Линии и каналы связи. Модель OSI. Лекция 4

ПЛАН ЛЕКЦИИ
1. Рассмотреть особенности существующих линий и каналов связи;
2. Рассмотреть эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI). Распределить рассмотренный ранее материал по уровням эталонной модели.
М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б Р А З О В А Н И Я И Н А У К И Р Е С П У Б Л И К И К А З А Х С Т А Н
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени К.И. САТПАЕВА
ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Типы линий связи
Проводные (направляемые)
Проводные воздушные Кабельные
Coax
TP
Fiber Optics
Беспроводные (ненаправляемые)
Радиоизлучение
Микроволны (CВЧ)
Инфракрасное излучение
Лазерный луч
в воздухе

Аппаратура линий связи
Линия связи:
Физическая среда передачи
АПД (DCE Data Circuit terminating Equipment)
Промежуточная аппаратура
Аналоговые линии протокол Phy не определен
Цифровые линии протокол Phy определен
Многоканальные линии связи

Аппаратура передачи данных
Преобразователь “Сообщение - Эл. сигнал”
Кодер (сжатие, корректирующие коды)
Модулятор
Промежуточная аппаратура
Улучшение качества связи - (Усилитель)
Создание составного канала – (Коммутатор)
Уплотнение канала – (Мультиплексор)

Основные характеристики линий связи
Пропускная способность (Протокол)
Достоверность передачи данных (Протокол)
Задержка распространения
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Полоса пропускания
Затухание
Помехоустойчивость
Перекрестные наводки на ближнем конце линии
Удельная стоимость

Стандартные типы кабелей ЛВС
Unshielded Twisted Pair UTP медь
Shielded Twisted Pair STP медь
Coaxial cable Coax медь
Fiber-Optic cable Fiber волокно

Coaxial Cable
(50 ом 75 ом)
“Толстый “ D=12 мм, d=2,17мм RG-8, RG-11
“Тонкий “ D=5мм, d=0,7мм RG-58/U, RG-58A/U
Ethernet 10 base 5, Ethernet 10 base 2, ArcNet, CTV –RG-59

Twisted Pair
UTP – 7 категорий, все 4-парные
(a) Category 3 UTP.
(b) Category 5 UTP.

Витая пара Twisted Pair (TP)
UTP
Unshielded Twisted Pair
категории 1,2.3.4.5.6. ..7
UTP кат 3-5 - 4 пары в оболочке
STP
Shielded Twisted Pair
Типы Type 1…9
У каждой пары свой экран
Каждая пара - свой шаг скрутки, свой цвет
Помехозащищенность
Стоимость
Сложность прокладки

Типы волоконно-оптических кабелей
Многомодовый кабель
Мода 2
Одномодовый кабель

Конструкция ВОК

Волоконно-оптический кабель
Multi Mode Fiber MMF 50/125, 62,5/125,
Single Mode Fiber SMF 8/125, 9,5/125
D = 250 мкм
1 ГГц – 100 км - 1000BaseLH 5000км - 1 Гбит/с (2005 г)
MM SM

Источники оптического сигнала
Канал: источник - носитель - приемник (детектор)
Источники
Светодиод (LED- Light Emitting Diod) - 850 нм некогерентный источник - MMF
Полупроводниковый лазер когерентный источник - SMF - Мощность = f (to)
Детекторы
Фотодиоды, pin-диоды, лавинные диоды

Светодиоды и лазеры

Структурированные кабельные системы - СКС
Structured Cabling System - SCS
Первые ЛВС – различные кабели и топологии
Унификация кабельной системы
СКС – открытая кабельная инфраструктура ЛВС
(подсистемы, компоненты, интерфейсы)
- независимость от сетевой технологии
- кабели ЛВС, TV, системы охраны и т.п.
- универсальная кабельная проводка без привязки к конкретной сетевой технологии -“Конструктор”

Иерархия СКС

Стандарты СКС (основные)
EIA/TIA-568A Commercial Building Telecommunications Wiring Standard (США)
CENELEC EN50173 Performance Requirements of Generic Cabling Schemes (Европа)
ISO/IEC IS 11801 Information Technology - Generic cabling for customer premises cabling
Для каждой подсистемы:
Среда передачи данных.
Топология Допустимые расстояния (длина кабелей)
Интерфейс подключения пользователей.
Кабели и соединительная аппаратура.
Пропускная способность (Performance).
Практика установки
(Горизонтальная подсистема – UTP, звезда, 100 м . . . )

Беспроводная связь
Wireless Transmission
Достоинства: удобство, недоступные районы, мобильность. быстрое развертывание...
Недостатки: высокий уровень помех (специальные средства: коды, модуляция…), сложность использования некоторых диапазонов
Линия связи: передатчик - среда – приемник

Wireless Transmission
Радиодиапазон
Микроволновый диапазон
ИК- диапазон
Диапазон видимого света

Спектр электромагнитных волн

Диапазоны электромагнитного спектра

Распространение электромагнитных волн
Fн ↑ ~ Проникновение (препятствие) ↓
P ~ Pо/(L2 x f2)
Отражение, рассеивание, дифракция …
Лицензирование
Без лицензии (900Мгц, 2,4Ггц, 5Ггц P<1Вт)
ISM – диапазоны (Industrial, Scientific, Medical)

