Канальный сообщение. Канальный уровень

Дата: 10.04.2024

Физический уровень - самый нижний уровень сетевой модели OSI, предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы...

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передачи данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Особенности физического уровня модели OSI удобно рассматривать с использованием следующего рисунка:

Можно выделить следующие подуровни:

Reconciliation - подуровень согласования. Служит для перевода команд МАС-уровня в соответствующие электрические сигналы физического уровня.
MII - Medium Independent Interface, независимый от среды интерфейс. Обеспечивает стандартный интерфейс между МАС-уровнем и физическим уровнем.
PCS - Physical Coding Sublayer, подуровень физического кодирования. Выполняет кодирование и декодирование последовательностей данных из одного представления в другое.
PMA - Physical Medium Attachment, подуровень подсоединения к физической среде. Преобразует данные в битовый поток последовательных электрических сигналов, и обратно. Кроме того, обеспечивает синхронизацию приема/передачи.
PMD - Physical Medium Dependent, подуровень связи с физической средой. Отвечает за передачу сигналов в физической среде (усиление сигнала, модуляция, формирование сигнала).
AN - Auto-negotiation, согласование скорости. Используется для автоматического выбора устройствами протокола взаимодействия.
MDI - Medium Dependent Interface, зависимый от среды интерфейс. Определяет различные виды коннекторов для разных физических сред и PMD-устройств.

Среда передачи данных

Средой передачи данных называется физическая среда, пригодная для прохождения сигнала. Чтобы компьютеры могли обмениваться кодированной информацией, среда должна обеспечить их физическое соединение друг с другом. Существует несколько видов сред, применяемых для соединения компьютеров:
коаксиальный кабель;
неэкранированная витая пара;
экранированная витая пара;
оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в сеть. Кабель данного типа состоит из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим материалом, который, в свою очередь, окружен медной сеткой и/или алюминиевой фольгой. Этот внешний проводник обеспечивает заземление и защиту центрального проводника от внешней электромагнитной интерференции. При прокладке сетей используются два типа кабеля - "Толстый коаксиальный кабель" (Thicknet) и "Тонкий коаксиальный кабель" (Thinnet). Максимальная длина сегмента лежит в диапазоне от 185 до 500 м в зависимости от типа кабеля.

Кабель типа "витая пара" (twisted pair), является одним из наиболее распространенных типов кабеля в настоящее время. Он состоит из нескольких пар медных проводов, покрытых пластиковой оболочкой. Провода, составляющие каждую пару, закручены вокруг друг друга, что обеспечивает защиту от взаимных наводок. Кабели данного типа делятся на два класса - "экранированная витая пара " ("Shielded twisted pair") и "неэкранированная витая пара " ("Unshielded twisted pair"). Отличие этих классов состоит в том, что экранированная витая пара является более защищенной от внешней электромагнитной интерференции, благодаря наличию дополнительного экрана из медной сетки и/или алюминиевой фольги, окружающего провода кабеля. Сети на основе "витой пары" в зависимости от категории кабеля обеспечивают передачу со скоростью от 10 Мбит/с – 1 Гбит/с. Длина сегмента кабеля не может превышать 100 м (до 100 Мбит/с) или 30 м (1 Гбит/с).

Оптоволоконные кабели представляют собой наиболее современную кабельную технологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных на большие расстояния, устойчивую к интерференции и прослушиванию. Оптоволоконный кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного слоем стеклянного или пластикового покрытия и внешней защитной оболочкой. Передача данных осуществляется с помощью лазерного или светодиодного передатчика, посылающего однонаправленные световые импульсы через центральный проводник. Сигнал на другом конце принимается фотодиодным приемником, осуществляющим преобразование световых импульсов в электрические сигналы, которые могут обрабатываться компьютером. Скорость передачи для оптоволоконных сетей находится в диапазоне от 100 Мбит/c до 2 Гбит/с. Ограничение по длине сегмента составляет 2 км.

Канальный уровень

Канальный уровень (англ. Data Link layer) - уровень сетевой модели OSI, который предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня - MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

В программировании, к примеру, этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС.

Задача канального уровня - обеспечить взаимодействие устройств внутри локальной сети путем передачи специальных блоков данных, которые называются кадрами (frame). В процессе формирования они снабжаются служебной информацией (заголовком), необходимой для корректной доставки получателю, и, в соответствии с правилами доступа к среде передачи, отправляются на физический уровень.

При приеме данных с уровня PHY необходимо выделить кадры, предназначенные данному устройству, проверить их на отсутствие ошибок, и передать сервису или протоколу, которому они предназначались.

Нужно обратить внимание, что именно канальный уровень отправляет, принимает, и повторяет кадры в случае коллизии. Но определяет состояние разделяемой среды физический уровень. Поэтому процесс доступа (с необходимым уточнением) подробно описан в предыдущей главе.

Информационное взаимодействие на канальном уровне сетей стандарта Ethernet так же, как и на физическом, принято разделять на дополнительные подуровни, которые не были предусмотрены стандартом OSI-7.

LLC (Logical Link Control). Уровень управления логическим каналом;
MAC (Media Access Control). Уровень доступа к среде.

Подуровень MAC

В идеология множественного доступа к среде Ethernet передачу данных приходится реализовать по широковещательному принципу "каждый для всех" (broadcasting). Это не может не наложить отпечаток на процесс формирования и распознавания кадров. Рассмотрим строение кадра Ethernet DIX, как наиболее часто используемого для передачи IP трафика.

