Канальный сообщение. Канальный уровень

Частотное разделение сигналов (каналов)

Проследим основные этапы формирования многоканального сигнала при частотном разделении каналов (ЧРК). Сначала в соответствии с передаваемыми сообщениями первичные сигналы a i (t ), имеющие энергетические спектры , ,…, модулируют поднесущие частоты каждого канала. Эту операцию выполняют модуляторы , , … , канальных передатчиков. Полученные на выходе частотных фильтров , , … , спектры канальных сигналов занимают соответственно полосы частот , ,…, (рис.9.2).

Рис. 9.2. Схема частотного уплотнения и разделения каналов

Будем считать, что каждое из подлежащих передаче сообщений a i (t ) занимает полосу частот стандартного ТЧ-канала . В процессе формирования группового сигнала каждому канальному сигналу S i (t ) отводится неперекрывающаяся со спектрами других сигналов полоса частот (рис. 9.3). Тогда общая полоса частот N -канальной группы будет равна

. (9.8)

Рис.9.3 Преобразование спектров в системе с ЧРК

Считая, что применяется однополосная модуляция, а каждый канальный сигнал занимает полосу частот

для спектра группового сигнала получим

. (9.10)

Групповой сигнал преобразуется в линейный сигнал , передается по линии связи (тракту передачи). На приемной стороне после преобразования линейного сигнала в групповой, последний с помощью полосовых канальных фильтров Ф k с полосой пропускания и демодуляторов преобразуется в канальные сообщения , которые направляются получателю.

Короче говоря, в многоканальных системах с ЧРК каждому каналу отводится определенная часть общей полосы частот группового сигнала. На вход приемного устройства i -го канала одновременно действуют сигналы S i всех N каналов. С помощью частотных фильтров Ф i выделяются лишь те частоты , которые принадлежат данному i -му каналу.

За счет неидеальности характеристик полосовых канальных фильтров возникают взаимные переходные помехи между каналами. Для снижения этих помех приходится вводить защитные частотные интервалы между каналами .

Таким образом

Это означает, что в системах с ЧРК эффективно используется лишь около 80% полосы пропускания тракта передачи. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую степень линейности всего группового тракта.

Временное разделение сигналов (каналов)

При временном способе разделения каналов (ВРК) групповой тракт с помощью синхронных коммутаторов передатчика (К пер ) и приемника (К пр ) поочередно предоставляется для передачи сигналов каждого канала многоканальной системы. (В современной аппаратуре механические коммутаторы практически не используют. Вместо них применяют электронные коммутаторы, выполненные, например, на регистрах сдвига.) При ВРК сначала передается сигнал 1-го канала, затем следующего и т.д. до последнего канала за номером N , после чего опять подключается 1-й канал, и процесс повторяется с частотой дискретизации (рис.9.4).

В качестве канальных сигналов в системах ВРК используются неперекрывающиеся во времени последовательности модулированных импульсов S i (t) ; совокупность канальных импульсов – групповой сигнал S г (t ) передается по линии связи. Действие коммутатора на приемной стороне К пр можно отождествить с ключом, соединяющим линию с приемником i -го канала только на время прохождения импульсов i -го канала (“временной фильтр” Ф i ). После демодуляции сообщения a i (t ) поступают к i -му получателю.

Для нормальной работы многоканальной системы с ВРК необходима синхронная работа коммутаторов на передающей и приемной сторонах. Часто для этого один из каналов занимают под передачу специальных импульсов синхронизации для согласованной во времени работы К пер и К пр.

Рис. 9.5. Временное разделение

двух сигналов с АИМ

На рис. 9.5 представлены временные диаграммы двухканальной системы с АИМ. Переносчиком сообщений здесь являются последовательности импульсов с периодом

, (9.12)

поступа­ющих на импульсный модулятор (ИМ) от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Групповой сигнал (рис. 9.5,а) поступает на коммутатор . Последний выполняет роль «временных» пара­метрических фильтров или ключей, передаточная функция которых . (рис. 9.5,б) изменяется синхронно (с периодом ) и синфазно с изменениями передаточной функции :

(9.13)

Это означает, что к тракту передачи в пределах каждого времен­ного интервала подключен только -й импульсный детектор ИД- . Полученные в результате детектирования сообщения поступают к получателю сообщений ПС- .

Оператор , описывающий работу ключевого фильтра, выре­зает из сигнала интервалы , следующие с периодом и отбрасывает остальную часть сигнала.

Здесь, как и ранее, обозначает интервал, в течение которого передаются сигналы -го источника.

При временном разделении взаимные помехи в основном обус­ловлены двумя причинами. Первая состоит в том, что линейные искажения, возникающие за счет ограниченности полосы частот и неидеальности амплитудно-частотной и фазо-частотной характе­ристик всякой физически осуществимой системы связи, нарушают импульсный характер сигналов. Действительно, если при переда­че модулированных импульсов конечной длительности ограничить спектр, то импульсы «расплывутся» и вместо импульсов конеч­ной длительности получим процессы, бесконечно протяженные во времени. При временном разделении сигналов это приведет к то­му, что импульсы одного канала будут накладываться на импуль­сы других каналов. Иначе говоря, между каналами воз­никают взаимные переходные помехи или межсимвольная интер­ференция. Кроме того, взаимные помехи могут возникать за счет несовершенства синхронизации тактовых импульсов на переда­ющей и приемной сторонах.

Для снижения уровня взаимных помех приходится вводить «защитные» временные интервалы, что соответствует некоторому расширению спектра сигналов. Так, в многоканальных системах телефонии полоса эффективно передаваемых частот = 3100 Гц; в соответствии с теоремой Котельникова минимальное значение = 2 = 6200 Гц. Однако в реальных системах частоту следова­ния импульсов выбирают с некоторым запасом: = 8 кГц. Для передачи таких импульсов в одноканальном режиме потребуется полоса частот не менее 4 кГц. При временном разделении кана­лов сигнал каждого канала занимает одинаковую полосу частот, определяемую в идеальных условиях согласно теореме Котельни­кова из соотношения (без учета канала синхронизации)

, (9.14)

где , что совпадает с общей полосой частот системы при частотном разделении.

Хотя теоретически ВРК и ЧРК эквивалентны по эффективности использования частотного спектра, однако в реальных условиях системы ВРК заметно уступают ЧРК по этому показателю из-за трудностей снижения уровня взаимных помех при разделении сигналов. Вместе с тем, неоспоримым преимуществом ВРК является снижение уровня помех нелинейного происхождения за счет разновременности действия импульсов различных каналов, в системах ВРК ниже пик-фактор. Существенно также, что аппаратура ВРК значительно проще аппаратуры ЧРК. Наиболее широкое применение ВРК находит в цифровых системах с ИКМ.

Проверка доступности среды передачи.

Реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в фреймы (frames), обеспечивается корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму.

Управление параметрами связи (скорость, повтор)

В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена структура связей и способы их адресации только для сети с определенной топологией. К топологиям относятся шина, кольцо и звезда. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В глобальных сетях, 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.

Протоколы: IEEE 802.1 (описываются устройства (коммутаторы, мосты))

Делится на LLC – 802.2 и на МАС (CSMA /CD) – 802.3,

МАС (Token Ring) – 802.5,

МАС (Ethernet) – 802.4

Структура кадра Ethernet: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |

1) Приамбула (начало передачи кадра – 8 байт)

2) Адрес получателя (2-6 байт МАС-адрес получателя, 2 байта для кольца)

3) Адрес отправителя (2- 6)

4) Длина поля данных (2 байта)

5) Поле данных (64 – 1500 байт)

6) Контрольная сумма

Протокол LLC: 1- LLC 802.2

| DSAP1байт | SSAP1байт | Control 1 байт | Данные |

2- LLC 802.2 SNAP

| DSAP 2байта | SSAP 2байта | Control 3 байта | Тип семейства протокола3байта | Тип протокола 2 байта | Данные |

DSAP –указывает протокол получателя

SSAP – указыв. протокол отправителя

Control – т для управления соединением

Тип семейства – (IPX /SPX, X.25, ATM, TCP/IP=0)

Тип протокола - 0×0800 – IP, 0×0806 - ARP

МАС –адрес (48 бит): определяется 3 типа: индивидуальный, широковещательный, групповой

|0|0|22бита|24бита|

00 –ндивидуальный адрес, 11 – широковещательный, 10 – групповой.

22 бита – код организации производителя

24 бита – код сетевого адаптера

23. КАНАЛЫ Т1/Е1.

Каналы Т1/Е1 Выделенные каналы Т1/Е1 стали в последние годы очень популярны в качестве средства для подключения корпоративных сетей и серверов к сети Internet. Это объясняется высокими скоростями данных каналов: 1,544 Мбит/с в канале Т1 и 2,048 Мбит/с – для El.

Линии Т1 – это дуплексные цифровые каналы, которые были первоначально разработаны для передачи вызовов между телефонными станциями. Физически связь осуществляется по двум парам телефонного витого провода (одна пара- в одну сторону, вторая – в обратную).

AMI В канале применяется биполярное кодирование (bipolar encoding). .Этот метод имеет и другое название –альтернативное инвертирование логических единиц (AMI). Отсутствие напряжения в линии соответствует нулю, а для представления единиц используются по очереди положительные и отрицательные импульсы. Пример такого кодирования в сравнении со стандартным представлением (в виде кода NRZ)

Синхронизаци я.

Длинная последовательность логических нулей может привести к потере синхронизации у приемника. Для борьбы с этим применяется методбиполярной замены 8 нулей – (B8ZS).

Каждая обнаруженная передатчиком группа из 8 нулей заменяется им на некоторое «бессмысленное слово». При приеме из канала выполняется обратное преобразование. Для выделения этой заменяющей комбинации (как признак для начала ее распознавания) используется последовательная передач, без инвертирования двух положительных единиц (что недопустимо в обычной последовательности кода AMI). На рисунке 5.2 представлен пример такой заменяющей комбинации.

