Что именно определяется на физическом уровне. Модемные протоколы физического уровня

Протокол RS-232.

Существует несколько протоколов физического уровня, которые ориентированы на работы с портами типа UART. Один из таких протоколов – RS-232.

Аббревиатура RS означает Recommended standard (то есть де-юро он стандартом не является). Протокол RS-232 определяет физический уровень протокола, который часто используется совместно с UART (то есть использует для передачи асинхронный старт-стопный режим, способ физического кодирования NRZ). Основные характеристики RS-232:

· Среда передачи данных – медный провод. Сигнал является небалансным (потенциальным). В этом случае сигнал передается по одному индивидуальному проводу кабеля, передатчик и приемник имеют по одному выводу в отличие от дифференциального сигнала (каждый сигнал передается по индивидуальной паре). Вторым проводом является общий (земля), используемый сразу всеми сигналами и подключаемый к общим вывода питания приемника и передатчика. Такой способ снижает стоимость соединительного кабеля, но и ухудшает помехоустойчивость системы.

· Количество узлов – всегда 2. Передатчик первого узла соединен с приемником второго и наоборот. Соответственно всегда используется полнодуплексный режим работы – данные передаются в обоих направлениях одновременно и независимо.

· Максимальная длина провода – 15,25 м. для скорости передачи 19,2 Кбит/с.

· Уровни напряжений сигнала на выходе передатчика: сигнал двуполярный, логической “1” соответствует напряжение -5 ¸ -15 В., логическому “0” - +5 ¸ +15 В.

· Минимальные уровни напряжения на входе приемника ±3 В.

· Ток в линии – 500 ма (на самом деле выпускаемые драйверы RS-232 допускают ток в пределах 10 ма).

В настоящее время существует большое количество драйверов, выполняющих преобразование сигналов из цифровых уровней (однополярный сигнал, ограничиваемый уровнем цифрового питания) к уровню RS-232.

Протокол RS-485.

Обеспечивает упрощенное равноправное (на физическом уровне) подключение произвольного числа устройств к линии передачи данных.

Основные характеристики:

· среда передачи данных – всегда витая пара. Обычно используется 1 пара (полудуплексный режим), возможно использование 2-х пар (полнодуплексный режим, не являющийся стандартным). Линии пары также маркируются буквами A и B. Рекомендуется использование экранированной витой пары;

· способ передачи – полудуплексный (при использовании одной пары) либо полнодуплексный (при использовании двух пар). В последнем случае режим связи аналогичен режиму RS-422.

· максимальная дальность передачи – 1220 м на скорости 100 кбит/с;

· максимальная скорость передачи – 10 Мбит/с на расстояние до 15 м;

· сигнал передатчика двуполярный. Соотношения потенциалов линий A и B: состояние 0 – A>B, состояние 1 – B>A. Разность потенциалов A и B должна составлять 1,5 – 5 В, уровень тока в линии – до 250 ма.

Изначально протокол предусматривал подключение к одной линии до 32 устройств, но производители драйверов линии увеличили это количество до 128-256.

волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов , передающих дискретную информацию, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования , скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Физический уровень:

  • передача битов по физическим каналам ;
  • формирование электрических сигналов ;
  • кодирование информации;
  • синхронизация ;
  • модуляция .

Реализуется аппаратно.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом .

Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base -T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45 , максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов .

Канальный уровень

На физическом уровне просто пересылаются биты . При этом не учитывается, что в тех сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer ) является проверка доступности среды передачи . Другая задача канального уровня - реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок . Для этого на канальном уровне - биты группируются в наборы, называемые кадрами ( frames ). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра , для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму , обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру . Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра . Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay .

Функции канального уровня

Надежная доставка пакета :

  1. Между двумя соседними станциями в сети с произвольной топологией.
  2. Между любыми станциями в сети с типовой топологией:
    • проверка доступности разделяемой среды ;
    • выделение кадров из потока данных, поступающих по сети; формирование кадров при отправке данных ;
    • подсчет и проверка контрольной суммы .

Реализуются программно-аппаратно.

В протоколах канального уровня , используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации . Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей , именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся " общая шина ", "кольцо" и "звезда", а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов . Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring , FDDI , 100VG-AnyLAN .

В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами , коммутаторами и маршрутизаторами . В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов .

В глобальных сетях, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка-точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы PPP и LAP -B. В таких случаях для доставки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня . Именно так организованы сети X.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня . Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay .

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами, и тогда поверх них могут работать непосредственно протоколы прикладного уровня или приложения, без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Например, существует реализация протокола управления сетью SNMP непосредственно поверх Ethernet, хотя стандартно этот протокол работает поверх сетевого протокола IP и транспортного протокола UDP . Естественно, что применение такой реализации будет ограниченным - она не подходит для составных сетей разных технологий, например Ethernet и X.25, и даже для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между сегментами существуют петлевидные связи. А вот в двухсегментной сети Ethernet, объединенной мостом , реализация SNMP над канальным уровнем будет вполне работоспособна.

Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный.

Эти четыре пары кабеля UTP категории 5 образуют канал, по которому со скоростью 1000 Мбит в секунду данные могут передаваться в обоих направлениях. Поскольку максимальная допустимая скорость передачи данных по кабелю UTP категории 5 составляет не более 125 МГц, канал 1000 Base T должен обеспечивать передачу 8 бит данных в каждый период изменения сигнала (8 нс).

4) Протокол сетевого уровня (англ. Network layer ) - протокол 3-го уровня сетевой модели OSI, предназначается для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию имаршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.

В пределах семантики иерархического представления модели OSI Сетевой уровень отвечает на запросы обслуживания от Транспортного уровня и направляет запросы обслуживания на Канальный уровень.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю и могут быть разделены на два класса: протоколы с установкой соединения и без него.

· Протоколы с установкой соединения начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь.

· Протоколы без установки соединения посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете. Каждый пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждое промежуточное сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена, т.к. разные пакеты могут пройти разными маршрутами. За восстановления порядка данных при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы.

Функции Сетевого уровня:

· модели соединения: с установкой соединения и без установки соединения

Сетевой уровень модели OSI может быть как с установкой соединения, так и без него. Для сравнения - Межсетевой уровень (англ. internet ) стека протоколовМодели DoD (Модель TCP/IP) поддерживает только протокол IP, который является протоколом без установки соединения; протоколы с установкой соединения находятся на следующих уровнях этой модели.

· адрес, присвоенный сетевому узлу

Каждый хост в сети должен иметь уникальный адрес, который определяет, где он находится. Этот адрес обычно назначается из иерархической системы. В Интернете адреса известны как адреса протокола IP.


· продвижение данных

Так как многие сети разделены на подсети и соединяются с другими сетями широковещательными каналами, сети используют специальные хосты, которые называются шлюзами или роутерами (маршрутизаторами) для доставления пакетов между сетями. Это также используется в интересах мобильных приложений, когда пользователь двигается от одного приложения к другому, в этом случае пакеты (сообщения) должны следовать за ним. В протоколе IPv4 такая идея описана, но практически не применяется. IPv6 содержит более рациональное решение.

ICMP (англ. Internet Control Message Protocol - протокол межсетевых управляющих сообщений ) - сетевой протокол, входящий в стек протоколов TCP/IP. В основном ICMP используется для передачи сообщений об ошибках и других исключительных ситуациях, возникших при передаче данных, например, запрашиваемая услуга недоступна, или хост, илимаршрутизатор не отвечают. Также на ICMP возлагаются некоторые сервисные функции.

ICMP-сообщения (тип 12) генерируются при нахождении ошибок в заголовке IP-пакета (за исключением самих ICMP-пакетов, дабы не привести к бесконечно растущему потоку ICMP-сообщений об ICMP-сообщениях).

ICMP-сообщения (тип 3) генерируются маршрутизатором при отсутствии маршрута к адресату.

Утилита Ping, служащая для проверки возможности доставки IP-пакетов, использует ICMP-сообщения с типом 8 (эхо-запрос) и 0 (эхо-ответ).

Утилита Traceroute, отображающая путь следования IP-пакетов, использует ICMP-сообщения с типом 11.

ICMP-сообщения с типом 5 используются маршрутизаторами для обновления записей в таблице маршрутизации отправителя.

ICMP-сообщения с типом 4 используются получателем (или маршрутизатором) для управления скоростью отправки сообщений отправителем.

