Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Эталлонная Модель Открытых Систем OSI

Ведение в ЛВС.

Локальные вычислительные сети – ЛВС (LAN – Local Area Network) – программно–технические средства, которые должны выполнять функцию распределенной взаимосвязанной управляющей среды, эффективно обеспечивающей организацию взаимодействия прикладных процессов, а также коллективное использование общих ресурсов системы. Или проще, ЛВС – это узлы, выполняющие определенный вид обработки информации, объединенные каналами связи. А узел – сетевой адаптер, ПК или любой терминал.

Функции ЛВС:

· Удаленный ввод данных;

· передача файлов между различными узлами сети;

· электронная почта (обмен достаточно короткими сообщениями);

· получение различных справок или ответы на вопросы, полученные от удаленных ПК;

· доступ к удаленным базам данных.

Как разработчикам, так и пользователям при выборе той или иной сети связи или концепции ее построения приходиться задумываться над тем, на какую физическую среду передачи информации рассчитана данная сеть, какой метод доступа к этой среде, какая структура сети и количество рабочих станций, какое суммарное время пребывания произвольного сообщения в сети, какова вероятность потери информации, какова надежность и др.

На величину или значение упомянутых параметров влияют:

· Тип данных и соответствующая протокольная процедура взаимодействия;

· длина сообщения (кадра или пакета);

· быстродействие используемых технических средств;

· уровень загрузки рабочих станций в сети;

· количество станций и др.

Устройство, через которое осуществляется взаимодействие между подсистемами сети, называется интерфейсом. Информация, проходящая через интерфейс, должна быть представлена в виде сигналов заданной длительности, уровня, формы и т. д. Иначе отдельные элементы сети просто не поймут друг друга.

В ЛВС работают сразу несколько рабочих станций. Поэтому необходимо определить правила их взаимодействия. Например, как вести диалог через сеть, чья очередь передавать информацию, что нужно делать, если сообщение не принято и т. д. Эти правила называются протоколами. В соответствии с ними и преобразуется информация при ее движении по сети. В процессе этого движения информация проходит различные уровни обработки. Работа каждого уровня регламентируется соответствующими протоколами, а связь между уровнями происходит с помощью интерфейсов.

Всего по международным рекомендациям (OSI и IEEE) выделяют семь уровней обработки информации (см. рис.1.1). Это вовсе не означает, что каждая ЛВС обязательно должна иметь все семь уровней. Их может быть меньше, но тогда функции отсутствующих будут перераспределены между остальными. Эти уровни делятся на протоколы высокого (от 5го до 7го) и низкого уровня
(от 1 до 4го). Таким образом, граница сети связи определяется интерфейсом верхних и нижних уровней.

Рис. 1.

Эталлонная Модель Открытых Систем OSI

Модель OSI (Open System Interconnection – Взаимодействие открытых систем) была предложена Международной организацией стандартизации (ISO) в 1984 году.

Все присущие сетям свойства и функции в модели OSI распределены таким образом, что образуют (как уже упоминалось) семь уровней (рис. 1.1). Все уровни строго ранжируются: высшие уровни представляют глобальные сетевые свойства, а нижние – тяготеют к локальным свойствам. Причем наблюдается взаимодействие между уровнями (иногда настольно тесное, что становится весьма затруднительным провести четкую границу между соседними уровнями).

Прикладной уровень. Задача этого уровня заключается в обеспечении поддержки пользовательских приложений, носящих самый различный характер. К этим приложениям можно отнести утилиты, реализующие передачу данных, обеспечение доступа к базам данных, работу с электронной почтой, а также многие другие функции. На прикладном уровне, который реализует управление всеми другими уровнями (уровень высшего ранга), функционируют следующие протоколы: FTP (File Transfer Protocol – протокол передачи данных), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – простой протокол передачи почты), Telnet, SNMP (Simple Network Management Protocol – простой протокол сетевого управления).

Уровень представления. Этот уровень получает данные пользовательского приложения, которые передаются ему протоколом прикладного уровня. Здесь реализуются функции представления данных (формирование пакетов данных).
На этом уровне выполняется сжатие, кодирование/декодирование данных, а также трансляция протоколов. Здесь же функционируют шлюзы, назначение которых заключается в том, чтобы формировать “мост” между двумя различными сетями.

