Seriell kommunikation

sdsdsd

I den här lektionen går vi igenom skillnaderna mellan seriell och parallell kommunikation, samt varför WAN-nätverk nästan alltid använder seriell överföring. För att förstå detta måste vi först skilja mellan två grundläggande begrepp inom nätverksteknik:

  • Fysisk förbindelse – det vill säga vilken typ av kablar eller radiolänkar som kopplar samman nätverksenheter
  • Dataöverföring – alltså hur själva datan överförs, oavsett vilket medium som används

Fysiska förbindelser

En fysisk förbindelse är det konkreta medium som binder ihop nätverksenheter, till exempel två routrar, en switch och en dator, eller andra typer av nätverksutrustning. I ett LAN består förbindelserna oftast av kopparkablar (t.ex. Ethernet), där datorer kopplas till switchar och dessa i sin tur till routrar. I ett WAN förbinder man istället LAN med varandra över stora geografiska avstånd.

För att detta ska fungera behövs fysiska medier som kan bära signaler effektivt över långa sträckor – det kan vara koppar, fiberoptik eller trådlös överföring. En fysisk förbindelse definieras vanligtvis av tre komponenter:

  • Överföringsmedia – exempelvis koppar, fiber eller trådlös signal
  • Interface – den kontakt eller port där kablar ansluts (t.ex. RJ-45, SFP, QSFP, V.35)
  • Teknik – till exempel Ethernet, PPP eller MPLS, beroende på nätets syfte och struktur

Dataöverföring

Dataöverföring beskriver hur bitarna i en dataström färdas från en avsändaren till en mottagare. Det finns två huvudsakliga sätt att överföra dessa bitar:

  • Seriell överföring – bitarna skickas en i taget, i följd, över en enda kommunikationskanal.
  • Parallell överföring – flera bitar skickas samtidigt, var och en på sin egen ledare (ofta 8 eller fler samtidigt).

Överföringstekniken (seriellt eller parallellt) är oberoende av vilken kabel som används. Både seriell och parallell överföring kan ske via:

  • Kopparkabel
  • Fiberoptik
  • Radiovågor

Det är alltså inte transmissionsmedier, exempelvis kabeln, i sig som avgör om överföringen är seriell eller parallell, utan hur data struktureras och överförs via signaler genom kommunikationskanaler.

Seriell kommunikation i WAN-nätverk

I princip all kommunikation i WAN-nätverk sker seriellt. Det innebär att data skickas bit för bit, i följd, över en enda kanal. Denna metod är tillförlitlig, fungerar väl över långa avstånd och är mindre känslig för störningar jämfört med parallell överföring.

Därför är seriell överföring det dominerande sättet att överföra data i WAN-miljöer – just för att den är optimerad för långdistans kommunikation. Det spelar ingen roll om datan skickas via en äldre kopparkabel eller en modern fiberoptiska kabel med mycket hög kapacitet – principen är densamma, bit efter bit. Men med tanke på att parallell kommunikation kan skicka flera bitar samtidigt, är det rimligt att fråga sig varför inte parallell kommunikation?

Varför används inte parallell kommunikation i WAN?

Även om parallell kommunikation teoretiskt kan överföra data snabbare – eftersom flera bitar skickas samtidigt över separata ledare – lider tekniken av ett stort problem: synkronisering.

Det innebär att vissa bitar anländer tidigare än andra, särskilt vid längre avstånd. Detta beror på att varje ledare (tråd) kan ha olika elektriska egenskaper, vilket skapar fördröjning i signalernas ankomsttid. När detta händer blir det svårt för mottagaren att tolka mottagna dataströmmar korrekt. Det är anledning varför parallell kommunikation är begränsad till korta förbindelser inuti i datorn, mellan servrar och switchar.

I vissa specialiserade miljöer, särskilt i moderna datacenter, används parallell kommunikation i form av så kallad parallel optics. Ett exempel är Cisco Nexus-switchar, som använder parallella optiska fiber-kanaler för att överföra mycket stora datamängder – till exempel 40 Gbps, 100 Gbps eller mer. Syftet med dessa typer av switchar är att uppnå extremt hög bandbredd mellan exempelvis servrar och switchar på kort distans (ofta mindre än 100 m).

Nu när vi har förstått skillnaden mellan seriell och parallell dataöverföring, och varför seriell kommunikation är det naturliga valet i WAN, är det dags att titta på hur själva kommunikations flödet organiseras logiskt. Det handlar alltså inte längre om hur bitarna rör sig fysiskt över en länk, utan hur nätverket som helhet hanterar kommunikationen – från sändare till mottagare. För att göra det behöver vi förstå skillnaden mellan kretskopplad och paketförmedlad kommunikation.

Kretskopplad och paketförmedlad kommunikation i WAN

När vi talar om WAN-tekniker är det viktigt att förstå de två grundläggande kommunikationsmetoderna som används: kretskoppling och paketförmedling. De bygger på helt olika principer för hur data skickas över ett nätverk, och de lämpar sig för olika typer av trafik.