5) Транспортный уровень (англ. Transport layer ) - 4-й уровень сетевой модели OSI, предназначен для доставки данных. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть, он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Протоколы этого уровня предназначены для взаимодействия типа точка-точка. Пример: TCP, UDP, SCTP.

Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции, например, функции передачи данных без подтверждения приема, и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Некоторые протоколы транспортного уровня, называемые протоколами без установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень. Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных - это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

UDP (англ. User Datagram Protocol - протокол пользовательских датаграмм) - один из ключевых элементов Transmission Control Protocol/Internet Protocol, набора сетевых протоколов для Интернета. С UDP компьютерные приложения могут посылать сообщения (в данном случае называемые датаграммами) другим хостам по IP-сети без необходимости предварительного сообщения для установки специальных каналов передачи или путей данных. Протокол был разработан Дэвидом П. Ридом в 1980 году и официально определён в RFC 768.

UDP использует простую модель передачи, без неявных «рукопожатий» для обеспечения надёжности, упорядочивания или целостности данных. Таким образом, UDP предоставляет ненадёжный сервис, и датаграммы могут прийти не по порядку, дублироваться или вовсе исчезнуть без следа. UDP подразумевает, что проверка ошибок и исправление либо не нужны, либо должны исполняться в приложении. Чувствительные ко времени приложения часто используют UDP, так как предпочтительнее сбросить пакеты, чем ждать задержавшиеся пакеты, что может оказаться невозможным в системах реального времени. При необходимости исправления ошибок на сетевом уровне интерфейса приложение может задействовать TCP или SCTP, разработанные для этой цели.

Природа UDP как протокола без сохранения состояния также полезна для серверов, отвечающих на небольшие запросы от огромного числа клиентов, например DNS и потоковые мультимедийные приложения вроде IPTV, Voice over IP, протоколы туннелирования IP и многие онлайн-игры.

Александр Горячев, Алексей Нисковский

Для того чтобы серверы и клиенты сети могли общаться, они должны работать с использованием одного протокола обмена информацией, то есть должны «говорить» на одном языке. Протокол определяет набор правил для организации обмена информацией на всех уровнях взаимодействия сетевых объектов.

Существует эталонная модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection Reference Model), часто называемая моделью OSI. Эта модель разработана Международной организацией по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO). Модель OSI описывает схему взаимодействия сетевых объектов, определяет перечень задач и правила передачи данных. Она включает в себя семь уровней: физический (Physical - 1), канальный (Data-Link - 2), сетевой (Network - 3), транспортный (Transport - 4), сеансовый (Session - 5), представления данных (Presentation - 6) и прикладной (Application - 7). Считается, что два компьютера могут взаимодействовать друг с другом на конкретном уровне модели OSI, если их программное обеспечение, реализующее сетевые функции этого уровня, одинаково интерпретирует одни и те же данные. В этом случае устанавливается прямое взаимодействие между двумя компьютерами, называемое «точка-точка».

Реализации модели OSI протоколами называются стеками (наборами) протоколов. В рамках одного конкретного протокола невозможно реализовать все функции модели OSI. Обычно задачи конкретного уровня реализуются одним или несколькими протоколами. На одном компьютере должны работать протоколы из одного стека. При этом компьютер одновременно может использовать несколько стеков протоколов.

Рассмотрим задачи, решаемые на каждом из уровней модели OSI.

Физический уровень

На этом уровне модели OSI определяются следующие характеристики сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические топологии сети, способы передачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов), виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи с использованием частотного и временного мультиплексирования.

Реализации протоколов физического уровня модели OSI координируют правила передачи битов.

Физический уровень не включает описание среды передачи. Однако реализации протоколов физического уровня специфичны для конкретной среды передачи. С физическим уровнем обычно ассоциируется подключение следующего сетевого оборудования:

  • концентраторов, хабов и повторителей, регенерирующих электрические сигналы;
  • соединительных разъемов среды передачи, обеспечивающих механический интерфейс для связи устройства со средой передачи;
  • модемов и различных преобразующих устройств, выполняющих цифровые и аналоговые преобразования.

Этот уровень модели определяет физические топологии в корпоративной сети, которые строятся с использованием базового набора стандартных топологий.

Первой в базовом наборе является шинная (bus) топология. В этом случае все сетевые устройства и компьютеры подключаются к общей шине передачи данных, которая чаще всего формируется с использованием коаксиального кабеля. Кабель, формирующий общую шину, называется магистральным (backbone). От каждого из устройств, подключенных к шине, сигнал передается в обе стороны. Для удаления сигнала из кабеля на концах шины должны использоваться специальные прерыватели (terminator). Механическое повреждение магистрали сказывается на работе всех устройств, подключенных к ней.

Кольцевая топология предусматривает соединение всех сетевых устройств и компьютеров в физическое кольцо (ring). В этой топологии информация всегда передается по кольцу в одну сторону - от станции к станции. Каждое сетевое устройство должно иметь приемник информации на входном кабеле и передатчик на выходном. Механическое повреждение среды передачи информации в одинарном кольце повлияет на работу всех устройств, однако сети, построенные с использованием двойного кольца, как правило, имеют запас по отказоустойчивости и функции самовосстановления. В сетях, построенных на двойном кольце, одна и та же информация передается по кольцу в обе стороны. В случае повреждения кабеля кольцо будет продолжать работать в режиме одинарного кольца на двойной длине (функции самовосстановления определяются используемыми аппаратными средствами).

Следующей топологией является звездообразная топология, или звезда (star). Она предусматривает наличие центрального устройства, к которому лучами (отдельными кабелями) подключаются другие сетевые устройства и компьютеры. Сети, построенные на звездообразной топологии, имеют одиночную точку отказа. Этой точкой является центральное устройство. В случае выхода из строя центрального устройства все остальные участники сети не смогут обмениваться информацией между собой, поскольку весь обмен осуществлялся только через центральное устройство. В зависимости от типа центрального устройства принимаемый с одного входа сигнал может транслироваться (с усилением или без) на все выходы либо на конкретный выход, к которому подключено устройство - получатель информации.

Полносвязанная (mesh) топология обладает высокой отказоустойчивостью. При построении сетей с подобной топологией каждое из сетевых устройств или компьютеров соединяется с каждым другим компонентом сети. Эта топология обладает избыточностью, за счет чего кажется непрактичной. Действительно, в малых сетях эта топология применяется редко, однако в больших корпоративных сетях полносвязанная топология может использоваться для соединения наиболее важных узлов.

Рассмотренные топологии чаще всего строятся с применением кабельных соединений.

Существует еще одна топология, использующая беспроводные соединения, - сотовая (cellular). В ней сетевые устройства и компьютеры объединяются в зоны - ячейки (cell), взаимодействуя только с приемо-передающим устройством ячейки. Передача информации между ячейками осуществляется приемо-передающими устройствами.

Канальный уровень

Этот уровень определяет логическую топологию сети, правила получения доступа к среде передачи данных, решает вопросы, связанные с адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением передачей информации (синхронизация передачи и сервис соединений) между сетевыми устройствами.

Протоколами канального уровня определяются:

  • правила организации битов физического уровня (двоичные единицы и нули) в логические группы информации, называемые фреймами (frame), или кадрами. Фрейм является единицей данных канального уровня, состоящей из непрерывной последовательности сгруппированных битов, имеющей заголовок и окончание;
  • правила обнаружения (и иногда исправления) ошибок при передаче;
  • правила управления потоками данных (для устройств, работающих на этом уровне модели OSI, например, мостов);
  • правила идентификации компьютеров в сети по их физическим адресам.

Подобно большинству других уровней канальный уровень добавляет собственную управляющую информацию в начало пакета данных. Эта информация может включать адрес источника и адрес назначения (физический или аппаратный), информацию о длине фрейма и индикацию активных протоколов верхнего уровня.

С канальным уровнем обычно связаны следующие сетевые соединительные устройства:

  • мосты;
  • интеллектуальные концентраторы;
  • коммутаторы;
  • сетевые интерфейсные платы (сетевые интерфейсные карты, адаптеры и т.д.).

Функции канального уровня подразделяются на два подуровня (табл. 1):

  • управление доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC);
  • управление логическим соединением (Logical Link Control, LLC).

Подуровень MAC определяет такие элементы канального уровня, как логическая топология сети, метод доступа к среде передачи информации и правила физической адресации между сетевыми объектами.

