Temat 3/20.12.14/Światłowody. Media bezprzewodowe.

I. Media przewodowe

1. Definicja światłowodu

Światłowód - falowód służący do przesyłania promieniowania świetlnego, występuje w formie włókien dielektrycznych - najczęściej szklanych, z otuliną z tworzywa sztucznego. 
Do transmisji danych wykorzystywana jest odpowiednio modulowana wiązka światła (zapobiega zniekształceniom sygnału). 
Coraz większa popularność światłowodu jest spowodowana przede wszystkim jego dużą przepustowością, odpornością na zakłócenia, możliwością transmisji na dalekie odległości (dla standardu 100-BaseFX do 2000 m). Możliwa jest teoretyczna transmisja danych do 3 Tb/s, a przepływ danych jest zabezpieczony przed niepowołanym dostępem (nie emitują zewnętrznego pola elektromagnetycznego). 
 
Oprócz wykorzystania światłowodu jako media przewodowego dla tworzenia sieci komputerowej światłowody są także używane w celach medycznych, np. w technice endoskopowej i w zastosowaniach dekoracyjnych. Światłowody są wykorzystywane też w telewizji kablowej, technice laserowej, itp.
Najważniejszym elementem systemu światłowodowej transmisji danych jest światło, które może być emitowane przez:
• diody laserowe (Laser Diode — LD),
• diody elektroluminescencyjne (Light Emitted Diode — LED). 
 

2. Budowa światłowodu 

Światłowód składa się z płaszcza zewnętrznego (ochronnego), zbioru włókien, natomiast każde włókno to zbiór trzech elementów:
• bufora (powłoki ochronnej; wykonany zazwyczaj z akrylonu poprawiający elastyczność światłowodu i zabezpieczający go przed uszkodzeniami; jest tylko ochroną i nie ma wpływu na właściwości transmisyjne światłowodu),
• płaszcza (wykonanym z czystego szkła (SiO2)),
• rdzenia. 

Ze względu na rodzaj współczynnika załamania światła możemy podzielić światłowody na:
    1) skokowy - współczynnik załamania zmienia się skokowo pomiędzy rdzeniem a płaszczem, kąt podania=kąt odbicia=90o. Współczynnik załamania światła zmenia się w sposób skokowy.

    2) gradientowy  - rdzeń światłowodu gradientowego ma budowę warstwową; każda jest inaczej domieszkowana, dzięki czemu współczynnik załamania światła zmienia się w sposób ciągły.

Promień świetlny, który trafia do rdzenia pod odpowiednim kątem, jest określany jako mod światłowodowy. Ze względu na liczbę równocześnie transmitowanych modów rozróżnia się światłowody: 
    • jednomodowe — transmitujące jeden mod (promień) światła,
    • wielomodowe — transmitujące wiele modów (promieni) światła. 
1) Światłowód jednomodowy
    •mała średnica rdzenia (4-10 mm) ogranicza możliwość jednoczesnego wprowadzenia do wnętrza włókna tylko pojedynczej wiązki światła.
    •sygnał wyjściowy charakteryzuje się niemal identycznym natężeniem impulsu optycznego oraz zbliżonym do wejściowego rozkładem natężenia pola optycznego.
2) Światłowód wielomodowy skokowy
    • pozwala na jednoczesny przesył kilku pakietów danych (wiązek światła).
   • w rdzeniu o średnicy 50-1000 mm ze względu na występowanie niekorzystnego zjawiska dyspersji, sygnał wejściowy ulega rozmyciu na wyjściu, a im dłuższy dystans ma światło do pokonania tym zaburzenie sygnału jest większe.
 
3) Światłowód wielomodowy gradientowy
•Aby zminimalizować rozmycie impulsu wyjściowego, stosuje się czasem światłowody wielomodowe z gradientowym współczynnikiem załamania światła.
 

3.Przykładowe standardy sieci Ethernet 

Nazwa Typ światłowodu Maksymalna prędkość transmisji Maksymalna długość segmentu
100Base-FX  wielomodowy 100 Mb/s 2000 m
1000Base-LX  jednomodowy 1000 Mb/s 10 km
1000Base-SX  wielomodowy 1000 Mb/s  550 m
 lOGBase-LR jednomodowy 10 GB/s 10 km

II. Media bezprzewodowe

1. Rodzaje  i zastosowanie fal z zakresu podczerwieni. Twierdzenia Nyqista i Shannona

Fale z zakresu podczerwienia o zakresie długości fali 0,76 mikrometrów do 1mm są emitowane przez ciała rozgrzane (np. ludzkie ciało) w wyniku wzbudzeń cieplnych i zmian energii elektronów wewnątrz substancji. Są stosowane na otwartym terenie bądź wewnątrz budynków, najczęściej  w saunach na podczerwień; w hodowli zwierząt; w medycynie; w drukarkach laserowych; lampy podczerwone do suszenia włosów; IRDA w telefonach komórkowych do służąca do przesyłania plików; w kameryach termowizyjnych i aparaty fotograficznych, itd. Jako źródła promieniowania fal elektromagnetycznych wykorzystuje się diody elektroluminescencyjne LED (Light Emitting Diode) lub diody laserowe.
 
