Физический и канальный уровень

Физический уровень
Физический уровень в модели OSI служит основой для построения всей модели передачи данных между компьютерными системами.
Физический уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные спецификации для активизации, поддержания и деактивизации физической связи между конечными системами.
Назначение физического уровня – передача данных. Процесс передачи данных – кодирование – выполняется с помощью среды передачи данных (кабели, разъемы и т.п.).

Среда передачи данных
Средой передачи данных называют физическую среду, используемую для прохождения сигнала.
Для обеспечения обмена кодированной информацией, среда должна обеспечить физическое соединение компьютеров друг с другом.
Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом. Такая передача медленнее и сложнее, чем при использовании параллельного кода.
Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче (по нескольким кабелям одновременно) увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде).

Среда передачи данных
Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, только одна крупнейшая кабельная компания Belden предлагает более 2000 их наименований.
Все кабели можно разделить на три большие группы:
электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на экранированные (shielded twisted pair, STP) и неэкранированные (unshielded twisted pair, UTP);
электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);
оптоволоконные кабели (fiber optic).
Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

Параметры кабельных систем
Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:
Полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле. Два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Затухание измеряется в децибелах и пропорционально длине кабеля.
Помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им секретность передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю.
Скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр – задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины скорости распространения сигнала – от 0,6 до 0,8 от скорости распространения света в вакууме. Соответственно типичные величины задержек – от 4 до 5 нс/м.
Для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичные значения волнового сопротивления – от 50 до 150 Ом.

Кабели на основе витых пар
Витые пары проводов используется в дешевых и сегодня, пожалуй, самых популярных кабелях. Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке.
Кабель гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки кабелей друг на друга и снизить влияние переходных процессов.
Обычно в кабель входит две или четыре витые пары.

Кабели на основе витых пар
Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних электромагнитных помех, а также от подслушивания, которое может осуществляться с целью, например, промышленного шпионажа. Причем перехват передаваемой по сети информации возможен как с помощью контактного метода (например, посредством двух иголок, воткнутых в кабель), так и с помощью бесконтактного метода, сводящегося к радиоперехвату излучаемых кабелем электромагнитных полей. Причем действие помех и величина излучения вовне увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.

Кабели на основе витых пар
В случае экранированной витой пары STP каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk – перекрестные наводки).
Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен.
Основные достоинства неэкранированных витых пар – простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей.
В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 1000 Мбит/с.

Коаксиальный кабель
Коаксиальный кабель представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку.
Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен, что связано с его высокой помехозащищенностью (благодаря металлической оплетке), более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1ГГц), а также большими допустимыми расстояниями передачи (до километра ).
К нему труднее механически подключиться для несанкционированного прослушивания сети, он дает также заметно меньше электромагнитных излучений вовне.
Монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (он дороже примерно в 1,5 – 3 раза).
Сейчас его применяется реже, чем витая пара.

Коаксиальный кабель
Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией типа шина. При этом на концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала, причем один (и только один!) из терминаторов должен быть заземлен.
В отсутствие заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. При заземлении оплетки в двух или более точках из строя может выйти не только сетевое оборудование, но и компьютеры, подключенные к сети.
Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, необходимо, чтобы их сопротивление равнялось волновому сопротивлению кабеля.
Существует два основных типа коаксиального кабеля для организации локальных сетей:
тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий;
толстый (thick) кабель, диаметром около 1 см, значительно более жесткий. Он представляет собой классический вариант коаксиального кабеля, который уже почти полностью вытеснен современным тонким кабелем.

