Инфраструктурные и безынфраструктурные сети. Магистральные сети и сети доступа

  Главная       Учебники - Компьютеры      Сети связи (экзаменационные билеты с ответами)

 поиск по сайту

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  ..

 

 

 

 

5.           

Инфраструктурные и безынфраструктурные сети. Магистральные сети и сети доступа

 

Выше был описан традиционный подход к построению сети, основанный на подключении пользователей к некоторой инфраструктуре: линиям связи, базовым станциям (по беспроводному каналу), коммутационному оборудованию и т.п. Другой разновидностью сетей, получившей развитие в последнее время, являются безынфраструктурные сети. Отличительной особенностью таких сетей, как следует из их названия, является то, что для развертывания им не требуется инфраструктура (кабельные линии, базовые станции, коммутаторы и т.д.). Безынфраструктурные сети образуются непосредственно на месте пользовательскими терминалами (host), которые автоматически организуются в сеть и берут на себя все функции по передаче трафика. Сеть организуется по мере надобности, т.е. тогда, когда в ней возникает необходимость. Когда сеть становится не нужна, она распадается, а составлявшие ее устройства могут организовать новые сети, когда в них возникнет надобность. Сеть, организованная в соответствии с таким принципом, называется ad hoc сетью (от лат. для этого).

Ad hoc сети могут применяться, например, в зоне военных действий или стихийного бедствия – везде, где требуется быстро и с минимальными затратами развернуть сеть в условиях отсутствия информационной инфраструктуры. Абонентские устройства такой сети автоматически обнаруживают своих соседей, с которыми они могут поддерживать связь, и определяют маршруты передачи сообщений. В случае если прямая связь между двумя абонентами невозможна, другие абонентские устройства могут играть роль промежуточных узлов в маршруте, пропуская через себя транзитный трафик. Каждый узел сети является, таким образом, и оконечным устройством сети, и маршрутизатором. По мере перемещения абонентов они могут покидать сеть, к сети могут присоединяться новые абоненты, каналы между абонентами могут прерываться и возникать снова, т.е. топология сети пребывает в состоянии постоянной изменчивости. Узлы сети отслеживают эти изменения и, в случае необходимости, находят новые маршруты. Управление в такой сети является полностью распределенным, за счет чего обеспечивается ее высокая живучесть. Очевидно, что создание такой сети требует разработки новых протоколов, способных функционировать в условиях постоянно меняющейся топологии.

Другим примером ad hoc сетей являются сети датчиков (сенсорные сети). Сеть датчиков образуется большим количеством сенсорных узлов, каждый из которых обладает возможностями по сбору информации об окружающей его среде, обработке этой информации и обмену сообщениями с соседними узлами. Сенсорный узел является миниатюрным (в идеале – размером с пылинку) ненадежным устройством с сильно ограниченными ресурсами, работающим в полностью автономном режиме. Сенсорные узлы размещаются произвольным заранее неизвестным образом (например, рассеиваются с самолета, или добавляются в конструкционные материалы), и способны поддерживать связь друг с другом на небольшом расстоянии. Сенсорные узлы могут выходить из строя и возобновлять свою работу, при этом они в большинстве случаев являются неподвижными. За счет взаимодействия, «сотрудничества» огромного количества маломощных ненадежный устройств, самоорганизации, а также большой степени информационной и функциональной избыточности, сенсорная сеть в целом обладает огромными возможностями по сбору и обработке информации и очень высокой надежностью.

Сенсорные сети могут применяться для решения многих задач: для мониторинга состояния окружающей среды и обнаружения источников загрязнения, для изучения животных и обнаружения лесных пожаров, для наблюдения за погодой на улице и климатом в помещении, в разведке и наблюдении за противником, для наблюдения за состоянием пациентов, для создания «умной среды» в обучении детей, и в огромном числе других задач практически во всех областях человеческой деятельности. Возможно, повсеместное внедрение сенсорных сетей будет иметь эффект даже больший, чем появление Internet – оно объединит компьютеры с реальным миром, позволит глобальной сети непосредственно взаимодействовать с людьми и предметами.

