Az adattovábbítás módszerei

Ez a cikk az adattovábbításról fog szólni - névleg. Gyakorlatilag ez a cikk is, mit az eddigi összes, az emberi találékonyságról, és az ennek köszönhető fejlődésről szól majd.

Röviden összefoglalnám az üzenetküldés régebbi módszereit: A szóbeli vagy írott üzenetet vivő futárt, a füstjelekkel beszélgető indiánokat, a kopogtatással üzengető rabokat, a fényjeleket a világítótornyoktól a jelzőtüzeken át az ablakba tett gyertyáig. Ezek közül kiemelkedik jelentőségében és életképességével a levél. Az ókortól napjainkig használatos adatátviteli eszköz, ráadásul hosszú ideig megőrzi az információt, így azt nem csak a téren, hanem az időn is átjuttatja. Aki a régi korokat kutatja, aranybányát lel egy levéltárban.

A levél legnagyobb hátránya, hogy lassú. Ennek a lassúságnak legfőbb oka, hogy az információ az őt hordozó anyaghoz kötött, tehát a papírnak is el kell jutnia a címzetthez, ami hosszú utazással jár. Forradalmi újítás volt a telefon felfedezése. Száz, sőt ezer kilométerekre levő emberek között lehetett információt átadni, méghozzá nem csak egy irányban, hanem interaktívan, tehát úgy lehetett beszélgetni, mintha találkoztak volna.

Hogyan működik a telefon, és mi ebben az esetben az információ hordozója?

Az első telefonok egy mikrofon, egy áramforrás, és egy hangszóró rézvezetékkel való összekapcsolásából születtek. A mikrofon az áram erősségét a hang rezgéseinek megfelelően változtatta, a változó erősségű áram a vezetéken terjedt a hangszóróig, amelyik az áram változásainak megfelelő hangot előállította. Bell így álmodta meg annakidején.

Itt feltétlenül kell egy kis kitérőt tennünk, mert egy óriási jelentőségű magyar találmány kapcsolódik ehhez. A telefont ugyanis eredetileg mindenkitől mindenkiig külön-külön kábellel szerelték. Tessék elképzelni, hogy mennyi munka és anyag kellene csak egy 5000 lélekszámú falu bekábelezéséhez. Puskás Tivadar fejében született meg a telefonközpont ötlete. A lényeg az, hogy nem kell mindenkit mindenkivel összekötni, hanem mindenkit csak a telefonközponttal (1878) kell összekötni, és a központban kell összeköttetést teremteni a hívó és a hívott fél között. A lényeg ma is ez, de ma már nem telefonos kisasszonyok dolgoznak, hanem számítógép vezérlésű automata központok.

A rézvezetéket persze nem csak beszélgetésekre használták. Nagy találmány volt például a telex. Fiatalabb olvasóimnak leírom: két elektromos írógép volt telefonvonallal összekötve. Amit valaki az egyiken gépelt, azt a másik gép is leütötte. Aztán megjelentek a faxok, képtávírók, majd a számítógépeket telefonvonalon összekötő modemek. Az átviteli sebesség pedig a telex 20 betű/másodperces sebességéről a modemek 56 kbit/s-os sebességéig terjedtek.

Bár nem telefon, de rézkábel a koaxiális kábel is. A TV-k nagy részébe ilyen kábel van bedugva. Ezekkel sokkal nagyobb átviteli sebesség érhető el, mint a telefonokkal. Ugyancsak rézvezeték van a csavart érpárakban is, amelyek a hálózatépítés még ma is gyakran használt eszközei LAN-okon, vagyis kis távolságokon. Segítségükkel akár Gbit/s-os gyorsaság is elérhető

