Физическая структуризация сети

Физическая структуризация не меняет логические связи компьютеров. Осуществляется с помощью повторителей (repeater) и концентраторов.

Repeater используется для увеличения общей протяженности сети. Функция repeater - восстанавливать сигналы и передавать их в следующий сегмент сети. Концентратор (concentrator, hub) – это повторитель, имеющий несколько портов для соединения нескольких сегментов сети. Концентраторы повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов на других своих портах.

Концентратор изменил топологию физических связей на звезду, при этом логическая топология осталась неизменной – это по-прежнему общая шина.

1. Дайте определение следующим терминам: интерфейс, протокол, стек протоколов. Перечислите современные основные стеки протоколов.

Формально определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для выше лежащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия, называется интерфейсом.

Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами.

Из приведенных определений можно заметить, что понятия "интерфейс" и "протокол", в сущности, обозначают одно и то же, а именно - формализовано заданные процедуры взаимодействия компонент, решающих задачу связи компьютеров в сети. Однако довольно часто в использовании этих терминов имеется некоторый нюанс: понятие "протокол" чаще применяют при описании правил взаимодействия компонент одного уровня, расположенных на разных узлах сети, а "интерфейс" - при описании правил взаимодействия компонентов соседних уровней, расположенных в пределах одного узла.

Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов.

Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке 1.4. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Рис. 1.4. Стек TCP / IP

I. Прикладной уровень (объединяет все службы, предоставляемые стеком TCP/IP пользовательским приложениям)

II. Транспортный уровень (основной) – служит для обеспечения надежной информационной связи между конечными узлами. TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

III. уровень межсетевого взаимодействия – отвечает за передачу данных через составную сеть. IP (Internet Protocol).

IV. Уровень сетевых интерфейсов – обеспечивает интеграцию в сеть TCP/IP других сетей, построенных на основе любых внутрисетевых технологий.

1. Определите назначения всех уровней модели OSI.

Физический уровень.

Физический уровень обеспечивает передачу бит по физическим каналам связи. На этом уровне определяются характеристики среды передачи данных (полоса пропускания, помехозащищенность, затухание и т.д.), характеристики электрических сигналов передающих информацию (форма сигнала, тип кодирования, скорость), параметры физических соединителей (тип разъема, назначение каждого контакта).

Например: Сеть Fast Ethernet

Ø Спецификация 100 Base T (95% всех офисных сетей)

Ø Среда передачи данных – неэкранированная литая фара UTP level 5 с волновым сопротивлением 100 Ом

Ø Разъем RI 45

Ø Максимальная длина физического сегмента 100 м.

Ø Способ кодирования 4В/5В

Ø Скорость передачи данных 100 Мбит/с.

Канальный уровень.

Обеспечивает передачу данных в пределах сети, построенной на основе базовой технологии. Решает задачи проверки доступности среды передачи данных и реализует механизм обнаружения и коррекции ошибок.

Кадр.

преамбула	адрес получателя I	адрес отправителя II	III	контрольное поле
			Данные

В кадре используются аппаратные адреса. В кадр помещаются данные, полученные от вышележащих уровней (в кадр помещается пакет).

Преамбула обеспечивает покадровую синхронизацию, т.е. позволяет определять начало каждого передаваемого кадра. Контрольная сумма обеспечивает правильность передачи кадров. Она вычисляется над полями I, II, III. Полученный результат добавляется в поле контрольной суммы. Кадр вместе с контрольной суммой передается по сети. Узел получателя принимает кадр, и, зная алгоритм расчета контрольной суммы, вычисляет ее над полями I, II, III. Полученный результат сравнивается с контрольным полем кадра. Если они совпали – кадр принят без ошибки, если существует разница – фиксируется ошибка.

Сетевой уровень.

Служит для образования единой системы передачи данных, объединяющих несколько сетей (интерсеть). Отвечает за доставку информации между сетями. Единицей передачи является пакет. Если канальный уровень обеспечивает передачу данных только в пределах единой сетевой технологии, то сетевой уровень обеспечивает передачу пакетов между сетями с различной организацией. Сетевой уровень использует числовые составные адреса. Основной задачей сетевого уровня является выбор оптимального маршрута передачи пакетов, а также преобразование числовых составных адресов в аппаратные.

Транспортный уровень.

Отвечает за надежность доставки данных между сетями интерсети.