На данный момент создаются первые экспериментальные сети датчиков. Несмотря на то, что их параметры еще очень далеки от желаемых (например, сенсорные узлы имеют характерные размеры порядка единиц и десятков сантиметров), уже сегодня они могут решать многие практические задачи.

Традиционно ad hoc сети строятся на основе коммутации пакетов. Однако в ряде случаев коммутация каналов является более выгодной технологией при построении ad hoc сетей. Например, для сетей датчиков свойственен сильно пульсирующий трафик: сенсорные узлы большую часть времени могут находиться в неактивном состоянии, однако обнаружение какого-либо события приведет к всплеску трафика в сети. Очевидно, что в этом случае предпочтительной является коммутация пакетов. В то же время, для ad hoc сетей, предназначенных для передачи потокового трафика (например, голоса в сети, созданной для переговоров спасателей) более перспективной может быть коммутация каналов.

 

Магистральные сети и сети доступа.

 

Принято делить территориальные транспортные средства, используемые для построения сети, на две большие категории:

*                    магистральные средства,

*                    средства доступа.

Магистральные средства используются для образования связей между крупными локальными сетями. Магистральные территориальные сети должны обеспечивать высокую пропускную способность, так как на магистрали объединяются потоки большого количества подсетей. Кроме того, магистральные сети должны быть постоянно доступны, то есть поддерживать очень высоким коэффициент готовности. Ввиду особой важности магистральных средств им может "прощаться" высокая стоимость. Так как обычно имеется не так уж много крупных сетей, то к магистральным средствам не предъявляются требования поддержания разветвленной инфраструктуры доступа.

Обычно в качестве магистральных средств используются цифровые выделенные каналы со скоростями от 2 Мб/с до 622 Мб/c, сети с коммутацией пакетов framerelay, АТМ, Х.25 или TCP/IP.

Под средствами доступа понимаются средства, необходимые для связи небольших локальных сетей и удаленных отдельных компьютеров с магистральными сетями.

К средствам доступа предъявляются требования, существенно отличающиеся от требований к магистральным средствам. Так как точек доступа может быть очень много, то одним из основных требований является наличие разветвленной инфраструктуры доступа. Кроме того, стоимость доступа должна быть умеренной, чтобы экономически оправдать затраты на подключение десятков или сотен абонентов. При этом требования к пропускной способности у отдельного компьютера или локальной сети, состоящей из двух-трех клиентов, обычно укладываются в диапазон нескольких десятков или сотен Кб/c.

В качестве транспортных средств доступа используются телефонные аналоговые сети, сети ISDN. Для высокоскоростного доступа к сети Internet используются технологии семейства xDSL (сигнал передается в дополнительной полосе частот по абонентским линиям телефонной сети) и кабельные линии связи (сигнал передается по линиям кабельного телевещания).

 

6.           Общая характеристика модели OSI.

Физический уровень. Этот уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. 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, такие как требования к фронтам импульсов, уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

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.

Канальный уровень. На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является 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, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, 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.

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 совершенно 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. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы EthernetToken RingFDDI, 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 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.

В broadcast сетях канальный уровень состоит из двух подуровней – LLC-подуровня (logical link control), выполняющего функции борьбы с ошибками, разбивки на кадры (framing), синхронизации кадров и управления потоком (flow control), и подуровня доступа к общей среде передачи – MAC-подуровня (Medium AccessControl). В глобальных сетях (сетях, построенных, как правило, по принципу точка-точка) MAC-подуровень не нужен.

 

 

Сетевой уровень. Этот уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи информации между конечными узлами. Рассмотрим функции сетевого уровня на примере локальных сетей. Протокол канального уровня локальных сетей обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. Для того чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, используется дополнительный сетевой уровень. На этом уровне вводится понятие "сеть". 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.

Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень.

Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packets). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.

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

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту, оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. 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, например, надежности передачи.

На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов от узла к маршрутизатору и между маршрутизаторами. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. К сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией. 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.

