Курс лекции по компьютерным сетям

Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями

операционной системы, а также программными и аппаратными средствами

маршрутизаторов.

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколы:

- IP (Internet Protocol) протокол Internet, сетевой протокол стека TCP/IP,

который предоставляет адресную и маршрутную информацию;

- IPX (Internetwork Packet Exchange) протокол межсетевого обмена пакетами,

предназначенный для адресации и маршрутизации пакетов в сетях Novell;

- X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией

пакетов (частично этот протокол реализован на уровне 2);

- CLNP (Connection Less Network Protocol) сетевой протокол без организации

соединений.

7 Канальный уровень (Data Link)

Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры –

это логически организованная структура, в которую можно помещать данные.

Задача канального уровня передавать кадры от сетевого уровня к физическому

уровню.

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не

учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются

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.

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.

Задача канального уровня - брать пакеты, поступающие с сетевого уровня

и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Этот

уровень обязан определить, где начинается и где заканчивается блок, а также

обнаруживать ошибки передачи.

На этом же уровне определяются правила использования физического

уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных,

методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом

уровне. Здесь обнаруживаются и исправляются (путем требований повторной

передачи данных) ошибки.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров

данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует

сервис физического уровня для приема и передачи пакетов. Спецификации IEEE

802.Х делят канальный уровень на два подуровня:

- LLC (Logical Link Control) управление логическим каналом осуществляет

логический контроль связи. Подуровень LLC обеспечивает обслуживание

сетевого уровня и связан с передачей и приемом пользовательских

сообщений.

- MAC (Media Assess Control) контроль доступа к среде. Подуровень MAC

регулирует доступ к разделяемой физической среде (передача маркера или

обнаружение коллизий или столкновений) и управляет доступом к каналу

связи. Подуровень LLC находится выше подуровня МАC.

Канальный уровень определяет доступ к среде и управление передачей

посредством процедуры передачи данных по каналу. При больших размерах

передаваемых блоков данных канальный уровень делит их на кадры и передает

кадры в виде последовательностей. При получении кадров уровень формирует из

них переданные блоки данных. Размер блока данных зависит от способа

передачи, качества канала, по которому он передается.

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.

Канальный уровень может выполнять следующие виды функций:

1. Организация (установление, управление, расторжение) канальных соединений

и идентификация их портов.

2. Организация и передача кадров.

3. Обнаружение и исправление ошибок.

4. Управление потоками данных.

5. Обеспечение прозрачности логических каналов (передачи по ним данных,

закодированных любым способом).

Наиболее часто используемые протоколы на канальном уровне включают:

- HDLC (High Level Data Link Control) протокол управления каналом передачи

данных высокого уровня, для последовательных соединений;

- IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II) обеспечивают MAC для сред 802.x;

- Ethernet сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей,

использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием

несущей и обнаружением конфликтов;

- Token ring сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая

кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;

- FDDI (Fiber Distributed Date Interface Station) сетевая технология по

стандарту IEEE 802.6, использующая оптоволоконный носитель;

- X.25 международный стандарт для глобальных коммуникаций с коммутацией

пакетов;

- Frame relay сеть, организованная из технологий Х25 и ISDN.

8 Физический уровень (Physical Layer)

Физический уровень предназначен для сопряжения с физическими

средствами соединения. Физические средства соединения – это совокупность

физической среды, аппаратных и программных средств, обеспечивающая передачу

сигналов между системами. Физическая среда – это материальная субстанция,

через которую осуществляется передача сигналов. Физическая среда является

основой, на которой строятся физические средства соединения. В качестве

физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и

кварц.

Физический уровень состоит из Подуровня стыковки со средой и Подуровня

преобразования передачи.

Первый из них обеспечивает сопряжение потока данных с используемым

физическим каналом связи. Второй осуществляет преобразования, связанные с

применяемыми протоколами. Физический уровень обеспечивает физический

интерфейс с каналом передачи данных, а также описывает процедуры передачи

сигналов в канал и получения их из канала. На этом уровне определяются

электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для

физической связи в системах. Физический уровень получает пакеты данных от

вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или

электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы

посылаются через среду передачи на приемный узел. Механические и

электрические / оптические свойства среды передачи определяются на

физическом уровне и включают:

- тип кабелей и разъемов;

- разводку контактов в разъемах;

- схему кодирования сигналов для значений 0 и 1.