Протоколы транспортного уровня делятся на 2 вида:

1. Протоколы с установлением соединения (Перед обменом отправитель и получатель должны сначала установить соединение и возможно выбрать некоторые параметры передачи данных. После завершения диалога они должны по правилам разорвать соединение.)

2. Протоколы без предварительного установления соединения (Отправитель, подготовив пакет, передает сообщение получателю, предварительно не убедившись в том, что получатель готов к приему информации.)

С точки зрения надежности 1 вид более надежный, но более медленный. 2 вид более быстрый, но более надежный.

Сеансовый уровень.

Обеспечивает управление диалогом между отправителем и получателем, фиксирует какая из сторон, в настоящий момент, является активной, предоставляет средства синхронизации (расстановка контрольных точек). Синхронизация – в длинные передачи данных вставляются контрольные точки, для того, чтобы в случае прерванной передачи можно было бы возобновить посылку данных с последней контрольной точки, вместо того, чтобы начинать всю передачу с самого начала. На практике сеансовый уровень реализуется редко, иногда отдельные функции сеансового уровня реализуются в протоколах прикладного уровня.

Представительный уровень.

Не меняя содержание передаваемой по сети информации, приводит ее к виду, пригодному для предоставления пользователю на различных компьютерных платформах (компьютер + ОС). За счет этого уровня передаваемая информация от одной компьютерной системы всегда понятна для компьютерной системы приемника. Этот уровень отвечает за преодоление различных семантических и синтаксических различий (ASCII, KOИ-8, Unicode). Этот же уровень отвечает за степень секретности передаваемых данных.

Прикладной уровень.

Включает набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам (файлы, принтеры и т.д.), а также организуют свою совместную работу. Прикладной программист пишет программы именно на прикладном уровне. На прикладном уровне организовано большое количество разнообразных служб: FTP (служба передачи файлов), e-mail (почта), WWW, TelNet (телеконференции) и т.д.

1. Определите, в чем заключается физическое кодирование передаваемой по сети информации. Укажите различие между единицами скорости: «бод» и «бит/с».

Физическое кодирование применяется для преобразования бит к напряжению, либо перевод в импульсный код.

Применяется 2 основных типа физического кодирования:

1). На основе синусоидального несущего сигнала. Называется аналоговой модуляцией (или просто модуляцией). Применяется для передачи дискретных данных с узкой полосой частот. Обычно это каналы телефонных линий связи.

2). На основе последовательности прямоугольных импульсов. Называется цифровым кодированием. Применяется при передаче данных с использованием несущей в виде последовательности прямоугольных импульсов. При цифровом кодировании применяют 2 типа кодов:

ü Потенциальные (для представления логических 1 и 0 используется только значение потенциала сигнала)

ü Импульсные (используются перепады сигнала в определенном направлении)

Существует несколько способов цифрового кодирования, поэтому при проектировании сетей стоит проблема выбора определенного способа. Критерии:

¨ Способ кодирования при заданной битовой скорости передачи данных должен иметь наименьшую ширину спектра результирующего сигнала.

¨ Способ кодирования должен обеспечивать высокий уровень битовой синхронизации между передатчиком и приемником.

¨ Способ кодирования должен по возможности исключать в передаваемом сигнале постоянные составляющие.

							Потенциальный NRZ
3В
0В
3.3В
0В
-3.3В						Биполярный импульсный

Потенциальные коды обладают низкой синхронизацией и в принципе могут иметь большое значение постоянной составляющей. Однако спектр результирующего сигнала у них узкий, поэтому тактовая частота несущей может быть выше, а следовательно битовая скорость передачи тоже высокая.

Импульсные коды имеют высокую синхронизацию, в них отсутствует постоянная составляющая. Однако спектр передаваемого сигнала широкий Þ или скорость передачи данных будет невысокой, или для того, чтобы увеличить скорость передачи данных необходимо использовать более дорогие кабели, имеющие более широкую полосу пропускания.

В прошлом основным способом кодирования был импульсный (M II – Манчестер 2). Он применялся в сетях User net. Скорость 10 Мбит/с, но при этом использовался дорогой коаксиальный кабель. В настоящее время в высокоскоростных сетях передачи используются потенциальные коды, для которых нужен более дешевый кабель (витая пара), но при этом потенциальный код улучшают. Улучшение состоит в следующем: допустим на 10 переданных нулей всегда передается одна 1 (вставка в постоянную составляющую импульсов, которые ее прерывают).