Оптоволоконный кабель
Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель – это принципиально иной тип кабеля по сравнению с рассмотренными двумя типами электрического или медного кабеля.
Информация передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент – это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.
Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля.
Металлическая оплетка кабеля применяется для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель
Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации.
Внешние электромагнитные помехи не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключение к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля.
Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля.
Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах.
В случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Оптоволоконный кабель
Однако оптоволоконный кабель имеет и некоторые недостатки.
Высокая сложность монтажа (при установке разъемов необходима микронная точность, от точности скола стекловолокна и степени его полировки сильно зависит затухание в разъеме).
Для установки разъемов применяют сварку или склеивание с помощью специального геля, имеющего такой же коэффициент преломления света, что и стекловолокно. Некачественная установка разъема резко снижает допустимую длину кабеля, определяемую затуханием.
Использование оптоволоконного кабеля требует специальных оптических приемников и передатчиков, преобразующих световые сигналы в электрические и обратно, что увеличивает стоимость сети в целом.

Оптоволоконный кабель
Оптоволоконные кабели допускают разветвление сигналов (для этого производятся специальные пассивные разветвители (couplers) на 2—8 каналов), но, как правило, их используют для передачи данных только в одном направлении между одним передатчиком и одним приемником.
Оптоволоконный кабель менее прочен и гибок, чем электрический. Типичная величина допустимого радиуса изгиба составляет около 10 – 20 см, при меньших радиусах изгиба центральное волокно может сломаться. Плохо переносит кабель и механическое растяжение, а также раздавливающие воздействия.
Чувствителен оптоволоконный кабель и к ионизирующим излучениям, из-за которых снижается прозрачность стекловолокна, то есть увеличивается затухание сигнала. Резкие перепады температуры также негативно сказываются на нем, стекловолокно может треснуть.
Применяют оптоволоконный кабель только в сетях с топологией звезда и кольцо. Кабель обеспечивает идеальную гальваническую развязку компьютеров сети.

Типы оптоволоконного кабеля
Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:
многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;
одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым.

Беспроводные системы передачи данных
Главное преимущество беспроводных систем состоит в том, что не требуется никакой прокладки проводов.
Радиоканал использует передачу информации по радиоволнам, поэтому теоретически он может обеспечить связь на многие десятки, сотни и даже тысячи километров.
Скорость передачи достигает десятков мегабит в секунду (здесь многое зависит от выбранной длины волны и способа кодирования).

Беспроводные системы передачи данных
Особенность радиоканала состоит в том, что сигнал свободно излучается в эфир, он не замкнут в кабель, поэтому возникают проблемы совместимости с другими источниками радиоволн (радио- и телевещательными станциями, радарами, радиолюбительскими и профессиональными передатчиками и т.д.).
В радиоканале используется передача в узком диапазоне частот и модуляция информационным сигналом сигнала несущей частоты.
Главным недостатком радиоканала является его плохая защита от прослушивания, так как радиоволны распространяются неконтролируемо. Другой большой недостаток радиоканала – слабая помехозащищенность.
Радиоканал широко применяется в глобальных сетях как для наземной, так и для спутниковой связи. В этом применении у радиоканала нет конкурентов, так как радиоволны могут дойти до любой точки земного шара.

Беспроводные системы передачи данных
Для локальных беспроводных сетей (WLAN – Wireless LAN) в настоящее время применяются подключения по радиоканалу на небольших расстояниях (обычно до 100 метров) и в пределах прямой видимости.
Используются два частотных диапазона – 2,4 ГГц и 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с. Распространен вариант со скоростью 11 Мбит/с.
Сети WLAN позволяют устанавливать беспроводные сетевые соединения на ограниченной территории (обычно внутри офисного или университетского здания или в таких общественных местах, как аэропорты).
Технология Wi-Fi (Wireless Fidelity) позволяет организовать связь между компьютерами числом от 2 до 15 с помощью концентратора (называемого точка доступа, Access Point, AP), или нескольких концентраторов, если компьютеров от 10 до 50.