Кадровая синхронизация

Канал Е1 состоит из 24 отдельных каналов по 64 Кбит/с в каждом. Применяется разбиение передаваемой информации на кадры. Наибольшее распространение получили методы D4 и ESF (кроме того в линиях ЕЗ часто используется алгоритм Ml3).

Алгоритм D4

Кадр содержит 1 бит синхронизации и 24 байта данных (см. рис.5.3). Таким образом общая длина кадра составляет 193 бита.

Группа из 12 кадров снабжается специальной 12-битовой маской (см. рис), которую называют сигналом выравнивания кадра (frame alignment signal). Группа из 12 кадров называется суперкадром.

Алгоритм ESF Алгоритм формирования суперкадров ESF (Extended SuperFrame) отличается тем, что размер суперкадра был увеличен с 12 до 24 кадров. В таком суперкадре кз 24 служебных бит только 6 используются для целей синхронизации. Из оставшихся 18 бит - 6 служат для коррекции ошибок и 12 -для текущего контроля за состоянием линии.

Алгоритм М13 Предназначен для каналов ТЗ (44,476 Мбит/с). Кадр содержит 4760 бит. Из них 56 бит используются для выравнивания кадра (кадровой синхронизации), коррекции ошибок и отслеживания состояния линии.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)

Каналы Т1 первоначально предназначались для передачи телефонных разговоров, но по цифровой линии.

По обычному телефону сигнал передается как аналоговый в диапазоне частот от 300 до 3400 гц. Для перевода аналогового сигнала в цифровую форму применяется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) - Pulse Code Modulation (PCM). Для этой цели вводится блок АЦП, который переводит амплитуду аналогового сигнала в цифровой отсчет из 8 бит. Частота снятия таких отсчетов была выбрана с учетом теоремы Найквиста (Nyquist). В соответствии с этой теоремой для адекватного преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую частота дискретизации должна в 2 раза превышать частоту дискретизируемого сигнала. Применительно к телефонным каналам была выбрана частота 8000 опросов в секунду. Таким образом цифровая линия должна обладать пропускной способностью 8 х 8000 = 64 Кбит/с.

Мультиплексирование В линии Т1 собираются вместе 24 таких цифровых каналов по 64 Кбит/с. В итоге общая пропускная способность составляет 1,544 Мбит/с. Для объединения применяется временное мультиплексирование каналов – Time Division Multiplexing (TDM). Вся доступная полоса частот делится на элементарные временные интервалы по 125 мкс. Устройство монополизирует всю полосу частот на период такого элементарного интервала.

Благодаря мультиплексированию по линии Т1 можно передавать одновременно звуковые сигналы, цифровые данные и видеосигналы. В случае необходимости вся доступная пропускная способность 1,544 Мбит/с может быть монополизирована одним потоком данных.

Структура системы На рисунке показана возможная структура оконечного устройства для работы по линии Т1. Здесь CSU– модуль обслуживания канала, a DSl – это модуль обслуживания данных.

Дробные линии Т1 Пользователь может арендовать только часть канала Т1. При этом ему предоставляется возможность оплатить любое количество (от 1 до 24) канаов DSO (Digital Sygnal 0) по 64 Кбит/с.

Каналы E1 В Европе 1TU– Международный союз по электросвязи – предложил несколько другую классификацию таких цифровых каналов. Основой является капал Е1, содержащий 30 каналов USO (по 64 Кбит/с) и дополнительно 1 канал для синхронизации и 1 канал для передачи служебной информации. Пропускная способность канала Е1 составляет 2,048 Мбит/с.

Среда передачи Для организации каналов типа Т1 могут использоваться различные среды. Например: две пары витых проводников – позволяют организовать канал Т1; в коаксиальном кабеле могут быть организованы 4 канала Т1; сверхвысокочастотный кабель позволяет разместить 8 линий Т1; оптоволоконный кабель может содержать до 24 линий Т1.

Сети ISDN

Цифровые сети интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network) находят широкое применение в качестве альтернативы подключения посредством каналов Т1/Е1. Разница заключается в основном в способе оплаты. За полный (или часть) канала Т1 взимается фиксированная (достаточно высокая) абонентская плата. В сетях же ISDN оплата взимается только за время подключения.

Технология ISDN позволяет одновременно передавать голосовые и цифровые данные, обеспечивает высокоскоростное подключение к глобальным сетям. Разработана была эта технология для того, чтобы обеспечить интегральные потребности небольшого офиса.

Аналогично каналам Т1 эта технология базируется на использовании цифрового канала 64 Кбит/с. Аналоговые (голосовые) данные предварительно дискретизируются (производится семплирование - sampling) 8000 раз в секунду. Каждый отсчет представляет собой 8 бит информации. То есть используется ИКМ.

В-канал Основным компонентом любой линии ISDN является однонаправленный В-канал с пропускной способностью 64 Кбит/с. По нему могут передаваться оцифрованные аудио- или видеоданные или собственно цифровые данные.

D-канал Используется для передачи служебной информации. Это, например, сигналы установления и разрыва соединения. Вся же полоса В-канала предназначается только для передачи полезной информации.

Имеются две стандартные для ISDN конфигурации каналов: BRI и PRI/

Интерфейс BRI Это логическое объединение двух В-каналов по 64 Кбит/с и одного D-канала с пропускной способностью 16 Кбит/с. BRI (Basic Rate Interface) -I интерфейс передачи с номинальной скоростью.

Интерфейс BRJ является конфигурацией оптимальной для удаленных пользователей и небольших офисов. Общая его пропускная способность- 128 Кбит/с, а D-канал используется только для передачи служебной информации BRI позволяет подключить до 8 устройств (телефонных, цифровых и видео).

Для обмена по D-каналу используется протокол SS7 (Signalling System Number 7).

Интерфейс PRI PRI (Primary Rate Interface) - интерфейс передачи с базовой скоростью. Этот интерфейс соответствует максимальной скорости передачи по линии Т1. Конфигурация PRI состоит из 23 каналов по 64 Кбит/с (В-каналов) и одного D-канала с пропускной способностью 64 Кбит/с. Следовательно пользователь может вести передачу со скоростью 1,472 Мбит/с.

В европейских линиях ISDN конфигурации PRI соответствует 30 В-каналов (т.к. Е1 содержит именно столько каналов передачи полезной информации).

Подключение пользователя На рисунке 5.5 приведена типичная конфигурация аппаратных средств абонентского комплекса ISDN.

Устройство NT1 (Network Terminator 1) используется для подключения абонента к цифровому каналу.

Устройство NT2 (Network Terminator 2) занимает промежуточный уровень между NT1 и любым терминальным оборудованием. Это могут быть маршрутизаторы сетей ISDN и цифровые офисные АТС.

Терминальным устройством первого типа ТЕ1 (Terminal Equipment 1) считается пользовательское оборудование, которое в состоянии подключаться к устройствам типа NT. Это, например, рабочие станции ISDN, факсимильный аппарат, телефоны ISDN.K терминальным устройствам второго типа ТЕ2 (Terminal Equipment 2) относится все оборудование, которое не может непосредственно подключаться к NT2 (аналоговые телефоны, ПК и т.д.), а требует для этого применения специального терминального адаптера ТА (Terminal Adapter).

Аппаратура Проводка делается скрученным медным проводом (витая пара) UTP класса не менее 3 (она обеспечивает передачу со скоростью до ЮМбит/с). Для интерфейса BR1 требуется одна пара UTP, а для интерфейса PRI - 2 пары UTP.

Устройство NT1 достаточно простое, поэтому его часто интегрируют в терминальное оборудование.

Аппаратура ISDN у пользователя может быть встроенной или автономной. Встроенное устройство может быть и комбинированным, т.е. содержать NT1 и несколько терминальных адаптеров ТА. Внешние терминальные адаптеры внешне выглядят аналогично модему, поэтому их часто называют ISDN-модемами(хотя там нет ни модуляции, ни демодуляции). Очень часто используют еще один тип аппаратуры - маршрутизаторы ISDN - Ethernet. Они выполняют и роль моста между каналом и локальной сетью, т.е. это router-bridge.

Н-каналы ITU выпустил стандарты на Н-каналы ISDN. Они включают пять конфигураций, начиная с НО (включает 6 В-каналов - пропускная способность 384 Кбит/с, предназначен для поддержки видеоконференций) и заканчивая каналом Н4 (включает 2112 D-каналов, пропускная способность - 135 Мбит/с, ориентирован на широковещательную передачу видео- и аудиоданных).

Услуги ISDN ISDN-канал может обеспечивать множество дополнительных услуг, например: конференц-связь; пересылка входящих звонков на другой номер телефона; определение номера вызывающего абонента; организация рабочих групп и т. д.

Сети Frame Relay

Сети, использующие протоколы Х.25, оказались надежными, но недостаточно высокоскоростными. В связи сэтим были предложены модификации, ориентированные на очень высокие скорости передачи – это, в частности, сети Frame Relay и AТМ.

Родоначальником технологии Frame Relay – ретрансляции кадров – была в начале 90-х годов американская компания WILTEL, которая имела обширную сеть оптоволоконных линий, проложенных вдоль железных дорог. Технология Frame Relay в отличие от Х.25 позволила обеспечить скорости передачи, совместимые с каналами Т1 (1,5 Мбит/с) и ТЗ (45 Мбит/с), тогда как у Х.25 это была обычно скорость 64 Кбит/с.

Формат кадра Суть этой технологии заключается в отказе от 3-его(сетевого) уровня Х.25. Ограничиваются использованием 2-го (канального) уровня, где передача ведется кадрами. Видоизменяется только заголовок кадра:

Заголовок кадра Frame Relay содержит:

10-битовое поле DLCI– идентификатора канала передачи данных. Это поле используется маршрутизаторами для нахождения узла назначения, т.е. это информация для ретрансляции кадра.

Из остальных шести бит заголовка:

3 бита выполняют роль флагов перегрузки;

1 бит – позволяет снизить приоритет кадра (называется битом DE);

2 бита – зарезервировано.