Twierdzenie Nyquista o próbkowaniu
•Każdy system przesyłania informacji cechuje się pewną szerokością pasma, określającą maksymalną częstotliwość z jaką sprzęt może zmieniać sygnał
•Szerokość pasma mierzymy w cyklach na sekundę, czyli hercach (Hz)
•Jeśli system transmisyjny używa K – możliwych wartości napięcia to zgodnie z twierdzeniem Nyquista maksymalna szybkość przesyłania
danych D wynosi
 
D = 2*B*log2K
 
D – szybkość przesyłania danych [bity/sek]
B – szerokość pasma
K – możliwe wartości napięcia
 
Twerdzenie Shannona
 
Inżynierowie zauważali, że w rzeczywistych systemach komunikacyjnych istnieją pewne zaburzenia nazywane szumem, niepozwalające na osiągnięcie teoretycznej granicy szybkości. Claude Shannon w 1948 r. uogólnił twierdzenie Nyquista na systemy w których występuje szum.
 
C = B*log2*(1 + S / N)
 
C – efektywne ograniczenie pojemności kanału [bity/sek]
B – szerokość pasma
S – średnia moc sygnału
N – średnia moc szumów
S/N – stosunek sygnału do szumu [dB]
 
** dB - Decybel jest podstawową jednostką używaną przez projektantów telekomunikacyjnych przy porównaniu możliwości okablowania. Decybel pozwala na określenie stosunku napięcia lub mocy pomiędzy wejściem i wyjściem układu. Miara decybelowa pozwala wyrazić wielkości różniące się od siebie o wiele rzędów wielkości
w jednej skali. Wzrost o 3 dB oznacza podwojenie mocy, a o 20 dB oznacza 100 krotne zwiększenie mocy.
 

2. Zastosowanie fal radiowych oraz zasady transmisji

Fale radiowe są to fale mające zakres długości od 10 do 2000 m.  Powstają poprzez działanie prądów elektrycznych o dużej częstotliwości w momencie ich przepływu przez antenę radiowej stacji nadawczej. Istnieją dwa podziały tych fal: w zależności od propagacji oraz długości fali. Ten pierwszy podział wyróżnia fale przyziemne (które z kolei dzielimy na powierzchniowe i nadziemne), fale troposferyczne, jonosferyczne oraz fale w przestrzeni kosmicznej. Dzieląc fale według drugiego kryterium, wyróżniamy fale krótkie, średnie i długie. Długość fali radiowej ma znaczenie przy propagacji, mianowicie od niej zależy, jakim zjawiskom będzie ona [propagację] poddana (np. dyfrakcji, interferencji czy odbiciu od jonosfery).
Do transmisji wymagają planowania przydziału częstotliwości z uwzględnieniem maksymalnej dopuszczalnej mocy nadajników, rodzaju modulacji oraz innych zaleceń Międzynarodowej Unii Telekomunikacji (ITU). 
 

3. Standardy sieć bezprzewodowych 

Nazwa sieci bezprzewodowej Szybkości (Mb/s) Pasmo częstotliwości (GHz)
802.11 1; 2 2,4
802.11a 6; 9; 12; 18; 24; 36; 48; 54  5
802.11b 1; 2; 5,5; 11  2,4
802.11g 1; 2; 5,5; 6; 9; 11; 12; 18; 24; 36; 48; 54  2,4
802.11n
100; 150; 300; 450; 600 
 2,4 lub 5
802.11ac 100; 150; 300; 450; 600; 1024  5
802.15.1(Bluetooth) 1; 2  2,4

4. Infrastruktura (rodzaje elementów sieci bezprzewodowej oraz ich rozmieszczanie w sieci)

Na infrastrukturę sieci bezprzewodowej składają się:
  • karty sieciowe (NIC – Network Interface Card; karty rozszerzenia, które służą do przekształcania pakietów danych w sygnały, które są przesyłane w sieci komputerowej w określonym standardzie, np. Ethernet),
  • punkty dostępowe (AP - Access Point; urządzenia zapewniające hostom dostęp do sieci komputerowej za pomocą bezprzewodowego nośnika transmisyjnego jakim są fale radiowe),
  • anteny wraz z okablowaniem. 

5. Wady i zalety sieci bezprzewodowej

Zalety:
  • mobilność rozwiązania — aby podłączyć urządzenie sieciowe, nie trzeba prowadzić przewodów, wystarczy jedynie umieścić urządzenie w zasięgu działania sieci i odpowiednio skonfigurować,
  • szybką i łatwą rozbudowa sieci.
Wady:
  • możliwość zakłócenia fal radiowych przez przeszkody znajdujące się na drodze fali niosącej sygnał lub przez warunki atmosferyczne,
  • mniejsze niż w przypadku sieci kablowych bezpieczeństwo transmitowanych danych (brak kontroli nad dostępem do medium transmisyjnego). 