Для идентификации устройств используются 6-ти байтовые MAC-адреса, которые отправитель обязательно должен указать в передаваемом кадре. Старшие три байта представляют собой идентификатор производителя оборудования (Vendor codes), младше - индивидуальный идентификатор устройства.

За уникальность последних несет ответственность производитель оборудования. С идентификаторами производителя дело обстоит сложнее. Существует специальная организация в составе IEEE, которая ведет список вендоров, выделяя каждому из них свой диапазон адресов. Кстати, занести туда свою запись стоит совсем не дорого, всего US 50. Можно отметить, что создатели технологии Ethernet, Ксерокс и DEC, занимают первую и последнюю строчку списка соответственно.

Такой механизм существует для того, что бы физический адрес любого устройства был уникальным, и не возникло ситуации его случайного совпадения в одной локальной сети.

Нужно особо отметить, что на большинстве современных адаптеров можно программным путем установить любой адрес. Это представляет определенную угрозу работоспособности сети, и может быть причиной тяжелых "мистических" неисправностей.

MAC-адрес может быть записан в различной форме. Наиболее часто используется шестнадцатеричная, в которой пары байтов отделяются друг от друга символами "-" или ":". Например, сетевая карта Realtek, установленная в моем домашнем компьютере, имеет адрес 00:C0:DF:F7:A4:25.

МАС-адрес позволяет выполнять единичную (Unicast), групповую (Multicast) и широковещательную адресацию кадров (Broadcast).

Единичная адресация означает, что узел-источник направляет свое сообщение только одному получателю, адрес которого явно указывается.

В режиме групповой адресации кадр будет обработан теми станциями, которые имеют такой же Vendor Code, как и у отправителя. Признаком такой посылки является "1" в младшем бите старшего байта МАС-адреса (X1:XX:XX:XX:XX:XX). Такой формат достаточно удобен для "фирменного" взаимодействия устройств, но на практике используется достаточно редко.

Другое дело широковещательная посылка, в которой адрес получателя кодируется специальным значением FF-FF-FF-FF-FF-FF. Переданный пакет будет принят и обработан всеми станциями, которые находятся в локальной сети.

Для успешной доставки одного адреса назначения явно недостаточно. Нужна дополнительная служебная информация - длина поля данных, тип сетевого протокола и др.

Преамбула (Preamble). Состоит из 8 байтов. Первые семь содержат одну и ту же циклическую последовательность битов (10101010), которая хорошо подходит для синхронизации приемопередатчиков. Последний (Start-of-frame-delimiter, SFD), 1 байт (10101011), служит меткой начала информационной части кадра. Это поле не учитывается при определении длины кадра и не рассчитывается в контрольной сумме.
МАС-адрес получателя (Destination Address, DA).
МАС-адрес отправителя (Source Address, SA). Первый бит всегда равен нулю.
Поле длины либо тип данных (Length/Type, L/T). Два байта, которые содержат явное указание длины (в байтах) поля данных в кадре или указывают на тип данных. Ниже, в описании LLC будет показано, что возможно простое автоматическое распознавание разных типов кадров.
Данные (Data). Полезная нагрузка кадра, данные верхних уровней OSI. Может иметь длину от 0 до 1500 байт.
Для корректного распознавания коллизий необходим кадр не менее чем из 64 байт. Если поле данных менее 46 байт, то кадр дополняется полем заполнения (Padding).
Контрольная сумма (Frame Check Sequence, FCS). 4 байта, которые содержит контрольную сумму всех информационных полей кадра. Вычисление выполняется по алгоритму CRC-32 отправителем и добавляется в кадр. После приема кадра в буфер, приемник выполняет аналогичный расчет. В случае расхождения результата вычислений, предполагается ошибка при передаче, и кадр уничтожается.

Подуровень LLC

Данный подуровень обеспечивает единый, независимый от используемого метода доступа, интерфейс с верхним (сетевым) уровнем. По сути, можно сказать, что на нем определяется логическая структура заголовка кадра Ethernet.
...

Сетевые адаптеры

Сетевые адаптеры преобразуют пакеты данных в сигналы для передачи по сети. В ходе изготовления фирмой-производителем каждому сетевому адаптеру присваивается физический адрес, который заносится в специальную микросхему, устанавливаемую на плате адаптера. В большинстве сетевых адаптеров МАС-адрес зашивается в ПЗУ. Когда адаптер инициализируется, этот адрес копируется в оперативную память компьютера. Поскольку МАС-адрес определяется сетевым адаптером, то при замене адаптера изменится и физический адрес компьютера; он будет соответствовать МАС-адресу нового сетевого адаптера.
Для примера можно представить себе гостиницу. Предположим далее, что комната 207 имеет замок, открывающийся ключом А, а комната 410 - замок, открывающийся ключом F. Принято решение поменять замки в комнатах 207 и 410. После замены ключ А будет открывать комнату 410, а ключ F- комнату 207. В этом примере замки играют роль сетевых адаптеров, а ключи - роль МАС-адресов. Если адаптеры поменять местами, то изменятся и МАС-адреса.

ЗЫ. продолжение следует..

------
Основы организации сетей
wiki
nag.ru

Частотное разделение сигналов (каналов)

Проследим основные этапы формирования многоканального сигнала при частотном разделении каналов (ЧРК). Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные сигналы a i (t ), имеющие энергетические спектры , ,…, модулируют поднесущие частоты каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы , , … , канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров , , … , спектры канальных сигналов занимают соответственно полосы частот , ,…, (рис.9.2).