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

Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспортный, уровней, а с другой стороны, этот выбор зависит от того, насколько надежной является вся система транспортировки данных в сети. Так, например, если качество каналов передачи связи очень высокое, и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения надежности. Если же транспортные средства изначально очень ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок - с помощью предварительного установления логического соединения, контроля доставки сообщений с помощью контрольных сумм и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т.п.

Как правило, все протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.

Сеансовый уровень. Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того, чтобы начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется.

Уровень представления. Этот уровень гарантирует то, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. При необходимости уровень представления выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером протокола, работающего на уровне представления, является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень. Прикладной уровень - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Существует очень большое разнообразие протоколов прикладного уровня. Приведем в качестве примеров хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых сервисов: NCP в операционной системе Novell NetWareSMB в Microsoft Windows NTNFSFTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

 

 

Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, сервисами, предоставляемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

 

 

7.      Cемиуровневая модель взаимодействия открытых систем. Функции протоколов физического уровня.

Физический уровень (англ. physical layer) — нижний уровень модели, предназначенный 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 также работают концентраторы, повторители сигнала и медиаконвертеры.

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 виды среды передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, DSL, ISDN, SONET/SDH, 802.11 Wi-Fi, Etherloop, GSM Um radio interface,ITU и ITU-T, TransferJet, ARINC 818, G.hn/G.9960.

Bluetooth или блютус (/bluːtuːθ/, переводится как синий зуб, назван в честь Харальда I Синезубого[2][3]) — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area networkWPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 200 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Infrared Data Association — IrDA, ИК-порт, Инфракрасный порт — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве среды передачи.

Является разновидностью оптической линии связи ближнего радиуса действия.

EIA (англ. Electronics Industries Alliance) — Альянс отраслей электронной промышленности. Расположенная в США профессиональная организация, разрабатывающая электрические и функциональные стандарты с идентификатором RS (Recommended Standards).

RS-232 (англ. Recommended Standard 232) — используемый в телекоммуникациях, стандарт последовательной асинхронной передачи двоичных данных между терминалом (англ. Data Terminal Equipment, DTE) и коммуникационным устройством (англ. Data Communications Equipment, DCE).

ANSI/TIA/EIA-422-B (бывш. RS-422) — американский стандарт, его международный эквивалент ITU-T Recommendation V.11 (он же X.27). Этот технический стандарт обеспечивает сбалансированную или дифференциальную однонаправленную нереверсируемую передачу данных по терминированным или нетерминированным линиям, с возможностью соединения «точка-точка» или для многоабонентской доставки сообщений.

В отличие от RS-485, которая обеспечивает многоточечную структуру, EIA-422/V.11 не позволяет иметь несколько отправителей, но позволяет иметь несколько получателей.

Полное название документа, регламентирующего данный стандарт ANSI — «Электрические характеристики и цепи питания интерфейса TIA-422». Опубликован в мае 1994 года, на сегодняшний день находится в ревизии «B». Подтверждён Telecommunications Industry Association в 2005 году.

Достоинством стандарта является скорость передачи данных до 10 мегабод для 12-метрового кабеля. Хотя спецификация стандарта и не устанавливает верхней границы, в ней приведён график затухания сигнала с ростом длины кабеля. График обрывается на 10 Мбит/с.

RS/EIA/TIA-423 — стандарт последовательной передачи данных. Он определяется как несбалансированный (несимметричный) интерфейс (подобный RS-232) с одиночным однонаправленным драйвером для отправки и позволяет иметь до 10 получателей (подобных EIA-422). Это, как правило, осуществляется в технологии интегральной схемы, а также может быть использовано для обмена последовательными двоичными сигналами между DTE и DCE. Здесь нет общей цоколёвкидля RS-423. В компьютере BBC Micro использовался 5-контактный соединительный шнур. DEC широко использовали его с модифицированным модульным разъёмом. Такое иногда называли «DEC-423».

 

Протокол RS-449, также известный как EIA-449 и TIA-449, определяет функциональные и механические характеристики интерфейса между данными оконечного оборудования и данными оборудования связи.