Беспроводные системы передачи данных
Инфракрасный канал также не требует соединительных проводов, так как использует для связи инфракрасное излучение (подобно пульту дистанционного управления домашнего телевизора). Главное его преимущество по сравнению с радиоканалом – нечувствительность к электромагнитным помехам, что позволяет применять его, например, в производственных условиях, где всегда много помех от силового оборудования.
Скорости передачи информации по инфракрасному каналу обычно не превышают 5—10 Мбит/с, но при использовании инфракрасных лазеров может быть достигнута скорость более 100 Мбит/с. Секретность передаваемой информации, как и в случае радиоканала, не достигается, также, требуются сравнительно дорогие приемники и передатчики. Все это приводит к тому, что применяют инфракрасные каналы в локальных сетях довольно редко. В основном они используются для связи компьютеров с периферией (интерфейс IrDA).
Инфракрасные каналы делятся на две группы:
Каналы прямой видимости.
Каналы на рассеянном излучении.

Выбор типа среды передачи данных
Для определения наиболее подходящего типа среды передачи данных могут использоваться различные критерии, например, скорость передачи данных, стоимость, проблемы обеспечения конфиденциальности.

Канальный уровень
Протоколы канального уровня обеспечивают интерфейс между физической сетью и стеком протоколов компьютера.
Протокол канального уровня, обычно, включает три элемента:
Кадр специального формата, который инкапсулирует данные протокола сетевого уровня;
Механизма, регулирующего доступ к совместно используемой сетевой среде;
Принципов, которые должны быть реализованы при разработке физического уровня.

Адресация
Заголовок канального уровня содержит адрес компьютера, отправившего сообщения, и адрес компьютера, который должен данное сообщение получить.
На этом уровне используются адреса среды передачи данных – аппаратные (MAC) адреса.
Данные адреса часто «прошиваются» производителем в сетевом контроллере.
В сетях Ethernet и Token Ring используются адреса длиной 6 байт.

Доставка кадров
Протоколы канального уровня заботятся о доставке пакета конечному адресату, только если он находится в той же локальной сети, что и отправитель.
Если получатель находится в другой вычислительной сети, протокол канального уровня отвечает за доставку кадра маршрутизатору, обеспечивающему доступ к следующей сети следования кадра.
Таким образом, адрес получателя в заголовке протокола канального уровня всегда относится к устройству, расположенному в локальной сети.

Управление доступом к среде
Управление доступом к среде – набор правил посредством которых протокол канального уровня разрешает спорные ситуации, связанные с попытками одновременного использования среды передачи данных.
Для функционирования в сетевой среде рабочая станция должна иметь возможность передавать информацию.
Для контроля доступа к среде передачи данных используются два метода:
Метод доступа с передачей маркера;
Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий.

Способы контроля доступом к среде передачи данных
Метода доступа с передачей маркера используется в сетях Token Ring и FDDI.
Метод основан на передаче от одной рабочей станции к другой специального кадра, называемого маркером.
Только система, овладевшая кадром, имеет право отправлять свои сообщения. Рабочая станция, захватившая кадр, передает свои данные и освобождает маркер для других станций.
Пока в сети перемещается один маркер, передача данных одновременно двумя системами невозможна.

Способы контроля доступом к среде передачи данных
Метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD) состоит в том, что рабочая станция прослушивает сетевой кабель и передает информацию только в том случае, если сетевая среда свободна.
В CSMA/CD сетях возможна ситуация, когда несколько станций начнут передавать данные одновременно. Результат – появление коллизий.
Для исправления данной ситуации система имеет механизм, позволяющий выявить возникшие коллизии и повторно передать потерянные данные.
Данный метод используется в сетях Ethernet.

Индикатор протокола
Большинство реализаций канального уровня разрабатываются для поддержки нескольких протоколов сетевого уровня.
Для осуществления возможности использования множества протоколов сетевого уровня, заголовок канального уровня должен содержать указатель, определяющий тип использующего протокола сетевого уровня.
Например, в сети включающей серверы под управлением Windows 2000 и Nevel NetWare, одни кадры переносят IP-датаграммы, другие – пакеты IPX протокола. Чтобы различать два эти протокола в спецификации Ethernet определено поле заголовка, идентифицирующего протокол.

