Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем

Для передачи информации из одной машины в другую необходимо иметь жесткую систему правил и соглашений. Это необходимо для того, чтобы согласовывать оборудования и программные средства разных производителей. Система таких правил называется протоколом.

начало 80-ых – разработана модель взаимодействия открытых систем или модель OSI – определяет различные уровни взаимодействия систем, даёт им стандартные имена и указывает какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые ос, системными утилитами, системными аппаратными средствами, она не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей.

1) физический уровень – передача бит по физическим каналам связи (коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель). Определяет электрические и механические характеристики передающей среды (уровень напряжения, скорость передачи). Со стороны компа функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.

2) канальный уровень – обеспечивает передачу информации по физическим каналам связи (решает вопрос физической адресации узлов). Задачи: проверка доступности среды передачи, реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. MAC –адрес – это физический адрес (48 двоичных разрядов). Биты объединяются в кадры, производится расчет контрольной суммы и управление потоком данных. Канальный уровень обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети и делает это только в сети с топологией связей, для которой он был разработан. В компах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.

3) сетевой уровень – служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей. Решает вопрос выбора оптимального маршрута передачи информации между конечными сетями, при этом используется логическая адресация устройств (IP-адресация). Сеть понимается, как совокупность компов, соединённых между собой соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня. Внутри сети доставка данных обеспечивается канальным уровнем, а доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. Сети соединяются между собой специальными устройствами – маршрутизаторами (решают проблемы выбора наилучшего пути). Сетевой уровень решает также задачи соглсования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создание надёжных гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями. Пакеты – сообщения сетевого уровня. Адрес получателя состоит из старшей части – номера сети и младшей – номера узла в этой сети.

Виды протоколов: сетевые – реализуют продвижение пакетов через сеть и протоколы маршрутизации - с помощью них маршрутизаторы собирают инфу о топологии межсетевых соединений.

4) транспортный уровень – обеспечивает качественную передачу инфы в условиях искажения или утраты отдельных пакетов.

Обеспечивает 5 основных сервисов:

- срочность передачи (приоритет)

- восстановление прерванной связи

- обнаружение и исправление ошибок (надёжность), возможна шифрация инфы

- мультиплексирование инфы от нескольких приложений в один поток

- отложенная передача

4 нижних протокола – сетевой транспорт, они решают задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества, остальные уровни решают задачи предоставления прикладных сервисов.

5) сеансовый уровень – отвечает за синхронизацию связи между приложениями, фиксирует какая из сторон является активной в настоящий момент. Создаёт все возможные отчёты о передаче инфы (например, считает трафик).

6) представительный уровень – отвечает за предоставление инфы без изменения её содержимого. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных.

7) прикладной уровень – происходит общение между приложениями. Для этого устанавливается доступность партнёров, синхронизация прикладных программ, устанавливается договорённость о процедуре восстановления инфы при ошибках, потере инфы, происходит определение доступности ресурсов для передачи информации. Сообщения – единица данных, которой оперирует прикладной уровень.

Некоторые уровни могут отсутствовать.

3 нижних уровня – сетезависимые (протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием)

3 верхних уровня – сетенезависимые (на протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети).

Транспортный – промежуточный уровень, скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних.

9. Методы доступа к передающей среде: Ethernet

Ethernet – самый распространенный стандарт локальных сетей. Для передачи лог инфы по кабелю для всех вариантов физического уровня технология Ethernet обеспечивающих пропускную способность 10 Мбит/с, используется манчестерский код. Все виды стандартов используют один и тот же метод – разделение среды передачи данных – метод CSMA/CD. В сетях езернет используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружении коллизий. В качестве несущей выбирается частота с максимальной амплитудой. Каждый узел прослушивает общую шину и определяет есть ли несущая частота (5-10 МГц) есть – линия занята, нет - свободна

Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения

Этот метод применяется исключительно в сетях с общей шиной. Все компы такой сети имеют непосредственный доступ к ОШ, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми 2 узлами сети. Одновременно все компы сети имеют возможность немедленно получить данные, которые любой из компов начал передавать на общую шину

+ простота схемы подключения.

Кадр стандарта

Если среда свободна – узел имеет право начать передачу кадра.

Преамбула – 7 байт 10101010, 8й байт – 10101011. необходима для точно настройки генератора приемника. Все станции могут распознать факт передачи кадра. Та станция, которая распознает свой адрес в заголовке кадра записывает его содержимое во внутренний буфер, обрабатывает данные, предает их вверх по своему внутреннему стеку, а затем посылает по кабелю кадр-ответ.

