Технологии физического уровня передачи данных

Общепрофессиональная дисциплина ОП 02
Технологии физического уровня передачи данных
Методическая литература (СПО)
09.02.02 Компьютерные сети
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ И САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

По мере развития компьютерных технологий производители аппаратуры, оборудования и техники, работающие в этой области, исходя из своих собственных исследований и разработок, предлагали продукцию, использующую различные архитектуры и принципы построения вычислительных систем. Проблемы передачи данных между компьютерами, имеющими различную архитектуру, различные аппаратные платформы и принадлежащим в общем случае разным сетям привели к созданию концепции открытых систем.

Модель ISO/OSI. История
Открытая система — это некая вычислительная среда, состоящая из аппаратных и программных продуктов и использующая технологии, разработанные в соответствии с общедоступными и общепринятыми стандартами.

Открытая система
Стремление к использованию открытых систем обусловливается возможностью обеспечить совместимость систем, использующих различные аппаратные и программные платформы.

из 32
Модель ISO/OSI
История
До разработки модели OSI крупные компании (IBM, Honeywell, Digital и др.) имели закрытые реализации для соединения компьютеров, и приложения, работающие на платформах от различных поставщиков, не имели возможности обмениваться данными через сеть.
В 1978 г. Международная организация по стандартизации (International Standards Organization, ISO) приняла модель сетевой системы, называемую Open Systems Interconnection (OSI) - модель взаимодействия открытых систем

Модель ISO/OSI
Основные характеристики
Является стандартом передачи данных, позволяющим системам различных производителей устанавливать сетевые соединения
Состоит из семи уровней со специфическим набором сетевых функций, определенных для каждого уровня, и включает описания межуровневых интерфейсов
Определяет набор протоколов и интерфейсов для применения на каждом уровне

СЕМИУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ ПРОТОКОЛОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ МОДЕЛЬ ISO/OSI

Модель ISO/OSI
Протокол - формализованные правила, определяющие порядок и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, представляющие один уровень, но находящиеся в разных узлах сети.
Интерфейс - формализованные правила, определяющие порядок и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, представляющие соседние уровни в одном узле сети.

Декомпозиция
Организация взаимодействия между устройствами в сети является сложной задачей. Как известно, для решения сложных задач используется универсальный прием - декомпозиция.
Декомпозиция - разбиение одной сложной задачи на несколько более простых задач-модулей (уровней).
Процедура декомпозиции включает в себя четкое определение функций каждого модуля, решающего отдельную задачу, и интерфейсов между ними. В результате достигается логическое упрощение задачи, а, кроме того, появляется возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы.

Уровни
Принципы определения количественных и качественных характеристик уровней модели:
каждый уровень модели OSI существует как независимый модуль и выполняет определённую функцию;
на каждом уровне можно заменить один протокол на другой без какого-либо влияния на работу смежного выше- или нижележащего уровня;
границы уровня должны быть выбраны таким образом, чтобы информационный поток через интерфейс был минимален;
количество уровней должно быть достаточным, чтобы существовала возможность распределения функций, но и не слишком большим, чтобы сохранить стройную и легкую для восприятия архитектуру.

Иерархия
Модель реализована по иерархическому принципу.
Принцип иерархии – каждый вышележащий уровень обращается с запросами только к нижележащему, а нижележащий предоставляет свои сервисы только непосредственно соседствующему с ним вышележащему уровню.

Иерархия
Вышележащие уровни сетевой модели выполняют более сложные, глобальные задачи, для этого используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими.
Нижестоящие уровни предоставляют услуги вышестоящему уровню, обеспечивая возможность выполнения его задач. При этом вышележащему уровню не важно, каким образом эти услуги реализуются. Нижестоящие уровни выполняют более простые и конкретные функции.

Иерархия
Прикладной (Application) 7
Канальный (Data Link) 2
Представления (Presentation) 6
Сеансовый (Session) 5
Транспортный (Transport) 4
Сетевой (Network) 3
Физический (Physical) 1

Иерархия
В модели OSI :
вышележащие уровни (5-7) ориентированы на обработку информации и их функции реализуются программным способом;
нижестоящие уровни (1-3) ориентированы на передачу информации и их функции реализуются программно-аппаратным способом;
транспортный уровень (4) ориентирован на обеспечение надёжной передачи информации и его функции реализуются программным способом.

