Telefon Ağları Telefon sistemi (Public Switched Telephone Network,PSTN) başlangıçta temel olarak veri iletişiminden çok konuşma sinyalini

Transkript

1 Telefon Ağları Telefon sistemi (Public Switched Telephone Network,PSTN) başlangıçta temel olarak veri iletişiminden çok konuşma sinyalini anlaşılabilecek kalitede iletmek için tasarlanmıştı. Bu amaçla tasarlanan sistem nedeniyle, benzer bir kablonun iki bilgisayar arasına doğrudan bağlanması halinde 10 9 bps civarında bir hıza erişilebilecekken, telefon hattı üzerinden en fazla 56kbps hızda iletişim yapılabilmektedir. Aradaki fark yaklaşık kattır. ADSL kullanılması durumda bile bu fark kat civarındadır. Öncelikle telefon sisteminin altyapısını inceleyelim;

2 Bağlantı türlerini telefonların birbirlerine bağlantıları bakımından şekilde görülen üç gruba ayırmak mümkündür. (a) da görülen şekilde her abone arasına hat çekilir, fakar hat sayısının çok fazla olması nedeniyle verimli bir bağlantı değildir. (b) de ise her abone bir anahtarlama merkezine bağlanır ve konuşacak aboneler arasındaki bağlantı bu merkezden yapılır. Çok geniş bir coğrafyada ve çok sayıda abone olduğunda bu sistem çok zor kontrol edilebilir duruma gelir, dolayısıyla verimli değildir. (c) de bu iki bağlantı şeklinin melezi gösterilmektedir. Yerel anahtarlama merkezleri kendisine bağlı abonelere arasında bağlantıyı sağlar. Eğer bir abone bir uzak-mesafe konuşma yapmak isterse bağlı bulunduğu anahtarlama merkezi konuşma isteğini karşı tarafın bağlı olduğu merkeze bildirir ve konuşma bu iki merkez üzerinden gerçekleştirilir. Bu bağlantı şekli gerçek sistemlerde beş seviyeye kadar çıkabilmektedir.

3 Günümüzde kullanılan telefon sisteminin iki terminal arasından bakıldığında görülen yapısı aşağıdaki gibidir: Telefonların yerel döngüyle (local loop) bağlandıkları ilk merkez uç santrallerdir. Aradaki mesafe yaklaşık olarak 1-10 km dir. Eğer çağrıyı yapan ve aranan telefonlar aynı uç santral bağlı iseler, uç santral, üst katmana çıkmadan, iki telefon arasında elektriksel bağlantı kurar. Eğer başka bir uç santraldeki telefon aranılmışsa bağlantı isteği arayan taraftaki uç santralin bağlı olduğu bir veya daha fazla anahtarlama santrallerinden (şehirlerarası santral) birisine yönlendirilir.

4 Eğer aranılan telefon aynı santrala bağlıysa bağlantı bu santral üzerinden kurulur. Eğer farklı bir santrala bağlı telefona çağrı yapılıyorsa bağlantı birincil, kısımsal (sectional) veya bölgesel (regional) şehirlerarası santrala çıkar. Örnek: Ülkesel santral, 312: Şehirlerarası santral, 297: uç santral, 7000:uç santrale bağlı telefon hattı Telefon-uç santral arası bağlantı CAT3 kabloyla sağlanır, uç santral-şehirlerarası anahtarlama santrali arası telli veya fiber olabilir, şehirlerarası anahtarlama santralleri ise yoğunluğun gerektirdiği çok yüksek iletişim hızından dolayı koaksiyel kablo, mikrodalga veya fiber kablolarla bağlanırlar. Telefon-uç santral arasındaki sinyal analog sinyaldir. Fakat uç santralden sonra bu sinyal sayısallaştırılarak karşı uç-merkeze kadar bütün ağda sayısal formda iletilir. Sinyali sayısallaştırmanın en önemli nedeni 0 ve 1 lerle ifade edilen sayısal sinyalin analog sinyale oranla kanaldaki bozulmaya daha bağışık olmasıdır.

5 Özetle bir telefon sisteminin temel öğeleri şunlardır: 1. Yerel döngüler (telefonlara bağlanan analog çaprazlanmış tel) 2. Ana Kablolar (anahtarlama santrallerini bağlayan yüksek kapasiteli kablolar, koax, fiber vs.) 3. Anahtarlama santralleri Bilgisayar ağları açısından bu öğelerin en zayıfı analog iletişimin yapıldığı yerle döngülerdir.