Скорость передачи

Скорость передачи согласуется с провайдером в виде трех параметров:

- CIR– согласованная скорость передачи;

Bс – согласованная величина расширения трафика;

Be – предельная величина расширения трафика.

Трафик объемом Be может приниматься сетью только ограниченный промежуток времени.

Передача графика объемом Вс допускается, только если загрузка сети в среднем не превысит согласованного значения CIR.

В случае превышения нагрузки пакет может быть либо отброшен маршрутизатором, или же в нем устанавливается в «1» бит DE (снижения приоритета), а и этом случае такой пакет разрешается при необходимости уничтожить любому следующему но пути следования маршрутизатору.

Типы каналов

Технология Frame Relay может работать на двух типах каналов:

PVC – постоянный виртуальный канал;

SVC– коммутируемый виртуальный канал.

Каналы PVC определяются на этапе конфигурации системы и гарантируют, что пакеты всегда будут доставляться по одному и тому же маршруту. Каналы SVC устанавливаются каждый раз в начале передачи (на этапе установления соединения), что позволяет избегать неисправных участков сети.

Зашита от ошибок

В сети Frame Relay производится проверка правильности кадра (с помощью анализа поля FCS)и, если обнаружены ошибки, кадр стирается. Однако повторная передача таких стертых кадров при этом не запрашивается. Считается, что за сборку сообщения и запрос недоставленных кадров должен отвечать протокол более высокого уровня – транспортный (отвечающий за межконцевую доставку). Таким образом эти сети ориентированы на применение высококачественных оптоволоконных каналов, в которых ошибки достаточно редки, а поэтому низка и вероятность повторных передач пакета.

Сети АТМ

Сети ATM были разработаны в качестве еще одной альтернативы сетям Х.25. Скорость передачи в этой сети находится и диапазоне от 25,5 Мбит/с до 2,488 Гбит/с. В качестве среды передачи могут использоваться различные носители, начиная с неэкранированной витой пары UTР класса 3 вплоть до оптоволоконных каналов.

Эта технология известна также под названием Fast Packet Switching –быстрая коммутация пакетов.

Высокие скорости передачи обеспечиваются за счет:

1. Фиксированного размера кадра – 53 байта

2. Отсутствия каких-либо мер по обеспечению правильности передачи. Эта задача переносится на более высокие протокольные уровни (транспортный).

Технология ATM относится по концепции OSI ко второму (канальному) уровню. Кадры в ATM называются ячейками (cell). Формат такой ячейки показан на левом рисунке.

Заголовок ячейки (5 байт) содержит:

Идентификатор виртуального пути – VPI (Virtual Path Identifier);

Идентификатор виртуального канала – VCI (Virtual Channel Identifier);

Идентификатор типа данных (3 бита);

Поле приоритета потери ячейки (1 бит);

Поле контроля ошибок в заголовке (8 бит) – это сумма по mod 2 байтов заголовка. Протоколы более высокого уровня разрезают свои сообщения на сегменты

по 48 байт и помещаютих в поле информации ячейки.

Технология ATM поддерживает 2 типа каналов (аналогично сетям Frame

PVC – постоянные виртуальные каналы;

SVC– коммутируемые виртуальные каналы.

На канальном уровне ATM выделяются 2 подуровня (см. рис вверху справа): непосредственно уровень ATM и уровень адаптации ATM.

Уровень адаптации ATM (ATM Adaptation Layer) – AAL – реализует один из

пяти режимов передачи:

AAL1 – характеризуется постоянной скоростью передачи (CBR) и синхронным трафиком. Ориентирован па передачу речи и видеоизображений.

AAL2 – тоже поддерживает синхронную передачу, но использует переменную битовую скорость (VDR). Oн пока, к сожалению, еще не реализован.

AAL3/AAL4 (объединены в единый протокол) – ориентированы на переменную битовую скорость (VBR). Синхронизация не обеспечивается. AAL4 отличается тем, что не требует предварительного установления соединения.

AAL5 – аналогичен AAL3, только содержит меньший объем служебной инфы.

По протоколам AAL1 и AAL2 передаются порции по 48 байт информации (1 байт – служебный). Протоколы AAL3 – AAL5 предполагают передачу блоков (разрезанных на сегменты) размером до 65536 байт.

Рекомендация X.25 описывает три уровня протоколов - физический, уровень звена передачи данных и сетевой. Физический уровень описывает уровни сигналов и логику взаимодействия на уровне физического интерфейса. Те из читателей, которым приходилось например подключать модем к последовательному порту персонального компьютера (интерфейс RS-232/V.24) имеют представление об этом уровне. Второй уровень (LAP/LAPB), с теми или иными модификациями, также достаточно широко представлен сейчас в оборудовании массового спроса: в оборудовании модемов, например, - протоколами группы MNP, отвечающими за защиту от ошибок при передаче информации по каналу связи, а также в локальных сетях на уровне LLC. Второй уровень протоколов отвечает за эффективную и надежную передачу данных в соединении "точка-точка", т.е. между соседними узлами сети X.25. Данным протоколом обеспечивается защита от ошибок при передаче между соседними узлами и управление потоком данных (если принимающая сторона не готова принимать данные, она извещает об этом передающую сторону, и та приостанавливает передачу). Кроме того, данный протокол содержит параметры, меняя значения которых, можно получить оптимальный по скорости передачи режим в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и качества канала (вероятности искажения информации при передачи). Для реализации всех указанных выше функций в протоколах второго уровня вводится понятие "кадра" ("frame"). Кадром называется порция информации (битов), организованная определенным образом. Начинает кадр флаг, т.е. последовательность битов строго определенного вида, являющаяся разделителем между кадрами. Затем идет поле адреса, которая в случае двухточечного соединения сводится к адресу "А" или адресу "B". Далее идут поле типа кадра, которое указывает, несет ли кадр в себе информацию, либо является чисто служебным, т.е. например тормозит поток информации, либо извещает передающую сторону о приеме/неприеме предыдущего кадра. В кадре имеется также поле номера кадра. Кадры нумеруются циклически. Это означает, что при достижении определенного порогового значения, нумерация опять начинается с нуля. И наконец заканчивается кадр проверочной последовательностью. Последовательность подсчитывается по определенным правилам при передаче кадра. По этой последовательности на приеме происходит поверка, не произошло ли искажения информации при передаче кадра. При настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии можно менять длину кадра. Чем короче кадр, тем меньше вероятность того, что он будет искажен при передаче. Однако если линия хорошего качества, то лучше работать более длинными информационными кадрами, т.к. уменьшается процент избыточной информации, передаваемой по каналу (флаг, служебные поля кадра). Кроме того, можно менять число кадров которое передающая сторона посылает, не ожидая подтверждения от принимающей стороны.

Этот параметр связан с т.н. "модулем нумерации", т.е. значением порога, достигнув которого нумерация снова начинается с нуля. Это поле может быть равно 8 (для тех каналов, задержка передачи информации в которых не слишком велика) либо 128 (для спутниковых каналов например, когда задержка при передаче информации по каналу велика). И наконец, третий уровень протоколов - "сетевой". Этот уровень наиболее интересен в контексте обсуждения сетей X.25, так как именно он определяет в первую очередь специфику этих сетей.

Функционально данный протокол отвечает в первую очередь за маршрутизацию в сети передачи данных X.25, за доведение информации от "точки входа" в сеть до "точки выхода" из нее. На своем уровне протокол третьего уровня также структурирует информацию, т.е. разбивает ее на "порции". На третьем уровне порция информации называется "пакетом" ("packet"). Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. В пакете имеется свой модуль нумерации, свои поля адреса, типа пакета, своя контрольная последовательность. При передаче пакет помещается в поле данных информационных кадров (кадров второго уровня). Функционально поля пакета отличаются от соответствующих полей кадра. В первую очередь это касается поля адреса, которое в пакете состоит из 15 цифр. Это поле пакета должно обеспечивать идентификацию абонентов в рамках всех сетей пакетной коммутации по всему миру

СЕТЬ ИНТЕРНЕТ

Интернет - это все сети, которые взаимодействуя с помощью протокола IP, образуют "бесшовную" сеть для своих пользователей. В настоящее время в Интернет входят десятки тысяч сетей и их число постоянно увеличивается. В 1980 году на Internet было 200 компьютеров. Число подключенных к сети компьютеров продолжает увеличиваться примерно на 15% в месяц. Масштабы Internet существенно увеличились после подключения к ней коммерческих сетей. Это были такие сети, как America Online, CompuServe, Prodigy, Delphi, GEuie, BIX и т.д..

Управление Интернет Направление развития Internet определяет "Общество Internet" (ISOC -Internet Society). Это организация, которая работает на общественных началах; ее целью является содействие глобальному информационному обмену через Internet. Она назначает Совет старейшин, который отвечает за техническое Руководство и ориентацию Internet.

Совет старейшин IAB - (Internet Architecture Board - совет по архитектуре Internet) регулярно собирается для утверждения стандартов и распределения Ресурсов. Наличие стандартов должно способствовать объединению в сети компьютеров разных платформ (Sun, Macintosh, IBM и т.д.). Каждый компьютер в сети имеет свой уникальный 32-разрядный адрес. Правила присвоения адресов определяет IAB.

Имеется еще один общественный орган - Инженерная комиссия IETF (Internet Engineering Task Force). Она собирается регулярно для обсуждения технических и организационных вопросов, а при необходимости формирует рабочие группы.

Использование Р- и V-операций для организации взаимодействий процессов в системе может осуществляться до тех пор, пока нет лучшего механизма связи. Одним из предложений по улучшению

Рис. 8.7. P/V-система процессов для двух узлов графа вычислений на рис. 8.2.

Рис. 8.8. Добавление P/V-систем в иерархию моделей.

этого механизма является предложение использовать сообщения. Система с сообщениями - это набор процессов, которые взаимодействуют с помощью сообщений. Над сообщениями возможны две операции: послать и получить. Передача сообщения подобна V-операции, а прием сообщения подобен -операции. Если при выполнении операции получить нет ни одного сообщения, то получатель ждет до тех пор, пока сообщение не будет послано.