Сетезависимые и сетенезависимые уровни модели OSI

Соответствие функций различных коммуникационных устройств сети уровням модели OSI
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, коммутаторы, маршрутизаторы, щлюзы. Узел коммутации обслуживается протоколами:
концентратор (хаб) только физического уровня;
коммутатор (мост) физического и канального;
маршрутизатор физического, канального и сетевого;
шлюз физического, канального, сетевого, транспортного, сеансового, представительного и прикладного.

Функции уровней модели ISO/OSI.
Прикладной уровень это набор прикладных протоколов, с помощью которых взаимодействуют приложения. С помощью этого уровня пользователи сети получают точку доступа к сетевым сервисам таким как:
Разделение ресурсов
Удаленный доступ к файлам
Управление сетью
Сервисы каталогов
Передача электронных сообщений
Эмулирование виртуальных терминалов
Прикладной уровень определяет смысловое содержание информации, которой обмениваются пользователи открытых систем в процессе совместного решения заранее известной задачи.

Функции уровней модели ISO/OSI
Представительный уровень, уровень представления данных (Presentation Layer) позволяет менять форму представления информации, не меняя её содержания.

Уровень представления
Необходимость
На разных архитектурах, в разных операционных системах и приложениях данные кодируются различным образом. При передаче двоичных значений данные на приемнике могут быть неверно интерпретированы
Интерсеть
A
B
Архитектура: x86
ОС: Windows
Архитектура: POWER
ОС: Linux
char name[4] = "БОБ";
short num = 4096;
char name[4] = "ана";
short num = 16;

Уровень представления
Сетевой формат
Для обеспечения совместимости
На источнике передаваемые данные преобразуются к стандартному сетевому формату представления данных
На приемнике данные преобразуются из сетевого формата в формат, принятый на приемнике
Интерсеть
A
B
Архитектура: x86
ОС: Windows
Архитектура: POWER
ОС: Linux
char name[4] = "БОБ";
short num = 4096;
char name[4] = "БОБ";
short num = 4096;
Данные в сетевом
формате

Функции уровня представления
С помощью средств уровня представления протоколы прикладных уровней могут :
преодолеть синтаксические различия в представлении данных (трансляция символов между стандартами кодировки, например между ASCII и EBCDIC);
конвертировать данные:
изменение порядка следования битов
преобразование целых чисел в числа с плавающей точкой;
осуществлять процедуры сжатия, шифрования и дешифрования данных
Таким образом, уровень представления определяет процедуру представления передаваемой разными системами информации в единую сетевую форму

Функции уровней модели ISO/OSI
Сеансовый уровень устанавливает сессию или сеанс между процессами, работающими на различных устройствах, и может поддерживать передачу данных в режиме сообщений

Функции уровней модели ISO/OSI
Уровень обеспечивает управление диалогом сетевая карта - сетевая карта.
Основные функции:
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.
Обеспечивает форму диалога пользователей (полудуплексная или дуплексная передача).

Функции уровней модели ISO/OSI
Транспортный уровень (Transport Layer) обеспечивает приложениям или верхним уровням модели - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется

Транспортный уровень
Мультиплексирование…
Доставку пакетов между устройствами через интерсеть обеспечивает сетевой уровень
Транспортный уровень обеспечивает доставку сообщений между программными компонентами (например, приложениями, сервисами или протоколами сеансового уровня)
Интерсеть
A
B
Приложение A1
Приложение A2
Приложение A3
Приложение B1
Приложение B2
Приложение B3

Транспортный уровень
Мультиплексирование
Мультиплексирование – это создание нескольких логических каналов связи на основе одного физического
Для организации мультиплексирования необходимо задавать адреса программных компонент вышележащих уровней, тогда адресом модуля будет пара "Сетевой адрес устройства + Адрес программного модуля"
Например, в TCP/IP для этого используется механизм портов и адреса вида IP-адрес/Nпорта
Интерсеть
A
B
Приложение A1
Приложение A2
Приложение A3
Приложение B1
Приложение B2
Приложение B3

Транспортный уровень
Типы сервиса
Существует 2 типа сервиса
Датаграммный сервис предоставляет возможность ненадежной доставки
Сервис, ориентированный на соединение, используется для надежной доставки данных
Надежная доставка гарантирует передачу данных
без потерь
без повторений
с сохранением порядка следования
либо информирование о невозможности такой доставки