6 Yerel Döngüler, Modemler, ADSL ve Kablosuz Telefon sisteminin yapısı gereği modem-uç santral arasında analog sinyalin iletildiği çaprazlanmış kablo bulunur. Bu nedenle modem bilgisayardan çıkan sayısal mesajları hatta verilebilecek analog sinyallere çevirmek zorundadır. Uç santralden karşı tarafa kadar sayısal iletişim yapılır. Karşı tarafta ise Servis Sağlayıcı (ISP) nin seçeneğine göre ya uç santralden analog sinyal alınıp bir modem havuzunda tekrar sayısal mesajlara

7 çevirilir, veya sayısal bilgi doğrudan ağa iletilir. Bir sinyal iletişim hattı boyunca üç tür bozulmaya uğrar: 1. Zayıflama 2. Kanal bozulması 3. Gürültü Modemin bu üç etkiyi gözönüne alınarak tasarlanması gereklidir.

8 Modem Daha önce sayısal mesajın kare dalgalarla ifade edilmesi durumunda, bu sinyalin harmoniklerin çokluğu nedeniyle çok geniş bir bantgenişliğine sahip olması gerektiği görülmüştü. Bu nedenle sinyal kanalda ciddi miktarda bozulmaya uğrar. Dolayısıyla bu tür sinyalleşme çok yavaş hızlarda ve kısa mesafelerde gerçekleştirilebilir. Bu problemi çözmek amacıyla Hz arasındaki bir sinüs taşıyıcı dalgası sayısal mesajla modüle edilerek kanaldan gönderilir. Đkili (binary) bir sayısal iletişim düşünüldüğünde her sembol 0 veya 1 değerinden oluşmaktadır. Modülasyon sırasında, sayısal sembollerin değerine göre taşıyıcı dalganın genliği bit seviyelerini temsilen iki farklı değere ayarlanır. Örneğin 1 biti için sembol süresi boyunca taşıyıcının genliği A volt olurken 0 biti için aynı sürede genlik 0 volt a çekilebilir. Bu yönteme genlik modülasyonu veya genlik kaymalı anahtarlama (Amplitude Shift Keying, ASK) ismi verilir.

9

10 Frekans modülasyonu ise 1 bitine karşılık taşıyıcı sinüs dalgasının frekansı f 1 e 0 bitine karşılık ise f 2 ye ayarlanması ile elde edilir. Sayısal modülasyonda bu metod genellikle frekans kaymalı anahtarlama (Frequency Shift Keying, FSK) olarak da adlandırılır. Sayısal sembolün değerine göre taşıyıcının fazının değiştirilmesi de mümkündür. Örneğin 1 ve 0 değerleri için taşıyıcı fazı 0 o ve 180 o ye ayarlanır. Buna faz modülasyonu veya faz kaymalı anahtarlama (Phase Shift Keying, PSK) ismi verilir. Bir sembol süresince bir bitten fazla bit göndermek izgenin daha verimli kullanımını sağlar. Örneğin bir sembol iki bitten oluşuyorsa, ASK da genlik 2 1 =2 değer yerine 2 2 =4 değere ayarlanabilir. Bu durumda aynı zaman aralığında bir bit yerine iki bit gönderilebilir. Benzer şekilde iki bitten oluşan bir sembol için, FSK da dört farklı frekans (f 1, f 2, f 3 ve f 4 ), PSK da ise dört farklı faz değeri (45 o, 135 o, 225 o ve 315 o ) farklı bit kombinasyonlarını temsil eder.

11 Bir bit dizisini giriş olarak kabul eden ve bu yöntemlere göre bir taşıyıcı modüle (ve demodüle) eden bir cihaza modem ismi verilir. Modem (sayısal) bilgisayar ile (analog) telefon hattı arasına bağlanır. Nyquist teorisine göre 3000Hz bantgenişliğine sahip bir telefon hattından saniyede en fazla 6000 örnek gönderilebilir. Pratik modemlerde bu sayısı genellikle 2400 örnek/sn olmaktadır. Dolayısıyla iletişim hızını arttırabilmek için örnek başına bit sayısını arttırmak gereklidir. Saniyedeki örnek sayısı baud ile ölçülür. Her baud sırasında bir sembol gönderilebilir. Dolayısıyla bir n-baud luk modem n sembol/sn hızda iletişim yapar. Örneğin 2400 baud veya 2400 sembol/sn hızdaki bir modemi ele alalım. Eğer bir sembol bir bitten oluşuyorsa bu modem 2400 bps hıza sahiptir. Bu modem örneğin PSK ile taşıyıcının fazını 0 o ve 180 o değerlerinde değiştirebilir. Eğer aynı modem sembol başına 2 bit gönderiyorsa (2 bit/sembol) modemin hızı 4800 bps e çıkar. Burada örneğin 45 o, 135 o, 225 o ve 315 o faz değerleri kullanılabilir. Bu tür modülasyona QPSK (Quadrature (dördün) Phase Shift Keying) denilir.