Сформированное сообщение, пройдя три верхних уровня, необходимых для определения формы взаимодействия (прикладной уровень), представления и преобразования сообщения в определенную унифицированную для данной сети форму (представительный уровень) и установления сеанса между абонентами (сеансовый уровень) попадает, наконец, в транспортную сеть (сеть связи).

Транспортный уровень. Транспортная сеть обеспечивает транспортировку вверенных ей “грузов” (информации пользователя). Ее задача быстро и надежно доставить эти “грузы” адресату. Быстрота доставки обеспечивается электронной техникой, а надежность – специальными способами защиты передаваемой информации от помех.

Поступившее сообщение, прежде чем быть отправленным по каналу связи, подвергается обработке. Эта обработка идет под девизом: “мелкий груз” транспортировать удобнее. Поэтому громоздкое сообщение дробится на мелкие пакеты (см. рис.1.2). Реализуется это так: сначала на 4м уровне (транспортном) сообщение дробится на фрагменты определенного размера, причем каждому фрагменту добавляется заголовок передачи, где указывается номер сообщения, номер фрагмента и имя получателя. На приемном конце на том же 4м уровне, получив этот блок, по заголовку можно определить его номер, составить из фрагментов переданное сообщение и отправить его на верхние уровни, где оно преобразуется к виду доступному для понимания адресатом – пользователем или его ПК.

На этом уровне реализуется сквозной контроль ошибок, которые могут возникать в процессе передачи данных. На транспортном уровне реализованы два типа протоколов: протоколы с установлением логических соединений (TCP – Transport Control Protocol – протокол управления передачей) и протоколы без установления логических соединений (UDP – User Datagram Protocol – протокол пользовательских дейтаграмм). На этом уровне также происходит разрешение имен компьютеров (установка соответствия между именами и логическими сетевыми адресами). Протокол UDP является составной частью некоторых других протоколов, например, TFTP (протокол передачи файлов) или RIP (протокол маршрутизации информации). Функции разрешения имен может выполнять служба DNS (Domain Name System – система доменных имен). Транспортный уровень отвечает за работу с портами и сокетами.

Сетевой уровень. Этот уровень отвечает за адресацию пакетов данных, а также за их доставку адресату. Именно на этом уровне работает большинство маршрутизаторов. Здесь также выполняются службы QoS (Quality of Service – качество услуг), которые отвечают за выделение сетевых ресурсов широковещательным приложениям (например, WebTV).

На 3м (сетевом) уровне добавляется заголовок, а на 2м (канальном) пакет получает еще и концевик. Формируется кадр. В заголовке указывается маршрут и информация, необходимая для управления каналом связи по которому предстоит пройти кадру. Такой информацией может быть, например, требование повторить передачу кадра, или подтверждение правильного приема предыдущего кадра. Концевик предназначен для защиты кадра от помех. Он обычно содержит 2 байта контрольной информации, которая позволяет определить правильность переданного кадра. Если на приемном конце обнаружится, что кадр передан неправильно, то в заголовке кадра, следующего в обратном направлении, будет передан запрос на повторную передачу ошибочно переданного кадра. При правильной передаче – пойдет подтверждение (положительная квитанция). После чего будет отправлен следующий кадр.

Сформированный кадр обрамляется флагами – шестью единицами между двумя нулями. Эти флаги нужны для того, чтобы определить начало и конец кадра (в канале связи кадры идут без интервалов).

Итак, сетевой уровень определяет маршруты следования информации от узла одной сети к узлу другой сети через взаимодействие узла и станции –шлюза. Этот уровень работает только при обменах двух локальных сетей.

Канальный уровень. Этот уровень отвечает за управление линией передачи данных. Он делится на следующие два подуровня:
MAC (Media Access Control – контроль доступа к носителю данных) – управление доступом к сети; LLC (Logical Link Control – управление логическими связями) – этот протокол реализует управление логическими связями в сети.

Итак, канальный уровень организует службу доставки пакетов сообщений от узла к узлу. Здесь реализуются следующие служебные функции:

· Кадровая синхронизация, т.е. определение начальных и конечных точек пакета сообщения;

· адресация, т.е. определение того узла, который должен принять сообщение. А именно, приформировывает адреса к выдаваемым сообщениям и декодирует их для поступающих сообщений.