Аббревиатура MAC также используется при определении физического адреса сетевого устройства: физический адрес устройства (который определяется внутри сетевого устройства или сетевой карты на этапе производства) часто называют MAC-адресом этого устройства. Для большого количества сетевых устройств, особенно сетевых карт, существует возможность программно изменить MAC-адрес. При этом необходимо помнить, что канальный уровень модели OSI накладывает ограничения на использование MAC-адресов: в одной физической сети (сегменте большей по размеру сети) не может быть двух или более устройств, использующих одинаковые MAC-адреса. Для определения физического адреса сетевого объекта может быть использовано понятие «адрес узла» (node address). Адрес узла чаще всего совпадает с MAC-адресом или определяется логически при программном переназначении адреса.

Подуровень LLC определяет правила синхронизации передачи и сервиса соединений. Этот подуровень канального уровня тесно взаимодействует с сетевым уровнем модели OSI и отвечает за надежность физических (с использованием MAC-адресов) соединений. Логическая топология (logical topology) сети определяет способ и правила (последовательность) передачи данных между компьютерами в сети. Сетевые объекты передают данные в зависимости от логической топологии сети. Физическая топология определяет физический путь данных; при этом в некоторых случаях физическая топология не отражает способ функционирования сети. Фактический путь данных определяется логической топологией. Для передачи данных по логическому пути, который может отличаться от пути в физической среде, используются сетевые устройства подключения и схемы доступа к среде передачи. Хороший пример различий между физической и логической топологиями - сеть Token Ring фирмы IBM. В локальных сетях Token Ring часто используется медный кабель, который прокладывается в звездообразную схему с центральным разветвителем (хабом). В отличие от нормальной звездообразной топологии хаб не пересылает входящие сигналы всем другим подключенным устройствам. Внутренняя схема хаба последовательно отправляет каждый входящий сигнал следующему устройству в заранее предопределенном логическом кольце, то есть по круговой схеме. Физической топологией этой сети является звезда, а логической - кольцо.

Еще одним примером различий между физической и логической топологиями может служить сеть Ethernet. Физическая сеть может быть построена с использованием медных кабелей и центрального хаба. Образуется физическая сеть, выполненная по топологии звезды. Однако технология Ethernet предусматривает передачу информации от одного компьютера ко всем остальным, находящимся в сети. Хаб должен ретранслировать принятый с одного своего порта сигнал на все остальные порты. Образована логическая сеть с шинной топологией.

Чтобы определить логическую топологию сети, необходимо понять, как в ней принимаются сигналы:

  • в логических шинных топологиях каждый сигнал принимается всеми устройствами;
  • в логических кольцевых топологиях каждое устройство получает только те сигналы, которые были посланы конкретно ему.

Также важно знать, каким образом сетевые устройства получают доступ к среде передачи информации.

Доступ к среде передачи

Логические топологии используют специальные правила, управляющие разрешением на передачу информации другим сетевым объектам. Процесс управления контролирует доступ к среде передачи данных. Рассмотрим сеть, в которой всем устройствам позволено функционировать безо всяких правил получения доступа к среде передачи. Все устройства в такой сети передают информацию по мере готовности данных; эти передачи могут иногда накладываться во времени. В результате наложения сигналы искажаются, происходит потеря передаваемых данных. Такая ситуация называется коллизией (collision). Коллизии не позволяют организовать надежную и эффективную передачу информации между сетевыми объектами.

Коллизии в сети распространяются на физические сегменты сети, к которым подключаются сетевые объекты. Такие соединения образуют единое пространство коллизий (collision space), в котором влияние коллизий распространяется на всех. Для уменьшения размеров пространств коллизий путем сегментации физической сети можно использовать мосты и другие сетевые устройства, обладающие функциями фильтрации трафика на канальном уровне.

Сеть не может нормально работать до тех пор, пока все сетевые объекты не смогут контролировать коллизии, управлять ими или устранять их влияние. В сетях необходим некоторый метод снижения числа коллизий, интерференции (наложения) одновременных сигналов.

Существуют стандартные методы доступа к среде передачи, описывающие правила, по которым осуществляется управление разрешением на передачу информации для сетевых устройств: состязание, передача маркера и опрос.

Перед тем как выбрать протокол, в котором реализован один из этих методов доступа к среде передачи данных, следует обратить особое внимание на следующие факторы:

  • характер передач - непрерывный или импульсный;
  • количество передач данных;
  • необходимость передачи данных в строго определенные интервалы времени;
  • количество активных устройств в сети.

Каждый из этих факторов в комбинации с преимуществами и недостатками поможет определить, какой из методов доступа к среде передачи является наиболее подходящим.

Состязание. Системы на основе состязания (конкуренции) предполагают, что доступ к среде передачи реализуется на основе принципа «первый пришел - первым обслужен». Другими словами, каждое сетевое устройство борется за контроль над средой передачи. Системы, использующие метод состязания, разработаны таким образом, чтобы все устройства в сети могли передавать данные лишь по мере необходимости. Эта практика в конечном счете приводит к частичной или полной потере данных, потому что в действительности происходят коллизии. По мере добавления к сети каждого нового устройства количество коллизий может возрастать в геометрической прогрессии. Увеличение количества коллизий снижает производительность сети, а в случае полного насыщения среды передачи информации - снижает работоспособность сети до нуля.

Для снижения количества коллизий разработаны специальные протоколы, в которых реализована функция прослушивания среды передачи информации до начала передачи данных станцией. Если прослушивающая станция обнаруживает передачу сигнала (от другой станции), то она воздерживается от передачи информации и будет пытаться повторить ее позже. Эти протоколы называются протоколами множественного доступа с контролем несущей (Carrier Sense Multiple Access, CSMA). Протоколы CSMA значительно снижают число коллизий, но не устраняют их полностью. Коллизии тем не менее происходят, когда две станции опрашивают кабель: не обнаруживают никаких сигналов, решают, что среда передачи данных свободна, а затем одновременно начинают передачу данных.

Примерами таких состязательных протоколов являются:

  • множественный доступ с контролем несущей/обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection, CSMA/CD);
  • множественный доступ с контролем несущей/предотвращением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA).

Протоколы CSMA/CD. Протоколы CSMA/CD не только прослушивают кабель перед передачей, но также обнаруживают коллизии и инициализируют повторные передачи. При обнаружении коллизии станции, передававшие данные, инициализируют специальные внутренние таймеры случайными значениями. Таймеры начинают обратный отсчет, и при достижении нуля станции должны попытаться повторить передачу данных. Поскольку таймеры были инициализированы случайными значениями, то одна из станций будет пытаться повторить передачу данных раньше другой. Соответственно, вторая станция определит, что среда передачи данных уже занята, и дождется ее освобождения.

Примерами протоколов CSMA/CD являются Ethernet version 2 (Ethernet II, разработанный в корпорации DEC) и IEEE802.3.

Протоколы CSMA/CA. CSMA/CA использует такие схемы, как доступ с квантованием времени (time slicing) или посылка запроса на получение доступа к среде. При использовании квантования времени каждая станция может передавать информацию только в строго определенные для этой станции моменты времени. При этом в сети должен реализовываться механизм управления квантами времени. Каждая новая станция, подключаемая к сети, оповещает о своем появлении, тем самым инициируя процесс перераспределения квантов времени для передачи информации. В случае использования централизованного управления доступом к среде передачи каждая станция формирует специальный запрос на передачу, который адресуется к управляющей станции. Центральная станция регулирует доступ к среде передачи для всех сетевых объектов.

Примером CSMA/CA является протокол LocalTalk фирмы Apple Computer.

Системы на основе метода состязания больше всего подходят для использования при импульсном трафике (при передаче больших файлов) в сетях с относительно небольшим количеством пользователей.

Системы с передачей маркера. В системах с передачей маркера (token passing) небольшой фрейм (маркер) передается в определенном порядке от одного устройства к другому. Маркер - это специальное сообщение, которое передает временное управление средой передачи устройству, владеющему маркером. Передача маркера распределяет управление доступом между устройствами сети.

Каждое устройство знает, от какого устройства оно получает маркер и какому устройству должно его передать. Обычно такими устройствами являются ближайшие соседи владельца маркера. Каждое устройство периодически получает контроль над маркером, выполняет свои действия (передает информацию), а затем передает маркер для использования следующему устройству. Протоколы ограничивают время контроля маркера каждым устройством.