Узел 2 во время передачи кадра узлом 1 так же пытался начать передачу, но обнаружил, что среда занята и находится в ожидании. После окончания передачи кадра все узлы сети должны выдержать 9, 6 секунд – межкадровый интервал. Нужен для приведения сетевых адаптеров в исходное состояние и предотвращения монопольного захвата среды одной станцией. В примере узел2 дождался окончания передачи узлом 1 сделал паузу и начал передачу своих данных.

Возможны ситуации, когда 2 или более станции одновременно решают, что среда свободна и начинают передавать свои кадры – коллизия, тк содержимое обоих кадров сталкиваются на общем кабеле и происходит искажение инфы. Коллизия – средство распределенного характера сети. Если передаваемые наблюдаемые сигналы на кабеле отличаются – фиксируется обнаружение коллизии. Станция, кот ее обнаружила прерывает передачу своего кадра и усиливает ситуацию коллизии посылкой в сеть спецпоследовательностей из 32 бит (jam последовательности). После этого станция обязана прекратить передачу и сделать паузу в течении короткого случайного интервала времени. Затем может предпринять попытку захвата среды и передачи кадра. Пауза = L*(интервал отсрочки, он =512 битовым интервалам)

L=512*(0÷2ⁿ), n – номер попытки.

После 10 попытки интервал из которого выбирается пауза не увеличивается, те макс L = 52,4 мс.

Если после 16 последовательных попыток передачи кадра – коллизия, то передатчик должен прекратить попытки и выбросить кадр.
при значительной интенсивности коллизии полезная пропускная способность сети резко падает, тк она почти постоянно занята повторными попытками передачи кадра в сеть.

“-“ Метод доступа CSMA\CD вообще не гарантирует станции, что она когда-нибудь сможет получить доступ к среде.

Для надежного распознавания коллизии время передачи кадра мин длины должно быть ≥ времени за которое сигнал коллизии успевает распространится до самого дальнего узла (тк в худшем случае сигнал должен пройти дважды между наиболее отдаленными друг от друга станциями сети в одну сторону не искаженный сигнал а в другую искаженный коллизией), то это время называется – время двойного оборота.

Мин длина поля данных – 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра 64 байта, а вместе с преамбулой - 72 байта или 576 бит).

10-Мбитный езернет – время передачи кадра мин длины = 575 битовым интервалам

Время двойного оборота должно быть < 57,5 мкс.

Расстояние кот может пройти сигнал за это время зависит от типа кабеля и для толстого коаксиального = 13280 м. -> расстояние между 2мя узлами не должно быть > 6635 м (время двойного оборота)

Макс длина сети – 2500 м.

10. Компоненты сети: рабочие станции, серверы, операционные системы

Компоненты компьютерной сети:

1) рабочие станции - машина любого пользователя, подключенная к сети.

Со стороны сети одно требование – она должна иметь устройство для подключения к сети.

2) серверы - машина коллективного пользования, предоставляющая свои ресурсы в общее пользование.

3) коммуникационная система (кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы). Сегодня она может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать.

4) Сетевые ОС При проектировании сети важно учитывать насколько просто данная ОС может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность данных, до какой степени позволяет наращивать число пользователей и др. аспекты.

5) сетевые приложения – сетевые БД, почтовые системы, архиваторы, системы автоматизации коллективной работы и др. Нужно учитывать их совместимость с другими сетевыми приложениями и ОС.

Требования к серверу:

1) надёжность

2) производительность (максимальная производительность – 1 Гбит/с (800 мб))

3) предоставляемые услуги

Надёжность сервера требует:

- хорошие комплектующие

- корпус (просторный, хорошо проветриваемый, чтобы система не перегрелась)

- память (оперативная от 4 Гб, желательно больше)

11. Аппаратное обеспечение ЛВС: толстый и тонкий Ethernet

10Base5 классический в основном соответствует экспериментальной сети езернет фирмы ксерокс. Использует в качестве среды передачи коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом. И внешним диаметром около 10 мм («толстый»). Кабели марок RG8 и RG11

Кабель используется как моно канал для всех станций. Сегмент – коаксиальный кабель, ограниченный с 2х сторон согласующими терминаторами (заглушками - резистор с определенным волновым сопротивлением, на ней гасится импульс), с R =50 Ом. Станция должна подключаться к кабелю при помощи приемопередатчика – трансивера, который устанавливается на кабеле и питается от сетевого адаптера компа. Трансивер – часть сетевого адаптера, он принимает и передает данные с кабеля на кабель, определяет коллизии на кабель, является электрической развязкой между кабелем и остальной частью адаптера и защищает кабель от некорректной работы адаптера. Для объединения нескольких элементов в одну сеть кабеля и увеличения длины сети используют повторитель. Который принимает элементы сети с одного кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте. Он состоит из 2х или нескольких трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а так же блока повторения со своим тактовым генератором.