 

RS-485 (англ. Recommended Standard 485), EIA-485 (англ. Electronic Industries Alliance-485) — стандарт физического уровня для асинхронного интерфейса. Регламентирует электрические параметры полудуплексной многоточечной дифференциальной линии связи типа «общая шина».

 

хDSL (англ. digital subscriber line, цифровая абонентская линия) — семейство технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала.

 

ISDN (англ. Integrated Services Digital Network) — цифровая сеть с интеграцией служб. Позволяет совместить услуги телефонной связи и обмена данными.

 

Синхронная цифровая иерархия (СЦИ: англ. SDH — Synchronous Digital Hierarchy) — это система передачи данных, основанная на синхронизации по времени передающего и принимающего устройства. Стандарты СЦИ определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов и т. д.

 

IEEE 802.11 — набор стандартов связи, для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне частотных диапазонов 2,4; 3,6 и 5 ГГц.

 

Wi-Fi — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11. Термин возник как игра слов с Hi-Fi и никак не расшифровывается (см. ниже).

 

Etherloop является своего рода «новым поколением» DSL-технологии, которая сочетает в себе черты Ethernet и DSL. Эта технология позволяет совмещать передачу голоса и данных по стандартным телефонным линиям. При хороших условиях позволяет передавать данные со скоростью до 6 мегабит в секунду на расстоянии до ~6400 метров.

 

GSM (от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) — глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA и средней степенью безопасности. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.

 

 

8.      Cемиуровневая модель взаимодействия открытых систем. Функции протоколов канального уровня.

Канальный уровень (англ. data link layer) предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает в кадры, проверяет на целостность, если нужно, исправляет ошибки (формирует 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 два подуровня: MAC (англ. media access control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (англ. logical link control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие устройства. Говорят, что эти устройства используют адресацию второго уровня (по номеру уровня в модели OSI).

Протоколы канального уровня: ARCnet, ATM, Cisco Discovery Protocol (CDP), Controller Area Network (CAN), Econet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC), IEEE 802.2 (provides LLC functions to IEEE 802 MAC layers), Link Access Procedures, D channel (LAPD),IEEE 802.11 wireless LAN, LocalTalk, Multiprotocol Label Switching (MPLS), Point-to-Point Protocol (PPP), Point-to-Point Protocol over Ethernet (PPPoE), Serial Line Internet Protocol (SLIP, obsolete), StarLan, Spanning tree protocol, Token ring, Unidirectional Link Detection (UDLD), x.25.

В программировании 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. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS, UDI.

Особенности протоколов канального уровня

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 обычно работает в пределах одной сети, которая, как правило, входит в более крупную составную сеть, объединяемую протоколами сетевого уровня. Адреса, с которыми работает протокол канального уровня, используются для доставки кадров только в пределах этой сети, а для перемещения пакетов из сети в сеть применяются уже адреса следующего, сете­вого уровня. Поэтому таблицы продвижения, на основе которых работают уст­ройства канального уровня, содержат только адреса узлов своей сети, что суще­ственно сокращает количество записей в них, а, следовательно, повышает скорости их просмотра и продвижения кадра.

Типичными представителями протоколов канального уровня являются прото­колы семейства Ethernet, которые применяются в основном в локальных сетях, а в последнее время все чаще стали использоваться в сетях масштаба города (ме­гаполиса). В глобальных сетях протоколы канального уровня применяются в пределах «вырожденной» сети — канала «точка-точка», а также в сетях с произ­вольной топологией, но уже после того, как в них проложен виртуальный путь. Примером протокола канального уровня первого типа является протокол РРР (Point-to-Point Protocol), а второго — протоколы канального уровня сетей frame relay и АТМ. В коммутаторах глобальных сетей, поддерживающих эти протоко­лы, таблицы продвижения также содержат адреса, имеющие локальное (то есть только для данного коммутатора) значение, поэтому они, как и таблицы продви­жения коммутаторов локальных сетей, имеют небольшие размеры и просмат­риваются относительно быстро — по сравнению с таблицами маршрутизации, включающими адреса всех сетей составной сети и иногда состоящими из десят­ков тысяч записей (как это и происходит с таблицами маршрутизации магист­ральных маршрутизаторов Интернета).

