Báječný svět počítačových sítí, část VI. - 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 pak také kvalitou média (linky), vyjádřenou jako poměr mezi užitečným signálem a neužitečným šumem.
Šířka pásma, měřená v hertzích (Hz), je vlastně rozsah frekvencí, které je dané přenosové médium schopné přenášet. Schopnost přenášet data je pak na ní 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, již je 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, vycházejí z tzv. Shannonova teorému, jsme si popsali již minule. 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, jakým přenosové médium využíváme. Takže ani sebedokonalejší technologie nás nedostane přes maximum, vyplývající ze Shannonova teorému.
V reálné praxi ovšem narážíme i na prozaičtější překážky, jako třeba na útlum (zeslabení) signálu, či jeho zkreslení během přenosu. To jsou ale věci, se kterými dokonalejší technologie dokáží pomoci (například vhodným zesilením signálu, použitím signálu vhodného průběhu atd.).
Než se začneme bavit o vlastnostech jednotlivých přenosových médií, nejprve si je vhodně "rozškatulkujme". V prvním přiblížení si je můžeme rozdělit na "drátová" a "bezdrátová" přenosová média. Nebo jim můžeme říkat také "vodičová" a "éterová".
Drátová (vodičová) média jsou specifická tím, že přenášený signál prochází pouze skrze ně (tzv. jej 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 provedení 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. Nebo může být kritériem i způsob bezdrátového přenosu, a pak se hovoří například o satelitních přenosech, pozemních přenosech atd. Poměrně samostatnou kategorií pak jsou bezdrátové optické přenosy (FSO, Free-Space Optics), označované také jako "laserové".
Přenosové schopnosti "drátový" médií jsou dosti různorodé. Zatímco například u kroucené dvoulinky jsme dnes už mnohde "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 přeci jen tušíme. Mají totiž k dispozici obrovskou šířku přenosového pásma, danou velikostí a rozpětím frekvencí, které používají. 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 č.2, na kterém je znázorněn (na ose Y) také měrný útlum jednotlivých typů přenosových médií. Měrný útlum je přitom veličina, udávající jak médium o příslušné jednotce délky zeslabuje (utlumuje) přenášený signál. Jde ale jen o orientační představu, v praxi velmi záleží na provedení, použitém materiálu atd. Navíc útlum obecné závislí i na frekvenci přenášeného signálu.
 |
Spíše než přesné faktografické údaje by nám měl obrázek č. 2 naznačit jednu podstatnou věc: že 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 mají nejmenší měrný útlum.
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, již spíše na kratší vzdálenosti (desítky metrů, max. 100 metrů).
 |
To dává tušit, že kroucené dvoulinky existuje více druhů. Někdy se hovoří o "telefonní" dvoulince a "datové" dvoulince, ale přesnější je jejich rozdělení do tříd, resp. 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, resp. dvoulinek) použijeme. Například pro desetimegabitový Ethernet (dle 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 zle setkat s kabely, které obsahují až stovky párů "telefonní dvoulinky".
A 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 zkroucení obou vodičů po celé délce (nejčastěji 1x 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 dále snižovat. Podle toho, zda je či není stínění použito, pak rozlišujeme:
- nestíněnou kroucenou dvoulinku (anglicky: UTP, od: Unshielded Twisted Pair), která nemá žádné stínění
- stíněnou 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, ve které je stínění společné pro všechny páry v rámci daného kabelu. Nechrání tak proti vzájemnému ovlivňování jednotlivých párů, ale chrání alespoň proti vyzařování ven z kabelu. V angličtině je tato varianta označována jak "Screened" (ScTP).
 |
Koaxiální kabely byly využívány pro datové přenosy dokonce ještě dříve, než kroucená dvoulinka. Například první standardy Ethernetu vznikly právě s předpokladem použití koaxiálního kabelu, a teprve později se objevila možnost využití kroucené dvoulinky.