На этом механизме основана схема моделирования, предложенная Риддлом . Эта модель кажется наиболее подходящей для моделирования протоколов в сетях ЭВМ. Риддл рассматривает (конечное) множество процессов, которые взаимодействуют с помощью сообщений. Сообщения посылаются и запрашиваются специальными процессами, называемыми канальными процессами (почтовые ящики). Канальные процессы предоставляют, что существенно, комплект сообщений, которые посланы, но еще не приняты, или комплект запросов на сообщения от приемников, которые выданы, но еще не удовлетворены. Другие процессы системы называются программными процессами и описываются на языке моделирования программных процессов (ЯМПП).

Пример системы из трех процессов приведен на рис. 8.9. Как видно из примера, описание процессов на ЯМПП является, по существу, схемой. Интерес представляет только деятельность по передаче сообщений в системе. Сообщения являются абстрактными элементами, единственной характеристикой которых является тип. Число типов сообщений в системе может быть только конечным. Сообщения посылаются из или принимаются в буфер сообщений в каждом из процессов. Существует только по одному буферу на процесс. Предложениями ЯМПП являются: Поместить сообщение типа в буфер сообщений. Послать сообщение в буфер сообщений канального процесса Запросить сообщение из канального процесса Ждать (если необходимо) до тех пор, пока не будет получено сообщение. Сообщение помещается в буфер сообщений. Проверить тип сообщения в буфере сообщений и перейти к предложению если сообщение имеет тип, отличный от : Моделировать внутреннюю, зависящую от данных, проверку. Либо продолжать обработку, выполняя следующее предложение, либо перейти к предложению с меткой Передать управление предложению Завершить процесс.

Система с ЯМПП моделирует множество параллельных процессов. Каждый процесс стартует в начале своей программы и выполняет свою программу до тех пор, пока ему не встретится предложение Риддл показывает, как построить выражение передачи сообщений, которое представляет возможные потоки сообщений в системе и использует это выражение для исследования структуры системы и организации правильного функционирования. Это выражение передачи сообщений используется для тех же целей, что и язык сети Петри. Поэтому мы показываем, как описание системы процессов на ЯМПП может быть преобразовано в такую сеть Петри, что ее язык совпадает с выражением передачи сообщений из анализа Риддла. Это преобразование игнорирует выполнение отдельных предложений описания на ЯМПП, хотя с помощью незначительной модификации и они могли бы быть представлены в языке сети Петри.

Для моделирования процесса сетью Петри используем по одной фишке на процесс в качестве программного счетчика. Присутствие сообщения в канальном процессе также представляется фишкой. Поскольку сообщения идентифицируются типом, то необходимо моделировать каждый тип сообщений в канальном процессе отдельной позицией. Очень важным свойством систем с ЯМПП является то, что число сообщений конечно. Каждый программный процесс также конечен. Только очередь сообщений занимает потенциально неограниченный объем памяти. Таким образом, способность моделировать канальные процессы и правильно представлять предложения send и receive являются наиболее важными аспектами преобразования описания на ЯМПП в сеть Петри. Моделируя

канальные процессы множествами позиций (по одной на каждый тип сообщений), мы можем представить предложение send переходом, который помещает фишку в позицию, представляющую соответствующие канальный процесс и тип сообщений. Предложение receive просто удаляет фишку из любой позиции канального процесса. Конкретная позиция, которая поставляет фишку, определяет тип получаемого сообщения. Эта информация может использоваться в любом последующем предложении

Единственным символом в выражении передачи сообщений является тип сообщений для тех сообщений, которые посылаются к или принимаются от канального процесса. Поскольку каждый переход в сети Петри приводит к появлению символа в языке сети Петри для этой сети Петри, то только предложения send и receive в системе с ЯМПП могут быть промоделированы. Таким образом, существуют два вида позиций в сети Петри. Один вид позиций, помеченных действует как счетчик числа сообщений типа в канальном процессе Другой вид позиций представляет предложения send и receive программы ЯМПП. Пусть эти предложения однозначно помечены Мы пометим позицию, представляющую предложение с сообщением типа в буфере сообщений, символом Фишка в позиции, ассоциированной с предложением означает, что предложение уже выполнено. Рис. 8.10 иллюстрирует, как предложения должны моделироваться сетью Петри. На рис. 8.10 позиция представляет позицию, ассоциированную с каким-либо предложением, которое предшествует предложению

Теперь осталось показать, что существует возможность определения предложения, предшествующего другим предложениям в программе на ЯМПП. Отметим, что каждое предложение можно рассматривать как пару, состоящую из типа сообщения и номера предложения, поскольку одно и то же предложение с различными типами сообщений в буфере сообщений будет моделироваться сетью Петри различным образом. Наиболее очевидный способ определения предшественников предложения состоит в запуске в начале каждой программы на ЯМПП специального стартового предложения (которое становится стартовой позицией) и в порождении согласно описанию программ всех возможных последующих предложений send и receive с соответствующим им содержимым буфера сообщений. Этот процесс повторяется для всех появляющихся предложений до тех пор, пока все предложения send и receive не будут порождены, а их последователи не будут идентифицированы. Поскольку число предложений в описании на ЯМПП и число типов сообщений конечно, то порождается только конечное число пар предложение! /тип, сообщение. Эта процедура подобна характеристическим уравнениям, используемым Риддлом для построения выражения передачи сообщений. На рис. 8.11 перечисляются предложения

Рис. 8.10. (см. скан) Преобразование предложений send и receive в переходы сети Петри. вверху - модель предложения sk:send с сообщением типа в буфере сообщений. Канальный процесс внизу - модель предложения sk:receive из канального процесса Возможные типы сообщений в

и их возможные последователи для системы с ЯМПП, изображенной на рис. 8.9.

После того как последователи предложения определены, мы можем, используя эту информацию, идентифицировать возможные предшественники предложения и, следовательно, построить сеть Петри, эквивалентную системе с ЯМПП, используя переходы, подобные приведенным на рис. 8.10. Специальная стартовая позиция является предшественником первого предложения каждого процесса системы. На рис. 8.12 система с ЯМПП, изображенная на рис. 8.9, преобразована в эквивалентную сеть Петри.

Краткое описание преобразования систем передачи сообщений в сети Петри показывает, что эта модель включается по мощности моделирования в сети Петри. Оно показывает также, что множество выражений передачи сообщений, рассматриваемое как класс языков, является подмножеством класса языков сети Петри.

Поскольку P/V-системы можно моделировать системами передачи сообщений с сообщениями только одного типа, то P/V-системы

Рис. 8.11. (см. скан) Предложения и последователи для системы с ЯМПП, изображенной на рис. 8.9.

включаются в системы передачи сообщений. Легко построить систему с сообщениями для решения задачи о курильщиках сигарет, поэтому включение P/V-систем в системы с сообщениями является собственным. С другой стороны, системы с сообщениями не способны воспринимать входные сообщения от нескольких источников одновременно и поэтому не эквивалентны сетям Петри.

При попытке моделирования перехода с несколькими входами может возникнуть один из следующих двух случаев:

1. Процесс будет пытаться получить фишки (сообщения) из всех своих входов, но будет недопустимым, и поэтому будет блокирован, задерживая при этом фишки, которые нужны для того, чтобы позволить продолжать работу другим переходам. Это приведет к тупикам в системе с сообщениями, которые не соответствуют тупикам в сети Петри, что нарушает третье ограничение.

2. Процесс будет уклоняться от создания лишних тупиков, определяя, что оставшиеся нужные фишки отсутствуют, и возвращая

(кликните для просмотра скана)

фишки в позиции (канальные процессы), из которых они были получены. Такие действия могут выполняться произвольно часто, а это означает, что не существует ограничения на длину последовательности действий в системе с сообщениями, соответствующей ограниченной последовательности запусков переходов в сети Петри. Таким образом, при этом нарушается наше второе ограничение.

Рис. 8.13. Добавление систем с сообщениями к иерархии моделей.

Риддл представил преобразование, которое подпадает под случай 1 и приводит к лишним тупикам. В любом случае мы видим, что системы с сообщениями не могут моделировать произвольные сети Петри (при сформулированных нами ограничениях). Поэтому в результате мы получаем иерархию, приведенную на рис. 8.13.

P.S. Возможно, со временем список дополнится.

В сетях все тоже самое. Решили вы залезть на сайт и почитать новости. Набираете в строке браузера адрес сайта. Дальше ваш компьютер как то должен эти страницы запросить. И тут уже на помощь придут протоколы пониже, которые являются транспортным узлом. Здесь каждый уровень можно сравнить с вышеописанными личностями на рисунке.

Подведу я всю эту канитель к общему знаменателю и поделюсь примером, который я когда-то для себя вывел. У вас есть оконечное сетевое устройство. Не важно компьютер, ноутбук, планшет смартфон или еще что. Каждое из этих устройств работает по стеку TCP/IP. А значит, оно соблюдает его правила.

1) Прикладной уровень. Тут работает само сетевое приложение. То есть веб-браузер, который запускается, например с компьютера.

2) Транспортный уровень. У приложения или службы должен быть порт, который он слушает и по которому с ним можно связаться.

3) Сетевой уровень. Здесь присутствует IP-адрес. Его еще называют логическим адресом устройства в сети. При помощи него можно связаться с компьютером, на котором запущен этот самый браузер, а значит, и достучаться до самого приложения. Имея данный адрес, он является участником сети и может связываться с другими участниками

4) Канальный уровень. Это сама сетевая карточка или антенна. То есть передатчик и приемник. У него есть физический адрес для идентификации этой сетевой карты. Кабели, коннекторы тоже относятся сюда. Это среда, которая свяжет компьютер с другими участниками.

Начнем с самого нижнего уровня. Это канальный и физический уровень, если рассматривать с точки зрения модели OSI и уровень доступа, если смотреть с высоты стека протоколов TCP/IP. Пользуемся мы TCP/IP, поэтому я буду говорить с ее точки зрения. Уровень доступа, как вы поняли, объединяет в себе физический и канальный уровень.