Bár a rádiózás is elég hamar elterjedt, a vezetékes telefon még ma is behálózza a világot. Hogy lehet a több milliárd előfizetőt kiszolgálni? Nos, ezt gyakorlatilag nem lehetne az eredeti átvitellel megoldani (ezen azt értem, hogy minden beszélgetésre lefoglalni egy vonalat). Ki kellett találni, hogyan lehet egy vezetéken több beszélgetést átvinni egyszerre. Ezt multiplexálásnak hívják. Többféle módja van, az egyik: lehet vivőfrekvenciákat használni, így annyian beszélhetnek egyszerre, ahány frekvenciát használnak. Kicsit hasonlít a rádiós műsorszóráshoz. Amikor a rádión kiválasztunk egy adót, tulajdonképpen frekvenciát választunk. A multiplexálásnál minden beszélgető pár kap egy frekvenciát, amik így nem zavarják egymást, és a sok beszélgetés egyidőben zajlik ugyanazon a vezetéken. A másik módszer: az információt csomagokra bontani, és a csomagokat egymás után küldözgetni, ezzel kihasználva a teljes időt az átvitelre. Itt meg az volt az alapgondolat, hogy egy átlagos beszélgetésnek a nagy része szünet. A csomagkapcsolt adatátvitel a teljes időt kihasználja azzal, hogy egyszerre több beszélgetés csomagjait küldözgeti.

A rézdrót jó átviteli közeg, de vannak hátrányai.

• Első, és legnagyobb ellensége a víz. Én láttam beázott rézkábelt javítani. Dupla műanyag szigetelése volt a vezetéknek. Azon volt egy hőre zsugorodó másik műanyag köpeny, azt ólom burkolattal vonták be. Nem tudtam elképzelni, hogy ennek baja eshet, és a következő évben újra beázott! (Ilyenkor gondol bele az ember, hogy a természet erőit még messze nem győzte le az emberiség.)
• A második az elektromos zavarok hatása.
• A harmadik, hogy a terepen sokszor nehezen telepíthetők. Például hogyan vigyük át a Tiszán? Víz alatt?, Légvezetéken? Kerüljünk vele a legközelebbi hídig? Egyik költségesebb, mint a másik!
• A negyedik, hogy a vezetékeket a munkagépek rendszeresen elszaggatják. A helyreállítás költségei verdesik a milliós nagyságrendet a legegyszerűbb esetben is, és persze a hibát mindenki a másikra akarja hárítani, a munkagép tulajdonosa a vezeték jelzését mondja tévesnek a térképen, a kábel tulajdonosa pedig a gép vezetőjét hibáztatja.

Ha az előbb említettem a rádióhullámokat, akkor azzal is folytatom. A rádióhullám kibocsátásához csak egy antenna kell, és a Tisza nem akadály. Nos, itt külön kell választani a műsorszórást és az adatátvitelt. A műsorszórás történetileg a középhullámon kezdődött, amivel több száz km sugarú területet lehetett besugározni. A rövidhullám volt a rádió amatőrök tartománya. Ezek a megszállott emberek azon versenyeztek, hogy ki tud messzebbről adást venni a Földön. A rövidhullám a légkör egy magas rétegéről visszaverődik, így képes akár az egész Földön körbemenni!
 

Ha viszont komoly adatátvitelt akarunk, akkor a rádióhullámokat irányítva kell kisugároznunk, hogy az átvite1 kevés energiával hatékonyan valósuljon meg. Minél nagyobb a rádióhullámok frekvenciája, annál jobban irányíthatók, de annál könnyebben nyelődnek el (pl. ködben). Az optimális rádióhullám az adatátvitelre a mikrohullám, ami 300 MHz, és 300 GHz közötti frekvenciát jelent. Ezzel működik egyébként a mikrosütő, a GSM telefon, a WLAN protokollok, mint a Bluetooth is. Egy jó parabola antennával irányíthatóan lehet vele adni és venni. A hatótávolság 50 m-től 200 km-ig terjedhet, az átviteli sebesség akár 600 Mbit/s is lehet, és nincs kábelszakadás és beázás. Legfőbb hátrányai a következők:

• Ködben, esőben nagy a veszteség, elnyelődik. Természetesen ez tervezhető, nagy teljesítménynél ez nem akadály, és 6GHz alatti frekvenciákon nem jelentős.
• Csak egyenes vonalban terjed, ezért, ha egy tereptárgy belóg, zavarja az átvitelt.
• Az épületek mozgása miatt az irányított sugár célt téveszt.