Примеры потенциальных кодов:

► NRZ (not return zero)

► NRZ 1

► AMI

2B1Q (кодируется порциями по 2 бита Þ скорость выше, 2 бита на 1 квант изменения)

Методы аналоговой модуляции:

Аналоговая модуляция является таким способом физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты или фазы несущей синусоиды.

При амплитудной модуляции для логической 1 выбирается один уровень несущей синусоиды, а для логического 0 – другой. Этот способ в настоящее время не используется из-за низкой помехоустойчивости.

При частотной модуляции значения 0 и 1 исходных данных передаются синусоидами с различной частотой. Этот способ широко применялся в первых моделях, передававших информацию со скоростью передачи 1200 бит/с (конец 70-х гг.).

0°	А1
0°	А2
90°	А1
90°	А2
180°	А1
180°	А2
270°	А1
270°	А2

При фазовой модуляции значениям данных 0 и 1 соответствуют сигналы с одинаковой амплитудой и частотой, но с различной фазой. На рис. 0° и 180°, но бывают более сложные комбинации (Например:0° - 00; 90° - 01; 180° - 10; 270° - 11).

В скоростных модемах используется комбинированный способ модуляции – фазовое в сочетании с амплитудным. Этот метод носит название квадратурной амплитудной модуляции.

Современные протоколы передачи V 32, V 32 БИС, V 92 используют различные модификации квадратурной амплитудной модуляции и передают информацию со скоростями 36600 бит/с, 56000 бит/с и выше.

Бод (англ. baud) в связи и электронике — единица измерения символьной скорости, количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду.[1] Названа по имени Эмиля Бодо, изобретателя кода Бодо — кодировки символов для телетайпов.

Зачастую, ошибочно, считают, что бод — это количество бит, переданное в секунду. В действительности же это верно лишь для двоичного кодирования, которое используется не всегда. Например, в современных модемах используется квадратурная амплитудная модуляция (КАМ), и одним изменением уровня сигнала может кодироваться несколько (до 16) бит информации. Например, при символьной скорости 2400 бод скорость передачи может составлять 9600 бит/c благодаря тому, что в каждом временном интервале передаётся 4 бита.

Кроме этого, бодами выражают полную ёмкость канала, включая служебные символы (биты), если они есть. Эффективная же скорость канала выражается другими единицами, например битами в секунду (бит/c, bps).

Бод- это количество передач (изменений напряжения) в течении одной секунды. В аналоговой технике передачи данных бод и бит/с не одно и то же. Для прояснения этого тезиса стоит рассмотреть внимательнее физический уровень работы модема.

Электрический сигнал, распространяющийся по каналу, характеризуется тремя параметрами - амплитудой, частотой и фазой. Именно изменение одного из этих параметров, или даже совместно некоторой их совокупности в зависимости от значений информационных бит и составляет физическую сущность процесса модуляции. Каждому информационному элементу соответствует фиксированный отрезок времени, на котором электрический сигнал имеет определенные значения своих параметров, характеризующих значение этого информационного элемента. Этот отрезок времени называют бодовым интервалом. Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации, который может принимать значение 0 или 1, то на бодовом интервале параметры сигнала соответственно могут принимать одну из двух предопределенных совокупностей значений амплитуды, частоты и фазы. В этом случае модуляционная скорость (еще ее называют линейной или бодовой) равна информационной, т.е. 1 бод = 1 бит/с. Но кодируемый элемент может соответствовать не одному, а, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость будет вдвое превосходить бодовую, а параметры сигнала на бодовом интервале могут принимать одну из четырех совокупностей значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11.

1. Поясните, на чем основаны все методы обнаружения и коррекции ошибок в сети.

Методы обнаружения ошибок.

Все методы обнаружения ошибок основаны на передаче в составе передаваемой порции данных служебной избыточной информации, по которой можно судить о достоверности принятых данных. Эту информацию называют контрольной суммой (CS). CS вычисляется как некоторая функция от основной передаваемой информации. Принимающая сторона по известному алгоритму расчета контрольной суммы повторно ее вычисляет и если CS, принятая из кадров и рассчитанная приемником совпадают, то считается, что данные переданы без ошибок.

Существует несколько методов расчета CS:

1.

+

Контроль по паритету (по четности).