Физический уровень выполняет следующие функции:

1. Установление и разъединение физических соединений.

2. Передача сигналов в последовательном коде и прием.

3. Прослушивание, в нужных случаях, каналов.

4. Идентификация каналов.

5. Оповещение о появлении неисправностей и отказов.

Оповещение о появлении неисправностей и отказов связано с тем, что на

физическом уровне происходит обнаружение определенного класса событий,

мешающих нормальной работе сети (столкновение кадров, посланных сразу

несколькими системами, обрыв канала, отключение питания, потеря

механического контакта и т. д.). Виды сервиса, предоставляемого канальному

уровню, определяются протоколами физического уровня. Прослушивание канала

необходимо в тех случаях, когда к одному каналу подключается группа систем,

но одновременно передавать сигналы разрешается только одной из них. Поэтому

прослушивание канала позволяет определить, свободен ли он для передачи. В

ряде случаев для более четкого определения структуры физический уровень

разбивается на несколько подуровней. Например, физический уровень

беспроводной сети делится на три подуровня рис. 2.5.

[pic]

Рис. 2.1 Физический уровень беспроводной локальной сети

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах,

подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня

выполняются сетевым адаптером. Повторители являются единственным типом

оборудования, которое работает только на физическом уровне.

Выполняется преобразование данных, поступающих от более высокого

уровня, в сигналы передающие по кабелю. В глобальных сетях на этом уровне

могут использоваться модемы и интерфейс RS-232C. В локальных сетях для

преобразования данных применяют сетевые адаптеры, обеспечивающие скоростную

передачу данных в цифровой форме. Пример протокола физического уровня - это

широко известный интерфейс RS-232C / CCITT V.2, который является наиболее

широко распространенной стандартной последовательной связью между

компьютерами и периферийными устройствами.

Можно считать этот уровень, отвечающим за аппаратное обеспечение.

Физический уровень может обеспечивать как асинхронную

(последовательную) так и синхронную (параллельную) передачу, которая

применяется для некоторых мэйнфреймов и мини - компьютеров. На Физическом

уровне должна быть определена схема кодирования для представления двоичных

значений с целью их передачи по каналу связи. Во многих локальных сетях

используется манчестерское кодирование.

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 на кабеле, и другие

характеристики среды и электрических сигналов.

К числу наиболее распространенных спецификаций физического уровня

относятся:

- EIA-RS-232-C, CCITT V.24/V.28 - механические/электрические характеристики

несбалансированного последовательного интерфейса;

- EIA-RS-422/449, CCITT V.10 - механические, электрические и оптические

характеристики сбалансированного последовательного интерфейса;

- Ethernet – сетевая технология по стандарту IEEE 802.3 для сетей,

использующая шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием

несущей и обнаружением конфликтов;

- Token ring – сетевая технология по стандарту IEEE 802.5, использующая

кольцевую топологию и метод доступа к кольцу с передачей маркера;

9 Сетезависимые протоколы

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух

групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации

сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.

Три нижних уровня физический, канальный и сетевой являются

сетезависимыми, протоколы этих уровней тесно связаны с технической

реализацией сети, с используемым коммуникационным оборудованием. Например,

переход на оборудование FDDI означает смену протоколов физического и

канального уровня во всех узлах сети.

Три верхних уровня сеансовый, уровень представления и прикладной

ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей

построения сети. На протоколы этих уровней не влияют никакие изменения в

топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую

технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию 100VG-

AnyLAN не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих

функции прикладного, представительного и сеансового уровней.

Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали

функционирования нижних уровней от верхних уровней. Это позволяет

разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств,

непосредственно занимающихся транспортировкой сообщений.

Одна рабочая станция взаимодействует с другой рабочей станцией

посредством протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие станции

осуществляют через различные коммуникационные устройства: концентраторы,

модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости

от типа коммуникационное устройство может работать:

- либо только на физическом уровне (повторитель);

- либо на физическом и канальном уровнях (мост);

- либо на физическом, канальном и сетевом уровнях, иногда захватывая и

транспортный уровень (маршрутизатор).