12 Özetle, bir fiziksel ortamın bantgenişliği o ortamdan hemenhemen hiç bozulmaya uğramadan geçebilen frekanslar kümesidir. Ortamın fiziksel özellikleri tarafından belirlenir ve Hz ile ölçülür. Baud hızı kanaldaki sinyalin saniyede yapılan örneklenme sayısıdır. Her örnekte bir sembol gönderilir. Dolayısıyla baud hızıyla sembol hızı aynıdır. Modülasyon türü sembol başına gönderilecek bit sayısını belirler. Dolayısıyla toplam veri hızı bit/sn ile ölçülür ve bu değer sembol/sn ile bit/sembol oranlarının çarpımıyla elde edilir. bit/sn=bit/sembol*sembol/sn Gelişmiş modemler genellikle ASK, FSK ve/veya PSK nın melez birleşimlerini kullanırlar. Örneğin ASK ve PSK nın birleşimi QAM i (Quadrature Amplitude Modulation) oluşturur. Örneğin 16 noktadan oluşan 16-QAM, 2400 baud hattan 4*2400=9600bps hızda iletişimi mümkün kılar.

13 QPSK, 4-PSK, 4-QAM 16-QAM 64-QAM V.32, 9600bps V.32bis 14,400bps

14 Önceki yansıda çeşitli modülasyon türlerinin yıldıztakımı gösterimleri verilmiştir. Verici ve alıcı modemlerin anlaşabilmesi için aynı yıldıztakımını kullanmaları gereklidir. Yıldıztakımındaki noktaların sayısı, M, sembol başına düşen bit, b, sayısıyla orantılıdır, M=2 b. Dolayısıyla noktaların sayısını arttırmak sembol başına bit sayısını da arttırır. Fakat gönderilebilecek güç sınırlı olduğu için nokta sayısı arttıkça noktalar arasındaki uzaklık azalır, bu da o modülasyon türünün gürültüye karşı bağışıklığını azaltır, yani yüksek M değeri için iletişim sırasında yapılabilecek hata oranı da yüksek olur. Burada daha önce gördüğümüz Shannon sınırı modemin hızını sınırlar. 3 khz bantgenişliğindeki kanaldan en fazla 33,600 bps hızda iletişim yapılabilir.

15 56 kbps modem nasıl çalışıyor? Bu soruyu cevaplamak için telefon sistemine tekrar bakmak gerekir. Anahtarlama santrallerinin arasındaki ana kablolardaki kapasite bütün kullanıcılar tarafından ortak kullanılır. Her kullanıcı ne kadar az kapasite kullanırsa bu kablolarda taşınabilecek kullanıcı sayısı o oranda artar. Bu nedenle kullanıcıların yerel döngüdeki sinyal bantgenişliği 300 Hz-3400 Hz arası frekansları geçiren dışarıdaki frekansları süzen bir filtre yardımıyla sınırlandırılır. Bu bantgenişliği konuşmanın kabul edilebilir miktarda geçirilmesine izin verecek genişliktedir. Bu filterinin frekans tepkisi ideal değildir, süzme frekanslarındaki zayıflatma 4kHz e kadar sıfıra düşmez. Dolayısıyla 0-300Hz ve Hz aralığı da kullanılarak toplam bantgenişliğinin 4kHz olduğu varsayılabilir. Bu durumda 4kHz den saniyede 8000 örnek taşınabilir. Örnek başına 8 bit yüklendiğinde iletişim hızı 64kbps e çıkar. Ancak pratik nedenlerle en yüksek 56kbps e çıkmak mümkündür.

16 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line, Asimetrik Sayısal Abone Hattı) Son kullanıcı ile uç santral arasındaki çaprazlanmış kablonun gerçek bantgenişliği uzunluğuyla ters orantılı olmakla birlikte birkaç MHz dir. Dolayısıyla uygun bir sinyalleşme ile 50Mbps hıza çıkmak mümkündür.