Передатчик		+ ®
Приемник		®
Однократная ошибка

Данный метод позволяет обнаруживать только однократные ошибки, т.е. ошибки в одном бите. Если ошибки произошли в 2-х битах этот метод бесполезен, поэтому данный метод может применяться только в случае, если порция данных маленькая (1, 2, 4 байта), потому что вероятность двукратных ошибок маленькая. Теперь в сетях он не применяется. Используется в соединениях клавиатуры.

2.Циклический избыточный код (Cyclic Redundancy Check - CRC). Данный метод широко применяется в сетях, при записи данных на винчестер. Метод основан на рассмотрении исходных данных в виде одного многоразрядного двоичного числа. В качестве CS рассматривается остаток от деления этого числа на известный делитель R. Обычно в качестве R выбирают специальным образом подобранное 32-х разрядное число, чтобы остаток от деления был равен 32 битам.

Передатчик рассчитывает CRC и прикрепляет его к концу передаваемых данных. Приемник принимает порцию данных и выполняет деление всей порции данных, включая CRC на известный R, если остаток от деления равен 0, порция данных принята без ошибок. В сетях выполняется алгоритм расчета CRC – метод Хэмминга. Данный метод позволяет обнаруживать как однократные, так и двукратные ошибки. Кроме того, данный метод обладает невысокой избыточностью. Например, если длина кадра составляет 1 Кбайт, контрольная сумма в 4 байта составляет всего только 0,4%.

Методы коррекции ошибок.

Методы коррекции основаны на повторной передаче данных, в случае если порция данных теряется и не доходит до адресата или же если приемник обнаруживает в порции данных ошибку.

Чтобы убедится в необходимости повторной передачи данных, отправитель нумерует отправляемые порции информации и для каждой порции ожидает от приемника так называемой квитанций. Квитанции бывают положительные (служебная порция данных, извещающая о том, что данные получены и оказались корректны) и отрицательные (данные получены, но оказались с ошибкой). Если отправитель получил отрицательную квитанцию, то он обязан повторить передачу исходной порции данных. Время ожидания квитанции ограничено. Если отправитель не получил никакой квитанции в течении этого времени он считает, что передаваемые им данные потеряны и необходимо повторить передачу. Данный метод называется – методом квитирования с простоем. Самый простой но самый медленный способ.

Более быстрым является метод скользящего окна. Задается окно – количество одновременно посланных передатчиком данных. Квитанции могут поступить в произвольном порядке от переданных данных. Передатчик поддерживает порции данных равных скользящему окну. Скользящее окно более быстрый метод. Данный метод обычно используется на сетевом уровне модели OSI-TCP протокол

1. Поясните механизм действия метода доступа к среде передачи CSMA/CD.

В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD).

Возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (рис. 3). Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции одновременно могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как содержимое обоих кадров сталкивается на общем кабеле, что приводит к искажению информации

Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью.

После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра.

Из описания метода доступа видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров.

Максимальная длина кадра (без преамбулы) 1518 байтов

Минимальная длина кадра (без преамбулы) 64 байта (512 бит)

1. Определите различия между «протоколами ориентированными на установление соединения» и «протоколами без установления соединения».

При передаче кадров на канальном уровне могут применяться процедуры:

· Без предварительной установки соединения

· Процедуры с предварительной установкой соединения

Без предварительной установки соединения

Кадр посылается в сеть без предупреждения. Полагается, что сеть всегда готова к работе и удаленный доступ включен. Данный способ работает быстро, потому что никаких предварительных действий перед отправкой кадра не производиться однако, он не гарантирует доставку данных.

Процедуры с предварительной установкой соединения

В этом случае узлу получателю отправляется служебный кадр «запрос на установления соединения». Если узел-получатель согласен с соединением, то он в ответ посылает служебный кадр «подтверждение соединения», в котором оговариваются условия соединения. Узел – инициатор соединения соглашается с условиями соединения. На этом логическое соединение считается установленным и в его рамках можно передавать информационные кадры. На каждый информационный кадр узел-приемник отвечает узлу-передатчику квитанцией; положительная – передача без ошибок, отрицательная – произошла ошибка.

После передачи некоторого законченного набора информационных кадров узел инициирует разрыв, посылая служебный кадр «запрос разрыва», если узел-приемник согласен разорвать соединение, то он посылает «подтверждение разрыва».