Datové komunikace

Pojem datové komunikace dnes vyjadřuje přenos informací na dálku, ať se jedná o metry, nebo kilometry. Na rozdíl od pojmu telekomunikace, kde dominuje přenos hlasu, tak v datových komunikacích jde zejména o přenos datových, hlasových i obrazových informací.

Komunikační sítě jsou:

• veřejné – dostupné každému uživateli,
• neveřejné – slouží jen uzavřené skupině.

Přenosové prostředky datové komunikace

Základní jednotkou pro datovou komunikaci je spoj, který umožňuje výměnu informací (uživatelských nebo řídicích) mezi informačním zdrojem a informačním spotřebičem, tj. mezi stanicemi.

Vlastní spoje mohou být:

• dvoubodové (point-to-point) slouží pro komunikaci mezi dvěma uživateli datové komunikace,
• mnohabodové (point-to-multipoint) slouží pro komunikaci více uživatelů.

Dvoubodový spoj se skládá ze dvou stanic propojených přenosovou cestou.

Přenosová cesta se realizuje páry metalických vodičů, nebo koaxiálním vodičem, optickým vláknem nebo příslušným kmitočtovým pásmem při bezdrátovém přenosu. Přenosová cesta slouží k přenosu signálů nesoucí informaci, které mohou být elektrické, optické nebo elektromagnetické.

Vlastní datový spoj může být jednosměrný nebo obousměrný. Přenosová cesta pro obousměrný přenos signálů je označována jako tzv. okruh, zatímco přenosová cesta pro jednosměrný přenos jako tzv. kanál. Okruh je tedy dvojice rotisměrných kanálů.

Obr. 18: Dvoubodové spoje: jednosměrný a obousměrný

Pokud mezi stanicemi existuje kanál, jedná se o simplexní (SX) přenos informace od jedné stanice (A) k druhé stanici (B). Pokud mezi stanicemi je spojení typu okruh, lze po něm přenášet informace současně obousměrně, jedná se o plně duplexní přenos (FD). Pokud se přenos uskutečňuje střídavě, označujeme tento přenos jako poloduplexní (HDX).

Datové okruhy

Datový spoj, tak jak bylo popsáno, se tedy skládá z datových stanic a z kanálu nebo okruhu u jednobodového spoje nebo u vícebodového spoje z více kanálů, popřípadě okruhů.

Kanály a okruhy mohou být pevné, kdy mezi stanicemi není vloženo žádné spojovací zařízení (ústředna nebo přepínač). U vícebodového spoje je mezi datovými stanicemi spojovací zařízení a ve spolupráci s datovými stanicemi jsou kanály a okruhy dle požadavku přepínané neboli komutované. Přepínané komutované kanály a okruhy se vytvářejí v sítích na dobu určitou (po dobu spojení, kterou určuje datová stanice), zatímco pevné kanály, okruhy jsou buď trvalé, nebo se pronajímají (propůjčují) předem na dohodnutou dobu.

Z hlediska charakteru přenášeného signálu se rozlišují kanály, resp. okruhy:

• analogové (např. v telefonní síti),
• digitální (např. ISDN přípojky).

Podle provedení přenosové cesty kanálu se rozlišují kanály okruhu:

• drátové:
  • dvoudrátové pro simplexní nebo poloduplexní přenos,
  • čtyřdrátové pro duplexní přenos.
• bezdrátové: radiový přenos, přenos infračerveným zářením, bezdrátový optický přenos a další

Fyzické kanály a okruhy znamenají takovou přenosovou cestu, kterou v daný okamžik lze fyzicky vysledovat. U spojení, kdy se signály na přenosové cestě přenášejí s mezilehlým záznamem a teprve pak jsou odeslány k adresátovi, a tak se nedají v daný okamžik vysledovat, tvoří tak virtuální přenosové prostředí, tedy virtuální kanál nebo okruh a to buď virtuální pevný nebo přepínaný.

Přenosová cesta

Přenosová cesta vytváří podmínky pro přenosové kapacity pro přenos signálů. Jak již bylo popsáno, v zásadě se jedná o drátovou komunikaci, využívající měděné vodiče, koaxiální kabely, optická vlákna (tj. světlovody skleněné nebo z plastu) a bezdrátovou komunikaci, kdy přenosovým prostředím může být vzduch.