Физический уровень. Или как его любят называть «электрический уровень». Задает параметры сигнала, а также какой вид и форму имеет сигнал. Если, например, используется Ethernet (который передает данные при помощи провода), то какая модуляция, напряжение, ток. Если это Wi-Fi, то какие использовать радиоволны, частоту, амплитуду. К этому уровню можно отнести сетевые карты, Wi-Fi антенны, коннекторы. На этом уровне вводится такое понятие, как биты. Это единица измерения передаваемой информации.

Канальный уровень. Этот уровень используется для того, чтобы передать не просто биты, а осмысленные последовательности из этих бит. Используется для передачи данных в одной канальной среде. Что это значит, я опишу чуть позже. На этом уровне работают MAC-адреса, которые еще называют физические адреса.

Термин «физические адреса» ввели не просто так. Каждая сетевая карта или антенна имеет вшитый адрес, который ей присваивает производитель. В предыдущей статье я упоминал термин «протоколы». Только там это были протоколы верхнего уровня, а если точнее, то прикладного. На канальном уровне работают свои протоколы и количество их не маленькое. Самые популярные - это Ethernet (используется в локальных сетях), PPP и HDLC (они используются в глобальных сетях). Это конечно далеко не все, но Cisco в своей сертификации CCNA рассматривает только их.

Тяжело все это понять в виде сплошного сухого текста, поэтому объясню на картинке.

Забудьте сейчас про IP-адреса, модель OSI и стек протоколов TCP/IP. У вас есть 4 компьютера и коммутатор. На коммутатор внимания не обращайте, так как это обычная коробка для соединения компьютеров. У каждого компьютера есть свой MAC-адрес, который идентифицирует его в сети. Он должен быть обязательно уникальный. Хоть я и представил их 3-х значными, это далеко не так. Сейчас эта картинка только для логического понимания, а как это работает в реальной жизни, напишу чуть ниже.

Итак. Если один из компьютеров захочет что-то отправить другому компьютеру, то ему потребуется знать только MAC-адрес компьютера, на который он отправляет. Если верхнему левому компьютеру с MAC-адресом 111 захочется что-то отправить нижнему правому компьютеру, то он без проблем отправит это, если будет знать, что у адресата MAC-адрес 444.

Эти 4 компьютера образуют простенькую локальную сеть и одну канальную среду. Отсюда и название уровня. Но для корректной работы узлов в сетях TCP/IP, недостаточно адресации на канальном уровне. Важна еще адресация на сетевом уровне, которая всем известна, как IP-адресация.

Теперь вспоминаем про IP-адреса. И присвоим их нашим компьютерам.

Теперь важная вещь. Компьютер понимает, что он не знает MAC-адрес компьютера, доступность которого надо проверить. Для того, чтобы узнать MAC-адрес по IP-адресу, придумали протокол ARP. Я о нем напишу подробно позже. Сейчас я хочу, чтобы вы поняли зависимости MAC-адреса и IP-адреса. Итак, он на всю сеть начинает кричать: «Кто такой 1.1.1.4». Этот крик услышат все участники сети и, если найдется тот узел, который имеет данный IP-адрес, он отзовется. У меня такой компьютер присутствует и в ответ на этот крик, он ответит: «1.1.1.4 - это я. Мой MAC - 444». Мой компьютер получит это сообщение и сможет продолжить то, что я ему сказал.

Дальше нужно научиться отличать одну подсеть от другой. И как компьютер понимает, в одной подсети находится он с другим узлом или в разных. Для этого на помощь приходит маска подсети. Масок бывает много и поначалу она кажется страшной, но уверяю вас, что это только сначала так кажется. Ей посвящена будет целая статья и там вы познаете все ее секреты. На данном же этапе, я покажу, как это работает.

Если вы когда-нибудь залезали в настройки сетевых адаптеров или прописывали статический адрес, который вам сообщал провайдер, то видели поле «маска подсети». Она записывается в том же формате, что и IP-адрес, основной шлюз и DNS. Это четыре октета разделенных между собой точками. Если вы этого никогда не видели, то можете открыть командную строку и набрать в ней ipconfig. Вы увидите, что-то похожее.

Модернизирую сеть и покажу вам ее немного иначе.

Посмотрите внимательно на адреса всех устройств. Можно заметить, что у новых узлов и старых отличается 3-ий октет. Давайте разберемся с этим. Я также сижу за компом с MAC:111 и IP:1.1.1.1. Хочу отправить информацию одному из новых узлов. Давайте пусть это будет верхний правый компьютер с MAC:555 и IP:1.1.2.1. Накладываю маску и смотрю.

Мой комп знает, что адрес шлюза 1.1.1.254. Он крикнет на всю сеть: «1.1.1.254 отзовись». Это сообщение получат все участники канальной среды, но ответит только тот, кто сидит за этим адресом. То есть маршрутизатор. Он отправит ответ, и только после этого мой комп отошлет данные до адреса 1.1.2.254. Причем обратите внимание. На канальном уровне данные будут отправлены на MAC:777, а на сетевом, на IP:1.1.2.1. Это значит, что MAC-адрес передается только в своей канальной среде, а сетевой адрес не меняется на всем своем пути. Когда маршрутизатор получит инфу, он поймет, что на канальном уровне она предназначалась ему, но когда увидит IP-адрес, то поймет, что он промежуточное звено и передать надо в другую канальную среду. Его второй порт смотрит в нужную подсеть. Значит, ему все пришло верно. Но он не знает MAC-адрес адресата. Он начинает так же кричать на всю сеть: «Кто такой 1.1.2.1?». И комп с MAC-адресом 555 отвечает ему. Думаю, что логика работы понятна.

На протяжении двух предыдущих статей и текущей, много раз упоминался термин «MAC-адрес» . Давайте разберем, что это такое.

Как я уже говорил, это уникальный идентификатор сетевого устройства. Он уникален и не должен нигде повторяться. Состоит он из 48 бит, из которых первые 24 бита - это уникальный идентификатор организации, который присваивается комитетом IEEE(Институт инженеров электротехники и электроники). А вторые 24 бита назначаются производителем оборудования. Выглядит это так.

1) 00-50-56-C0-00-08
2) 00:50:56:C0:00:08
3) 0050.56С0.0008

Как видите, один и тот же адрес можно записать разными способами. Еще обычно его не разделяют, а записывают слитно. Главное знать, что MAC-адрес всегда состоит из 48 бит и состоит из 12 букв и/или цифр. Посмотреть его можно разными способами. Например, в ОС Windows, открыв командную строку, ввести ipconfig /all. Многие производители еще записывают его на коробке или на обратной стороне корпуса устройства.

Раз мы разобрали адрес на канальном уровне, пришло время разобрать протокол, работающий на данном уровне. Самый популярный на сегодняшний момент протокол, используемый в локальных сетях - это Ethernet . IEEE описала его стандартом 802.3. Так что, все версии, которые начинаются с 802.3, относятся именно к нему. Например, 802.3z - это GigabitEthernet через волоконно-оптический кабель; 1 Гбит/с, а 802.3af - это электропитание через Ethernet (PoE - Power over Ethernet).

Кстати, я не сказал об организации IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) . Эта организация разрабатывает стандарты ко всему, что относится к радиоэлектронике и электротехнике. На их сайте можно найти много документации по существующим технологиям. Вот, что они выдают по запросу «Ethernet»

2) MAC-адрес получателя. Поле, куда записывается адрес получателя.

3) MAC-адрес отправителя. Соответственно сюда записывается адрес отправителя.

4) Тип (длина). В этом поле указывается вышестоящий протокол. Для IPv4 - это 0x0800, для ARP - 0x0806, а для IPv6 - 0x86DD. В некоторых случаях сюда может записываться длина поля данных кадра (следующее поле в заголовке).

5) Поле SNAP/LLC + данные. В этом поле содержатся данные, полученные с высших уровней (или полезные данные).

6) FCS (от англ. Frame Check Sequence - контрольная сумма кадра). Поле в котором подсчитана чек-сумма. По ней получатель понимает, побился кадр или нет.

По ходу написания данной статьи и последующих, будут затронуты и другие протоколы канального уровня. Пока что вышеописанного хватает для понимания его работы.

Переходим к сетевому уровню, и тут нас встречает нашумевший протокол IP. Раз мы говорим о сетевом уровне, то значит протокол, работающий на этом уровне, должен каким-то образом уметь передавать данные из одной канальной среды в другую. Но для начала посмотрим, что это за протокол и из чего он состоит.

IP (от англ. Internet Protocol). Протокол семейства TCP/IP, который был разработан в 80-х годах. Как я говорил ранее, используется для объединения отдельных компьютерных сетей между собой. Также важной его особенностью является адресация, которую называют

IP-адрес . На текущий момент существуют 2 версии протокола: IPv4 и IPv6. Пару слов о них:

1) IPv4. Использует 32-битные адреса, которые записываются в формате четырёх десятичных чисел (от 0 до 255), разделённых точками. Например, адрес 192.168.0.4. Каждое число разделенное точками называют октетом. Это самая популярная версия на сегодняшний день.

2) IPv6. Использует 128-битные адреса, которые записываются в формате восьми четырехзначных шестнадцатеричных чисел (от 0 до F). Например, адрес 2001:0db8:11a3:09d7:1f34:8a2e:07a0:765d. Каждое число разделенное точками называют хекстетом. На заре всеобщей компьютеризации появилась проблема. Стали заканчиваться IP-адреса и нужен был новый протокол, который смог бы обеспечить больше адресов. Так и появился в 1996 году протокол IPv6. Но благодаря технологии NAT, которая будет рассмотрена позже, была частична решена проблема нехватки адресов, и, в связи с этим, внедрение IPv6 затянулось по сегодняшний день.

Думаю понятно, что обе версии предназначены для одних и тех же целей. В этой статье будет разобран протокол IPv4. Про IPv6 будет написана отдельная статья.

Итак, протокол IP работает с блоком информации, который принято называть IP-пакет. Рассмотрим его структуру.