Radio Transmission
(a) F < 2Мгц (VLF, LF, MF) - волны вдоль поверхности земли (<1000 км)
(b) 2
F> 30 Мгц – прямая видимость

2. Cотовая телефония
Разбиение территории на соты
Повторное использование частот
Малая мощность (габариты)
В центре – базовая станция
Европа – Global System for Mobile - GSM
Беспроводная телефонная связь
1. Маломощная радиостанция – (трубка-база, 300м)
DECT Digital European Cordless Telecommunication
Роуминг - переключение с одной базовой сети на другую - основа сотовой связи

Спутниковая связь
В основе – спутник (отражатель–усилитель)
Приемопередатчики – транспондеры Н~50 Мгц
(1 спутник ~ 20 транспондеров)
Диапазоны частот: С. Ku, Ka
C - Down 3,7 - 4,2 ГГц Up 5,925-6,425 ГГц
Ku - Down 11,7-12,2 ГГц Up 14,0-14,5 ГГц
Ka - Down 17,7-21,7 ГГц Up 27,5-30,5 ГГц

Спутниковая связь. Типы спутников
Спутниковая связь: микроволны – прямая видимость
Геостационарные
Большое покрытие
Неподвижность,
Малый “износ”
Cпутник-повторитель, широковещательность, низкая стоимость, стоимость не зависит от расстояния, Мгновенное установление связи (Mil)
Tз=300мс
Низкая защищенность,
Первоначально большая антенна (но VSAT)
Среднеорбитальные - 5000-15000 км
Global Positioning System GPS - 24 спутника
Низкоорбитальные 100-1000 км малое покрытие малая задержка
Доступ в Интернет

Communication Satellites
1000
100

Communication Satellites (3)
VSATs using a hub.
VSATs using a hub.

Low-Earth Orbit Satellites
Iridium
(a) The Iridium satellites from six necklaces around the earth.
(b) 1628 moving cells cover the earth.

Техника расширения спектра
Специальные методы модуляции и кодирования для беспроводной связи
Уменьшение мощности
Помехоустойчивость
Скрытность
OFDM, FHSS (802.11, Blue-Tooth), DSSS, CDMA

Эталонная модель OSI.
В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации – ISO, ITU-T и некоторые другие – разработали модель, которая сыграла значительную роль в развитии сетей. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection – OSI) или моделью OSI.
Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, даёт им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень.
Эталонная модель OSI быстро стала основной архитектурной моделью для передачи межкомпьютерных сообщений. Несмотря на то, что были разработаны и другие архитектурные модели (в основном, отдельных фирм), большинство поставщиков сетей, когда им необходимо предоставить обучающую информацию пользователям о поставляемых ими изделиях, ссылаются на эталонную модель OSI и утверждают, что их сеть соответствует этой эталонной модели. Действительно, модель OSI является самым лучшим средством для тех, кто надеется изучить технологии сетей.

Модель OSI можно проиллюстрировать следующим рисунком
Эталонная модель OSI делит проблему перемещения информации между компьютерами через среду сети на 7 менее крупных, и, следовательно, более легко решаемых проблем. Каждая из этих 7 проблем выбрана потому, что она относительно автономна, и, следовательно, её легче решить без чрезмерной опоры на внешнюю информацию.
Два нижних уровня обычно реализуются аппаратным и программным обеспечением. Оставшиеся пять уровней реализуются программным обеспечением.

Модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь через среду сети от одной прикладной программы к другой прикладной программе, выполняющейся на другом компьютере.

Форматы информации
Специфические запросы i-го уровня системы A запоминаются как управляющая информация, которая передаётся между соответствующими уровнями. Эта информация называется заголовком.
Заголовок предшествует фактической информации.
На каждом уровне к передаваемому пакету информации добавляется заголовок текущего уровня, а заголовок предыдущего уровня считается за информацию, которую и следует передать.
Проиллюстрируем сказанное следующим примером:

Пусть надо передать слово «НГТУ» по сети. Тогда схематично процесс передачи этой информации будет выглядеть так:
Концепция заголовков и собственно данных относительна и зависит от уровня, который в данный момент анализирует передаваемую информацию.
Не все уровни нуждаются в присоединении заголовков. Некоторые уровни просто выполняют трансформацию фактических данных, которые они получают.
Компьютер А
Компьютер B

Функции уровней модели OSI. Физический уровень
Физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам, таким, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель и т.д.
К физическому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие, как полоса пропускания, которая определяет максимальную скорость передачи, помехозащищённость, волновое сопротивление и другие характеристики.
На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, такие, как требования к фронтам импульсов, требования к уровням напряжения (или тока) передаваемого сигнала, тип кодирования и другие характеристики.
Кроме этого, на физическом уровне стандартизируются типы разъёмов и назначение каждого контакта (например, RJ-45).
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключённых к сети.
Cо стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером.