6. Opis trybów pracy sieci WLAN

WLAN - (Wireless Local Area Network) to sieci realizujące połączenie między komputerami bez użycia okablowania. Medium transmisyjnym przenoszącym
sygnały są najczęściej fale radiowe (mikrofale) wykorzystujące pasmo 2,4 lub 5 GHz. Certyfikowaniem produktów bezprzewodowych zajmuje się organizacja Wi-Fi Alliance. Produkty zgodne ze standardami IEEE 802.11 otrzymują znak towarowy Wi-Fi (Wireless Fidelity - bezprzewodowa zgodność), który gwarantuje kompatybilność z innym urządzeniami tego samego typu (obecnie istnieją standardy Wireless: A, B, G, N)
 
Sieci WLAN mogą pracować w dwóch trybach:
  • ad-hoc, w którym urządzenia łączą się bezpośrednio ze sobą (bezprowodowa sięć o zdecentralizowanej strukturze, w której przyłączone mobilne urządzenia mogą pełnić funkcje zarówno klienta (terminala końcowego), jak i punktu dostępu. Do przekazywania danych nie jest wymagane istnienie żadnej infrastruktury sieciowej (brak punktów zarządzających), gdyż pakiety dostarczane są do odbiorcy poprzez inne, pośredniczące, dowolnie zlokalizowane urządzenia w tej sieci),
  • w trybie infrastruktury z wykorzystaniem punktów dostępowych (AP - Access Point). 

7. Punkt dostępowy

Punkt dostępowy to centralny punkt sieci bezprzewodowej. Przekazuje dane pomiędzy urządzeniami, pozwala także na podłączenie sieci bezprzewodowej do sieci kablowej. Punkty dostępowe mają dwa interfejsy sieciowe: interfejs bezprzewodowy (gniazdo do podłączenia anteny) oraz interfejs sieci kablowej (najczęściej gniazdo RJ45 do podłączenia sieci Ethernet).
Punkty dostępowe mogą komunikować się między sobą, co pozwala na budowę złożonej infrastruktury łączącej urządzenia znacznie od siebie oddalone. 
Punkty dostępowe pozwalają na budowę dwóch rodzajów sieci - BSS oraz ESS.
 

8. Sieci typu BSS oraz ESS

BSS (Basic Service Set — podstawowy zestaw usługowy) — cała transmisja w danej sieci przeprowadzana jest z wykorzystaniem jednego punktu dostępowego.
ESS (Extended Service Set — rozszerzony zestaw usług) — sieć zbudowana z kilku punktów dostępowych, które komunikują się ze sobą za pomocą protokołu IAPP (Inter-Access Point Protocol), tworząc sieć szkieletową. W tego rodzaju sieci urządzenia podłączane są do dowolnego z punktów dostępowych i mogą przemieszczać się między nimi. Tego rodzaju sieci są stosowane m.in. przy budowie hot-spotów — publicznych punktów dostępu do internetu. 
 

9. Tryby szyfrowania danych: WEP, WPA, WPA2  (opis, zasady działania)

W przypadku sieci bezprzewodowych ogromne znaczenie ma bezpieczeństwo danych. Ogólnodostępne medium transmisyjne powoduje, że każde urządzenie znajdujące się w zasięgu sieci mogłoby korzystać z jej zasobów. Punkty dostępowe pozwalają na implementację procedur bezpieczeństwa polegających na filtrowaniu adresów MAC lub IP, a także na zabezpieczenie dostępu do sieci kluczem szyfrującym. 
Urządzenia bezprzewodowe mogą pracować bez szyfrowania danych (tryb niezalecany ze względów bezpieczeństwa) lub w jednym z następujących trybów szyfrowania danych:
  • WEP (Wired Equivalent Privacy) - pozwalający na używanie kluczy 64-bitowych lub 128-bitowych; szyfrowanie WEP zostało złamane i nie jest uznawane za bezpieczne;
  • WPA (WiFi Protected Access) - zabezpieczenie wykorzystujące cykliczne zmiany klucza szyfrującego podczas transmisji, może działać w dwóch trybach: Enterprise
  • (klucze przydzielane są przez serwer Radius dla każdego użytkownika sieci) lub Personal (wszyscy użytkownicy sieci korzystają z dzielonego klucza — Pre-SharedKey - PSK);
  • WPA2 - poprawiona wersja protokołu WPA, zalecana do zabezpieczeń sieci bezprzewodowych;
  • uwierzytelnianie - identyfikacja i weryfikacja informacji przesłanych przez użytkownika, kory łaczy się z siecią (np. IEEE 802.1X);
  • autoryzacja - zgoda lub brak zgody na żądaną usługę przez uwierzytelnionego użytkownika, zabezpieczenie jest wykonane przez punkt dostępu lub serwer dostępu;
  • rejestracja raportów - rejestr akcji użytkownika związanuch z dostępem do sieci, kontrola raportów pozwala na szybkę reakcję administratorów na niepokojące zdarzenia w sieci.