2) IHL (от англ. Internet Header Length - размер заголовка). Так как многие из показанных на картинке полей не фиксированы, то это поле считает размер заголовка.

3) Тип обслуживания. Обслуживает размер очередей QoS (Quality of Service - качество обслуживания). Делает он это при помощи байта, который указывает на определенный набор критериев (требование ко времени задержки, пропускной способности, надежности и т.д.)

4) Длина пакета. Размер пакета. Если IHL отвечает только за размер полей в заголовке (заголовком являются все поля на картинке, кроме поля данных), то длина пакета отвечает за весь пакет в целом, включая пользовательские данные.

5) Время жизни (TTL- Time To Live). Поле, используемое для предотвращения циклического пути пакета. При прохождении через маршрутизатор, значение уменьшается на единицу, и когда достигает нуля, пакет отбрасывается.

6) Протокол. Для какого вышестоящего протокола предназначается данный пакет (TCP, UDP).

7) Контрольная сумма заголовка. Здесь считается целостность полей заголовка. Не данных! Данные проверяются соответствующим полем на канальном уровне.

8) Опции. Это поле используется для расширения стандартного заголовка IP. Используется в привычных сетях редко. Сюда записываются данные для какого-нибудь специфического оборудования, которое читает это поле. Например, система управления дверными замками (где идет общение с контроллером), технология умного дома, интернет-вещи и так далее. Привычные сетевые устройства, как роутеры и коммутаторы, будут игнорировать это поле.

9) Смещение. Указывает, какому месту принадлежит фрагмент в оригинальном IP. Это значение всегда кратно восьми байтам.

10) Данные. Здесь как раз содержатся данные, полученные с вышестоящих уровней. Чуть выше я показал, что в Ethernet-кадре тоже есть поле данных. И в его поле данных будет включен данный IP-пакет. Важно помнить, что максимальный размер Ethernet-кадра равен 1500 байт, а вот размер IP пакета может быть 20 Кбайт. Соответственно весь пакет не вместится в поле данных Ethernet-кадра. Поэтому пакет делят и отправляют частями. И вот для этого используются 3 поля ниже.

11) Идентификатор. Это 4-х байтовое число, которое показывает, что все части разделенного пакета одно единое целое.

12) Флаги. Указывает, что это не единый, а фрагментированный пакет.

13) Смещение фрагмента. Сдвиг относительно первого фрагмента. То есть это нумерация, которая поможет собрать IP-пакет воедино.

14) IP-адрес отправителя и IP-адрес получателя. Соответственно эти 2 поля указывают от кого и для кого пакет.

Вот так выглядит IP-пакет. Конечно, для новичков значения многих полей покажутся не совсем понятными, но в дальнейшем это уложится в голове. Например: поле «Время жизни (TTL)». Его работа станет ясна, когда поймете, как работает маршрутизация. Могу дать совет, который я сам применяю. Если видите непонятный термин, выпишите его отдельно и, при наличии свободного времени, попробуйте разобрать. Если никак не лезет в голову, то отложите и вернитесь к его изучению чуть позже. Главное не забрасывать и в конечном итоге все таки добить.

Остался последний уровень из стека TCP/IP. Это транспортный уровень . Пару слов о нем. Он предназначен для доставки данных определенному приложению, которое он определяет по номеру порта. В зависимости от протокола, он выполняет разные задачи. Например, фрагментация файлов, контроль доставки, мультиплексирование потоками данных и управление ими. 2 самых известных протокола транспортного уровня - это UDP и TCP. Поговорим о каждом из них подробнее, и начну с UDP, в силу его простоты. Ну и по традиции показываю, из чего он состоит.

2) Порт назначения. Здесь указывается порт, который будет являться адресатом. Например, если клиент запрашивает страницу сайта, то порт назначения, по умолчанию, будет 80-ый (протокол HTTP).

3) Длина UDP. Длина заголовка UDP. Размер варьируется от 8 до 65535 байт.

4) Контрольная сумма UDP. Проверка целостности. Если нарушена, то просто отбрасывает без запроса о повторной отправки.

5) Данные. Здесь упакованы данные с верхнего уровня. Например, когда веб-сервер отвечает на запрос клиента и отправляет веб-страницу, то она будет лежать в этом поле.

Как видите, у него не так много полей. Его задачи - это нумерация портов и проверять побился кадр или нет. Протокол простой и не требовательный к ресурсам. Однако он не может обеспечивать контроль доставки и повторно запрашивать побитые куски информации. Из известных сервисов, которые работают с этим протоколом - это DHCP, TFTP. Они рассматривались в статье, когда разбирались протоколы верхнего уровня.

Переходим к более сложному протоколу. Встречаем протокол TCP. Смотрим, из чего состоит, и пробегаем по каждому полю.

2) Порядковый номер. Номер, который используется для того, чтобы на другой стороне было понятно какой этот сегмент по счету.

3) Номер подтверждения. Это поле используется, когда ожидается доставка или подтверждается доставка. Для этого используется параметр ACK.

4) Длина заголовка. Используется для того, чтобы понять какой размер у TCP-заголовка (это все поля представленные на картинке выше, кроме поля данных), а какой у данных.

5) Зарезервированный флаг. Значение этого поля должно устанавливаться в ноль. Оно зарезервировано под специальные нужды. Например, чтобы сообщить о перегрузках в сети.

6) Флаги. В это поле устанавливаются специальные биты для установления или разрыва сессии.

7) Размер окна. Поле, указывающее, на сколько сегментов требовать подтверждения. Наверное, каждый из вас наблюдал такую картину. Вы скачиваете какой-то файл и видите скорость и время скачивания. И тут сначала он показывает, что осталось 30 минут, а через 2-3 секунды уже 20 минут. Еще спустя секунд 5, показывает 10 минут и так далее. Это и есть размер окна. Сначала размер окна устанавливается таким образом, чтобы получать больше подтверждений о каждом отправленном сегменте. Далее все идет хорошо и сеть не сбоит. Размер окна меняется и передается больше сегментов и, соответственно, требуя меньше отчетов о доставке. Таким образом, скачивание выполняется быстрее. Как только сеть даст краткий сбой, и какой то сегмент придет побитым, то размер опять изменится и потребуется больше отчетов о доставке. В этом суть данного поля.

8) Контрольная сумма TCP. Проверка целостности TCP-сегмента.

9) Указатель важности. Это смещение последнего октета важных данных относительно SEQ для пакетов с установленным флагом URG. В жизни применяется, когда необходимо осуществить контроль потока или состояния протокола верхнего уровня со стороны передающего агента (например, если принимающий агент может косвенно сигнализировать передающему, что не справляется с потоком данных).

10) Опции. Используется для каких нибудь расширенных или дополнительных параметров. Например, для параметра timestamp, который является своеобразной меткой, показывающей время произошедшего события.

11) Данные. Практически тоже самое, что и в протоколе UDP. Здесь инкапсулированы данные с вышестоящего уровня.

Увидели мы строение протокола TCP и вместе с этим закончили разговор о транспортном уровне. Получилась такая краткая теория по протоколам, работающих на нижних уровнях. Старался объяснить как можно проще. Сейчас еще все это дело опробуем на практике и добьем пару вопросов.

Я открываю CPT и соберу схему, аналогичную одному из рисунков выше.

Открываю компьютер PC1 и пропишу сетевые настройки.

1) IP-адрес - 192.168.1.1

Эту маску мы рассматривали выше. Напомню, что адрес сети у других хостов в той же локальной сети, должен быть 192.168.1, а адрес хоста может быть от 1 до 254.

Это адрес маршрутизатора, на который будут отправляться данные для хостов другой локальной сети.

Чтобы не было много однотипных картинок, я не буду приводить скриншоты остальных 3-х компьютеров, а только приведу их настройки.

PC2:
1) IP-адрес - 192.168.1.2
.
3) Основной шлюз - 192.168.1.254.

PC3:
1) IP-адрес - 192.168.1.3
2) Маска подсети - 255.255.255.0.
3) Основной шлюз - 192.168.1.254.

PC4:
1) IP-адрес - 192.168.1.4
2) Маска подсети - 255.255.255.0.
3) Основной шлюз - 192.168.1.254.

На данной настройке пока остановимся и посмотрим, как работает наша локальная сеть. Перевожу CPT в режим симуляции. Допустим, я сижу за компьютером PC1, и требуется проверить доступность PC4 командой ping. Открываю командную строку на PC1.

Но тут ping сталкивается с проблемой. Он не знает MAC-адрес получателя. То есть, адрес канального уровня. Для этого он использует протокол ARP, который сможет опросить участников сети и узнать MAC-адрес. Мы про него вскользь говорили в предыдущей статье. Давайте поговорим о нем подробнее. Не буду изменять традиции. Картинку в студию!

1) Тип протокола канального уровня (Hardware type). Думаю понятно из названия, что тут указывается тип канального уровня. Мы пока рассматривали только Ethernet. Его обозначение в этом поле - 0x0001.

2) Тип протокола сетевого уровня (Protocol type). Тут, аналогично, указывается тип сетевого уровня. Код IPv4 - 0x0800.

3) Длина физического адреса в байтах (Hardware length). Если это MAC-адрес, то размер будет 6 байт (или 48 бит).

4) Длина логического адреса в байтах (Protocol length). Если это IPv4-адрес, то размер будет 4 байта (или 32 бита).

5) Код операции (Operation). Код операции отправителя. Если это запрос, то код 0001. В случае ответа - 0002.

6) Физический адрес отправителя (Sender hardware address). MAC-адрес отправителя.

7) Логический адрес отправителя (Sender protocol address). IP-адрес отправителя.

8) Физический адрес получателя (Target hardware address). MAC-адрес получателя. Если это запрос, то, как правило, адрес неизвестен и это поле остается пустым.

9) Логический адрес получателя (Target protocol address). IP-адрес получателя.

Теперь, когда мы знаем, из чего он состоит, можно посмотреть на его работу в CPT. Кликаю по второму конверту и наблюдаю следующую картину.