17 Temelde sesli iletişim için geliştirilmiş olan telefon sisteminde daha önce görüldüğü gibi anahtarlama santralleri arasındaki hatların verimli kullanımı için yerel döngülerde bir filtre yardımıyla bu MHz derecesindeki bantgenişliği 3kHz lik yapay bir bantgenişliğine indirilmiştir. ADSL kullanıcılarının hatlarındaki bu filtre abone oldukları sırada kaldırılarak hat ADSL için özel tasarlanmış bir anahtarlama ünitesine bağlanır. Böylece çaprazlanmış hattın tüm kapasitesi kullanıma açılmış olur. ADSL için 0-1.1MHz bant aralığı kullanılır. Bu bant aralığı DMT (Discrete MultiTone, Ayrık Çoklu Ton) ismi verilen bir yöntem ile bantgenişlikleri Hz olan birbirinden bağımsız toplam 256 altkanala bölünür.

18 Kanal 0 (0-4KHz) sesli telefon görüşmesine ayrılmıştır. Kanal 1-5 (4-25kHz) ses ve sayısal veri sinyallerinin birbirlerini karıştırmalarını engellemek amacıyla güvenlik bölgesi olarak kullanılmaz. Bunların dışında kanallardan bir tanesi upstream bir tanesi de downstream kontrol kanalı olarak kullanılır. Geri kalan tüm kanallar kullanıcının kullanımı için ayrılmıştır. Teorik olarak geri kalan bütün kanallar veri iletişimi için kullanılabilir, ancak harmonikler, kanallar-arası girişim, vb. gibi pratik sorunlar nedeniyle ancak bir kısmının veri iletişimi için kullanılması mümkündür. Kaç kanalın upstream kaç kanalın downstream için kullanılacağını servis sağlayıcı belirler. Ancak genelde kullanıcıların upload dan çok download yaptığı gözönüne alınarak bu dağılım Asimetrik yapılır (A-DSL). Örneğin ADSL standardı 8 Mbps downstream, 1 Mbps upstream önermekle birlikte çoğu servis sağlayıcı 256 kbps downstream, 64 kbps upstream, 512 kbps downstream, 128 kbps upstream, veya 1Mbps downstream, 256kbps upstream sunmaktadır.

19 Her altkanalda 4000 baud da örnekleme yapılır. Sembol başına gönderilecek bit sayısı ise o altkanalın kalitesine göre belirlenir. QAM sembolleri kullanılarak altkanal başına maksimum 15 bit (15bit/baud) göndermek mümkündür. Teorik olarak 224 downstream kanalından 4000 baud da 15 bit/baud hızda iletişim yapılabilir, bu toplamda Mbps hıza karşılık gelir. Ancak kanal kalitesi ve sinyal-gürültü oranı hiçbir zaman bu değere izin vermez. Ancak kısa süre için, iyi-kalitedeki yerel döngülerde 8Mbps e çıkmak mümkündür, bu nedenle standart en fazla 8Mbps downstream tanımlamaktadır. Tipik bir ADSL sistemi sonraki yansıda verilmiştir. Telefon şirketi müşterinin hattına bir NID (Network Interface Device-Ağ Arayüz Cihazı) yerleştirir. Bunun yakınına Hz bandını veri bandından ayıran bir filtre, splitter, yerleştirilir. Splitter çıkışında analog sinyal telefon cihazına, veri sinyali ise ADSL modeme yönlendirilir. Bu modem ağa bağlanacak bilgisayara genellikle yüksek hızlı USB veya ethernet kablosu ile bağlanır.

20 Telefon hattının öbür ucuna yine benzer bir splitter yerleştirilir. Burada ses sinyali filtrelenerek normal telefon ağına yönlendirilir. 26kHz üzerindeki sinyal ise ADSL modeme benzer bir yapıya sahip DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer - Sayısal Abone Hattı Erişim Çoğullayıcısı) tarafından sayısal mesaja çevirilir, veri paketleri oluşturulur ve bu paketler ISP nin ağına yönlendirilir.

21 ADSL sadece bir fiziksel katman standardıdır ve üstteki katmanlarda bulunan yapı tümüyle o ağın sağlayıcısına bağlıdır.

22 Ana Kablolar ve Çoğullama Geçen bölümde ana kabloların yükünü azaltmak için kullanıcı tarafına genişliği 3kHz olan bir filtre konulduğu görülmüştü. Anahtarlama birimleri arasındaki tek bir anakablo üzerinden çok fazla sayıda kullanıcıya hizmet sağlamak amacıyla çoğullamadan yararlanılır. Frekans/Zaman/Dalgaboyu belirli küçük aralıklara bölünerek, her bölüm farklı kullanıcılara tahsis edilir. Sıradaki yansılarda sırasıyla frekans, zaman ve dalgaboyu çoğullama yöntemleri kısaca tanıtılacaktır.

23 Frekans Bölmeli Çoğullama Bütün iletişim bantgenişliği örneğin 4kHz genişliğinde altbantlara bölünerek, her altbant bir kullanıcıya tahsis edilir. Bu şekilde sonuçtaki sinyalde her kullanıcı kendi bandını kullanacağı için kullanıcılar arası girişim engellenmiş olur.