· обнаружение ошибок, т.е. определение ошибочно принятых битов в сообщении;

· контроль подключения приемо–передатчиков к физическому каналу;

· реализация метода доступа к физической среде передачи информации.

Физический уровень. Это – самый нижний уровень в модели OSI. Он выполняет кодирование/декодирование передаваемых данных, а также определяет уровни сигналов, принятые в сетевой среде. Именно на этом уровне происходит передача кадра в физический канал связи и функционируют сетевые устройства (концентраторы, повторители и сетевые адаптеры). Хотя, например, так называемые коммутирующие концентраторы работают на канальном уровне, поэтому отличаются от обычных концентраторов.

Итак, физический уровень определяет электрические и механические характеристики ЛВС:

· Особенности схемы приема–передачи сигналов;

· технику модуляции и кодирования–декодирования;

· частоты передачи и уровни сигналов;

· характеристики механического присоединения;

· характеристики среды передачи информации.

Этот уровень хорошо описан в стандартах RS 422/423 и RS 232.

Рассмотренная семиуровневая система протоколов во всей полноте обычно не применяется, как уже было сказано ранее. Каждая сеть имеет свою усеченную структуру протоколов. Но все выполняемые функции при этом сохраняются для любых типов ЛВС.

ISO (International Organization for Standardization) – международная организация по стандартизации (МОС).

IEEE – институт инженеров по электротехнике и электронике.

МККТТ – международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии.

Первой характеристикой физического уровня модели IEEE 802
(см. рис. 2) при выборе той или иной ЛВС является физическая среда передачи информации (витая пара в экране и без; коаксиал; оптоволокно).

Как правило, данные в локальных сетях передаются последовательно (поразрядно). Это решение способствует уменьшению стоимости самого кабеля, поскольку с ростом числа каналов связи неизбежно увеличивается количество проводящих жил в самом кабеле. Использование достаточно длинных кабелей неизбежно ведет к удорожанию сети, причем порой стоимость кабеля сопоставима со стоимостью остальных аппаратных компонентов сети. Существуют также и другие негативные моменты, связанные с параллельной передачей сигналов по кабелю.

Рис.2. Модель стандарта IEEE 802.

Все кабели, применяемые в локальных сетях, можно отнести к одной из трех категорий:

• кабели на основе витых пар (twisted pair), которые, в свою очередь, бывают экранированными (shielded twisted pair, STP), а также неэкранированными (unshielded twisted pair, UTP);

•коаксиальные кабели (coaxial cable);

•оптоволоконные кабели (fiber cable).

Невозможно однозначно сказать, какой кабель лучше, а какой – хуже. Все определяется конкретной решаемой задачей (сетевая архитектура и топология, величина бюджетных средств, наличие требований относительно расширяемости сети в будущем и т.д.). При наличии специфических требований к развертываемой локальной сети может оказаться приемлемым беспроводное решение. В этом случае информация будет передаваться по радиоканалу или с помощью инфракрасных лучей. Теперь подробно рассмотрим среды передачи данных.

Кабели витых пар. Этот вид кабеля применяется для монтажа простейших и наименее затратных локальных сетей, причем расстояние между соседними компьютерами в данном случае редко превышает 100 м.
Кабель этого вида обычно включает две (или четыре) пары витых проводов.
В кабеле экранированной витой пары каждая пара витых проводов заключается в металлический экран. Благодаря этому уменьшается влияние внешних помех, а также исключаются внутренние наводки, возникающие в процессе передачи сигналов в локальной сети. Естественно, что такой кабель стоит дороже. Помимо этого усложняется конструкция разъемов, соединяющих STP-кабель с сетевым адаптером. В силу изложенных причин наибольшее распространение получили UTP-кабели. Несмотря на некоторые недостатки, связанные с их применением (длина кабельного сегмента редко превышает 100 м, а скорость передачи данных ограничена значением 100 Мбит/с), возможно быстро и легко построить локальную сеть.

В соответствии с общепринятыми стандартами, выделяют пять категорий UTP-кабелей

• Категория 1. Обычный телефонный кабель (отсутствует скрутка между проводами), пригодный лишь для передачи речи, а не компьютерных данных. Кабелю такого рода присуща нестабильность параметров (волновое сопротивление, полоса пропускания, не нормируется уровень перекрестных помех).