1) Преамбула - здесь битовая последовательность, которая говорит о начале кадра.

2) Далее идет MAC-адрес источника и получателя. В адресе источника записан MAC-адрес компьютера, который является инициатором, а в адресе получателя записан широковещательный адрес FF-FF-FF-FF-FF-FF (то есть для всех узлов в канальной среде).

3) Тип - здесь указан вышестоящий протокол. Код 0x806 означает, что выше стоит ARP. Я, если честно, не могу точно сказать, на каком уровне он работает. В разных источниках указано по-разному. Кто то говорит, что на 2-ом уровне OSI, а кто-то говорит, что на 3-ем. Я считаю, что он между ними работает. Так как тут есть адреса, присущие каждому из уровней.

Про данные и чек-сумму много говорить не буду. Данные здесь никак не указаны, а чек-сумма нулевая.

Поднимаемся чуть повыше и здесь протокол ARP .

1) Hardware Type - код канального уровня. CPT убрала лишние нули и вставила 0x1 (тоже, что и 0x0001). Это Ethernet.
2) Protocol Type - код сетевого уровня. 0x800 - это IPv4.
3) HLEN - длина физического адреса. 0x6 означает 6 байт. Все верно (MAC-адрес занимает 6 байт).
4) PLEN - длина сетевого адреса. 0x4 означает 4 байта (IP-адрес занимает 4 байта).
5) OPCODE - код операции. 0x1 означает, что это запрос.
6) Source Mac - здесь MAC-адрес отправителя. Можно сравнить его с адресом в поле протокола Ethernet и убедиться в правильности.
7) Source IP - IP-адрес отправителя.
8) Target MAC - так как это запрос и канальный адрес не известен, то он пустой. CPT показала его нулями, что равносильно.
9) Target IP - IP-адрес получателя. Как раз тот адрес, который пингуем.

1) В поле источника протокола Ethernet теперь записан MAC-адрес PC4, а в поле назначения MAC-адрес инициатора, то есть PC1.
2) В поле OPCODE теперь значение 0x2, то есть ответ.
3) Поменялись поля логических и физических адресов в протоколе ARP. Source MAC и Destination MAC аналогичны тем, что в протоколе Ethernet. В поле Source IP - адрес 192.168.1.4 (PC4), а в поле Destination IP - адрес 192.168.1.1 (PC1).

Как только эта информация достигнет PC1, он сразу формирует ICMP-сообщение, то есть ping.

1) В Ethernet протоколе ничего нового, а именно MAC-адрес отправителя - PC1, MAC-адрес получателя - PC4, а в поле Type - 0x800 (протокол IPv4)
2) В IP протоколе, в поле Версия - 4, что означает протокол IPv4. IP-адрес отправителя - PC1, а IP-адрес получателя - PC4.
3) В ICMP протоколе, в поле Type - код 0x8 (эхо-запрос).

Посылает он эхо-запрос, а я смотрю, чем ответит PC4.

Судя по логике, как только этот ответ достигнет PC1, в консоли PC1 должна появиться запись. Давайте проверим.

По умолчанию пинг отправляет 4 запроса. Следовательно, PC1 сформирует еще 3 аналогичных ICMP. Показывать путь каждого пакета я не буду, а приведу финальный вывод консоли на PC1.

Увидели мы, как работает передача данных в одной канальной среде. Теперь посмотрим, что произойдет, если хосты окажутся в разных канальных средах или подсетях. Напомню, что сеть настроена не до конца. А именно, нужно настроить маршрутизатор и вторую подсеть. Чем сейчас и займемся.

Открываю я компьютер с именем PC5 и пропишу сетевые настройки.

Привожу настройки PC6:

1) IP-адрес - 192.168.2.2
2) Маска подсети - 255.255.255.0
3) Основной шлюз - 192.168.2.254

Хосты во 2-ой канальной среде настроены и прекрасно работают. Для того, чтобы они смогли общаться с хостами из 1-ой канальной, нужно настроить маршрутизатор, который соединяет эти среды. Маршрутизатор настраивается через CLI (то есть в консольном виде) и проще будет приводить сюда не скриншоты, а команды.

1) Router>enable - переход в привилегированный режим
2) Router#configure terminal - переход в режим глобальной конфигурации
3) Router(config)#interface fastEthernet 0/0 - переходим к настройке порта 0/0, который смотрит на первую канальную среду
4) Router(config-if)#ip address 192.168.1.254 255.255.255.0 - вешаем на этот порт IP-адрес. Так как этот порт будет являться основным шлюзом для 1-ой канальной среды, то указываем ему тот IP, который прописали хостам
5) Router(config-if)#no shutdown - включаем этот интерфейс. По умолчанию все порты на цисковских маршрутизаторах выключены
6) Router(config-if)#exit - выходим из режима настройки fastEthernet 0/0
7) Router(config)#interface fastEthernet 0/1 - переходим к настройке порта 0/1, который смотрит на вторую канальную среду
8) Router(config-if)#ip address 192.168.2.254 255.255.255.0 - вешаем сюда адрес, который будет являться основным шлюзом для хостов во 2-ой канальной среде
9) Router(config-if)#no shutdown - аналогично включаем его
10) Router(config-if)#end - пишем команду, которая отбросит в привилегированный режим
11) Router#copy running-config startup-config - сохраняем настройки в памяти маршрутизатора

На этом этапе настройка маршрутизатора окончена. Немного забегу вперед и покажу полезную команду «show ip route». Она показывает все известные маршрутизатору сети и маршрут до них.

Исходя из этой таблицы, можно удостовериться, что он знает и про 1-ую канальную среду, и про 2-ую. Отлично. Осталось дело за малым - это проверить доступность PC5 из PC1. Пробую. Переключаю CPT в режим симуляции. Открываю командную строку и пингую 192.168.2.1.

Сначала посмотрим на ICMP.

Что же будет происходить дальше. PC1 видит, что проверяется доступность хоста, находящегося в другой канальной среде (путем наложения маски на свой IP-адрес и IP-адрес получателя). И кроме IP-адреса он не знает о получателе ничего. Соответственно в таком виде отправлять пакет ICMP нельзя. Зато он знает, что у него есть основной шлюз, который, скорее всего, знает что-то про канальную среду, в которой находится PC5. Но возникает еще одна сложность. Он знает IP-адрес шлюза (который я ему прописал в сетевых настройках), но не знает его MAC-адреса. Тут ему приходит на помощь протокол ARP, который опросит всех участников канальной среды и найдет его MAC-адрес. Посмотрим, как заполнены поля.

И чуть повыше (протокол ARP):

1) SOURCE MAC - тот же PC1, а DESTINATION MAC пустой (его должен заполнить тот, для кого этот запрос предназначен).
2) SOURCE IP - адрес PC1, а вот DESTINATION IP - адрес основного шлюза.

1) Source MAC - сюда он вставляет свой MAC-адрес (а именно MAC-адрес fastEthernet0/0).
2) Destination MAC - сюда записывает MAC-адрес PC1 (то есть того, кто запросил).
ARP:
1) Source MAC и Destination MAC аналогично записям в протоколе Ethernet.
2) Source IP - свой IP-адрес.
3) Target IP - IP-адрес PC1.

1) SRC MAC: здесь указан MAC-адрес PC1.
2) DEST MAC: MAC-адрес маршрутизатора.
3) SRC IP: IP-адрес PC1.
4) DST IP: IP-адрес PC5.

Что это значит. Адреса на сетевом уровне (то есть IP-адреса) не меняются, чтобы знать от кого и кому предназначается информация. А адреса на канальном уровне (MAC-адреса) могут спокойно меняться, переходя из одной канальной среды в другую. Это очень важно понять и запомнить!

Смотрим, что происходит. Пакет доходит до маршрутизатора и сразу перечеркивается. А все из-за того, что он не знает MAC-адрес PC5. Теперь он формирует ARP-запрос и пытается его узнать. Привожу скриншот этого запроса.

Как только этот ответ дойдет до маршрутизатора, он будет знать канальный адрес PC5. Но вот что произошло. Пока тянулась канитель с ARP у маршрутизатора и PC5, у PC1 истекает время ожидания ответа отправленного ICMP. Показываю картинку.

Вот таким образом работает передача данных из одной канальной среды в другую (или из одной сети в другую). Тут, кстати, не важно, сколько канальных сред вам надо будет преодолеть, чтобы попасть до получателя. Принцип все равно будет такой.

В предыдущей статье, когда рассматривались протоколы верхнего уровня, мы немного касались транспортного уровня. Предлагаю вспомнить этот уровень и крепко закрепить.

Начну, как всегда, с простого. И это протокол UDP. Как я уже говорил выше, он используется для того, чтобы передать данные определенному протоколу вышестоящего уровня. Делает он это при помощи портов. Один из протоколов, работающих с UDP - это TFTP(Trivial File Transfer Protocol). Протокол этот мы рассматривали в предыдущей статье. Поэтому трудностей возникнуть не должно. Для демонстрации потребуется добавить в сеть сервер с включенной службой TFTP.

Настройки сервера следующие:

1) IP-адрес - 192.168.1.5
2) Маска подсети - 255.255.255.0
3) Основной шлюз - 192.168.1.254

Служба TFTP включена по умолчанию, но лучше проверить. Далее переключаю CPT в режим симуляции и попробую сохранить конфигурацию маршрутизатора на TFTP-сервер:

1) Router>enable - переход в привилегированный режим.
2) Router#copy startup-config tftp: - пишу команду copy (то есть скопировать), далее startup-config (что именно скопировать) и tftp: (куда скопировать).
3) Address or name of remote host ? 192.168.1.5 - выходит сообщение с запросом адреса или имени сервера, где я пишу его адрес.
4) Destination filename ? - следом он спрашивает, под каким именем его сохранить на сервере и предлагает стандартное имя. Меня это устраивает, и я жму ENTER.

Пропущу я момент работы ARP, так как мы вдоволь на него насмотрелись.