В трансиверном кабеле 25 жил

«Правило 5-4-3»: 5 сегментов, 4 повторителя, 3 нагруженных сегмента.

Характеристики:
1) Макс длина сегмента 500м

2) Кол-во сегментов 5

3) Макс длина сети 2500м

4) Кол-во населенных сегментов 3

5) Кол-во подключений в сегменте 100 (включая повторители)

6) Кол-во машин 296

7) Трансиверный кабель 50 м

8) скорость передачи 10 Мбит/с.

9) шаг подключения кабеля h = 2,5 + n*0,5 на коаксиальном кабеле насечки 0,5 м.

10) диаметр кабеля 0,5 дюймов, Rv = 93 Ом.

«+»

-хорошая защищенность кабеля от внешних воздействий.

-сравнительно большое расстояние между узлами

-возможность простого перемещения в пределах длины кабеля

«-»

-высокая стоимость

-сложность прокладки из-за большой жесткости

-потребность в специальном инструменте для заделки кабеля

-остановка работы всей сети при повреждении кабеля или плохом соединении

-необходимость заранее предусмотреть подводку кабеля по всем возможным местам установки компов.

10Base2. использует в качестве преедающей среды коаксиальный кабель с диаметром центрального медного провода 0,89 мм и внешним диаметром около 6 мм(«тонкий»).

Волновое R =50 Ом.

Станции подключаются к кабелю с помощью Т-коннектора (тройник, один отвод которого соединяется сетевым адаптером, а 2 др с двумя концами разрыва кабеля)

Характеристики:
1) Макс длина сегмента 185м

2) Кол-во сегментов 5

3) Макс длина сети 925м

4) Кол-во населенных сегментов 3

5) Кол-во подключений в сегменте 30 (включая повторители)

6) Кол-во машин 86

7) скорость передачи 10 Мбит/с.

8) диаметр кабеля 0,25 дюймов, Rv = 50 Ом.

«+»

- дешевле

-для соединения компов требуются только сетевые адаптеры, Т-коннекторы и терминаторы 50 Ом.

«-»

-худшая помехозащищенность, механическая прочность

-более узкая полоса пропускания.

-подвержен авариям, сбоям

-пользователи имеют доступ к разъемам, могут нарушить целостность

Мин расстояние м\ду станциями 1м. Имеет разметку для подключения узлов с шагом 1м.

12. Аппаратное обеспечение ЛВС: Ethernet на витой паре

концентраторы

Корневой концентратор

Используется топология звезда.

Сети 10Base-T. Конечные узлы соединяются по топологии «точка-точка» со спец. устройством – многопортовым повторителем (концентратором) с помощью двух витых пар. Одна витая пара – для передачи данных от станции к повторителю, другая – от повторителя к станции. Концентратор осуществляет функции повторителя сигналов. Таким образом образуется единая среда передачи данных – логический моноканал (логическая ОШ).

Ограничения:

1) между любыми двумя узлами не более 4-х повторителей (правило 4-ёх HUBов, для обеспечения синхронизации станций при реализации процедур доступа к CSMA/CD и надёжного распознавания станциями коллизии в стандарте)

2) максимальное расстояние между двумя узлами – 250 м – диаметр сети

3) максимальная длинна кабеля – не более 100 м

4) максимальное кол-во компов – 1024

5) Скорость передачи данных – 10 мбит/c (витая пара третьей категории)

«+»

1) Так как общий физический кабель разделён на отдельные кабельные отрезки, то есть возможность контроля их состояния и отключения в случае обрыва, короткого замыкания или неисправности сетевого адаптера на индивидуальной основе.

2) тест связности – процедура тестирования физической работоспособности 2ух отрезков витой пары. Если тест не проходит – порт блокируется и проблемный узел отключается от сети.

3) активное устройство, контролирующее работу узлов и изолирующее от сети некорректно работающие (концентратор).

13. Аппаратное обеспечение ЛВС: Fast Ethernet

Случайный доступ к среде, неудобный для мультимедийных приложений.

Начало 90х. 1992 – фаст езернет alliance. для разработки стандарта новой технологии, которая должна была в макс. возможной степени сохранить особенности технологии езернет. Их предложение сохраняло метод случайного доступа CSMA\CD, и тем самым обеспечивало преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

3 варианта кабельных систем:
1) волоконно-оптический многомодовый кабель (используется 2 волокна)

2) витая пара 5 категории (исп. две пары)

3) витая пара 3 категории (исп. 4 пары)

Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что эти сети имеют иерархическую древовидную структуру, построенную на концентраторах. Основное отличие конфигурации этих сетей – сокращение диаметра сети до 200 м. при создании локальных сетей большой протяженности эта технология активно применяется. Но только в полнодуплексном варианте, совместно с коммутаторами (нет ограничения на общую длину сети, а есть ограничение на длину сегментов, соединяющих соседние устройства). В вариантах физической организации сети фаст езернет меняется как количество проводников, так и методы кодирования.