Имеется несколько протоколов передачи маркера. Двумя стандартами сетей, использующими передачу маркера, являются IEEE 802.4 Token Bus и IEEE 802.5 Token Ring. В сети Token Bus используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая шинная топология, в то время как в сети Token Ring используется управление доступом с передачей маркера и физическая или логическая кольцевая топология.

Сети с передачей маркера следует использовать при наличии зависящего от времени приоритетного трафика, типа цифровых аудио- или видеоданных, или же при наличии очень большого количества пользователей.

Опрос. Опрос (polling) - это метод доступа, при котором выделяется одно устройство (называемое контроллером, первичным, или «мастер»-устройством) в качестве арбитра доступа к среде. Это устройство опрашивает все остальные устройства (вторичные) в некотором предопределенном порядке, чтобы узнать, имеют ли они информацию для передачи. Чтобы получить данные от вторичного устройства, первичное устройство направляет ему соответствующий запрос, а затем получает данные от вторичного устройства и направляет их устройству-получателю. Затем первичное устройство опрашивает другое вторичное устройство, принимает данные от него, и так далее. Протокол ограничивает количество данных, которое может передать после опроса каждое вторичное устройство. Опросные системы идеальны для сетевых устройств, чувствительных ко времени, например, при автоматизации оборудования.

Этот уровень также обеспечивает сервис соединений. Существует три типа сервиса соединений:

  • сервис без подтверждения и без установления соединений (unacknowledged connectionless) - посылает и получает фреймы без управления потоком и без контроля ошибок или последовательности пакетов;
  • сервис, ориентированный на соединение (connection-oriented), - обеспечивает управление потоком, контроль ошибок и последовательности пакетов посредством выдачи квитанций (подтверждений);
  • сервис с подтверждением без установления соединения (acknowledged connectionless) - использует квитанции для управления потоком и контроля ошибок при передачах между двумя узлами сети.

Подуровень LLC канального уровня обеспечивает возможность одновременного использования нескольких сетевых протоколов (из разных стеков протоколов) при работе через один сетевой интерфейс. Другими словами, если в компьютере установлена только одна сетевая карта, но есть необходимость работать с различными сетевыми сервисами от разных производителей, то клиентское сетевое программное обеспечение именно на подуровне LLC обеспечивает возможность такой работы.

Сетевой уровень

Сетевой уровень определяет правила доставки данных между логическими сетями, формирование логических адресов сетевых устройств, определение, выбор и поддержание маршрутной информации, функционирование шлюзов (gateways).

Главной целью сетевого уровня является решение задачи перемещения (доставки) данных в заданные точки сети. Доставка данных на сетевом уровне в общем-то похожа на доставку данных на канальном уровне модели OSI, где для передачи данных используется физическая адресация устройств. Однако адресация на канальном уровне относится только к одной логической сети, действует только внутри этой сети. Сетевой уровень описывает методы и средства передачи информации между многими независимыми (и часто разнородными) логическими сетями, которые, соединенные вместе, формируют одну большую сеть. Такая сеть называется объединенной сетью (internetwork), а процессы передачи информации между сетями - межсетевым взаимодействием (internetworking).

С помощью физической адресации на канальном уровне данные доставляются всем устройствам, входящим в одну логическую сеть. Каждое сетевое устройство, каждый компьютер определяют назначение принятых данных. Если данные предназначены компьютеру, то он их обрабатывает, если же нет - игнорирует.

В отличие от канального сетевой уровень может выбирать конкретный маршрут в объединенной сети и избегать посылки данных в те логические сети, в которые данные не адресованы. Сетевой уровень осуществляет это путем коммутаций, адресации на сетевом уровне и с использованием алгоритмов маршрутизации. Сетевой уровень также отвечает за обеспечение правильных маршрутов для данных через объединенную сеть, состоящую из разнородных сетей.

Элементы и методы реализации сетевого уровня определяются следующим:

  • все логически отдельные сети должны иметь уникальные сетевые адреса;
  • коммутация определяет, как устанавливаются соединения через объединенную сеть;
  • возможность реализовать маршрутизацию так, чтобы компьютеры и маршрутизаторы определяли наилучший путь прохождения данных через объединенную сеть;
  • сеть будет выполнять различные уровни сервиса соединений в зависимости от ожидаемого в рамках объединенной сети количества ошибок.

На этом уровне модели OSI работают маршрутизаторы и некоторые из коммутаторов.

Сетевой уровень определяет правила формирования логических адресов (logical network address) сетевых объектов. В рамках большой объединенной сети каждый сетевой объект должен обладать уникальным логическим адресом. В формировании логического адреса участвуют два компонента: логический адрес сети, который является общим для всех объектов сети, и логический адрес сетевого объекта, который является уникальным для этого объекта. При формировании логического адреса сетевого объекта может либо использоваться физический адрес объекта, либо определяться произвольный логический адрес. Использование логической адресации позволяет организовать передачу данных между разными логическими сетями.

Каждый сетевой объект, каждый компьютер может выполнять много сетевых функций одновременно, обеспечивая работу различных сервисов. Для обращения к сервисам используется специальный идентификатор сервиса, который называется порт (port), или сокет (socket). При обращении к сервису идентификатор сервиса следует сразу за логическим адресом компьютера, обеспечивающего работу сервиса.

Во многих сетях резервируются группы логических адресов и идентификаторов сервисов с целью выполнения конкретных заранее определенных и общеизвестных действий. Например, в случае необходимости отправить данные всем сетевым объектам отправка будет произведена на специальный broadcast-адрес.

Сетевой уровень определяет правила передачи данных между двумя сетевыми объектами. Эта передача может осуществляться с использованием коммутации или маршрутизации.

Различают три метода коммутации при передаче данных: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов.

При использовании коммутации каналов устанавливается канал передачи данных между отправителем и получателем. Этот канал будет задействован в течение всего сеанса связи. При использовании этого метода возможны длительные задержки при выделении канала, связанные с отсутствием достаточной полосы пропускания, загруженностью коммутационного оборудования или занятостью получателя.

Коммутация сообщений позволяет передавать целое (неразбитое на части) сообщение по принципу «сохранить и передать дальше» (store-and-forward). Каждое промежуточное устройство принимает сообщение, локально его сохраняет и при освобождении канала связи, по которому это сообщение должно быть отправлено, отправляет его. Этот метод хорошо подходит для передачи сообщений электронной почты и организации электронного документооборота.

При использовании коммутации пакетов соединяются вместе преимущества двух предыдущих методов. Каждое большое сообщение разбивается на небольшие пакеты, каждый из которых последовательно отправляется получателю. При прохождении через объединенную сеть для каждого из пакетов определяется наилучший в этот момент времени путь. Получается, что части одного сообщения могут прийти к получателю в разное время и только после того, как все части будут собраны вместе, получатель сможет работать с полученными данными.

Каждый раз при определении дальнейшего пути для данных необходимо выбрать наилучший маршрут. Задача определения наилучшего пути называется маршрутизацией (routing). Эту задачу выполняют маршрутизаторы (router). Задача маршрутизаторов - определение возможных путей передачи данных, поддержание маршрутной информации, выбор наилучших маршрутов. Маршрутизация может осуществляться статическим либо динамическим способом. При задании статической маршрутизации должны быть заданы все взаимосвязи между логическими сетями, которые остаются неизменными. Динамическая маршрутизация предполагает, что маршрутизатор может сам определять новые пути либо модифицировать информацию о старых. Динамическая маршрутизация использует специальные алгоритмы маршрутизации, наиболее распространенными из которых являются вектор дистанции (distance vector) и состояние канала (link state). В первом случае маршрутизатор использует информацию о структуре сети от соседних маршрутизаторов, из вторых рук. Во втором случае маршрутизатор оперирует информацией о собственных каналах связи и взаимодействует со специальным представительским маршрутизатором для построения полной карты сети.

На выбор наилучшего маршрута чаще всего влияют такие факторы, как количество переходов через маршрутизаторы (hop count) и количество тиков (единиц времени), необходимых для достижения сети назначения (tick count).

Сервис соединений сетевого уровня работает тогда, когда сервис соединений LLC-подуровня канального уровня модели OSI не используется.

При построении объединенной сети приходится соединять логические сети, построенные с использованием различных технологий и предоставляющие разнообразные сервисы. Для того чтобы сеть могла работать, логические сети должны уметь правильно интерпретировать данные и управляющую информацию. Эта задача решается с помощью шлюза, который представляет собой устройство, или прикладную программу, переводящую и интерпретирующую правила одной логической сети в правила другой. Вообще, шлюзы могут быть реализованы на любом уровне модели OSI, однако чаще всего они реализуются на верхних уровнях модели.