Vlastní provedení a parametry používaných prostředků přenosové sítě jsou:

Symetrický kabel

Symetrický kabel (někdy označovaný jako kroucený pár podle twisted pair) složený z páru vzájemně zkroucených vodičů je nejlevnější, ale také nejméně výkonný. Fyzikální vlastnosti omezují maximální dosažitelnou rychlost přenosu. Přenos signálů o frekvencích nad 15 MHz vykazuje neúměrné ztráty na vedení. Symetrický kabel má bez použití stínění (UTP) sníženou odolnost proti průmyslovému rušení, proti vlivům rázových a magnetických polí, indukovaných napětí apod., na rozdíl od stíněné verze kabelu (STP).

Parametry symetrického kabelu jsou dvojího druhu:

• Přenosové – útlum, impedance (kabel STP má impedanci 150 Ω a kabel UTP 100 Ω), časový neklid signálu, zpoždění přenosu signálu;
• Vazební – ztráty přeslechem, ztráty rušením, šum.

Americké organizace EIA (Electronics Industry Association) a TIA (Telecommunications Industry Association) společně specifikovaly metody a způsoby pro konstrukci, instalaci a zakončení kabeláže. Z hlediska instalace síťové a telefonní kabeláže jsou pro „stavitele“ sítí určeny specifikace EIA/TIA 568-570 a 606, které specifikují např. minimální vzdálenosti kabelů od elektrických zdrojů šumu, možné umístění některých typů kabelů vedle sebe, nebo způsob instalace konektorů.

Stíněný symetrický kabel (shieled twisted pair, STP) se typicky skládá z měděných vodičů, kde každý z nich je obklopen izolačním nevodivým materiálem (např. PVC). Dráty jsou vzájemně kolem sebe obtočeny takovým způsobem, aby vytvořily dvojice. V párech jsou sdruženy vždy dva dráty pro vysílání nebo dva pro příjem. Každý pár je obklopen kovovým štítem ve formě fólie po celé délce kabelu. Celý kabel je zabalen do izolačního „pouzdra“, které kromě izolace současně drží dráty dohromady. Kabely STP se vyrábějí v několika variantách, typech, z hlediska konstrukce a složení. Typy STP jsou založeny na kabeláži IBM – rozlišuje se devět typů.

Nestíněný symetrický kabel (unshieled twisted pair, UTP) se skládá ze dvou, čtyř, 22, 24 nebo 26 měděných drátů podle AWG (American Wire Gauge). Páry drátů jsou opět vzájemně obtočeny. Kvalita a elektromagnetické emise jsou v UTP již na takové úrovni, že prakticky nahradily STP.

Kategorie UTP podle EIA/TIA, do nichž se dělí typy nestíněných symetrických kabelů, mají následující charakteristiky:

• kategorie 1 = žádná výkonnostní kritéria,
• kategorie 2 = do 1 MHz (telefonní dráty),
• kategorie 3 = do 16 MHz (např. Ethernet 10BASE-T, 100BASE-T4), označuje se jako úroveň pro přenos hlasových informací,
• kategorie 4 = do 20 MHz (např. Token Ring, 10BASE-T, 100BASE-T4), označuje se jako úroveň pro přenos dat,
• kategorie 5 = do 100 MHz (100BASE-TX, 10BASE T, 1000BASE-T),označuje se jako úroveň pro přenost dat,
• kategorie 6 = do 250 MHz (podle normy TIA/EIA- 568-B.2.1).

Koaxiální kabel

Je tvořen dvěma vodiči odlišných funkcí: vnější obaluje vnitřní (většinou měděný, jedno žilový), po němž se přenášejí signály (jedná se proto o nesymetrický přenos). Vodiče jsou od sebe odděleny izolačním materiálem (pěna) a celý kabel je také zaizolován a zabalen v plastu. Vnější vodič plní funkci stínění, ale v reálných podmínkách dochází ke zhoršení účinnosti potlačení rušení kvůli vyrovnávacím proudům v tomto vodiči. Tak dochází ke snížení poměru signálu vůči šumu především v oblasti nízkofrekvenčních signálů (20 kHz–6 MHz). Je proto žádoucí, aby se kabel stýkal se zemí na co nejméně místech a aby k němu připojená zařízení byla izolovaná.

Koaxiální kabel má vyšší odolnost proti elektromagnetickému rušení a proti vlivu indukovaných napětí než symetrický kabel, ale nechrání dobře proti magnetickému rušení. Pro přímé vysílání v základním pásmu se používají kmitočty pod 50 MHz. Zvýšení rychlosti přenosu po kabelu se dosahuje modulací digitálního signálu na nosný vysokofrekvenční signál v LAN.

Koaxiální kabel se může používat v mnoha provedeních, která jsou určována podmínkami provozu sítě (elektromagnetická slučitelnost, odolnost proti fyzikálním a chemickým vlivům prostředí atd.). Jako izolace mezi jádrem a pláštěm bývá použit polyetylén. Hodnota impedance se pohybuje podle přenosové technologie mezi 50 a 100 Ω. Výhodou je také snadné propojování a připojování zařízení pomocí konektorů.