Характеристики:
1) форматы кадров технологии фаст езернет не отличается от форматов кадров технологии 10Гбитного езернет.

2) межкадровый интервал = 0,96 мкс, а битовый интервал – 10 нс.

3 спецификации для физического уровня: 100Base-TX, 100Base-T4, 100Base-FX.

Технология фаст езернет рассчитана на использование концентраторов повторителей, для образования связей в сети.

Правило 4х HUBов для фаст езернет превратилось в правило 1го или 2х хабов в зависимости от класса хаба.

14. Аппаратное обеспечение ЛВС: Gigabit Ethernet

Основная идея разработчиков этого стандарта заключалась в максимальном сохранении идей классической технологии езернет при достижении битовой скорости в 1000 мбит/c.

Gigabit Ethernet не поддерживает:

-качество обслуживания

-избыточные связи

-тестирование работоспособности узлов и оборудования

Общее между Gigabit Ethernet и Fast Ethernet:

-сохраняются все форматы кадров Ethernet:

- существует полудуплексная версия протоколов, поддерживающая метод доступа CSMA/CD

-поддерживает все основные виды кабелей

Время двойного оборота – 4095 бит

Диаметр сечения – около 200 м

1) обеспечить диаметр сети на уровне 200 м. Для этого увеличить минимальный размер кадра до 512 байт, максимальный – 1, 5 кбайта оставили. Для увеличения длины кадра до нужной в новой технологии величины сетевой адаптер должен дополнить поле данных до длинны 448 байт расширением (extention – поле, заполненной запрещёнными символами кода 8B/10B, которые невозможно принять за коды данных).

Монопольный пакетный режим – разрешение конечным узлам передавать несколько кадров подряд, без передачи среды другим станциям (для сокращения расходов при сокращении слишком длинных кадров). Общая длинна кадров – не более 65 536 бит.

2) среда передачи – витая пара 5-ой категории.

Каждая пара кабеля имеет гарантированную полосу пропускания – 100 МГц, для передачи со скоростью 1000 мбит/с было решено использовать все 4 пары кабеля. Это лишает возможности сеть распознавать коллизии, снижает скорость передачи данных на каждой паре до 250 мбит/c (250*4=скорость 1 гбит/с). Для решения этой проблемы придумали метод кодирования PAM5, Использующий 5 уровней потенциала: -2, -1, 0, 1, 2. За один такт по одной паре передаётся 2, 322 бита инфы.

Получился полудуплексный режим – инфа в любой момент времени передаётся только в 1 направлении (дуплексный – в двух).

Для распознавания коллизий и организации полнодуплексного режима оба передатчика работают навстречу друг другу по каждой из четырёх пар в одном и том же диапазоне частот, так как используют один и тот же потенциальный код PAM5. Что позволяет использовать одновременно витую пару и для приёма и для передачи.

Для отделения принимаемого сигнала от своего собственного приёмник вычитает из результирующего сигнала свой собственный (для этого используют специальный цифровой сигнальный процессор DSP).

Этот стандарт на неэкранированной витой паре позволяет использовать уже имеющуюся проводку и не требует её замены.

1. Концентраторы, сетевые адаптеры

Минимум для создания локальной сети – концентраторы (хабы, повторители) с сетевыми адаптерами, кабельная система. Они позволят строить небольшие базовые фрагменты сетей, которые затем объединяются др с др с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

Концентратор – обычно имеет несколько портов, к которым подключаются конечные узлы сети – компы. Выполняет основную ф-цию, определенную в протоколе технологии, кот он поддерживает. Может выполнять др функции. Например в Token Ring отключает некорректно работающие порты

работает как «повторитель» (первый уровень OSI-модели), передавая сигнал, поступивший на один из портов, без изменения на остальные порты – образуется единая среда передачи – логический моноканал. Они не решают проблему увеличения полосы пропускания сети. С ростом количества компьютеров увеличивается и количество пакетов в «эфире», что ведет к росту коллизий (наложений пакетов один на другой) и соответственно к замедлению работы сети в целом.

Модульные концентраторы - это отдельные сетевые устройства (Ethernet- и Token Ring- концентраторы или серверы дистанционного доступа) в корпусах небольшого размера, которые можно устанавливать друг на друга на столе или в стойку. Концентратор Token Ring - активный или пассивный. Пассивный просто соединяет порты внутренними связями, чтоб подключенные станции образовали кольцо. Активный – выполняет ф-цию регенерации сигналов – называется повторителем.