Рис. 9.2. Схема частотного уплотнения и разделения каналов

Будем считать, что каждое из подлежащих передаче сообщений a i (t ) занимает полосу частот стандартного ТЧ-канала . В процессе формирования группового сигнала каждому канальному сигналу S i (t ) отводится неперекрывающаяся со спектрами других сигналов полоса частот (рис. 9.3). Тогда общая полоса частот N -канальной группы будет равна

. (9.8)

Рис.9.3 Преобразование спектров в системе с ЧРК

Считая, что применяется однополосная модуляция, а каждый канальный сигнал занимает полосу частот

для спектра группового сигнала получим

. (9.10)

Групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал , передается по линии связи (тракту передачи). На приемной стороне после преобразования линейного сигнала в групповой, последний с помощью полосовых канальных фильтров Ф k с полосой пропускания и демодуляторов преобразуется в канальные сообщения , которые направляются получателю.

Короче говоря, в многоканальных системах с ЧРК каждому каналу отводится определенная часть общей полосы частот группового сигнала. На вход приемного устройства i -го канала одновременно действуют сигналы S i всех N каналов. С помощью частотных фильтров Ф i выделяются лишь те частоты , которые принадлежат данному i -му каналу.

За счет неидеальности характеристик полосовых канальных фильтров возникают взаимные переходные помехи между каналами. Для снижения этих помех приходится вводить защитные частотные интервалы между каналами .

Таким образом

Это означает, что в системах с ЧРК эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую степень линейности всего группового тракта.

Временное разделение сигналов (каналов)

При временном способе разделения каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика (К пер ) и приемника (К пр ) поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. (В современной аппаратуре механические коммутаторы практически не используют. Вместо них применяют электронные коммутаторы, выполненные, например, на регистрах сдвига.) При ВРК сначала передается сигнал 1-го канала, затем следующего и т.д. до последнего канала за номером N , после чего опять подключается 1-й канал, и процесс повторяется с частотой дискретизации (рис.9.4).

В качестве канальных сигналов в системах ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов S i (t) ; совокупность канальных импульсов – групповой сигнал S г (t ) передается по линии связи. Действие коммутатора на приемной стороне К пр можно отождествить с ключом, соединяющим линию с приемником i -го канала только на время прохождения импульсов i -го канала (“временной фильтр” Ф i ). После демодуляции сообщения a i (t ) поступают к i -му получателю.

Для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная работа коммутаторов на передающей и приемной сторонах. Часто для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации для согласованной во времени работы К пер и К пр.

Рис. 9.5. Временное разделение

двух сигналов с АИМ

На рис. 9.5 представлены временные диаграммы двухканальной системы с АИМ. Переносчиком сообщений здесь являются последовательности импульсов с периодом

, (9.12)

поступающих на импульсный модулятор (ИМ) от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Групповой сигнал (рис. 9.5,а) поступает на коммутатор . Последний выполняет роль «временных» параметрических фильтров или ключей, передаточная функция которых . (рис. 9.5,б) изменяется синхронно (с периодом ) и синфазно с изменениями передаточной функции :

(9.13)

Это означает, что к тракту передачи в пределах каждого временного интервала подключен только -й импульсный детектор ИД- . Полученные в результате детектирования сообщения поступают к получателю сообщений ПС- .

Оператор , описывающий работу ключевого фильтра, вырезает из сигнала интервалы , следующие с периодом и отбрасывает остальную часть сигнала.

Здесь, как и ранее, обозначает интервал, в течение которого передаются сигналы -го источника.

При временном разделении взаимные помехи в основном обусловлены двумя причинами. Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. Действительно, если при передаче модулированных импульсов конечной длительности ограничить спектр, то импульсы «расплывутся» и вместо импульсов конечной длительности получим процессы, бесконечно протяженные во времени. При временном разделении сигналов это приведет к тому, что импульсы одного канала будут накладываться на импульсы других каналов. Иначе говоря, между каналами возникают взаимные переходные помехи или межсимвольная интерференция. Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на передающей и приемной сторонах.

Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить «защитные» временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в многоканальных системах телефонии полоса эффективно передаваемых частот = 3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение = 2 = 6200 Гц. Однако в реальных системах частоту следования импульсов выбирают с некоторым запасом: = 8 кГц. Для передачи таких импульсов в одноканальном режиме потребуется полоса частот не менее 4 кГц. При временном разделении каналов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельникова из соотношения (без учета канала синхронизации)

, (9.14)

где , что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении.

Хотя теоретически ВРК и ЧРК эквивалентны по эффективности использования частотного спектра, однако в реальных условиях системы ВРК заметно уступают ЧРК по этому показателю из-за трудностей снижения уровня взаимных помех при разделении сигналов. Вместе с тем, неоспоримым преимуществом ВРК является снижение уровня помех нелинейного происхождения за счет разновременности действия импульсов различных каналов, в системах ВРК ниже пик-фактор. Существенно также, что аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК. Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах с ИКМ.

Проверка доступности среды передачи.

Реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в фреймы (frames), обеспечивается корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму.

Управление параметрами связи (скорость, повтор)

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена структура связей и способы их адресации только для сети с определенной топологией. К топологиям относятся шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В глобальных сетях, канальный уровень обеспечивает обмен сообщениями 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.