V Ethernetu / IEEE 802.3 se používají dva typy koaxiálního kabelu:

• Silný (thick, žlutý) – vodič (o tloušťce 1,5 mm) v jádru přenáší data a je obklopen čtyřmi vrstvami izolačního a stínicího materiálu (celková tloušťka kabelu je asi 10 mm.) Tento koaxiální kabel se používá výhradně v instalacích pro Ethernet (např. 10BASE-5, protože je sice kvalitnější, ale také náročnější na instalace (jeho ohebnost je ztížena mnohonásobným opletením).
• Tenký (thin) – vodič v jádru je obkopen pouze jedinou vrstvou stínění (nejčastěji měděnou fólií) oddělenou izolačním materiálem. Jediná vrstva samozřejmě nechrání tento koaxiální kabel před vnějšími vlivy jako silný kabel (používá se do menších vzdáleností u Ethernetu, 10BASE-2), ale to je vyváženo jednodušší instalací, větší pružností a nižší cenou. Kabel je podobný, avšak nikoli totožný s televizním koaxiálním kabelem (líší se v impedanci: 75 Ω pro televizi a 50 Ω pro Ethernet), nelze je proto zaměňovat.

Světlovody

Optické kabely (světlovody) jsou nejnovějším a nejperspektivnějším přenosovým prostředkem používaným v komunikačních sítích, nejen rozlehlých, ale stále častěji i lokálních. Využívají možnosti přenášet informace prostřednictvím světelného signálu místo elektrického. Používá se elektromagnetické vlnění o vlnových délkách 850–1 550 nm. Umožňují tak dosáhnout vysoké přenosové rychlosti (šířka využitelného pásma teoreticky 200 THz), dokonalé galvanické oddělení stanic, dokonalou elektromagnetickou slučitelnost, odstraňují potíže vzniklé různými zemními potencionály a jsou odolné proti odposlouchávání. Dielektrický charakter optických kabeláží (neobsahují žádný vodivý materiál) dovoluje jejich instalaci v prostředích se silným elektromagnetickým či rádiovým rušením.

Optická vlákna jsou navíc tenčí a lehčí než metalické kabely. To rovněž dovoluje vyrábět velmi dlouhé kabely, které tak méně trpí zhoršením vlastností při jejich spojování. Navíc mají optické kabely výrazně vyšší odolnost vůči tahu než kabely metalické.

Z hlediska kapacity a bezpečnosti přenosu nemají mezi přenosovými prostředky konkurenci. Optické kabely umožňují propustnost v řádu Tbit/s (10¹² bit/s). Nízký útlum a vysoká integrita signálu dovoluje přenášet data na stonásobně delší vzdálenost než po metalickém vedení. Regenerace signálu je podle typu vysílače potřebná až pro vzdálenosti desítek kilometrů (konvenční měděné kabely dosahují na vzdálenost 1 km maximálně 100 Mbit/s před regenerací signálu). Optická vlákna používající vlnový multiplex (WDM) mohou podporovat mnoho vlnových kanálů, z nichž každý může podporovat rychlost 2,5 nebo 10 Gbit/s, takže pásmo jediného vlákna může dosahovat Tbit/s.

Podstatou optického přenosu je přeměna elektrického informačního signálu na optický. Tato konverze se provádí ve zdroji záření, kterým je svíticí dioda (Light Emitting Diode, LED) nebo laserová dioda. LED jsou mnohem levnější a nabízejí menší šířku pásma než lasery. Jejich generované infračervené vlny dosahují pouze kratších vzdáleností s přijatelnou chybovostí. LED se proto používají v optických přenosových systémech s kratším dosahem a menší šířkou pásma. Laserové diody jsou mnohem náročnější na výrobu, takže jsou mnohem dražší než LED. Navíc potřebují více podpůrné elektroniky, potřebné pro řízení okolních teplot. Nabízejí však větší šířku pásma.

Po přenosu optickým vláknem dochází k detekci záření fotodiodou nebo fototranzistorem a k dalšímu zpracování. Přenos optickými vlákny je charakteristický výraznou směrovou orientací, protože nelze jednoduše přenášet signál jedním vláknem oběma směry současně. Lze toho docílit použitím různých vlnových délek, kdy je možné dosáhnout multiplexního spojení (vlnový multiplex). Množství přenesené informace za jednotku času při vhodné modulaci je přímo úměrné výši nosné frekvence, proto se přechází ke stále vyšším kmitočtům.