• Категория 2. Витые пары, предназначенные для передачи сигналов, частота которых не превышает 1 МГц. Для кабелей этих типов уровень перекрестных помех не нормируется. В настоящее время данный тип кабеля практически не используется.

• Категория 3. Этот кабель предназначается для передачи сигналов, полоса частот которых не превышает 16 МГц. Витые пары, образующие этот кабель, состоят из девяти витков провода из расчета на метр длины. Для кабеля нормированы все параметры, а волновое сопротивление равно 100 Ом. Именно этот кабель является наиболее дешевым и широко применяемым для прокладки локальных сетей.

• Категория 4. Кабель предназначен для передачи сигналов в диапазоне частот до 20 МГц. Применяется сравнительно редко, поскольку не намного лучше кабеля из третьей категории, а стоит существенно дороже. При изготовлении кабелей этого типа производится тестирование всех электрических параметров, а волновое сопротивление равно 100 Ом. Данный тип кабеля в свое время был разработан в соответствии со стандартом IEEE 802.5.

• Категория 5. Этот кабель в настоящее время является наилучшим по совокупности всех электрических параметров и может применяться для передачи сигналов, максимальная частота которых не превышает 100 МГц. Витые пары образуют 27 витков на метр длины. Для кабеля нормированы все электрические параметры, а волновое сопротивление составляет 100 Ом. Именно этот тип кабеля рекомендуется применять в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet. Его стоимость примерно в 1,5 раза превышает стоимость кабеля, относящегося к категории 3.

В настоящее время разработаны типы кабелей, которые можно отнести к категории 6 и 7. Они предназначаются для передачи сигналов в диапазонах до 200 и 600 МГц, соответственно.

Если величины волнового сопротивления кабелей и прочего сетевого оборудования не совпадают, применяются согласующие трансформаторы.

Стандартом также определяются такие параметры кабеля, как максимальное затухание сигнала разных частот на 1000 футов (305 метров), величина перекрестной наводки, а также допустимое значение рабочей емкости. Так, например, затухание сигнала частотой 16 МГц для кабеля категории 3 составляет 40 дБ, а для кабеля категории 5 – 25 дБ. Как видите, разница достаточно серьезная.

Для подсоединения кабеля к сетевому адаптеру применяются разъемы типа RJ-45 (напоминают всем известные телефонные разъемы европейского образца RJ-11).

По типу оболочки различают кабели в поливинилхлоридной изоляции (ПВХ) и в тефлоновой изоляции. Естественно, что второй тип кабеля лучше (более прочен и негорюч), но его стоимость существенно выше.

Коаксиальные кабели

Электрический кабель, состоящий из центральной жилы и металлической оплетки, разделенных слоем диэлектрика и помещенных в общую изоляционную оболочку, называется коаксиальным кабелем.

Сравнительно недавно коаксиальный кабель был широко распространенным в силу присущих ему положительных качеств. Высокая степень помехозащищенности (благодаря наличию металлической оплетки), высокая скорость передачи данных (до 500 Мбит/с) и низкий уровень электромагнитных помех совершенно справедливо принесли ему лавры чемпиона среди кабелей локальных сетей. Однако повышенная стоимость коаксиального кабеля и усложненный монтаж сетей на его основе привели к тому, что на первое место вышел кабель витой пары и оптоволокно.

Чаще всего волновое сопротивление коаксиального кабеля, применяемого в локальных сетях, составляет 50 или 93 Ома.

Существуют два основных типа коаксиальных кабелей: тонкий (thin) кабель, диаметр которого составляет 5 мм, и толстый (thick) кабель диаметром 10 мм. Толстый кабель более жесткий, он обеспечивает меньшее затухание сигнала, но и стоит, соответственно, дороже.

Оптоволоконные кабели.