Транспортный уровень

Транспортный уровень позволяет спрятать физическую и логическую структуры сети от приложений верхних уровней модели OSI. Приложения работают только с сервисными функциями, которые достаточно универсальны и не зависят от физической и логической топологий сети. Особенности логической и физической сетей реализуются на предыдущих уровнях, куда транспортный уровень передает данные.

Транспортный уровень часто компенсирует отсутствие надежного или ориентированного на соединение сервиса соединений на нижних уровнях. Термин «надежный» (reliable) не означает, что все данные будут доставлены во всех случаях. Тем не менее надежные реализации протоколов транспортного уровня обычно могут подтверждать или отрицать доставку данных. Если данные не доставлены принимающему устройству правильно, транспортный уровень может осуществить повторную передачу или информировать верхние уровни о невозможности доставки. Верхние уровни могут затем предпринять необходимые корректирующие действия или обеспечить пользователя возможностью выбора.

Многие протоколы в вычислительных сетях обеспечивают пользователям возможность работы с простыми именами на естественном языке вместо сложных и тяжелых для запоминания алфавитно-цифровых адресов. Преобразование адресов в имена и обратно (Address/Name Resolution) является функцией идентификации или отображения имен и алфавитно-цифровых адресов друг в друга. Эта функция может выполняться каждым объектом в сети или поставщиками специального сервиса, называемыми каталоговыми серверами (directory server), серверами имен (name server) и т.п. Следующие определения классифицируют методы преобразования адресов/имен:

  • инициация потребителем сервиса;
  • инициация поставщиком сервиса.

В первом случае пользователь сети обращается к какому-либо сервису по его логическому имени, не зная точное расположение сервиса. Пользователь не знает, доступен ли этот сервис в данный момент. При обращении логическое имя ставится в соответствие физическому имени, и рабочая станция пользователя инициирует обращение непосредственно к сервису. Во втором случае каждый сервис извещает о себе всех клиентов сети на периодической основе. Каждый из клиентов в любой момент времени знает, доступен ли сервис, и умеет обратиться непосредственно к сервису.

Методы адресации

Адреса сервиса идентифицируют конкретные программные процессы, выполняемые на сетевых устройствах. В дополнение к этим адресам поставщики сервиса отслеживают различные диалоги, которые они ведут с устройствами, запрашивающими услуги. Два различных метода диалога используют следующие адреса:

  • идентификатор соединения;
  • идентификатор транзакции.

Идентификатор соединения (connection identifier), также называемый ID соединения (connection ID), портом (port), или сокетом (socket), идентифицирует каждый диалог. С помощью идентификатора соединения поставщик соединения может связываться более чем с одним клиентом. Поставщик сервиса обращается к каждому объекту коммутации по его номеру, а для координации других адресов нижнего уровня полагается на транспортный уровень. Идентификатор соединения связан с конкретным диалогом.

Идентификаторы транзакций подобны идентификаторам соединений, но оперируют единицами, меньшими, чем диалог. Транзакция составляется из запроса и ответа. Поставщики и потребители сервиса отслеживают отправление и прибытие каждой транзакции, а не диалога в целом.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень способствует взаимодействию между устройствами, запрашивающими и поставляющими услуги. Сеансы связи контролируются посредством механизмов, которые устанавливают, поддерживают, синхронизируют и управляют диалогом между поддерживающими связь объектами. Этот уровень также помогает верхним уровням идентифицировать доступный сетевой сервис и соединиться с ним.

Сеансовый уровень использует информацию о логических адресах, поставляемую нижними уровнями, для идентификации имен и адресов серверов, необходимых верхним уровням.

Сеансовый уровень также инициирует диалоги между устройствами-поставщиками сервиса и устройствами-потребителями. Выполняя эту функцию, сеансовый уровень часто осуществляет представление, или идентификацию, каждого объекта и координирует права доступа к нему.

Сеансовый уровень реализует управление диалогом с использованием одного из трех способов общения - симплекс (simplex), полудуплекс (half duplex) и полный дуплекс (full duplex).

Симплексное общение предполагает только однонаправленную передачу от источника к приемнику информации. Никакой обратной связи (от приемника к источнику) этот способ общения не обеспечивает. Полудуплекс позволяет использовать одну среду передачи данных для двунаправленных передач информации, однако в каждый момент времени информация может передаваться только в одну сторону. Полный дуплекс обеспечивает одновременную передачу информации в обе стороны по среде передачи данных.

Администрирование сеанса связи между двумя сетевыми объектами, состоящее из установления соединения, передачи данных, завершения соединения, также выполняется на этом уровне модели OSI. После установления сеанса программное обеспечение, реализующее функции данного уровня, может проверять работоспособность (поддерживать) соединения вплоть до его завершения.

Уровень представления данных

Основная задача уровня представления данных - преобразование данных во взаимно согласованные форматы (синтаксис обмена), понятные всем сетевым приложениям и компьютерам, на которых работают приложения. На этом уровне также решаются задачи компрессии и декомпрессии данных и их шифрование.

Под преобразованием понимается изменение порядка битов в байтах, порядка байтов в слове, кодов символов и синтаксиса имен файлов.

Необходимость изменения порядков битов и байтов обусловлена наличием большого количества разнообразных процессоров, вычислительных машин, комплексов и систем. Процессоры разных производителей могут по-разному трактовать нулевой и седьмой биты в байте (либо нулевой бит является старшим, либо - седьмой). Аналогично по-разному трактуются байты, из которых состоят большие единицы информации - слова.

Для того чтобы пользователи различных операционных систем могли получать информацию в виде файлов с корректными именами и содержимым, этот уровень обеспечивает корректное преобразование синтаксиса файлов. Различные операционные системы по-разному работают со своими файловыми системами, реализуют разные способы формирования имен файлов. Информация в файлах также хранится в определенной кодировке символов. При взаимодействии двух сетевых объектов важно, чтобы каждый из них мог интерпретировать файловую информацию по-своему, но смысл информации изменяться не должен.

Уровень представления данных преобразует данные во взаимно согласованный формат (синтаксис обмена), понятный всем сетевым приложениям и компьютерам, на которых работают приложения. Может, кроме того, сжимать и разворачивать, а также шифровать и расшифровывать данные.

Компьютеры используют различные правила представления данных с помощью двоичных нулей и единиц. Несмотря на то что все эти правила пытаются достичь общей цели - представить данные, понятные человеку, производители компьютеров и стандартизирующие организации создали правила, противоречащие друг другу. Когда два компьютера, использующие различные наборы правил, пытаются связаться друг с другом, им часто бывает необходимо выполнить некоторые преобразования.

Локальные и сетевые операционные системы часто шифруют данные для защиты их от несанкционированного использования. Шифрование - это общий термин, который описывает некоторые методы защиты данных. Защита зачастую выполняется с помощью перемешивания данных (data scrambling), при котором используется один или несколько методов из трех: перестановка, подстановка, алгебраический метод.

Каждый из подобных методов - это просто особый способ защиты данных таким образом, чтобы они могли быть поняты только тем, кто знает алгоритм шифрования. Шифрование данных может выполняться как аппаратно, так и программно. Однако сквозное шифрование данных обычно выполняется программным способом и считается частью функций уровня представления данных. Для оповещения объектов об используемом методе шифрования обычно применяется 2 метода - секретные ключи и открытые ключи.

Методы шифрования с секретным ключом используют единственный ключ. Сетевые объекты, владеющие ключом, могут шифровать и расшифровывать каждое сообщение. Следовательно, ключ должен сохраняться в секрете. Ключ может быть встроен в микросхемы оборудования или установлен администратором сети. При каждом изменении ключа все устройства должны быть модифицированы (желательно не использовать сеть для передачи значения нового ключа).

Сетевые объекты, использующие методы шифрования с открытым ключом, обеспечиваются секретным ключом и некоторым известным значением. Объект создает открытый ключ, манипулируя известным значением посредством секретного ключа. Объект, инициирующий коммуникацию, посылает свой открытый ключ приемнику. Другой объект затем математически комбинирует собственный секретный ключ с переданным ему открытым ключом для установки взаимоприемлемого значения шифрования.

Владение только открытым ключом мало полезно несанкционированным пользователям. Сложность результирующего ключа шифрования достаточно велика, чтобы его можно было вычислить за приемлемое время. Даже знание собственного секретного ключа и чьего-то открытого ключа не слишком поможет определить другой секретный ключ - из-за сложности логарифмических вычислений для больших чисел.