Ethernet:
1) Source MAC - адрес маршрутизатора.
2) Destination MAC - адрес сервера.
3) Type - 0x800 (означает, что выше работает протокол IP).

IP:
1) Protocol - 0x11 (означает, что выше работает протокол UDP).
2) Source IP - адрес маршрутизатора.
3) Destination IP - адрес сервера.

UDP:
1) Source Port - динамически созданный порт (1025).
2) Destination Port - порт, который слушает TFTP-сервер (зарезервированный 69 порт).

TFTP:
Здесь находятся сами данные.

Так и работает протокол UDP. Он не устанавливает сессии, не требует подтверждения доставки, а если что-то потеряется, он не запрашивает повторно. Его работа - это указать номер порта и отправить. Что там будет происходить дальше, его не интересует. Но возникают случаи, когда это не устраивает и все эти параметры критически важны. Тогда на помощь приходит протокол TCP. Рассмотрим его на примере использования веб-сервера и веб-клиента. Веб-сервером у нас будет тот же TFTP-сервер. Включаем службу HTTP и запросим страницу с компьютера PC1. Не забываем переключить CPT в режим симуляции!

Перед тем как продолжить, я расскажу про установление TCP-сессии. Постараюсь изложить этот процесс максимально просто. Этот процесс называют «трехстороннее рукопожатие» или «handshake». В чем суть. Клиент отправляет TCP-сегмент с флагом «SYN». Получив сегмент, сервер принимает решение. Если он согласен установить соединение, то он отправляет ответный сегмент с флагом «SYN+ACK». Если не согласен, то отправляет сегмент с флагом «RST». Далее клиент смотрим на ответный сегмент. Если там стоит флаг «SYN+ACK», то он в ответ отправляет сегмент с флагом «ACK» и устанавливается соединение. Если же там стоит флаг «RST», то он прекращает попытки соединения. После того, как потребуется разорвать установившееся соединение, клиент формирует и отправляет TCP-сегмент с флагом «FIN+ACK». Сервер на этот сегмент отвечает аналогичным флагом «FIN+ACK». И наконец, клиент отправляет последний TCP-сегмент с флагом «ACK». Сейчас вы увидите, как это работает на практике.

Переключаю внимание на сеть и вижу, как PC1 формирует TCP-сегмент.

А вот в TCP уже поинтереснее.

1) Source Port - 1025 (это динамически сгенерированный порт веб-клиента).
2) Destination Port - 80 (это зарезервированный порт протокола HTTP).
3) Flag - SYN (запрос на установление сессии)

Смотрим, чем ответит веб-сервер.

Как только клиент получает этот сегмент, он сразу формирует 2 сообщения. Один из них TCP-сегмент, представленный ниже, который отправляется с флагом «ACK».

А второй - HTTP, где указана версия протокола, какая страница и адрес сервера.

Рассмотрели мы, как работает протокол TCP, а вместе с ним закончили рассматривать протоколы нижних уровней. Привожу ссылку на скачивание данной лабы. Сначала была у меня идея пойти стандартно проложенным путем, и писать под каждый уровень отдельную статью, но потом понял, что делать это бессмысленно. Так как к моменту написания следующей статьи, большая часть предыдущей забывается.

Ну что же, статья подходит к концу. Хочу выразить благодарность пользователю под ником remzalp за предоставленную картинку и остальным пользователям, которые оставляют полезные комментарии к статьям. Очень приятно видеть, как люди интересуются, задают вопросы, ведут объективные и конструктивные споры. Хочется, чтобы русскоязычное IT-сообщество все больше развивалось и материалов для изучения в свободном доступе становилось все больше. Спасибо за прочтение и до встречи на следующей.

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. 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, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни 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 l0-Base-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 в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов.

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 (Data Link layer) 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, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, 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. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок не является обязательной для канального уровня, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay.

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, а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-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 часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов «точка-точка» (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы РРР и LAP-B. В таких случаях для доставки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня. Именно так организованы сети Х.25. Иногда в глобальных сетях функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, так как в одном и том же протоколе они объединяются с функциями сетевого уровня. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий АТМ и frame relay.

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами и могут допускать работу поверх них непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений, без привлечения средств сетевого и транспортного уровней. Например, существует реализация протокола управления сетью SNMP непосредственно поверх Ethernet, хотя стандартно этот протокол работает поверх сетевого протокола IP и транспортного протокола UDP. Естественно, что применение такой реализации будет ограниченным - она не подходит для составных сетей разных технологий, например Ethernet и Х.25, и даже для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между сегментами существуют петлевид-ные связи. А вот в двухсегментной сети Ethernet, объединенной мостом, реализация SNMP над канальным уровнем будет вполне работоспособна.

Тем не менее для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня оказывается недостаточно, поэтому в модели OSI решение этой задачи возлагается на два следующих уровня - сетевой и транспортный.

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Начнем их рассмотрение на примере объединения локальных сетей.

Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией, например топологией иерархической звезды. Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Можно было бы усложнять протоколы канального уровня для поддержания петлевидных избыточных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы с одной стороны сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.

На сетевом уровне сам термин сеть наделяют специфическим значением. 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.

Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер, отличный от принятого в протоколах канального уровня. 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. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, илихопов (от hop - прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.

На рис. 1.27 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегают два маршрута: первый через маршрутизаторы 1 и 3, а второй через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Рис. 1.27. Пример составной сети

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией , и ее решение является одной из главных задач 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.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень решает также задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.

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 старшей части - номера сети и младшей - номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса, поэтому термину «сеть» на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное определение: сеть - это совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

На сетевом уровне определяются два вида протоколов. Первый вид - сетевые протоколы (routed protocols) - реализуют продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации (routing protocols) . 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.

На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами разрешения адресов - Address Resolution Protocol, ARP . Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости классификации не изменяют их сути.

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. Транспортный уровень (Transport layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное - способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.

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 система транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного - сетевым, канальным и физическим. 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 нижних уровней 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 по контрольным суммам 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.

Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (Session layer) обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, а не начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.

Представительный уровень

Представительный уровень (Presentation layer) имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же различия в кодах символов, например кодов ASCII и EBCDIC. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень

Прикладной уровень (Application layer) - 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 служб прикладного уровня. Приведем в качестве примера хотя бы несколько наиболее распространенных реализации файловых служб: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни

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, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети и используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети.

Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый - ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют какие бы то ни было изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию l00VG-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. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений. На рис. 1.28 показаны уровни модели OSI, на которых работают различные элементы сети. Компьютер с установленной на нем сетевой ОС взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют опосредовано 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 (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор). На рис. 1.29 показано соответствие функций различных коммуникационных устройств уровням модели OSI.

Рис. 1.28. Сетезависимые и сетенезависимые уровни модели OSI

Рис.1.29. Соответствие функций различных устройств сети уровням модели OSI

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, службами, поддерживаемыми на верхних уровнях, и прочими параметрами.

1.3.4. Понятие «открытая система»

Модель OSI, как это следует из ее названия (Open System Interconnection), описывает взаимосвязи открытых систем. Что же такое открытая система?

В широком смысле открытой системой может быть названа любая система (компьютер, вычислительная сеть, ОС, программный пакет, другие аппаратные и программные продукты), которая построена в соответствии с открытыми спецификациями.

Напомним, что под термином «спецификация» (в вычислительной технике) понимают формализованное описание аппаратных или программных компонентов, способов их функционирования, взаимодействия с другими компонентами, условий эксплуатации, ограничений и особых характеристик. Понятно, что не всякая спецификация является стандартом. В свою очередь, под открытыми спецификациями понимаются опубликованные, общедоступные спецификации, соответствующие стандартам и принятые в результате достижения согласия после всестороннего обсуждения всеми заинтересованными сторонами.

Использование при разработке систем открытых спецификаций позволяет третьим сторонам разрабатывать для этих систем различные аппаратные или программные средства расширения и модификации, а также создавать программно-аппаратные комплексы из продуктов разных производителей.

Для реальных систем полная открытость является недостижимым идеалом. Как правило, даже в системах, называемых открытыми, этому определению соответствуют лишь некоторые части, поддерживающие внешние интерфейсы. Например, открытость семейства операционных систем Unix заключается, кроме всего прочего, в наличии стандартизованного программного интерфейса между ядром и приложениями, что позволяет легко переносить приложения из среды одной версии Unix в среду другой версии. Еще одним примером частичной открытости является применение в достаточно закрытой операционной системе Novell NetWare открытого интерфейса Open Driver Interface (ODI) для включения в систему драйверов сетевых адаптеров независимых производителей. Чем больше открытых спецификаций использовано при разработке системы, тем более открытой она является.

Модель OSI касается только одного аспекта открытости, а именно открытости средств взаимодействия устройств, связанных в вычислительную сеть. Здесь под открытой системой понимается сетевое устройство, готовое взаимодействовать с другими сетевыми устройствами с использованием стандартных правил, определяющих формат, содержание и значение принимаемых и отправляемых сообщений.

Если две сети построены с соблюдением принципов открытости, то это дает следующие преимущества:

возможность построения сети из аппаратных и программных средств различных производителей, придерживающихся одного и того же стандарта;

возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети другими, более совершенными, что позволяет сети развиваться с минимальными затратами;

возможность легкого сопряжения одной сети с другой;

простота освоения и обслуживания сети.

Ярким примером открытой системы является международная сеть Internet. Эта сеть развивалась в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке ее стандартов принимали участие тысячи специалистов-пользователей этой сети из различных университетов, научных организаций и фирм-производителей вычислительной аппаратуры и программного обеспечения, работающих в разных странах. Само название стандартов, определяющих работу сети Internet - Request For Comments (RFC), что можно перевести как «запрос на комментарии», - показывает гласный и открытый характер принимаемых стандартов. В результате сеть Internet сумела объединить в себе самое разнообразное оборудование и программное обеспечение огромного числа сетей, разбросанных по всему миру.
При использовании материалов сайта ссылка на проект обязательна.
All rights reserved. ©2006