Протоколы: IEEE 802.1 (описываются устройства (коммутаторы, мосты))

Делится на LLC – 802.2 и на МАС (CSMA /CD) – 802.3,

МАС (Token Ring) – 802.5,

МАС (Ethernet) – 802.4

Структура кадра Ethernet: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

1) Приамбула (начало передачи кадра – 8 байт)

2) Адрес получателя (2-6 байт МАС-адрес получателя, 2 байта для кольца)

3) Адрес отправителя (2- 6)

4) Длина поля данных (2 байта)

5) Поле данных (64 – 1500 байт)

6) Контрольная сумма

Протокол LLC: 1- LLC 802.2

2- LLC 802.2 SNAP

DSAP –указывает протокол получателя

SSAP – указыв. протокол отправителя

Control – т для управления соединением

Тип семейства – (IPX /SPX, X.25, ATM, TCP/IP=0)

Тип протокола - 0×0800 – IP, 0×0806 - ARP

МАС –адрес (48 бит): определяется 3 типа: индивидуальный, широковещательный, групповой

|0|0|22бита|24бита|

00 –ндивидуальный адрес, 11 – широковещательный, 10 – групповой.

22 бита – код организации производителя

24 бита – код сетевого адаптера

23. КАНАЛЫ Т1/Е1.

Каналы Т1/Е1 Выделенные каналы Т1/Е1 стали в последние годы очень популярны в качестве средства для подключения корпоративных сетей и серверов к сети Internet. Это объясняется высокими скоростями данных каналов: 1,544 Мбит/с в канале Т1 и 2,048 Мбит/с – для El.

Линии Т1 – это дуплексные цифровые каналы, которые были первоначально разработаны для передачи вызовов между телефонными станциями. Физически связь осуществляется по двум парам телефонного витого провода (одна пара- в одну сторону, вторая – в обратную).

AMI В канале применяется биполярное кодирование (bipolar encoding). .Этот метод имеет и другое название –альтернативное инвертирование логических единиц (AMI). Отсутствие напряжения в линии соответствует нулю, а для представления единиц используются по очереди положительные и отрицательные импульсы. Пример такого кодирования в сравнении со стандартным представлением (в виде кода NRZ)

Синхронизаци я.

Длинная последовательность логических нулей может привести к потере синхронизации у приемника. Для борьбы с этим применяется методбиполярной замены 8 нулей – (B8ZS).

Каждая обнаруженная передатчиком группа из 8 нулей заменяется им на некоторое «бессмысленное слово». При приеме из канала выполняется обратное преобразование. Для выделения этой заменяющей комбинации (как признак для начала ее распознавания) используется последовательная передач, без инвертирования двух положительных единиц (что недопустимо в обычной последовательности кода AMI). На рисунке 5.2 представлен пример такой заменяющей комбинации.

Кадровая синхронизация

Канал Е1 состоит из 24 отдельных каналов по 64 Кбит/с в каждом. Применяется разбиение передаваемой информации на кадры. Наибольшее распространение получили методы D4 и ESF (кроме того в линиях ЕЗ часто используется алгоритм Ml3).

Алгоритм D4

Кадр содержит 1 бит синхронизации и 24 байта данных (см. рис.5.3). Таким образом общая длина кадра составляет 193 бита.

Группа из 12 кадров снабжается специальной 12-битовой маской (см. рис), которую называют сигналом выравнивания кадра (frame alignment signal). Группа из 12 кадров называется суперкадром.

Алгоритм ESF Алгоритм формирования суперкадров ESF (Extended SuperFrame) отличается тем, что размер суперкадра был увеличен с 12 до 24 кадров. В таком суперкадре кз 24 служебных бит только 6 используются для целей синхронизации. Из оставшихся 18 бит - 6 служат для коррекции ошибок и 12 -для текущего контроля за состоянием линии.

Алгоритм М13 Предназначен для каналов ТЗ (44,476 Мбит/с). Кадр содержит 4760 бит. Из них 56 бит используются для выравнивания кадра (кадровой синхронизации), коррекции ошибок и отслеживания состояния линии.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Каналы Т1 первоначально предназначались для передачи телефонных разговоров, но по цифровой линии.

По обычному телефону сигнал передается как аналоговый в диапазоне частот от 300 до 3400 гц. Для перевода аналогового сигнала в цифровую форму применяется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - Pulse Code Modulation (PCM). Для этой цели вводится блок АЦП, который переводит амплитуду аналогового сигнала в цифровой отсчет из 8 бит. Частота снятия таких отсчетов была выбрана с учетом теоремы Найквиста (Nyquist). В соответствии с этой теоремой для адекватного преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую частота дискретизации должна в 2 раза превышать частоту дискретизируемого сигнала. Применительно к телефонным каналам была выбрана частота 8000 опросов в секунду. Таким образом цифровая линия должна обладать пропускной способностью 8 х 8000 = 64 Кбит/с.

Мультиплексирование В линии Т1 собираются вместе 24 таких цифровых каналов по 64 Кбит/с. В итоге общая пропускная способность составляет 1,544 Мбит/с. Для объединения применяется временное мультиплексирование каналов – Time Division Multiplexing (TDM). Вся доступная полоса частот делится на элементарные временные интервалы по 125 мкс. Устройство монополизирует всю полосу частот на период такого элементарного интервала.

Благодаря мультиплексированию по линии Т1 можно передавать одновременно звуковые сигналы, цифровые данные и видеосигналы. В случае необходимости вся доступная пропускная способность 1,544 Мбит/с может быть монополизирована одним потоком данных.

Структура системы На рисунке показана возможная структура оконечного устройства для работы по линии Т1. Здесь CSU– модуль обслуживания канала, a DSl – это модуль обслуживания данных.

Дробные линии Т1 Пользователь может арендовать только часть канала Т1. При этом ему предоставляется возможность оплатить любое количество (от 1 до 24) канаов DSO (Digital Sygnal 0) по 64 Кбит/с.