Прикладной уровень

Прикладной уровень содержит все элементы и функции, специфичные для каждого вида сетевого сервиса. Шесть нижних уровней объединяют задачи и технологии, обеспечивающие общую поддержку сетевого сервиса, в то время как прикладной уровень обеспечивает протоколы, необходимые для выполнения конкретных функций сетевого сервиса.

Серверы представляют клиентам сети информацию о том, какие виды сервиса они обеспечивают. Основные механизмы идентификации предлагаемых услуг обеспечивают такие элементы, как адреса сервиса. Кроме того, серверы используют такие методы представления своего сервиса, как активное и пассивное представление сервиса.

При осуществлении активного представления сервиса (Active service advertisement) каждый сервер периодически посылает сообщения (включающие адреса сервиса), объявляя о своей доступности. Клиенты также могут опрашивать сетевые устройства в поисках определенного типа сервиса. Клиенты сети собирают представления, сделанные серверами, и формируют таблицы доступных в настоящее время видов сервиса. Большинство сетей, использующих метод активного представления, определяют также конкретный период действия представлений сервиса. Например, если сетевой протокол определяет, что представления сервиса должны посылаться каждые пять минут, то клиенты будут удалять по тайм-ауту те виды сервиса, которые не были представлены в течение последних пяти минут. По истечении тайм-аута клиент удаляет сервис из своих таблиц.

Серверы осуществляют пассивное представление сервиса (Passive service advertisement) путем регистрации своего сервиса и адреса в каталоге. Когда клиенты хотят определить доступные виды сервиса, они просто запрашивают каталог о местоположении нужного сервиса и об его адресе.

Прежде чем сетевой сервис может быть использован, он должен стать доступным локальной операционной системе компьютера. Существует несколько методов решения этой задачи, однако каждый такой метод может быть определен положением или уровнем, на котором локальная операционная система распознает сетевую операционную систему. Предоставляемый сервис можно подразделить на три категории:

  • перехват вызовов операционной системы;
  • удаленный режим;
  • совместная обработка данных.

При использовании перехвата вызовов ОС (OC Call Interception) локальная операционная система совершенно не подозревает о существовании сетевого сервиса. Например, когда приложение DOS пытается читать файл с сетевого файл-сервера, оно считает, что данный файл находится на локальном накопителе. В действительности специальный фрагмент программного обеспечения перехватывает запрос на чтение файла прежде, чем он достигнет локальной операционной системы (DOS), и направляет запрос сетевому файловому сервису.

В другом крайнем случае, при удаленном режиме (Remote Operation) работы локальная операционная система знает о сети и ответственна за передачу запросов к сетевому сервису. Однако сервер ничего не знает о клиенте. Для операционной системы сервера все запросы к сервису выглядят одинаково, независимо от того, являются ли они внутренними или переданы по сети.

Наконец, существуют операционные системы, которые знают о существовании сети. И потребитель сервиса, и поставщик сервиса распознают существование друг друга и работают вместе, координируя использование сервиса. Этот тип использования сервиса обычно требуется для одноранговой совместной обработки данных. Совместная обработка данных подразумевает разделение возможностей обработки данных для выполнения единой задачи. Это означает, что операционная система должна знать о существовании и возможностях других и быть способной кооперироваться с ними для выполнения нужной задачи.

КомпьютерПресс 6"1999

Протоколы физического уровня

Протоколы локальных сетей.

ARCNET () и Token ring Ethernet .

802.1 - объединение сетей.

802.10 - Безопасность сетей.

802.11 - Беспроводная сеть.

lOObaseVG-AnyLan).

, по-русски читается вайма́кс )

Ethernet (802.3)

метод управления доступом коллизий контроль несущей различные интервалы времени.

Характеристики Ethernet IEEE 802.3i IEEE 802.3j IEEE 802.3u IEEE 802.3ab IEEE 802.3z IEEE 802.3an
10BaseT 10BASE-F 100BaseTX 1000BaseT 1000Base-SX,LX 10GBaseLH
Скорость, Mbps
Макс. длина сегмента, м
Среда передачи 50-Ом коаксиал (толстый) TP cat 3 - 5 ВОК 1270 нм TP cat 5 TP cat 5e ВОК, 830, 1270 нм TP cat 7
Топология Шина Звезда Звезда Звезда Звезда Звезда Звезда
Тип передачи полудуплекс дуплекс дуплекс дуплекс дуплекс дуплекс дуплекс

TokenRing (IEEE 802.5)

- детерминированный мет

маркер доступа

С ростом активности узлов полоса пропускания, достающаяся каждому из узлов, сужается, но обвальной деградации производительности (как в Ethernet) не происходит. Кроме того, механизм приоритетов и ограничения на время владения маркером позволяют привилегированным узлам выделять га­рантированную полосу пропускания независимо от общей загрузки сети. Количество узлов в одном кольце не должно превышать 260 (сегмент Ethernet теорети­чески допускает 1024 узла). Скорость передачи 16 Мбит/с, размер кадра может достигать 18,2 Кбайт.

Предельное время передачи пакета в Token-Ring 10 мс. При максимальном количестве абонентов 260 полный цикл работы кольца составит 260 x 10 мс = 2,6 с. За это время все 260 абонентов смогут передать свои пакеты (если, конечно, им есть чего передавать). За это же время свободный маркер обязательно дойдет до каждого абонента. Этот же интервал является верхним пределом времени доступа Token-Ring

Весь диапазон передаваемых частот разделен на три части. "Голосовые" частоты (от 0 до 4 кГц) остаются незадействованными в передаче данных. Они остаются исключительно для телефонных разговоров. Следующая часть, частоты от 25 до 160 кГц, используются для передачи данных от пользователя к провайдеру. Диапазон от 240 кГц до 1,5 МГц несёт информацию в обратную сторону. Именно это и есть отличие ADSL от простой DSL. Дело в том, что от провайдера к пользователю поступает гораздо больше информации, чем в обратную сторону. Это и используется в ADSL для увеличения скорости связи

Система ADSL использует 256 частотных каналов для потока в одну сторону (downstream) и 32 канала для передачи в другую сторону (upstream) данных. Эти каналы в полосе частот расположены непосредственно рядом друг с другом, ширина полосы каждого составляет соответственно 4,3125 КГц. Влияние шума на линии связи зависит, как правило, от частоты, поэтому он влияет только на часть спектра. Благодаря тому, что ADSL разделяет канал на множество индивидуальных интервалов по 4 КГц и использует каждый из них в полном объеме, данная технология эффективно оперирует всем доступным диапазоном частот.

Уровни сигналов данных

Уровни управляющих сигналов

Для подключения обычно используются разъёмы с 9-ю или 25-ти контактами типа D. Они обозначаются DB-9, DB-25:


Контакты разъемов

DB25 Розетка (мама)
Контакт Обозн. Направление Описание
SHIELD --- Shield Ground - защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
TXD --> Transmit Data - Выход передатчика
RXD <-- Receive Data - Вход приемника
RTS --> Request to Send - выход запроса передачи данных
CTS <-- Clear to Send - вход разрешения терминалу передавать данные
DSR <-- Data Set Ready - вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных
GND --- System Ground - сигнальная (схемная) земля
CD <-- Carrier Detect - вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
9-19 N/C - -
DTR --> Data Terminal Ready - выход сигнала готовности терминала к обмену данными
N/C - -
RI <-- Ring Indicator - вход индикатора вызова (звонка)
23-25 N/C - -
DB9 Розетка (мама)
Контакт Обозн. Направление Описание
CD <-- Carrier Detect
RXD <-- Receive Data
TXD --> Transmit Data
DTR --> Data Terminal Ready
GND --- System Ground
DSR <-- Data Set Ready
RTS --> Request to Send
CTS <-- Clear to Send
RI <-- Ring Indicator

Иногда применяется разъем типа RJ-45. Использование его контактов не стандартизовано, один из используемых вариантов приведен ниже.

RJ-45
Контакт Обозн. Направление Описание
RI <-- Ring Indicator
CD <-- Carrier Detect
DTR --> Data Terminal Ready
GND --- System Ground
RxD <-- Receive Data
TxD --> Transmit Data
CTS <-- Clear to Send
RTS --> Request to Send

Используется несколько типов кабелей. Для соединения DTE-DCE используются кабели прямого соединения, контакты соединяются один к одному. Для соединения DTE - DTE используют кросс-кабели нескольких типов называемые «нуль-модемными».

