet chrániček (od 2 do 10), ale optický kabel většinou instalovala jen

do jedné z nich. Každý kabel měl 120 vláken, každé vlákno bylo ještě rozděleno

na 80 barev pomocí vlnového multiplexu. V rámci každé barvy byla přenášena data

rychlostí 10 Gbit/s. V přepočtu to odpovídá 800 Gbps na jedno vlákno, a při 120

vláknech v jednom kabelu to představuje úctyhodných 96 Tbps (terabitů za

sekundu). V přepočtu na počet obyvatel ČR to vycházelo téměř na 10 Mbit/s na

hlavu. Tak obrovskou kapacitu se ale nepodařilo úspěšně prodat a společnost

KPNQwest později zkrachovala.



Optické přenosové systémy

Samotná optická vlákna by k přenosu dat samozřejmě nestačila. Na obou jejich

stranách musí být instalována vhodná zařízení, zajišťující z jedné strany

generování světelných paprsků a z druhé strany vyhodnocující jejich příjem.

Potřebné zdroje světla a detektory se pochopitelně liší podle toho, o jaké

vlákno jde nejjednodušší plastová i mnohovidová vlákna například vystačí se

světelnými zdroji na bázi diod LED. Naproti tomu jednovidová vlákna vyžadují

dostatečně kvalitní laserové zdroje. Obdobné je to i na druhé straně.

Po doplnění nezbytného zdroje světla a vysílače (pro převod signálu z

elektronické do optické podoby) a detektoru a přijímače (pro opačný převod)

teprve dostáváme ucelený optický přenosový systém.

Pokud je použit ještě vlnový multiplex, musí být oba konce vláken osazeny ještě

příslušným vybavením pro rozlišování jednotlivých barev a jejich samostatnou

modulaci, podle přenášených dat.