 |
Dnes se koaxiální kabely pro datové přenosy zase znovu vrací na výsluní, a to zejména v souvislosti s budování tzv. hybridních sítí (HFC, Hybrid Fiber-Coax), kombinujících optická vlákna právě s koaxiálními kabely. Jde většinou o novější rozvody, u kterých jsou použity (relativně dražší) optické kabely pro překlenutí větších vzdáleností, až například po vstup do jednotlivých domů či jiných objektů. Pro další rozvedení, které již má obvykle "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", a oba vodiče koaxiálního kabelu skutečně jsou soustředné (mají společný střed).
 |
Uvnitř koaxiálního kabelu se nachází vnitřní (středový) vodič, kolem kterého je vrstva izolace, a kolem ní pak ve formě vodivého opletení 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 zmenšuje vyzařování směrem ven.
Jak jsme si již uvedli, optická vlákna mají oproti kroucené dvoulince i oproti koaxiálním kabelům zdaleka největší potenciál v přenosu dat, s tím že dnes tento potenciál využíváme stále jen velmi málo. Proto jsou také 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 přeci jen náročnější a nákladnější, než u ostatních drátových přenosových médií.
Optická vlákna již ze své fyzikální podstaty přenáší data namodulovaná ("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 obrázek č. 7.
 |
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). No a to už je to, co je pro optická vlákna zapotřebí: 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 samým úplným odrazům, a světelný paprsek bude optickým vláknem veden po celé jeho délce.
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 č. 8.
 |
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 buďto skokovitě odráží, nebo pozvolna "ohýbají".
 |
Není jistě těžké nahlédnout, že vidová disperze u mnohobodových vláken bude mít tím více šancí se uplatnit a tím více zkreslit přenášený signál, čím delší bude optické vlákno. 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 tlustší, 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
Oba druhy optických vláken jsou stále příliš tenké a křehké na to, aby se daly v praxi používat samostatně. Když už, 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 takovéhoto kabelu je možné zpočátku používat třeba jen koaxiální kabel. Když pak vzrostou požadavky na přenosovou kapacitu, 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 se to dá využít bez toho, že 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 to ani nemusí být již hotové kabely, optické ani jiné. Stačí "zakopat" prázdné plastové trubky, tzv. chráničky. Když pak někdy později vyvstane potřeba zřídit nějakou přenosovou kapacitu, stačí těmito chráničkami protáhnout potřebné kabely - a to aniž by se muselo znovu "kopat do země". Dokonce je díky chráničkám možné již jednou položené kabely zase někdy později vytáhnout, a místo nich natáhnout skrze chráničky kabely nové.
 |
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, a 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 takto větší průměr není v praxi překážkou, ale spíše výhodou, kvůli lepším mechanickým vlastnostem.
 |
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 (odsud: 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 které je vlákno rozděleno.
Vlnový multiplex ve skutečnosti funguje tak, že dokáže oddělit od sebe světelné paprsky různých vlnových délek (odsud také: vlnový multiplex). Přitom takovéto paprsky různých vlnových délek odpovídají světlu o různé barvě, a proto se i zde hovoří o "barvách": v tom smyslu, že vlnový multiplex přenáší skrze optické vlákno různé barvy, a každá z nich může nést samostatný "náklad" dat (každá může být modulována samostatně). Základní představu naznačuje následující obrázek:
 |
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 po ČR 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, a 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.
Samotná optická vlákna by k přenosu dat samozřejmě nestačila. Na obou jejich stranách musí být instalována vhodná zařízení, zajišťují z jedné strany generování světelných paprsků, a z druhé strany vyhodnocujících 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. Obdobně na druhé straně.
 |
Po doplnění nezbytného zdroje světla a vysílače (pro převod signálu z elektronické do optické podoby), a o detektor a přijímač (pro opačný převod) teprve dostáváme celý ucelený optický přenosový systém.
Pokud je použit ještě vlnový multiplex, musím být oba konce vláken osazeny ještě příslušným vybavením pro rozlišování jednotlivých barev a jejich samostatnou modulaci, podle přenášených dat.