Физический уровень.
Повторители (repeater) являются сетевым оборудованием (устройством), которые работают только на физическом уровне. Повторитель – устройство физического уровня, позволяющее преодолевать топологические ограничения кабельных сегментов.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет: в качестве используемого кабеля – неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъёмом RJ-45, максимальную длину физического сегмента – 100 м, манчестерский код кодирования для представления данных в кабеле и другие характеристики среды и электрических сигналов.

Физический уровень
Идею манчестерского кодирования проиллюстрируем следующим рисунком:
Переход вверх означает состояние бита «1», переход вниз – бит нулевой.

Функции уровней модели OSI. Канальный уровень.
На физическом уровне просто пересылаются биты, при этом не учитывается, что в некоторых сетях линии связи разделяются, т.е. попеременно используются несколькими парами взаимодействующих компьютеров, при этом физическая среда может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой задачей канального уровня является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок.
Для реализации второй задачи на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frame), состоящие из заголовка и группы бит.
Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра с тем, чтобы существовала возможность выделить кадр из потока, и, кроме этого, в самом кадре вычисляется (формируется) контрольная сумма, главным требованием к которой является то, чтобы она могла фиксировать изменение каждого бита передаваемой информации.

Канальный уровень.
Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счёт повторной передачи повреждённых кадров. Но необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, в некоторых протоколах канального уровня она отсутствует (в таких, как Ethernet, Frame Relay).
В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами (bridge), коммутаторами, маршрутизаторами.
В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
Мост (bridge) является средством передачи кадров между двумя и более логическими сегментами и реализует функции изоляции трафика.

Функции уровней модели OSI. Сетевой уровень.
Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между двумя любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. К типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся:
общая шина, звезда, кольцо.

Сетевой уровень.
Типовая топология сети - это очень жёсткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть или высоконадёжные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами.
Для того, чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а, с другой стороны, допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный уровень, который называется сетевым.
На этом уровне вводят узкое понятие «сеть» - совокупность компьютеров, соединённых между собой в соответствии с одной из типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определённого для этой топологии.

Таким образом:
Внутри «сети» доставка данных обеспечивается канальным уровнем,
Доставкой данных между «сетями» занимается сетевой уровень.
Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. При организации доставки пакета на сетевом уровне используется понятие «номер сети». В этом случае - адрес получателя состоит из номера «сети» и номера компьютера в этой «сети».

Сетевой уровень
«Сети» соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.
Маршрутизатор – устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на её основе пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения.
Для того, чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, к получателю, находящемуся в другой сети, необходимо совершить некоторое количество транзитных передач (хопов, hops) между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут.

Таким образом:
Маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.
Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и её решение является главной задачей сетевого уровня.
На сетевом уровне определяется два вида сетевых протоколов. Первый вид относится к определению правил передачи пакетов с данными конечных узлов, в частности, от узла к маршрутизатору, от маршрутизатора к маршрутизатору, от маршрутизатора к узлу, и именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня, но существуют и протоколы обмена маршрутной информацией.
Протоколы сетевого уровня реализуются программным модулем ОС, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

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.

Транспортный уровень
Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких уровней (чем транспортный), а с другой стороны, 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 наличия ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, стоит 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 (Например, с помощью предварительного установления логического соединения, отслеживания доставки сообщений по контрольным суммам и циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т. п.).

Транспортный уровень
Транспортный уровень — обеспечение доставки информации с требуемым качеством между любыми узлами сети:
разбивка сообщения сеансового уровня на пакеты , их нумерация;
буферизация принимаемых пакетов;
упорядочивание прибывающих пакетов;
адресация прикладных процессов;
управление потоком.
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

Транспортный уровень
Протоколы четырех нижних 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 сначала. 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.
Сеансовый уровень — управление диалогом объектов прикладного уровня:
установление способа обмена сообщениями (дуплексный или полудуплексный);
синхронизация обмена сообщениями;
организация "контрольных точек" диалога.

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 в кодах 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.
Уровень представления — согласовывает представление (синтаксис) данных при взаимодействии двух прикладных процессов:
преобразование данных из внешнего формата во внутренний;
шифрование и расшифровка данных.

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 совместную работу, например с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).
Прикладной уровень — набор всех сетевых сервисов, которые предоставляет система конечному пользователю:
идентификация, проверка прав доступа;
принт- и файл-сервис, почта, удаленный доступ...
Существует очень много различных служб прикладного уровня. Приведем в качестве примера хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых служб:
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.

Рисунок1. Сетезависимые и сетенезависимые уровни модели OSI

Три нижних уровня — физический, канальный и сетевой — являются cетезависимыми, 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 к высокоскоростной технологии 100VG-AnyLAN не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции
прикладного, представительного и сеансового уровней
Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств непосредственной транспортировки сообщений.

На рисунке 2 показаны уровни модели OSI, на которых работают различные коммуникационные устройства сети.
Компьютер с установленной на нем сетевой ОС взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней.
Это взаимодействие компьютеры осуществляют опосредованно, через различные коммуникационные устройства:
концентраторы,
мосты,
коммутаторы,
маршрутизаторы.
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).

Рисунок 2.
Соответствие функций различных коммуникационных устройств уровням модели OSI.