Выявление ошибок
В большинстве протоколов канального уровня используется специальный участок информации, идущий за собственно данными пакета сетевого уровня (трейлер кадра).
Эта информация содержит поле контрольной последовательности кадра (FCS). Данное поле применяется для выявления ошибок, возникающих в процессе передачи данных. При нарушении целостности пакета принимающая сторона его отвергает.
Канальный уровень не предполагает, что принимающая сторона предпримет действия при отбраковывании пакетов. В модели OSI данные функции возложены на протоколы более высокого уровня.

Сетевые адаптеры
Сетевые адаптеры (они же контроллеры, карты, платы, интерфейсы, NIC – Network Interface Card) – это основная часть аппаратуры локальной сети.
Назначение сетевого адаптера – сопряжение компьютера (или другого абонента) с сетью, то есть обеспечение обмена информацией между компьютером и каналом связи в соответствии с принятыми правилами обмена.
Сетевые адаптеры реализуют функции двух нижних уровней модели OSI.
Как правило, сетевые адаптеры выполняются в виде платы, вставляемой в слоты расширения системной магистрали (шины) компьютера (чаще всего PCI, ISA или PC-Card). Плата сетевого адаптера обычно имеет также один или несколько внешних разъемов для подключения к ней кабеля сети.

Сетевые адаптеры
Функции сетевого адаптера делятся на магистральные и сетевые.
К магистральным относятся те функции, которые осуществляют взаимодействие адаптера с магистралью (системной шиной) компьютера (то есть опознание своего магистрального адреса, пересылка данных в компьютер и из компьютера, выработка сигнала прерывания компьютера и т.д.).
Сетевые функции обеспечивают общение адаптера с сетью.

Основные функции сетевых адаптеров
К основным сетевым функциям адаптеров относятся:
гальваническая развязка компьютера и кабеля локальной сети (для этого обычно используется передача сигналов через импульсные трансформаторы);
преобразование логических сигналов в сетевые (электрические или световые) и обратно;
кодирование и декодирование сетевых сигналов, то есть прямое и обратное преобразование сетевых кодов передачи информации (например, манчестерский код);
опознание принимаемых пакетов (выбор из всех приходящих пакетов тех, которые адресованы данному абоненту или всем абонентам сети одновременно);
преобразование параллельного кода в последовательный при передаче и обратное преобразование при приеме;
буферирование передаваемой и принимаемой информации в буферной памяти адаптера;
организация доступа к сети в соответствии с принятым методом управления обменом;
подсчет контрольной суммы пакетов при передаче и приеме.

Повторители
При передачи по кабелю сигнал постепенно слабеет. Данное ослабление сигнала называется затуханием. Эффект затухания зависит от типа кабеля и приводит к ограничению длины отдельного сегмента кабеля.
Для продолжения кабеля используются специальные устройства – повторители (repeater), которые усиливают сигнал. Благодаря усилению сигнал распространяется на большие расстояния.

Концентраторы
Концентратор (hub) – устройство, выполняющее функции связующего отдельные сегменты сети и усиливающего сигнал в сетях с топологией типа «звезда».
Термин концентратор используется для технологии Ethernet, в сетях Token Ring аналогичное устройство называется модулем множественного доступа.
Ретранслирующие концентраторы обеспечивают усиление сигнала.
Ограничение на число концентраторов между точками подключения составляет – 4 устройства.

Мосты
Мост (bridge) – устройство, используемое для объединения сегментов кабеля ЛВС, но в отличие от концентраторов функционирующее на физическом и канальном уровнях.
Мост позволяет осуществлять фильтрацию передаваемых пакетов по физическому адресу. Мост не изменяет содержимое кадров и не учитывает данные протоколов сетевого и более высокого уровней.

Коммутаторы
Коммутатор ЛВС (switch) – многопортовое устройство-мост, каждый порт которого связан со своим сегментом сети.
Внешне похож на концентратор, но в отличие от последнего коммутатор направляет входящий трафик на один порт, необходимый для достижения места назначения.
Коммутатор функционирует на 2 уровне модели OSI, поддерживая различные протоколы сетевого уровня.