Далее будут рассмотрены общие особенности протоколов канального уровня, ха­рактерные для протоколов как локальных, так и глобальных сетей. Каждый про­токол канального уровня можно охарактеризовать следующим набором свойств:

-        асинхронный/синхронный режим передачи байтов;

-        символьно-ориентированный/бит-ориентированный;

-        с предварительным установлением соединения/дейтаграммный;

-        с обнаружением искаженных данных/без обнаружения;

-        с обнаружением потерянных данных/без обнаружения;

-        с восстановлением искаженных и потерянных данных/без восстановления;

-        с поддержкой динамической компрессии данных/без поддержки.

Некоторые из этих свойств присущи не только протоколам канального уровня, но и протоколам более высоких уровней.

Асинхронные протоколы

Асинхронные протоколы предоставляют наиболее старый способ связи. Эти про­токолы оперируют не с кадрами, а с отдельными символами, которые представ­лены байтами со старт-стоповыми символами. Асинхронные протоколы ведут свое происхождение от тех времен, когда два человека связывались с помощью теле­тайпов по каналу «точка-точка». С развитием техники коммуникаций асинхрон­ные протоколы стали применяться для связи телетайпов, разного рода клавиа­тур и дисплеев с вычислительными машинами. Единицей передаваемых данных в асинхронных протоколах является не кадр данных, а отдельный символ, кото­рый чаще всего представлен одним байтом. Некоторые символы имеют управ­ляющий характер, например символ <CR> предписывает телетайпу или дисплею выполнить возврат каретки на начало строки. В этих протоколах существуют управляющие последовательности, обычно начинающиеся с символа <ЕSС>. Эти последовательности вызывают на управляемом устройстве достаточно сложные действия — например, загрузку нового шрифта на принтер.

В асинхронных протоколах применяются стандартные наборы символов, чаще всего ASCII или EBCDIC. Так как первые 32 или 27 кодов в этих наборах явля­ются специальными кодами, которые не отображаются на дисплее или принтере, то они использовались асинхронными протоколами для управления режимом обмена данными. В самих пользовательских данных, которые представляли со­бой буквы, цифры, а также такие знаки, как @, %, $ и т. п., специальные символы никогда не встречались, так что проблемы их отделения от пользовательских данных не существовало.

Описанный режим работы называется асинхронным, или старт-стопным. До­полнительной причиной его использования является наличие устройств, кото­рые генерируют байты данных в случайные моменты времени. Так работает кла­виатура дисплея или другого терминального устройства, с которого человек вводит данные для обработки их компьютером.

В асинхронном режиме каждый байт данных сопровождается специальными сиг­налами «старт» и «стоп» (рис. 5.9, а). Назначение этих сигналов состоит в том, чтобы, во-первых, известить приемник о приходе данных и, во-вторых, чтобы дать приемнику достаточно времени для выполнения некоторых функций, связанных с синхронизацией, до поступления следующего байта. Сигнал «старт» имеет продолжительность в один тактовый интервал, а сигнал «стоп» может длиться один, полтора или два такта, поэтому говорят, что используется один, полтора или два бита в качестве стопового сигнала, хотя пользовательские биты эти сиг­налы не представляют.

Асинхронным описанный режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен во времени относительно побитовых тактов предыдущего бай­та. Такая асинхронность передачи байтов не влияет на корректность принимае­мых данных, так как в начале каждого байта происходит дополнительная син­хронизация приемника с источником за счет битов «старт». Более «свободные» временные допуски определяют низкую стоимость оборудования асинхронной системы.

Постепенно асинхронные протоколы усложнялись и стали наряду с отдельны­ми символами использовать целые блоки данных, то есть кадры. Например, по­пулярный протокол XMODEM передает файлы между двумя компьютерами по асинхронному модему. Начало приема очередного блока файла инициируется сим­вольной командой — принимающая сторона постоянно передает символ ASCII NAK. Передающая сторона, приняв NAK, отправляет очередной блок файла, со­стоящий из 128 байт данных, заголовка и концевика. Заголовок состоит из спе­циального символа SOH (Start Of Header) и номера блока. Концевик содержит контрольную сумму блока данных. Приемная сторона, получив новый блок, про­веряет его номер и контрольную сумму. В случае совпадения этих параметров с ожидаемыми приемник отправляет символ АС К, а в противном случае — символ NAK, после чего передатчик должен повторить передачу данного блока. В конце передачи файла передается символ ЕОХ.