Каналы E1 В Европе 1TU– Международный союз по электросвязи – предложил несколько другую классификацию таких цифровых каналов. Основой является капал Е1, содержащий 30 каналов USO (по 64 Кбит/с) и дополнительно 1 канал для синхронизации и 1 канал для передачи служебной информации. Пропускная способность канала Е1 составляет 2,048 Мбит/с.

Среда передачи Для организации каналов типа Т1 могут использоваться различные среды. Например: две пары витых проводников – позволяют организовать канал Т1; в коаксиальном кабеле могут быть организованы 4 канала Т1; сверхвысокочастотный кабель позволяет разместить 8 линий Т1; оптоволоконный кабель может содержать до 24 линий Т1.

Сети ISDN

Цифровые сети интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network) находят широкое применение в качестве альтернативы подключения посредством каналов Т1/Е1. Разница заключается в основном в способе оплаты. За полный (или часть) канала Т1 взимается фиксированная (достаточно высокая) абонентская плата. В сетях же ISDN оплата взимается только за время подключения.

Технология ISDN позволяет одновременно передавать голосовые и цифровые данные, обеспечивает высокоскоростное подключение к глобальным сетям. Разработана была эта технология для того, чтобы обеспечить интегральные потребности небольшого офиса.

Аналогично каналам Т1 эта технология базируется на использовании цифрового канала 64 Кбит/с. Аналоговые (голосовые) данные предварительно дискретизируются (производится семплирование - sampling) 8000 раз в секунду. Каждый отсчет представляет собой 8 бит информации. То есть используется ИКМ.

В-канал Основным компонентом любой линии ISDN является однонаправленный В-канал с пропускной способностью 64 Кбит/с. По нему могут передаваться оцифрованные аудио- или видеоданные или собственно цифровые данные.

D-канал Используется для передачи служебной информации. Это, например, сигналы установления и разрыва соединения. Вся же полоса В-канала предназначается только для передачи полезной информации.

Имеются две стандартные для ISDN конфигурации каналов: BRI и PRI/

Интерфейс BRI Это логическое объединение двух В-каналов по 64 Кбит/с и одного D-канала с пропускной способностью 16 Кбит/с. BRI (Basic Rate Interface) -I интерфейс передачи с номинальной скоростью.

Интерфейс BRJ является конфигурацией оптимальной для удаленных пользователей и небольших офисов. Общая его пропускная способность- 128 Кбит/с, а D-канал используется только для передачи служебной информации BRI позволяет подключить до 8 устройств (телефонных, цифровых и видео).

Для обмена по D-каналу используется протокол SS7 (Signalling System Number 7).

Интерфейс PRI PRI (Primary Rate Interface) - интерфейс передачи с базовой скоростью. Этот интерфейс соответствует максимальной скорости передачи по линии Т1. Конфигурация PRI состоит из 23 каналов по 64 Кбит/с (В-каналов) и одного D-канала с пропускной способностью 64 Кбит/с. Следовательно пользователь может вести передачу со скоростью 1,472 Мбит/с.

В европейских линиях ISDN конфигурации PRI соответствует 30 В-каналов (т.к. Е1 содержит именно столько каналов передачи полезной информации).

Подключение пользователя На рисунке 5.5 приведена типичная конфигурация аппаратных средств абонентского комплекса ISDN.

Устройство NT1 (Network Terminator 1) используется для подключения абонента к цифровому каналу.

Устройство NT2 (Network Terminator 2) занимает промежуточный уровень между NT1 и любым терминальным оборудованием. Это могут быть маршрутизаторы сетей ISDN и цифровые офисные АТС.

Терминальным устройством первого типа ТЕ1 (Terminal Equipment 1) считается пользовательское оборудование, которое в состоянии подключаться к устройствам типа NT. Это, например, рабочие станции ISDN, факсимильный аппарат, телефоны ISDN.K терминальным устройствам второго типа ТЕ2 (Terminal Equipment 2) относится все оборудование, которое не может непосредственно подключаться к NT2 (аналоговые телефоны, ПК и т.д.), а требует для этого применения специального терминального адаптера ТА (Terminal Adapter).

Аппаратура Проводка делается скрученным медным проводом (витая пара) UTP класса не менее 3 (она обеспечивает передачу со скоростью до ЮМбит/с). Для интерфейса BR1 требуется одна пара UTP, а для интерфейса PRI - 2 пары UTP.

Устройство NT1 достаточно простое, поэтому его часто интегрируют в терминальное оборудование.

Аппаратура ISDN у пользователя может быть встроенной или автономной. Встроенное устройство может быть и комбинированным, т.е. содержать NT1 и несколько терминальных адаптеров ТА. Внешние терминальные адаптеры внешне выглядят аналогично модему, поэтому их часто называют ISDN-модемами(хотя там нет ни модуляции, ни демодуляции). Очень часто используют еще один тип аппаратуры - маршрутизаторы ISDN - Ethernet. Они выполняют и роль моста между каналом и локальной сетью, т.е. это router-bridge.

Н-каналы ITU выпустил стандарты на Н-каналы ISDN. Они включают пять конфигураций, начиная с НО (включает 6 В-каналов - пропускная способность 384 Кбит/с, предназначен для поддержки видеоконференций) и заканчивая каналом Н4 (включает 2112 D-каналов, пропускная способность - 135 Мбит/с, ориентирован на широковещательную передачу видео- и аудиоданных).

Услуги ISDN ISDN-канал может обеспечивать множество дополнительных услуг, например: конференц-связь; пересылка входящих звонков на другой номер телефона; определение номера вызывающего абонента; организация рабочих групп и т. д.