Kretskopplad kommunikation

I en kretskopplad (Circuit-Switched) kommunikation skapas en dedikerad förbindelse mellan avsändare och mottagare innan någon data överförs. Det här är samma princip som användes i det gamla telefonnätet, där varje samtal upprättade en tillfällig ”linje” som reserverades för just det samtalet under hela konversationen.

Till exempel, när en användare ringde ett samtal från en fast telefon, användes telefonnumret för att sätta upp en tillfällig krets genom växlarna. Denna krets förblev aktiv under hela samtalet, och all rösttrafik skickades över exakt samma väg – även under tystnader eller pauser.

Detta innebär att hela den reserverade bandbredden stod till användarens förfogande, oavsett om data faktiskt skickades. Det är just detta som gör kretskoppling ineffektiv för modern datakommunikation, där mängden data varierar kraftigt över tid.

Trots sina begränsningar var kretskoppling länge standarden i WAN-sammanhang, framför allt genom tekniker som PSTN (Public Switched Telephone Network) och ISDN (Integrated Services Digital Network). Båda dessa användes för både röst och data, men saknar den flexibilitet som krävs för dagens nätverkstrafik.

Paketförmedlad kommunikation

I motsats till kretskoppling arbetar paketförmedlad (Packet-Switched) kommunikation efter en helt annan princip. Här delas datan upp i mindre paket, som var och en skickas oberoende av de andra, ofta via olika vägar genom nätverket. Det behövs alltså ingen fast förbindelse i förväg – istället används den befintliga infrastrukturen mer dynamiskt.

Fördelen med detta tillvägagångssätt är att flera användare kan dela samma nätverksresurser, vilket gör det mycket mer kostnadseffektivt och skalbart. Eftersom resurserna bara används när data faktiskt skickas, kan nätverket hantera många samtidiga anslutningar utan att behöva reservera kapacitet i förväg.

Det finns dock utmaningar med paketförmedling. Eftersom paketen kan ta olika vägar kan de anlända i olika ordning, med olika fördröjningar – så kallad latens och jitter. Det är särskilt kännbart vid realtids applikationer som röst- och videokommunikation. Men tack vare förbättrade tekniker som QoS (Quality of Service) och buffert-hantering är det idag fullt möjligt att uppnå högkvalitativ överföring av röst och video även i paketförmedlad nätverk.

Exempel på paketförmedlad WAN-tekniker inkluderar moderna lösningar som Metro Ethernet och MPLS (Multiprotocol Label Switching), men även äldre tekniker som Frame Relay och ATM (Asynchronous Transfer Mode),men används alltmer sällan idag.

Fiberoptik och optisk överföring i WAN

För att möta de enorma kraven på kapacitet och avstånd i moderna WAN, använder tjänsteleverantörer idag i stor utsträckning fiberoptisk infrastruktur. Fiber erbjuder flera fördelar jämfört med koppar, särskilt vid långa sträckor – bland annat mycket lägre signalförlust (dämpning) och hög motståndskraft mot elektromagnetiska störningar.

På det fysiska lagret (OSI lager 1) används internationella standarder för att definiera hur data transporteras via optisk fiber. De två främsta standarderna är:

  • SDH (Synchronous Digital Hierarchy) – en internationell standard
  • SONET (Synchronous Optical Networking) – den nordamerikanska motsvarigheten

Dessa två standarder är i stort sett tekniskt identiska och benämns ofta tillsammans som SONET/SDH. De beskriver hur flera samtidiga dataströmmar – till exempel röst, video och IP-trafik – kan sammanfogas och överföras via laser eller LED genom en optisk fiberkabel.

Både SDH och SONET används vanligtvis i ringtopologier, vilket innebär att det finns redundanta fiberlänkar i två riktningar. Denna redundans möjliggör automatisk omdirigering av trafik vid avbrott och ger därmed mycket hög tillgänglighet.

DWDM – optisk överföring med hög kapacitet

För att ytterligare öka kapaciteten i optiska nätverk används tekniken DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). DWDM innebär att flera dataströmmar skickas samtidigt över samma fiber, men på olika våglängder av ljus – ungefär som att sända flera TV-kanaler över olika frekvenser.

Varje våglängd i en DWDM-lösning fungerar som en separat, oberoende kanal, ungefär som en egen motorvägsfil i ett flerfiligt nätverk. Genom att använda olika färger (våglängder) av ljus kan man alltså skicka många parallella dataströmmar samtidigt genom samma fiberkabel – utan att de stör varandra.

Ett modernt DWDM-system kan bära upp till 80 eller fler sådana våglängder, och varje kanal kan överföra data med hastigheter på exempelvis 10 Gbps eller mer. Det innebär att en enda fibertråd kan leverera total kapacitet på flera hundra gigabit per sekund, och i vissa fall flera terabit per sekund, beroende på utrustning och våglängdstäthet.

DWDM är kompatibelt med både SDH och SONET och används i långdistans-nätverk, mellan städer, och i moderna undervattenskablar som kopplar ihop kontinenter. Tack vare DWDM kan operatörer bygga mycket skalbara och redundanta nät utan att behöva lägga ny fiber.