Оптоволоконный (Fiber Optic Cable – FOC). Оптоволоконный кабель состоит из волокна (сердцевины), находящегося внутри отражающей оболочки, которая, в свою очередь, покрыта защитным слоем. Показатель преломления сердцевины несколько выше, чем оболочки, поэтому распространяющийся луч испытывает почти полное отражение на границе двух сред. Информация переносится модулированным световым потоком, генерируемым светодиодами или лазерами. Производятся два основных типа оптоволоконного кабеля – одномодовый и многомодовый. Наиболее распространенный диаметр сердцевины одномодового кабеля составляет 8,5 мкм. По такому кабелю может распространяться световая волна только одной частоты (одна мода). При использовании лазерных передатчиков расстояние между узлами сети достигает 50 км. Диаметр сердцевины многомодового кабеля – 50 или 62,5 мкм, отражающей оболочки – 125 мкм. По такому кабелю без существенного затухания могут распространяться световые волны нескольких частот (мод). Максимальное расстояние между узлами сети достигает 2 км.

Основные недостатки: трудоемкость монтажа, требующего специального оборудования, а также высокая стоимость самого кабеля и сетевых устройств.

При выборе физической среды необходимо учесть, что за последние два десятка лет произошло резкое снижение коэффициента затухания волоконно–оптических кабелей связи. Достигнуты значения коэффициента затухания
0,2-0,3 дБ/км, что соответствует длине ретрансляционного участка в 100-150 км, т.е. в 70-100 раз больше, чем в случае коаксиального электрического кабеля.

Следует также отметить, что:

· Диаметр и масса оптических кабелей в 5-10 раз меньше электрических;

· высокие скорости передачи – до 100 Гбит/с;

· малый расход сырья. Образно выражаясь, 1 кг стекла эквивалентен 2 т. меди, тем более что запасы кремнезема на земле практически неограничены;

· электромагнитная совместимость с любой электрической, электронной и оптической аппаратурой;

· незначительная зависимость параметров оптического кабеля от температуры. Это заметно только при низких температурах (ниже -30°С) из-за увеличения микроизгибов в волокне;

· нет необходимости в гальванической развязке;

· устойчивость к электромагнитным помехам и коррозии;

· отсутствие перекрестных наводок и искрений;

· неподверженность короткому замыканию;

· эффективная ширина полосы пропускания на несколько порядков выше, чем у электрических проводов;

· относительно высокая стоимость.

Однако волоконно-оптические кабели имеют один существенный недостаток – увеличение коэффициента затухания при воздействии сильного ионизирующего излучения.

Беспроводные каналы связи.

Помимо традиционных кабельных сетей можно воспользоваться беспроводными каналами связи (радиоканал и инфракрасный канал). В этом случае пользователь сети не “привязан” к кабелю, трудоемкий монтаж кабельной системы также не требуется. Обеспечиваются достаточно высокие скорости передачи данных, хотя этот параметр не всегда стабилен.

Радиосети.

В этом случае информация передается по радиоканалу, причем дальность связи может составлять несколько сотен километров, а величина скорости передачи данных может достигать десятки Мбит/с. Основная область применения радиоканала – организация связи в глобальных сетях. В локальных сетях радиоканал применяется значительно реже в силу низкой помехозащищенности, полного отсутствия секретности, а также невысокой надежности связи.

Инфракрасные сети.

Благодаря применению инфракрасных каналов передачи информации обеспечивается нечувствительность к электромагнитным помехам. Предельная скорость передачи информации достигает 5–10 Мбит/с. Защищенность передаваемых данных вовсе не гарантируется, а стоимость вспомогательного оборудования достаточно велика.

Существует несколько технологий беспроводных сетей, используемых как радио-, так и инфракрасные волны.

Наиболее распространенными компьютерными сетями в США и Канаде являются беспроводные Ethernet, построенные на основе различных версий стандарта IEEE 802.11, включающая IEEE 802.11b, IEEE 802.11a и новейшую версию IEEE 802.11g. Беспроводным сетевым продуктам IEEE 802.11 присвоен логотип Wi–Fi (Wireless Fidelity), который указывает на их совместимость с определенными сетевыми стандартами. Характеристики беспроводных сетей на основе стандартов IEEE 802.11 приведены в таблице 1.

Таблица 1.

На рисунке 3 приведена схематическая диаграмма, на которой показано, как изменяется скорость передачи данных при увеличении расстояния между объектами. Архитектурные особенности зданий и расположение антенны могут привести к снижению скорости передачи и мощности сигнала даже при сравнительно коротких расстояниях.

Рис. 3.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