Транспортный уровень
Датаграммный сервис
Датаграммный сервис выполняет попытку доставки данных, не интересуясь результатом и не докладывая о результате доставке
Источник
Приемник
Данные 1
Данные 2

Транспортный уровень
Сервис, ориентированный на соединение
Сервис, ориентированный на соединение работает в три этапа
Установление соединения
Надежная передача данных, основанная на подтверждениях
Разрыв соединения (по инициативе любой стороны)
Источник
Приемник
Запрос соединения
Данные 1
Подтверждение соединения
Данные 2
Подтверждение приема
Разрыв соединения

Транспортный уровень
Мультиплексирование
При использовании сервиса транспортного уровня, ориентированного на соединение, между программными модулями создается "логическое соединение", и транспортный протокол обеспечивает четкое определение принадлежности каждого пакета "своему" логическому соединению
Два программных модуля могут установить между собой несколько независимых логических соединений
Интерсеть
A
B
Приложение A1
Приложение A2
Приложение A3
Приложение B1
Приложение B2
Приложение B3

Транспортный уровень
Функции
Прием сообщений с вышележащего уровня и разбиение их на дейтаграммы или сегменты.
Сборка принимаемых данных в исходные сообщения и передача их на вышележащий уровень.
Обеспечение степени надежности доставки в соответствии с пятью классами сервиса (от низшего класса 0 до высшего класс 4) определяемых моделью OSI
Обнаружение и исправление ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.
Мультиплексирование потоков сообщений
Контроль трафика

Функции уровней модели ISO/OSI
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.

Виды протоколов сетевого уровня
На сетевом уровне работают три вида протоколов:
сетевые протоколы, реализующие продвижение пакетов через сеть;
протоколы маршрутизации или протоколы обмена маршрутной информацией. С помощью этих протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.
протоколы разрешения адресов, которые отвечают за отображение адреса узла, используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети.
Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.

Сетевой уровень
Функции
Выбор маршрута и передача пакета получателю или следующему маршрутизатору
Разрешение адресов сетевого уровня в адреса канального уровня
Фрагментация пакетов
Контроль трафика
Сбор статистики

Функции уровней модели ISO/OSI
Канальный уровень (Data Link Layer) обеспечивает доставку кадра между сетевыми картами компьютера.

Канальный уровень
Передача и прием кадров…
Среда передачи
Канальный уровень представляет устройство, выполняющее передачу и прием физического сигнала, например, сетевой адаптер
Устройство канального уровня должно иметь уникальный в сети адрес канального уровня – MAC-адрес (MAC – Media Access Control)
A
B

Канальный уровень
Передача и прием кадров
Среда передачи
Кадр обычно содержит MAC-адрес отправителя и MAC-адрес получателя
A
B
MACA
MACB
MACA
MACB
Данные

Канальный уровень
Управление доступом к среде передачи
Среда передачи
Если несколько устройств использую одну среду передачи, необходимо согласовывать доступ к разделяемой среде для исключения наложения передаваемого сигнала
A
B
MACA
MACB

Канальный уровень
Функции
Последовательная передача и прием кадров
Управление доступом к среде передачи
Безошибочная передача кадров
Подтверждение и ожидание подтверждения приема кадров
Установление и разрыв сетевого соединения
Контроль трафика
Анализ адреса получателя вышележащего уровня и доставка данных вышележащему протоколу
Основные функции:
проверка доступности среды передачи;
обнаружение и коррекция ошибок

Канальный уровень
На канальном уровне может быть реализована надежная доставка (если реализовано подтверждение приема кадров), но протоколы вышележащего уровня, как правило, не полагаются на данную возможность и полагают сервис канального уровня ненадежным.
Примерами протоколов канального уровня являются
Технология Ethernet
Технология Token Ring
Технология FDDI
…

Функции уровней модели ISO/OSI
Физический уровень (Physical Layer) обеспечивает передачу битов по физическим каналам связи
Физический уровень определяет (стандартизирует) физические, механические и электрические характеристики линий связи, к которым относятся:
тип кабелей и разъемов;
разводка контактов в разъемах;
схемы бинарного кодирования сигналов

Физический уровень
Вид сигнала
t
U
Признак
начала
кадра
Кадр
Признак
конца
кадра
Биты данных кадра
1
1
1
1
1
0
0
0

Компьютерные сети
Введение
из 32
Физический уровень
Пртоколы
В качестве примеров протоколов физического уровня можно привести спецификации 100BaseT, 1000BaseT, технологии Ethernet