Egy mondat erejéig szólok az infravörös átvitelről is. A TV távirányítók használják, tulajdonképpen hősugarakkal kommunikálnak. Előnye és hátránya is az, hogy szilárd testeken nem hatol át, így az egyik szobában lévő rendszer nem zavarja a másikat, de csak nagyon korlátozottan használható.

Az adatátvitel nagy ígérete az optikai kábel. A gondolat 1966-ban született, hogy az adatokat fényimpulzusokkal szállítsák üvegkábelek segítségével. Az elvi alap az, hogy ha az üveget kisebb törésmutatójú közeg veszi körül, és a kábel nincs nagyon meghajlítva, akkor a fény a kábel szélére érve teljes visszaverődést szenved, vagyis teljes egészében az üvegben marad. Természetesen itt csak digitális átvitelről lehet szó, van fény = 1, nincs fény = 0. Gyors, érzéketlen a zavarokra, nagy távolságok hidalhatók át.
 

Hogy lássák, hogy az elmélet és a gyakorlat között mi a különbség, leírok egy példát. Elméletben olyan kicsi veszteségű az optikai kábel, hogy akár 1000 km-ek is áthidalhatók lennének vele. Gyakorlatban 100 km-enként kell egy berendezés, ami a kapott jelet újra kisugározza. Az ok, hogy a fény egy része a vezeték közepén halad, és alig verődik vissza, a másik része a kábel szélein indul, és gyakran visszaverődik, emiatt hosszabb utat tesz meg, és így késik a középen haladóhoz

képest. 100 km után ez a késés már akkora, hogy belevilágít az utána jövő sötét bitbe, vagyis így az információ „elkenődik, összefolyik”. Az ilyen problémáknak köszönhető, hogy az optikai szálak alkalmazása csak a 90-es években terjedt el, majdnem 30 évvel az ötlet után.

Nézzük az átvitel lényegét. Az információt digitalizálni kell, vagyis 0, 1 jelekké alakítani. Ezeket a jeleket LED, vagy lézer alakítja fényjelekké, amelyek aztán az üvegszálon terjednek, végül egy fotodióda a fényimpulzusokból elektromos jeleket készít, amelyek aztán a szokásos módokon felhasználhatók. Egyébként már erre a technikára is kitalálták a multiplexálást (egy vezetéken  egyidőben több jelfolyam), amit úgy oldanak meg, hogy több különböző színű fénnyel küldik az  információt. A mai legjobb kábeleken egyszerre 160 különböző fénysugár halad, és az adatátvitel gyorsasága eléri a 400 Gbit/s-ot. Kicsit ront a képen, hogy azok az eszközök, amelyek a fényt újra elektromos jelekké alakítják, ma még lassúak, ezért hiába érkezik az információ gyorsan a kábel végéhez, a számítógép sokkal lassúbb kapcsolatot érzékel.

Előnyök:

• A nagy vezetékhosszak gyors és rugalmas kiépítést tesznek lehetővé.
• Nem tartalmaz fémet, ezért érzéketlen az elektromos zavarokra, erőművekben, kisülések, nagy teljesítményű adók közelében is alkalmazható.
• Nincs korrózió, villámvédelem.
• Nem lehallgatható.
• Érdekes módon az optikai vezetékek szakítószilárdsága igen nagy, az acéléval vetekszik.

Hátrányai alig vannak.

• Ezt is elszakíthatja egy munkagép, és a javítás különleges technológiát igényel.
• Ma még nagyon drága.

Azt hiszem, az összes adatátviteli közeget érintettem.

Csak az érdekesség kedvéért megjegyzem, ha egyszer Guiness rekordra törekednék az adatátvitel terén, egyetlen fenti megoldást sem alkalmaznám.. Teleraknék egy kamiont Blu-ray-ekkel, vagy terrabájtos winchesterekkel, és átfuvaroznám a rakományt a célba.