Как видно из описания протокола XMODEM, часть управляющих операций вы­полнялась в асинхронных протоколах посылкой в асинхронном режиме отдель­ных символов, в то же время часть данных пересылалась блоками, что более ха­рактерно для синхронных протоколов.

При синхронном режиме передачи старт-стопные биты между каждой парой бай­тов отсутствуют. Пользовательские данные собираются в кадр, который предва­ряется байтом синхронизации (рис. 5.9, б). Байт синхронизации (синхробайт) — это байт, содержащий заранее известный код, например 0111110, который опове­щает приемник о приходе кадра данных. При его получении приемник должен войти в режим байтовой синхронизации с передатчиком, то есть правильно по­нимать начало очередного байта кадра. Иногда применяется несколько синхробайтов для обеспечения более надежной синхронизации приемника и передатчика. Так как при передаче длинного кадра у приемника могут появиться проблемы с синхронизацией битов, то в этом случае используются самосинхронизирующие­ся коды.

Синхронные символьно-ориентированные и бит-ориентированные протоколы

В синхронных протоколах между пересылаемыми символами (байтами) нет стартовых и стоповых сигналов, поэтому отдельные символы в этих протоколах пересылать нельзя. Все обмены данными осуществляются кадрами, которые имеют в общем случае заголовок, поле данных и концевик (рис. 5.10). Все биты кадра передаются непрерывным синхронным потоком, что значительно ускоряет передачу данных.

Так как байты в этих протоколах не отделяются друг от друга служебными сиг­налами, то одной из первых задач приемника является распознавание границы байтов. Затем приемник должен найти начало и конец кадра, а также определить границы каждого поля кадра — адреса назначения, адреса источника, других слу­жебных полей заголовка, поля данных и контрольной суммы, если она имеется.

Большинство протоколов допускает использование в кадре поля данных пере­менной длины. Иногда и заголовок может иметь переменную длину. Обычно протоколы определяют максимальное значение, которое может иметь длина поля данных. Эта величина называется максимальной единицей передачи данных (Maximum Transfer UnitMTU). В некоторых протоколах задается также мини­мальное значение, которое может иметь длина поля данных. Например, прото­кол Ethernet требует, чтобы поле данных содержало по крайней мере 46 байт данных (если приложение хочет отправить меньшее количество байтов, то оно обязано дополнить их до 46 байт любыми значениями). Другие протоколы раз­решают использовать поле данных нулевой длины, например РРР или FDDI.

Существуют также протоколы с кадрами фиксированной длины, например, в про­токоле АТМ кадры имеют фиксированный размер 53 байт, включая служебную информацию. Для таких протоколов необходимо решить только первую часть задачи — распознать начало кадра (кадр протокола АТМ имеет специальное на­звание — ячейка, или cell).

Синхронные протоколы канального уровня бывают двух типов: символьно-ори­ентированные (байт-ориентированные) и бит-ориентированные. Для обоих ха­рактерны одни и те же методы синхронизации битов. Главное различие между ними заключается в методе синхронизации символов и кадров.

Символьно-ориентированные протоколы

Символьно-ориентированные протоколы используются в основном для передачи блоков отображаемых символов, например текстовых файлов. Так как при син­хронной передаче нет стоповых и стартовых битов, для синхронизации символов необходим другой метод. Синхронизация достигается за счет того, что передатчик добавляет два или более управляющих символа, называемых символами SYN, перед каждым блоком символов. В коде ASCII символ SYN имеет двоичное зна­чение 0010110, это несимметричное относительно начала символа значение позво­ляет легко разграничивать отдельные символы SYN при их последовательном приеме. Символы SYN выполняют две функции: во-первых, они обеспечивают приемнику битовую синхронизацию, во-вторых, как только битовая синхрониза­ция достигается, они позволяют приемнику начать распознавание границ симво­лов SYN. После того как приемник начал отделять один символ от другого, мож­но задавать границы начала кадра с помощью другого специального символа. Обычно в символьных протоколах для этих целей используется символ STX (Start of TeXtASCII 0000010). Другой символ отмечает окончание кадра — ЕТХ (End of TeXtASCII 0000011).