Модель OSI представляет собой 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.

10 Стеки коммуникационных протоколов

Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу

взаимодействия узлов сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Протоколы соседних уровней, находящихся в одном узле, взаимодействуют

друг с другом также в соответствии с четко определенными правилами и с

помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила принято называть

интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень

предоставляет вышележащему уровню.

Вопросы

1. Что такое OSI?

2. Каково назначение базовой модели взаимодействия открытых систем?

3. На какие уровни разбита базовая модель OSI?

4. Какие функции несет уровень в модели взаимодействия открытых систем?

5. На какие единицы разбивается информация для передачи данных по сети?

6. Что обеспечивает горизонтальная составляющая модели взаимодействия

открытых систем?

7. Какие элементы являются основными элементами для базовой модели

взаимодействия открытых систем?

8. Какие функции выполняются на физическом уровне?

9. Какие вопросы решаются на физическом уровне?

10. Какой уровень модели OSI преобразует данные в общий формат для передачи

по сети?

11. Какое оборудование используется на физическом уровне?

12. Какие известны спецификации физического уровня?

13. Перечислить функции канального уровня.

14. Какие функции канального уровня?

15. На какие подуровни разделяется канальный уровень и каковы их функции?

16. Функцией какого уровня является засекречивание и реализация форм

представления данных?.

17. Какие протоколы используются на канальном уровне?

18. Какое оборудование используется на канальном уровне?

19. Какие функции выполняются и какие протоколы используются на сетевом

уровне?

20. Какое оборудование используется на сетевом уровне?

21. Перечислить функции транспортного уровня.

22. Какие протоколы используются на транспортном уровне?

23. Перечислить оборудование транспортного уровня.

24. Дать определение сеансового уровня.

25. Какой уровень отвечает за доступ приложений в сеть?

26. Задачи уровня представления данных.

27. Перечислить функции прикладного уровня.

28. Перечислить протоколы верхних уровней.

29. Дать определение стандартных стеков коммуникационных протоколов

30. Стандарты и стеки протоколов

1 Спецификации стандартов

Спецификации Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE802

определяют стандарты для физических компонентов сети. Эти компоненты –

сетевая карта (Network Interface Card – NIC) и сетевой носитель (network

media), которые относятся к физическому и канальному уровням модели OSI.

Спецификации IEEE802 определяют механизм доступа адаптера к каналу связи и

механизм передачи данных. Стандарты IEEE802 подразделяют канальный уровень

на подуровни:

- Logical Link Control (LLC) – подуровень управления логической связью;

- Media Access Control (MAC) – подуровень управления доступом к

устройствам.

Спецификации IEEE 802 делятся на двенадцать стандартов:

802.1

Стандарт 802.1 (Internetworking – объединение сетей) задает механизмы

управления сетью на MAC – уровне. В разделе 802.1 приводятся основные

понятия и определения, общие характеристики и требования к локальным сетям,

а также поведение маршрутизации на канальном уровне, где логические адреса

должны быть преобразованы в их физические адреса и наоборот.

802.2

Стандарт 802.2 (Logical Link Control – управление логической связью)

определяет функционирование подуровня LLC на канальном уровне модели OSI.

LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к среде и сетевым

уровнем.

802.3

Стандарт 802.3 (Ethernet Carrier Sense Multiple Access with Collision

Detection – CSMA/CD LANs Ethernet – множественный доступ к сетям Ethernet с

проверкой несущей и обнаружением конфликтов) описывает физический уровень и

подуровень MAC для сетей, использующих шинную топологию и коллективный

доступ с прослушиванием несущей и обнаружением конфликтов. Прототипом этого

метода является метод доступа стандарта Ethernet (10BaseT, 10Base2,

10Base5). Метод доступа CSMA/CD. 802.3 также включает технологии Fast

Ethernet (100BaseTx, 100BaseFx, 100BaseFl).

100Base-Tx – двухпарная витая пара. Использует метод MLT-3 для

передачи сигналов 5-битовых порций кода 4В/5B по витой паре, а также

имеется функция автопереговоров (Auto-negotiation) для выбора режима работы

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18