Сети Frame Relay

Сети, использующие протоколы Х.25, оказались надежными, но недостаточно высокоскоростными. В связи сэтим были предложены модификации, ориентированные на очень высокие скорости передачи – это, в частности, сети Frame Relay и AТМ.

Родоначальником технологии Frame Relay – ретрансляции кадров – была в начале 90-х годов американская компания WILTEL, которая имела обширную сеть оптоволоконных линий, проложенных вдоль железных дорог. Технология Frame Relay в отличие от Х.25 позволила обеспечить скорости передачи, совместимые с каналами Т1 (1,5 Мбит/с) и ТЗ (45 Мбит/с), тогда как у Х.25 это была обычно скорость 64 Кбит/с.

Формат кадра Суть этой технологии заключается в отказе от 3-его(сетевого) уровня Х.25. Ограничиваются использованием 2-го (канального) уровня, где передача ведется кадрами. Видоизменяется только заголовок кадра:

Заголовок кадра Frame Relay содержит:

10-битовое поле DLCI– идентификатора канала передачи данных. Это поле используется маршрутизаторами для нахождения узла назначения, т.е. это информация для ретрансляции кадра.

Из остальных шести бит заголовка:

3 бита выполняют роль флагов перегрузки;

1 бит – позволяет снизить приоритет кадра (называется битом DE);

2 бита – зарезервировано.

Скорость передачи

Скорость передачи согласуется с провайдером в виде трех параметров:

- CIR– согласованная скорость передачи;

Bс – согласованная величина расширения трафика;

Be – предельная величина расширения трафика.

Трафик объемом Be может приниматься сетью только ограниченный промежуток времени.

Передача графика объемом Вс допускается, только если загрузка сети в среднем не превысит согласованного значения CIR.

В случае превышения нагрузки пакет может быть либо отброшен маршрутизатором, или же в нем устанавливается в «1» бит DE (снижения приоритета), а и этом случае такой пакет разрешается при необходимости уничтожить любому следующему но пути следования маршрутизатору.

Типы каналов

Технология Frame Relay может работать на двух типах каналов:

PVC – постоянный виртуальный канал;

SVC– коммутируемый виртуальный канал.

Каналы PVC определяются на этапе конфигурации системы и гарантируют, что пакеты всегда будут доставляться по одному и тому же маршруту. Каналы SVC устанавливаются каждый раз в начале передачи (на этапе установления соединения), что позволяет избегать неисправных участков сети.

Зашита от ошибок

В сети Frame Relay производится проверка правильности кадра (с помощью анализа поля FCS)и, если обнаружены ошибки, кадр стирается. Однако повторная передача таких стертых кадров при этом не запрашивается. Считается, что за сборку сообщения и запрос недоставленных кадров должен отвечать протокол более высокого уровня – транспортный (отвечающий за межконцевую доставку). Таким образом эти сети ориентированы на применение высококачественных оптоволоконных каналов, в которых ошибки достаточно редки, а поэтому низка и вероятность повторных передач пакета.

Сети АТМ

Сети ATM были разработаны в качестве еще одной альтернативы сетям Х.25. Скорость передачи в этой сети находится и диапазоне от 25,5 Мбит/с до 2,488 Гбит/с. В качестве среды передачи могут использоваться различные носители, начиная с неэкранированной витой пары UTР класса 3 вплоть до оптоволоконных каналов.

Эта технология известна также под названием Fast Packet Switching –быстрая коммутация пакетов.

Высокие скорости передачи обеспечиваются за счет:

1. Фиксированного размера кадра – 53 байта

2. Отсутствия каких-либо мер по обеспечению правильности передачи. Эта задача переносится на более высокие протокольные уровни (транспортный).

Технология ATM относится по концепции OSI ко второму (канальному) уровню. Кадры в ATM называются ячейками (cell). Формат такой ячейки показан на левом рисунке.

Заголовок ячейки (5 байт) содержит:

Идентификатор виртуального пути – VPI (Virtual Path Identifier);

Идентификатор виртуального канала – VCI (Virtual Channel Identifier);

Идентификатор типа данных (3 бита);

Поле приоритета потери ячейки (1 бит);

Поле контроля ошибок в заголовке (8 бит) – это сумма по mod 2 байтов заголовка. Протоколы более высокого уровня разрезают свои сообщения на сегменты

по 48 байт и помещаютих в поле информации ячейки.

Технология ATM поддерживает 2 типа каналов (аналогично сетям Frame

PVC – постоянные виртуальные каналы;

SVC– коммутируемые виртуальные каналы.

На канальном уровне ATM выделяются 2 подуровня (см. рис вверху справа): непосредственно уровень ATM и уровень адаптации ATM.

Уровень адаптации ATM (ATM Adaptation Layer) – AAL – реализует один из

пяти режимов передачи:

AAL1 – характеризуется постоянной скоростью передачи (CBR) и синхронным трафиком. Ориентирован па передачу речи и видеоизображений.

AAL2 – тоже поддерживает синхронную передачу, но использует переменную битовую скорость (VDR). Oн пока, к сожалению, еще не реализован.

AAL3/AAL4 (объединены в единый протокол) – ориентированы на переменную битовую скорость (VBR). Синхронизация не обеспечивается. AAL4 отличается тем, что не требует предварительного установления соединения.

AAL5 – аналогичен AAL3, только содержит меньший объем служебной инфы.