24 Zaman Bölmeli Çoğullama Zaman ekseni belirli aralıklara (örneğin 8 kullanıcı için 8 aralık) bölünerek her aralık süresince kanal bir kullanıcıya bütün bantgenişliği ile tahsis edilir. He kullanıcı kendi sırası geldiğinde kanala eriştiği için kullanıcılar-arası girişim engellenmiş olur.

25 Dalgaboyu Bölmeli Çoğullama Önceki çoğullama yöntemlerindeki mantık bir fiber kabloda değişik dalgaboyları için de uygulanabilir. Dolayısıyla anahtarlama birimleri arasındaki kanalın yapısı ve sistem yapısı gözönünde bulundurularak bu çoğullama yöntemlerinden birisinin veya melez uygulamalarının kullanılması aynı kanaldan çok sayıda kullanıcının yararlanmasını sağlar.

26 Ana Kablolarda Anahtarlama Dışarıdan bakıldığından telefon sistemi ikiye ayırılabilir; - Anahtarlama santrallerinin dışında kalan yerel döngüler, uç santraller ve uç santral-anahtarlama santrali bağlantısı - Anahtarlama santralleri ve aralarındaki bağlantı Anahtarlama birimlerinin arasında yapılan çağrı türüne göre iki tür anahtarlama yapmak mümkündür, - Eğer bir konuşma bağlantısı kurulmak isteniyorsa bu bağlantının başından sonuna kadar hiç kesilmeden sağlam kalması ve gecikmeye uğramaması gereklidir. Bu durumda fiziksel olarak iki telefon arasında bir devrenin atandığı devre anahtarlamalı bağlantı kurulmalıdır. - Eğer veri iletişimi yapılıyorsa, genellikle gönderilecek veri paketlere bölünür ve kanala sunulur. Çoğu durumda paketlerin karşıya ulaşma sıraları ve kanaldaki gecikme birincil öncelikte değildir. Bu koşulda verimi arttırmak amacıyla paket anahtarlamalı bağlantı kurulabilir.

27

28 Devre Anahtarlama Devre anahtarlamada fiziksel olarak bir hat bütün kaynaklarıyla o iletişim için tahsis edilir. Bağlantı kurulmadan önce göreceli olarak uzun bir çağrı oluşturma-elsıkışma protokolü gerçekleştirilmelidir. Bağlantı sürekli var olduğu için paket oluşturulmasına gerek yoktur, kanala verilen bitler aynı sırayla karşı tarafa ulaşırlar. Bazı durumlarda bunun getireceği gecikme kabul edilemez düzeydedir. Mesaj Anahtarlama Günümüzde çok kullanılmayan bu yöntem uzunluğu paketlere görece uzun olan mesajların anahtarlama birimlerin bağlantı kurulmaksızın aktarımına dayanır. Anahtarlama birimi ancak mesajın tümünü aldıktan ve hatalara karşı kontrol ettikten sonra mesajı bir sonraki birime yönlendirir.

29

30 Paket Anahtarlama Paket anahtarlamada veri bitleri küçük paketlere bölünerek bağlantı kurulmaksızın karşı tarafa gönderilirler. Paketler yolda farklı yolları izleyebilirler, dolayısıyla her paket sırasıyla karşıya ulaşmayabilir. Devre anahtarlamanın tersine bir kanal tümüyle bir kullanıcıya tahsis edilmez, bütün paketler aynı kanalı ortak kullanırlar. Böylece kanalın kullanım verimliliği ciddi miktarda artar. Paket anahtarlamada anahtarlama birimleri mesaj anahtarlamadaki gibi paketin tümünü almayı bekler daha sonra iletir. Bu gecikmeye neden olur. Ancak mesaj anahtarlamanın tersine bir paket başka bir paket gelirken de gönderilebilir.

31 Bağlantı Kurulması Tahsis edilen fiziksel yol Her paket aynı rotayı izler Paketler sıralı ulaşır Anahtarlama birimi arızası hayatidir Sunulan bantgenişliği Muhtemel tıkanıklık zamanları Đsraf edilen bantgenişliği Yükle ve yönlendir iletişim Saydamlık Ücretlendirme Devre Anahtarlama Gerekli Evet Evet Evet Evet Sabit Bağlantı kurulumu sırasında Evet Hayır Evet Dakika başına Paket Anahtarlama Đhtiyaç yok Hayır Hayır Hayır Hayır Dinamik Her pakette Hayır Evet Hayır Paket başına