Протокол V.35

Потребность в увеличении скорости обмена в соединениях DTE-DCE привели к распространению разработанного в протоколе V.35 высокоскоростного интерфейса. Первоначально стандарт V.35 был разработан для подключения группы модемов к коммуникационному устройству. Группа модемов работает в конфигурации, обратной мультиплексору, т.е. мультиплексор объединяет несколько 19,2-кбит/с модемных линий, образуя из них одну быструю линию. Подобная конфигурация обеспечивала передачу данных со скоростями цифровых линий там, где имелись только обычные телефонные линии. Коммерческого успеха эта идея не имела, но определение интерфейса пришлось по душе изготовителям оборудования, которые приняли его в качестве высокоскоростной замены старинного интерфейса RS-232.

В спецификации не был определен стандарт электрического разъема, но фирма IBM начала выпускать совместимые с V.35 большие прямоугольные разъемы М/34 с огромными прижимными винтами. Получилось очень надежное соединение: М/34 разъемы невозможно соединить неправильно, а большие прижимные винты гарантировали, что вилку соединителя нельзя было так просто выдернуть.

Интерфейс имеет низкий уровень логических единицы и нуля и дифференциальные линии передачи данных. Напряжение передатчика +0.35 В для линии B и -0.2 В для линии A. Спецификация определяет максимальную длину кабеля в завистмости скорости передачи. При скорости 100 Кбит/с длина кабеля от 600 до 1200 м. Для скорости 10 мбит/с длина кабеля 90 м.

Прямоугольный четырехрядный 34 –х контактный разъём М/34 имеет следующее обозначение выводов:

M/34 Male M/34 Female

Протокол HSSI

Дальнейший прогресс в скорости доступных линий связи потребовал использования ещё более скоростных интерфейсов для подключений DTE – DCE.

Компаниями Cisco Systems и T3Plus Networking для удовлетворения новых потребностей был разработан высокоскоростной последовательный интерфейс (High-Speed Serial Interface - HSSI) HSSI определяет как электрический, так и и физический интерфейсы. Он является открытым и используется многими другими производителями оборудования.

Технические характеристики HSSI обобщены в таблице:

Максимальная скорость передачи сигнала HSSI равна 52 Mb/сек. На этой скорости HSSI может оперировать скоростями Т3 (45 Mb/сек) большинства современных быстродействующих технологий WAN, а также может обеспечить высокоскоростное соединение между локальными сетями.

Данный протокол весьма интеллектуален. Так, он делает возможным выделение пользователю ограниченной полосы пропускания. Также он имеет встроенные механизмы контроля линии на участках: кабель между DTE и DCE, DTE – выходной порт DCE, DTE – порт DCE на дальнем конце линии WAN и проверку функционирования порта DTE по запросу DCE.

HSSI использует субминиатюрный, 50-контактный соединитель, размеры которого меньше, чем у его аналога V.35

Протокол G.703

Протокол (а точнее серия протоколов) G.703 был разработан в 1972 году сектором стандартизации электросвязи международного союза электросвязи (International Telecommunication Union, ITU ). Необходимость в нем была продиктована потребностями магистральных телефонных операторов, активно строивших линии связи передачи оцифрованного голосового трафика для замены магистральных каналов с частотным уплотнением. Протокол базируется на стандартах G.702, G.704 и I.430 и обслуживает цифровые сети иерархией PDH и SDH.

G.703 может работать на скоростях передачи данных 64, 1544, 6312, 32064 и 44736 Кбит/с (PDH, американская версия), 2048, 8448, 34368, 139264 Кбит/с (европейская версия). Предусматривается работа и при 155,52 Мбит/с. В качестве физического канала передачи может использоваться витая пара (две пары, Z=100-120 Ом) или коаксиальный кабель (два кабеля, 75 Ом). Амплитуда импульсов 1-3В.

Для передачи сигналов в каждом направлении используется отдельная пара. По ней передаётся информационный сигнал и тактовый синхронизирующий сигнал. Предусматривает 3 вида взаимодействия терминального оборудования: однонаправленный, разнонаправленный,и с центральным тактовым генератором:

Частота синхронизирующих сигналов может быть меньше скорости передачи данных в 2, 4 и 8 раз.

Для каждой скорости обмена данными предусматриваются собственные спецификации физических параметров сигнала и разные типы кодирования. Для проводных каналов на основе витой пары имеем:

Используемое здесь биполярное кодирование с альтернативной инверсией (Alternate Mark Inversion, AMI) это сигнал с тремя состояниями, использующий нулевое напряжение для передачи бита “0” и альтернативные напряжения для передачи бита “1”

Данное кодирование обеспечивает хорошее поддержание синхронизации при передаче последовательностей единиц но хуже ведет себя при передаче непрерывных последовательностей нулей. Для устранения этого недостатка используется его модификация B8ZS или Binary-8 Zero Substitution в которой каждые последовательные восемь бит «0» заменяются последовательностью с нарушением чередования полярностей

Для высоких скоростей передачи используются биполярное кодирование с высокой плотностью (High density bipolar code of order 3 - HDB3). Представление битов в методе HDB3 лишь незначительно отличается от представления, используемого алгоритмом AMI. При наличии в потоке данных 4 последовательных битов 0 последовательность изменяется на 000V, где полярность бита V такая же, как для предшествующего ненулевого.

При максимальных скоростях передачи в G.703 специфицировано кодирование с инверсией кодовых маркеров (coded mark inversion - CMI). Используется инверсия полярности для каждой логической 1 (единице ставится в соответствие 11 или 00), а для каждого логического нуля вводится смена полярности в середине интервала.

основных разновидностей интерфейса G.703 приведены в таблице.

USB 1.0 Спецификация выпущена в ноябре 1995 года. Предусмотрены два режима передачи данных: режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed ) - 12 Мбит/с и режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed ) - 1,5 Мбит/с При этом общая древовидная топология с активными разветвителями может объединять до 127 устройств. Обеспечивается питание подключенных устройств напряжением 5 В с максимальным потребляемым током 500 мА.

В процессе принятия спецификация USB 3.0 В этой версии стандарта максимальная скорость передачи данных поднята еще на порядок до 4,8 Гбит/с и увеличен максимальный допустимый ток в шине питания до 900 мА.

IEEE 1394

Разработка стандарта IEEE 1394 (известного также как FireWire или i-Link) началась в 1986 году. Задачей разработчиков было создание универсального внешнего интерфейса, пригодного как для работы с мультимедиа, так и с накопителями данных, принтеров, сканеров и тому подобного. В результате 12 декабря 1995 года появился 10 мегабайтный документ под названием 1394-1995.pdf, который описывал первую версию стандарта.

· Последовательная шина вместо параллельного интерфейса позволила использовать кабеля малого диаметра и разъёмы малого размера.

· Поддержка горячего подключения и отключения всего чего угодно.

· Питание внешних устройств через IEEE 1394 кабель.

· Высокая скорость

· Возможность строить сети из различных устройств и самой различной конфигурации.

· Простота конфигурации и широта возможностей. Через IEEE 1394 может работать самое различное оборудование, причём пользователю не придётся мучаться вопросом, как это всё правильно подключить.

Роль Appl в развитии стандарта.

Протоколы физического уровня

Протоколы локальных сетей.

Локальные вычислительные сети строились с использованием нескольких типов протоколов физического уровня, отличающихся типом среды передачи, частотным диапазоном сигналов, уровнями сигналов, способами кодировки.

Первыми технологиями построения ЛВС, получившими коммерческое признание, были патентованные решения ARCNET (Attached Resource Computer NETwork ) и Token ring (маркерное кольцо), однако в начале 90-х годов прошлого века они постепенно были практически повсеместно вытеснены сетями на базе семейства протоколов Ethernet .

Этот протокол был разработан Исследовательским центром в Пало Альто (PARC) корпорации Xerox в 1973-м году. В 1980 компании Digital Equipment Corporation, Intel Corporation и Xerox Corporation совместно разработали и приняли спецификацию Ethernet (Version 2.0). Тогда же в институте IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.x, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. В это семейство входят несколько групп стандартов:

802.1 - объединение сетей.

802.2 - Управление логической связью.

802.3 - ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий (Ethernet).

802.4 - ЛВС топологии «шина» с передачей маркера.

802.5 - ЛВС топологии «кольцо» с передачей маркера.