По протоколам AAL1 и AAL2 передаются порции по 48 байт информации (1 байт – служебный). Протоколы AAL3 – AAL5 предполагают передачу блоков (разрезанных на сегменты) размером до 65536 байт.

Рекомендация X.25 описывает три уровня протоколов - физический, уровень звена передачи данных и сетевой. Физический уровень описывает уровни сигналов и логику взаимодействия на уровне физического интерфейса. Те из читателей, которым приходилось например подключать модем к последовательному порту персонального компьютера (интерфейс RS-232/V.24) имеют представление об этом уровне. Второй уровень (LAP/LAPB), с теми или иными модификациями, также достаточно широко представлен сейчас в оборудовании массового спроса: в оборудовании модемов, например, - протоколами группы MNP, отвечающими за защиту от ошибок при передаче информации по каналу связи, а также в локальных сетях на уровне LLC. Второй уровень протоколов отвечает за эффективную и надежную передачу данных в соединении "точка-точка", т.е. между соседними узлами сети X.25. Данным протоколом обеспечивается защита от ошибок при передаче между соседними узлами и управление потоком данных (если принимающая сторона не готова принимать данные, она извещает об этом передающую сторону, и та приостанавливает передачу). Кроме того, данный протокол содержит параметры, меняя значения которых, можно получить оптимальный по скорости передачи режим в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и качества канала (вероятности искажения информации при передачи). Для реализации всех указанных выше функций в протоколах второго уровня вводится понятие "кадра" ("frame"). Кадром называется порция информации (битов), организованная определенным образом. Начинает кадр флаг, т.е. последовательность битов строго определенного вида, являющаяся разделителем между кадрами. Затем идет поле адреса, которая в случае двухточечного соединения сводится к адресу "А" или адресу "B". Далее идут поле типа кадра, которое указывает, несет ли кадр в себе информацию, либо является чисто служебным, т.е. например тормозит поток информации, либо извещает передающую сторону о приеме/неприеме предыдущего кадра. В кадре имеется также поле номера кадра. Кадры нумеруются циклически. Это означает, что при достижении определенного порогового значения, нумерация опять начинается с нуля. И наконец заканчивается кадр проверочной последовательностью. Последовательность подсчитывается по определенным правилам при передаче кадра. По этой последовательности на приеме происходит поверка, не произошло ли искажения информации при передаче кадра. При настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии можно менять длину кадра. Чем короче кадр, тем меньше вероятность того, что он будет искажен при передаче. Однако если линия хорошего качества, то лучше работать более длинными информационными кадрами, т.к. уменьшается процент избыточной информации, передаваемой по каналу (флаг, служебные поля кадра). Кроме того, можно менять число кадров которое передающая сторона посылает, не ожидая подтверждения от принимающей стороны.

Этот параметр связан с т.н. "модулем нумерации", т.е. значением порога, достигнув которого нумерация снова начинается с нуля. Это поле может быть равно 8 (для тех каналов, задержка передачи информации в которых не слишком велика) либо 128 (для спутниковых каналов например, когда задержка при передаче информации по каналу велика). И наконец, третий уровень протоколов - "сетевой". Этот уровень наиболее интересен в контексте обсуждения сетей X.25, так как именно он определяет в первую очередь специфику этих сетей.

Функционально данный протокол отвечает в первую очередь за маршрутизацию в сети передачи данных X.25, за доведение информации от "точки входа" в сеть до "точки выхода" из нее. На своем уровне протокол третьего уровня также структурирует информацию, т.е. разбивает ее на "порции". На третьем уровне порция информации называется "пакетом" ("packet"). Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. В пакете имеется свой модуль нумерации, свои поля адреса, типа пакета, своя контрольная последовательность. При передаче пакет помещается в поле данных информационных кадров (кадров второго уровня). Функционально поля пакета отличаются от соответствующих полей кадра. В первую очередь это касается поля адреса, которое в пакете состоит из 15 цифр. Это поле пакета должно обеспечивать идентификацию абонентов в рамках всех сетей пакетной коммутации по всему миру

СЕТЬ ИНТЕРНЕТ

Интернет - это все сети, которые взаимодействуя с помощью протокола IP, образуют "бесшовную" сеть для своих пользователей. В настоящее время в Интернет входят десятки тысяч сетей и их число постоянно увеличивается. В 1980 году на Internet было 200 компьютеров. Число подключенных к сети компьютеров продолжает увеличиваться примерно на 15% в месяц. Масштабы Internet существенно увеличились после подключения к ней коммерческих сетей. Это были такие сети, как America Online, CompuServe, Prodigy, Delphi, GEuie, BIX и т.д..

Управление Интернет Направление развития Internet определяет "Общество Internet" (ISOC -Internet Society). Это организация, которая работает на общественных началах; ее целью является содействие глобальному информационному обмену через Internet. Она назначает Совет старейшин, который отвечает за техническое Руководство и ориентацию Internet.

Совет старейшин IAB - (Internet Architecture Board - совет по архитектуре Internet) регулярно собирается для утверждения стандартов и распределения Ресурсов. Наличие стандартов должно способствовать объединению в сети компьютеров разных платформ (Sun, Macintosh, IBM и т.д.). Каждый компьютер в сети имеет свой уникальный 32-разрядный адрес. Правила присвоения адресов определяет IAB.

Имеется еще один общественный орган - Инженерная комиссия IETF (Internet Engineering Task Force). Она собирается регулярно для обсуждения технических и организационных вопросов, а при необходимости формирует рабочие группы.