Однако такой простой способ выделения начала и конца кадра хорошо работал только в том случае, если внутри кадра не было символов STX и ЕТХ. При под­ключении к компьютеру алфавитно-цифровых терминалов такая задача дейст­вительно не возникала. Тем не менее синхронные символьно-ориентированные протоколы позднее стали использоваться и для связи компьютера с компью­тером, а в этом случае данные внутри кадра могут быть любые, если, например, между компьютерами передается программа. Наиболее популярным протоколом такого типа был протокол BSC компании IBM. Он работал в двух режимах — не­прозрачном, в котором некоторые специальные символы внутри кадра запре­щались, и прозрачном, в котором разрешалась передачи внутри кадра любых символов, в том числе и ЕТХ. Прозрачность достигалась за счет того, что перед управляющими символами STX и ЕТХ всегда вставлялся символ DLE (Data Link Escape). Такая процедура называется стаффингом символов (от английского stuff — всякая всячина, заполнитель). А если в поле данных кадра встречалась последовательность DLE ЕТХ, то передатчик удваивал символ DLE, то есть по­рождал последовательность DLE DLE ЕТХ. Приемник, встретив подряд два символа DLE, всегда удалял первый, но оставшийся символ DLE уже не рас­сматривал как начало управляющей последовательности, то есть оставшиеся символы DLE ЕТХ считал просто пользовательскими данными.

Бит-ориентированные протоколы

Потребность в паре символов в начале и конце каждого кадра вместе с дополни­тельными символами DLE означает, что символьно-ориентированная передача не эффективна для передачи двоичных данных, так как приходится в поле дан­ных кадра добавлять достаточно много избыточных данных. Кроме того, формат управляющих символов для разных кодировок различен, например, в коде ASCII символ SYN равен 0010110, а в коде EBCDIC - 00110010. Так что этот метод допустим только с определенным типом кодировки, даже если кадр содержит чисто двоичные данные. Чтобы преодолеть эти проблемы, сегодня почти всегда используется более универсальный метод, называемый бит-ориентированной передачей. Этот метод сейчас применяется при передаче как двоичных, так и символьных данных. На рис. 5.11 показаны три различные схемы бит-ориенти­рованной передачи. Они отличаются способом обозначения начала и конца каж­дого кадра.

Первая схема, показанная на рис. 5.11, а, похожа на схему с символами STX и ЕТХ в символьно-ориентированных протоколах. Начало и конец каждого кад­ра отмечается одной и той же 8-битовой последовательностью — 01111110, назы­ваемой флагом. Термин «бит-ориентированный» используется потому, что при­нимаемый поток битов сканируется приемником на побитовой основе для обнаружения стартового флага, а затем во время приема — для обнаружения сто­пового флага. Поэтому длина кадра в этом случае не обязательно должна быть кратна 8 бит.

Чтобы обеспечить синхронизацию приемника, передатчик посылает последова­тельность байтов простоя (каждый состоит из 11111111), предшествующую стартовому флагу.

Для достижения прозрачности данных в этой схеме необходимо, чтобы флаг не присутствовал в поле данных кадра. Это достигается с помощью приема, извест­ного как вставка 0 бита, — бит-стаффинга. Схема вставки бита работает только во время передачи поля данных кадра. Если эта схема обнаруживает, что подряд передано пять единиц, то она автоматически вставляет дополнительный ноль (даже если после этих пяти единиц и так идет ноль). Поэтому последователь­ность 01111110 никогда не появится в поле данных кадра. Аналогичная схема работает в приемнике и выполняет обратную функцию. Когда после пяти еди­ниц обнаруживается ноль, он автоматически удаляется из поля данных кадра. Бит-стаффинг гораздо более экономичен, чем байт-стаффинг, так как вместо лишнего байта вставляется один бит, следовательно, скорость передачи пользо­вательских данных в этом случае замедляется в меньшей степени.