802.6 - сеть масштаба города (Metropolitan Area Network, MAN).

802.7 - Консультативный совет по широковещательной технологии (Broadcast Technical Advisory Group).

802.8 -- Консультативный совет по оптоволоконной технологии (Fiber-Optic Technical Advisory Group).

802.9 - Интегрированные сети с передачей речи и данных (Integrated Voice/Data Networks).

802.10 - Безопасность сетей.

802.11 - Беспроводная сеть.

802.12 - ЛВС с доступом по приоритету запроса (Demand Priority Access LAN,

lOObaseVG-AnyLan).

802.13 – номер не был использован!!!

802.14 – Передача данных по сетям кабельного TV (не активна с 2000 г.)

802.15 - Беспроводные персональные сети (WPAN) например Bluetooth, ZigBee, 6loWPAN

802.16 - Беспроводные сети WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access , по-русски читается вайма́кс )

802.17 называется RPR (Resilient Packet Ring - адаптивное кольцо для пакетов). Разрабатывается с 2000 года в качестве современной магистральной сети городского масштаба.

По каждой группе работает свой подкомитет, который разрабатывает и принимает обновления. Стандарты серии IEEE 802 охватывают два уровня модели OSI, нас пока интересуют только те из них и в той части, которые описывают физический уровень.

Ethernet (802.3) - ЛВС с множественным доступом, контролем несущей и обнаружением коллизий.

На сегодняшний день Ethernet является наиболее распространенными протоколами локальных вычислительных сетей. Причем спецификация IEEE 802.3 на сегодняшний день описывает несколько вариантов физической реализации ЛВС с разными средами передачи и скоростями передачи данных.

Базовым свойством, объединяющим все эти спецификации является метод управления доступом к среде передачи данных. Для Ethernet это множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). В сети Ethernet все узлы равноправны, нет какого либо централизованного управления их активностью или разграничения полномочий (как, например в Token ring). Каждый узел непрерывно прослушивает среду передачи и анализирует содержимое всех пакетов данных, если пакет предназначен не данному узлу, он ему не интересен и на верхние уровни не передается. Проблемы обычно возникают при передаче, поскольку никто не гарантирует, что два узла не попытаются вести передачу одновременно (в результате в кабеле возникнет невоспринимаемая суперпозиция двух сигналов). Для предотвращения таких ситуаций (коллизий ) каждый узел прежде чем начать передачу убеждается в отсутствии в кабеле сигналов от других сетевых устройств (контроль несущей ). Но этого не достаточно для предотвращения коллизий из-за ограниченности скорости распространения сигнала в среде передачи. Возможна ситуация, что какой-то другой узел уже начел передачу, просто сигнал от него еще не достиг рассматриваемого нами устройства. Т.е в сети Ethernet возможны и являются штатными ситуации когда два или более узла одновременно пытаются передавать данные мешая друг другу. Процедура разрешения такой коллизии заключается в том, что обнаружив в процессе передачи присутствие в кабеле чужого сигнала, все попавшие в такую ситуацию узлы прекращают передачу и предпринимают попытки возобновить её через различные интервалы времени.

Недостаток вероятностного метода доступа - неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени.

Рассмотрим подробнее процедуру обнаружения коллизии и взаимозависимость допустимых размеров сети от скорости передачи данных и длины информационных пакетов, передаваемых по сети. Содержимое и внутреннее устройство кадров Ethernet мы будем разбирать на канальном уровне. Пока мы просто будем учитывать, что при скорости распространения сигнала в проводнике около 200 000 000 м/с при работе сетевого адаптера Ethernet IEEE 802.3 со скоростью передачи данных 10 Мбит/с на отправку одного байта уходит 0,8 мкс и он представляет из себя волновой пакет длиной около 150 м.

Теперь еще раз вернёмся к рисунку. Чтобы рабочая станция «А» узнала, что в процессе передачи имела место коллизия, суперпозиция «столкнувшихся» сигналов должна достичь её до того, как будет завершена передача. Это накладывает ограничения на возможную минимальную длину отправляемых пакетов. Действительно, если использовать пакеты короче чем длина кабеля между рабочими станциями «А» и «В», возможна ситуация, когда пакет полностью отправлен первой станцией (и она уже решила, что передача прошла успешно), а он еще даже не дошел до второй, и она имеет полное право начинать передавать свои данные в любой момент времени. Нетрудно убедиться, что избежать подобных недоразумений можно только используя пакеты такой длины, что за время их передачи сигнал успевает добежать до самой удаленной станции и вернуться обратно.

При скорости передачи данных в 10 Мбит/с эта проблема не играла существенной роли и минимальная длина кадра была ограничена размером 64 байта. За время их передачи первые биты успевают пробежать около 10 км, и для сетей с максимальной длиной сегмента в 500 м. все необходимые условия оказываются выполненными.

При переходе к 100 Мбит/с длина минимального кадра сократиться в 10 раз. Это существенно ужесточает параметры работы сети и максимальное расстояние между станциями было сокращено до 100 м.

При скорости 1000 Мбит/с 64 байта передаются всего за 0,512 мкс и поэтому в гигабитных сетях пришлось увеличить минимальную длину кадра в 8 раз до 512 байт. Если данных для наполнения кадра не хватает, сетевой адаптер просто дополняет его специальной последовательностью символов до этой длины. Этот приём называется «расширением носителя».

Решая проблему обнаружения коллизий, расширение носителя впустую расходует полосу пропускания канала передачи данных при передаче маленьких пакетов. Чтобы уменьшить влияние этого фактора в гигабитном Ethernet адаптеру разрешено при наличии нескольких готовых к передаче коротких кадров формировать из них определённым образом один общий кадр «нормальной» длины до 1518 байт.

Более того, было предложено допустить использование кадров большей длины, чем в предыдущих стандартах Ethernet. Это предложение было реализовано в виде так называемых “jumbo” - кадров длиной до 9018 или даже более байт.

IEEE 802.3 определяет несколько различных стандартов физического уровня. Каждый из стандартов протокола физического уровня IEEE 802.3 имеет наименование.

Характеристики Ethernet IEEE 802.3i IEEE 802.3j IEEE 802.3u IEEE 802.3ab IEEE 802.3z IEEE 802.3an
10BaseT 10BASE-F 100BaseTX 1000BaseT 1000Base-SX,LX 10GBaseLH
Скорость, Mbps
Макс. длина сегмента, м
Среда передачи 50-Ом коаксиал (толстый) TP cat 3 - 5 ВОК 1270 нм TP cat 5 TP cat 5e ВОК, 830, 1270 нм TP cat 7
Топология Шина Звезда Звезда Звезда Звезда Звезда Звезда
Тип передачи полудуплекс дуплекс дуплекс дуплекс дуплекс дуплекс дуплекс

Из таблицы видно, что исходная топология общая шина (толстый Ethernet, тонкий Ethernet) достаточно быстро была заменена на звезду.

TokenRing (IEEE 802.5)

Сеть Token Ring была представлена фирмой IBM в 1984 г., как часть предложенного ею способа объединить в сеть весь ряд выпускаемых IBM компьютеров и компьютерных систем. В 1985 комитет IEEE 802 на основе этой технологии принял стандарт IEEE 802.5. Принципиальное отличие от Ethernet - детерминированный мет од доступа к среде в предопределенном порядке. Реализован доступ с передачей маркера (применяемый также в сетях ARCnet, и FDDI).

Кольцевая топология означает упорядоченную передачу информации от одной станции к другой в одном направлении, строго по порядку включения. Кольцевая логическая топология реализуется на основе физиче­ской звезды, в центре которой находится много станционное устройство доступа устройство (MSAU - Multi-Station Access Unit).

В любой момент време­ни передачу данных может вести только одна станция, захватившая маркер доступа (token). При передаче данных в заголовке маркера делается отметка о занятости, и маркер превращается в обрамление начала кадра. Остальные станции побитно транслируют кадр от предыдущей (upstream) станции к последующей (downstream). Станция, которой адресован текущий кадр, сохраняет его копию в своем буфере для последующей обработки и транслирует его далее по кольцу, сделав отметку о получении. Таким образом кадр по кольцу достигает передаю­щей станции, которая удаляет его из кольца (не транслирует дальше). Когда станция заканчивает передачу, она помечает маркер как свободный и передает его дальше по кольцу. Время, в течение которого станция имеет право пользоваться маркером, регламентировано. Захват маркера осуществляется на основе приоритетов, назначаемых станциям.