Канальный уровень (Data Link Layer) определяет правила доступа к физической среде и управляет передачей информации по каналу, осуществляя формирование сигнала о начале передачи и организуя начало и собственно передачу информации с созданием сигнала окончания передачи и последующим переводом канала в пассивное состояние. В процессе передачи выполняется проверка принимаемой информации и исправление возникающих ошибок, отключение канала при возникновении неисправности, а также формирование сообщений о возникновении неустранимых ошибок для вышестоящего уровня с восстановлением передачи по окончании ремонта техники. В ряде случаев данный уровень осуществляет слежение за скоростью обмена и окончанием информационных блоков, а также управляет физической цепью при ее мультиплексорном использовании.

На физическом уровне просто пересылаются биты и при этом не учитывается, что 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.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием информационных блоков, преобразуя последовательность битовых потоков в наборы битов, называемые кадрами данных, обслуживая запросы сетевого уровня и используя для передачи и приема кадров сервис физического уровня. Первоначально этот уровень был создан как функционально единый уровень, решающий задачи:

При передаче - собственно передачи кадра данных с сетевого уровня на физический уровень и обеспечения безошибочной передачи по физическому уровню кадров с одной системы на другую;

При приеме - перераспределения несмонтированных битов из физического уровня в кадры для более высоких уровней.

Функции канального уровня, как правило, реализуются программно-аппаратно.

Со временем возникла необходимость разделения канального уровня на два подуровня – уровень управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и уровень управления доступом к физической среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC работает с физическими адресами, которые называются МАС-адресами. В сетях Ethernet и Token Ring МАС-адреса представляют собой шестнадцатиричные числа, записанные в микросхему сетевого адаптера. МАС-адрес сети Ethernet (иногда его называют адресом Ethernet) – это 12 шестнадцатиричных цифр, каждая пара из которых отделена двоеточием. Эти 12 шестнадцатеричных цифр представляют двоичное число длиной 48 бит (или 6 байт). Первые три байта содержат код производителя, присвоенный организацией IEEE. Последние три байта присваиваются производителем. МАС-адрес, или физический адрес, иногда называют адресом устройства. Он отличается от логического адреса,т.е. IP-адреса в сети ТСР/IР тем, что его нельзя изменить. Логический адрес присваивается программным обеспечением, изменить его очень просто. Оба адреса служат для идентификации компьютера в сети.

На подуровне LLC определяется логическая топология сети. Она может не совпадать с физической топологией. Подуровень LLC отвечает за связь (или интерфейс) между подуровнем MAC и расположенным выше сетевым уровнем, преобразуя биты и байты, полученные с уровня MAC, в формат, требуемый сетевым устройствам.

В локальных сетях протоколы канального уровня поддерживаются мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов. 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. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В территориально-распределенных сетях, т.е. сетях уровня WAN, 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 канального уровня PPP и LAP-B, ответственные за доставку кадра непосредственному узлу-соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня. Именно так организованы сети X.25. Таким образом, когда в сетях уровня WAN функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, то они объединяются с функциями сетевого уровня в одном и том же протоколе. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.

На канальном уровне используются такие протоколы, как широко известный для последовательных соединений протокол ISO High-level DataLink Conrol (HDLC), протоколы ITU-T Link Access Procedures Balanced (LAPB), Link Access Procedures on the D-channel (LAPD) и Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services (LAPF), протоколы IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II), обеспечивающий MAC для сред локальных сетей 802.Х, а также протоколы Ethernet, Token ring, FDDI, X.25 и FR.

В целом канальный уровень представляет весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети, допуская в ряде случаев работу поверх него непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения протоколов сетевого и транспортного уровней. Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня недостаточно. Для этого следует использовать в рамках модели OSI следующие два уровня модели - сетевой и транспортный .

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, 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 :

Между двумя соседними станциями в сети с произвольной топологией.

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.

Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхних уровней, узлу назначения, адрес которого также указывает протокол верхнего уровня. Протоколы канального уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата, помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра , а также сопровождая кадр контрольной суммой . Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных, как правило, в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией, например в односегментных сетях Ethernet или же в многосегментных сетях Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных только мостами и коммутаторами . Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии.

Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа "точка-точка" глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры , так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий. Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации , как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня .

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer ) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Рассмотрим их на примере объединения локальных сетей.

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, например топологией иерархической звезды. Это жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Можно было бы усложнять протоколы канального уровня для поддержания петлевидных избыточных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой - допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень .

На сетевом уровне сам термин "сеть" наделяют специфическим значением. В данном случае под сетью понимается совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня , определенный для этой топологии.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем , а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень , который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня .

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами . Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, или хопов (от слова hop - прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут . Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов , через которые проходит пакет .

Сетевой уровень - доставка пакета :

между любыми двумя узлами сети с произвольной топологией;

между любыми двумя сетями в составной сети ;

сеть - совокупность компьютеров, использующих для обмена данными единую сетевую технологию;

маршрут - последовательность прохождения пакетом маршрутизаторов в составной сети .

На рис. 11.8 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами . Между узлами А и В данной сети пролегает два маршрута : первый - через маршрутизаторы 1 и 3, а второй - через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Рис. 11.8. Пример составной сети.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого уровня . Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь - не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может с течением времени изменяться. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, таким как надежность передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень также решает задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet ). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части - номера сети и младшей - номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса , поэтому термину "сеть" на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное, определение: сеть - это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид - сетевые протоколы (routed protocols) - реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня . Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols) . С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов .

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне , в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol , ARP . Иногда их относят не к сетевому уровню , а к канальному , хотя тонкости классификации не изменяют сути.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.