Optické vlákno se skládá ze tří částí: světlovodné jádro (core), obal (cladding) a vnější plášť (coating). Jádro (s průměrem 8,3/50/62,5 μm) je vyrobeno z křemíkového skla nejvyšší čistoty a obal mu zajišťuje vrstva křemíkového skla mírně odlišného složení. Díky tomu se liší jeho index lomu světla a signál se tak udržuje uvnitř jádra. Celková tloušťka jádra s obalem je 125 μm. Vnější plášť je z akrylátové sloučeniny a slouží k ochraně optického vlákna. Pro použití v kabelech méněžilových nebo v podnikové instalaci se používají vlákna s vnějším pláštěm o průměru 900 μm, zatímco v mnohožilových kabelech pro dálkové trasy se používá plášť o vnějším průměru 250 μm.

Používají se dva typy optických vláken :

Jednovidové (singlemode, monomode) – velmi tenké vlákno s vysokou přenosovou kapacitou. Používá laser pro generování světelného paprsku (vid), který dosahuje značných vzdáleností. Jediný paprsek probíhá středem jádra bez odrazů od obalu. Koherentní světlo z laseru má konstantní vlnovou délku, a proto je při příjmu dosaženo lepší kvality než u mnohovidových vláken. Jádro kabelu je velmi tenké (8,3 μm) v souvislosti s jediným úzkým paprskem světla z laseru. Využívá se pro větší vzdálenosti (i desítek kilometrů)

Mnohovidové (multimode) – místo laseru využívá světelné diody pro generování světla, která sestává z několika světelných vlnových délek. Jádro není tak tenké jako u jednotlivých vláken (používají se průměry 50 a 62,5 μm). Protože dioda vysílá všemi směry, vygenerovaný paprsek vniká do jádra optického vlákna tak,že úhel dopadu paprsku s osou jádra je nenulový a dochází tak při jeho cestě optickým vláknem k odrazům od okrajů optického jádra, proto je celková vzdálenost dosahu světelného paprsku omezena (do stovek metrů). Toto vlákno se nechová stejně pro světlo z LED a z laseru, což nebyl problém u signálu do 100 Mbit/s, který používal LED. U LAN s 1, 2,5 a 10 Gbit/s a  laserů typu VCSEL vzniká problém.

Označení kabelů s optickými vlákny se skládá ze dvou částí oddělených lomítkem: První část označuje průměr jádra vlákna v mikrometrech (μm) a druhá část označuje průměr pláště (typické míry u mnohovidového kabelu jsou 62,5/125). Pokládka optických kabelů a především jejich spojování není sice tak jednoduché jako v případě kovových kabelů, ale s postupem doby se vytvořily způsoby, jak instalace ulehčit a provádět úpravy snadno i na místě v terénu. Při spojkování kabelu nebo jeho zakončování do konektoru se část vnějšího pláště odstraňuje a spojuje se pouze jádro s obalem. Moderní metoda instalace boduje pouze kabelové trasy, do nichž se následně zafukují optická vlákna podle potřeby.

Strukturovaná kabeláž

Význam správně provedené kabeláže v sítích je nezbytný nejen pro jejich správnou funkci, ale i pro další rozvoj. Není proto divu, že se této činnosti věnuje vlastně samostatná disciplína, v níž špičkových odborníků není zrovna nadbytek. Ideální je provádět instalaci kabelů na „zelené louce“, nejlépe v ještě rozestavěných budovách prostřednictvím tzv. strukturované kabeláže, kdy je všem typům kabelů (spolu s elektroinstalací) věnován prostor ve stěnách/podlaze a v šachtách mezi patry. Cílem je přenášet jedním rozvodem, připojeným k centrální telekomunikační ústředně, jak hlasové, tak i datové informace. Vhodná dimenze kabeláže pak umožní podporu pro různé požadavky jednotlivých uživatelů a jejich sítí, neboť budou moci využít přímo zásuvek v jednotlivých místnostech. Strukturovaná kabeláž umožňuje jednodušší rekonfiguraci podnikových sítí. Při dodatečné pokládce kabelů je třeba dbát především na jejich vhodné uložení (alespoň pod krycí lišty, nikdy ne volně) a zabezpečení všech konektorů proti náhodnému mechanickému poškození.

Základní charakteristiky přenosových prostředků

Charakteristika	Symetrický kabel	Koaxiální kabel	Optické vlákno
náklady na instalaci	nízké	střední až vysoké	vysoké
přenosová rychlost	řádově až Gbit/s	Gbit/s	až Tbit/s
dosah	desítky až stovky metrů	stovky metrů	km u mnohovidového, desítky km u jednovidového