Во второй схеме (см. рис. 5.11, б) для обозначения начала кадра имеется только стартовый флаг, а для определения конца кадра используется поле длины кадра, которое при фиксированных размерах заголовка и концевика чаще всего имеет смысл длины поля данных кадра. Эта схема наиболее применима в локальных сетях. В этих сетях для обозначения факта незанятости среды в исходном со­стоянии вообще не передается никаких символов. Чтобы все остальные станции вошли в битовую синхронизацию, посылающая станция предваряет содержимое кадра последовательностью битов, известной как преамбула, которая состоит из чередования единиц и нулей 101010... Войдя в битовую синхронизацию, прием­ник исследует входной поток на побитовой основе, пока не обнаружит байт на­чала кадра 10101011, который выполняет роль символа STX. За этим байтом следует заголовок кадра, в котором в определенном месте находится поле длины поля данных. Таким образом, в этой схеме приемник просто отсчитывает задан­ное количество байтов, чтобы определить окончание кадра.

Третья схема (см. рис. 5.11, в) использует для обозначения начала и конца кадра флаги, которые включают запрещенные для данного кода сигналы (codeviola­tionsV). Например, при манчестерском кодировании вместо обязательного из­менения полярности сигнала в середине тактового интервала уровень сигнала остается неизменным и низким (запрещенный сигнал J) или неизменным и вы­соким (запрещенный сигнал К). Начало кадра отмечается последовательностью JK0JK000, а конец - последовательностью JK1JK100. Этот способ очень эконо­мичен, так как не требует ни бит-стаффинга, ни поля длины, но его недостаток заключается в зависимости от принятого метода физического кодирования. При использовании избыточных кодов роль сигналов J и К играют запрещенные сим­волы, например, в коде 4В/5В этими символами являются коды 11000 и 10001.

Каждая из трех схем имеет свои преимущества и недостатки. Флаги позволяют отказаться от специального дополнительного поля, но требуют специальных мер: либо по разрешению размещения флага в поле данных за счет бит-стаффин­га, либо по использованию в качестве флага запрещенных сигналов, что делает эту схему зависимой от способа кодирования.

Протоколы с гибким форматом кадра

Для большей части протоколов канального уровня характерны кадры, состоя­щие из служебных полей фиксированной длины. Исключение делается только для поля данных с целью экономной пересылки как небольших квитанций, так и больших файлов. Способ определения окончания кадра путем задания длины поля данных, рассмотренный выше, как раз рассчитан на такие кадры с фиксирован­ной структурой и фиксированными размерами служебных полей.

Однако существует ряд протоколов, в которых кадры имеют гибкую структуру. Например, к таким протоколам относится очень популярный протокол каналь­ного уровня РРР, используемый для соединений типа «точка-точка». Еще одним примером, но уже для другого уровня, является прикладной протокол управле­ния сетями SNMP. Кадры таких протоколов состоят из неопределенного коли­чества полей, каждое из которых может иметь переменную длину. Начало такого кадра отмечается некоторым стандартным образом, например флагом, а затем протокол последовательно просматривает поля кадра и определяет их количест­во и размеры. Каждое поле обычно описывается двумя дополнительными поля­ми фиксированного размера. Например, если в кадре встречается поле, содер­жащее некоторую символьную строку, то в кадр вставляются три поля: «Тип», «Длина» и «Значение».

Дополнительные поля «Тип» и «Длина» имеют фиксированный размер в один байт, поэтому протокол легко находит границы поля «Значение». Так как коли­чество таких полей также неизвестно, для определения общей длины кадра ис­пользуется либо общее поле «Длина», которое помещается в начале кадра и от­носится ко всем полям данных, либо закрывающий флаг. Подобный способ представления данных переменной длины получил название TLV — аббревиату­ра от английских слов «Туре, LengthValue».

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  ..