Модели и протоколы передачи данных. Модель открытых систем OSI Тема 2-06 Аспекты архитектуры компьютерной сети Нижнии уровени эталонной модели OSI. Физический уровень.

Рис Взаимодействие двух узлов

Модели и протоколы передачи данных. Термины «протокол» и «интерфейс» выражают одно и то же понятие формализованное описание процедуры взаимодействия двух объектов, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы правила взаимодействия модулей соседних уровней в одном узле. Модель открытых систем OSI Физический интерфейс - порт Логический интерфейс это набор информационных сообщений определенного формата, которыми обмениваются два узла ( устройства сети) или две программы. Протокол – это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами (точнее уровнями устройств); Стек протоколов -Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.

Аспекты архитектуры компьютерной сети. 1. Система адресации. Каждый уровень нуждается в механизме идентификации отправителей и получателей. 2. Правила для продвижения данных. Например: a)только в одном направлении или, наоборот, в любом направлении; b)Количество логических каналов, относящихся к соединению, и их приоритеты 3. Правила контроля и обработки ошибок: а) Применение одного и того- же алгоритма контроля и обработки ошибок- обе стороны соединения должны договориться между собой о том, какой именно код контроля и/или исправления будет выбран; б) получатель должен иметь возможность сообщить отправителю, какие из сообщений были получены правильно, а какие нет). 4. Правила фрагментирования передаваемых и сборки принимаемых данных. Не все каналы связи сохраняют последовательность посылаемых по ним сообщений. Протокол должен явно снабжать получателя номерами пакетов, чтобы получаемые фрагменты сообщений могли быть собраны. 5. Управление потоком. Протокол должен организовать пересылку данных так, чтобы быстрая передающая сторона не завалила пакетами медленную принимающую сторону.

Аспекты архитектуры компьютерной сети. 6. Изменение длины пакетов. Не на всех уровнях процессы - способны принимать сколь угодно длинные сообщения. С этим связан вопрос: что делать, если процесс настаивает на передаче данных столь малыми порциями, что передача становится неэффективной? Для решения подобной проблемы можно объединять посылаемые сообщения в один большой пакет и снова разбивать его после пересылки на отдельные сообщения 7. Мультиплексирование сообщений. – Когда неудобно или неэффективно устанавливать отдельное соединение для каждой пары общающихся процессов, то уровень, располагающийся ниже, может принять решение использовать одно и то же соединение для различных не связанных друг с другом процессов. 8.Маршрутизация. Когда между отправителем и получателем существует несколько возможных путей следования сообщения, возникает задача выбора пути. Эта задача называется маршрутизацией.

Модель OSI В начале 80-х ряд международных организаций по стандартизации: International Organization for Standardization (ISO), или (International Standards Organization), а также International Telecommunications Union (ITU), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) -Институт инженеров по электротехнике и электронике (международная некоммерческая ассоциация специалистов в области техники, мировой лидер в области разработки стандартов по радиоэлектронике и электротехнике) и другие, разработали стандартную модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), сыгравшую значительную роль в развитии компьютерных сетей. (с 1977 по 1984 год). Рассмотренные выше вопросы (аспекты), компьютерных сетей, решались в гг. прошлого века разными фирмами по-разному. Такое разнообразие средств межсетевого взаимодействия (DECnet, TCP/IP и SNA) вывело на первый план проблему несовместимости устройств, использующих разные протоколы. Одним из путей разрешения этой проблемы в то время виделся всеобщий переход на единый, общий для всех систем стек протоколов, созданный с учетом недостатков уже существующих стеков.

Модель OSI В модели OSI (рис. 2-06_2) средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с совершенно определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств. В соответствии с идеальной схемой модели OSI приложение может обращаться с запросами к самому верхнему уровню уровню приложений (Рис , Рис ), однако на практике многие стеки коммуникационных протоколов предоставляют возможность программистам напрямую обращаться к сервисам, или службам, расположенным на нижних уровнях OSI. Именно для этого в распоряжение программистов предоставляется прикладной программный интерфейс (Application Program Interface, API). Итак, пусть приложение узла А хочет взаимодействовать с приложением узла В. Для этого приложение А обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловой службе. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата. После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку уровню представления.

Компьютер 1Компьютер 2 Процесс В Интерфейсы Сообщение Полезная информация Заголовки со служебной информацией Процесс А Протоколы Сообщение Передача по сети Физический уровень Канальный уровень Сетевой уровень Транспортный уровень Сеансовый уровень Представительный уровень Прикладной уровень Рис Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI API

Модель OSI Протокол уровня представления на основании информации, полученной из заголовка сообщения прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную информацию заголовок уровня представления, в котором содержатся указания для протокола уровня представления машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т. д. (Некоторые реализации протоколов помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце в виде так называемого концевика.) Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня, который, собственно, и передает его по линиям связи машине-адресату. В стандартах ISO для обозначения единиц обмена данными, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используют общее название протокольная единица данных. (Protokol Data Unit, PDU). Для обозначения единиц обмена данными конкретных уровней часто используют специальные названия, в частности: сообщения, кадр, пакет, дейтаграмма, сегмент.

Модель OSI Рис Продвижение информации между узлами (хостами).

Рис Соответствие функций коммутационного оборудования модели OSI

Рис Вложенность сообщений различных уровней:

Модель ОSI Тип данных УровеньФункции Данные 7. Прикладной Доступ к сетевым службам 6. Представления Представление и кодирование данных 5. Сеансовый Управление сеансом связи Сегменты 4. Транспортный Прямая связь между конечными пунктами и надежность Пакеты 3. Сетевой Определение маршрута и логическая адресация Кадры 2. Канальный Физическая адресация Биты 1. Физический Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

Физический уровень (physical layer) Самый нижний уровень модели предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем (физической средой) и сетевым устройством. Определяемые на данном уровне параметры: тип передающей среды, тип модуляции сигнала, уровни логических «0» и «1» и т. д. На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы. На этом уровне модели OSI определяются следующие характеристики сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические топологии сети, способы передачи данных (с цифровым или аналоговым кодированием сигналов), виды синхронизации передаваемых данных, разделение каналов связи с использованием частотного и временного мультиплексирования.

Физический уровень (physical layer) Этот уровень модели определяет физические топологии в корпоративной сети, которые строятся с использованием базового набора стандартных топологий. Первой в базовом наборе является шинная (bus) топология. В этом случае все сетевые устройства и компьютеры подключаются к общей шине передачи данных, которая чаще всего формируется с использованием коаксиального кабеля. Кабель, формирующий общую шину, называется магистральным (backbone). Рис Шинная топология

Физический уровень (physical layer) Рис Кольцевая топология информация передается последовательно от станции к станции. Данные проходят через все устройства кольца, и каждое устройство анализирует, ему или нет адресованы данные.

Физический уровень (physical layer) Рис Топология типа «звезда» предполагает использование центрального соединяющего устройства. В простейшем случае хаб. Хаб определяет правила передачи информации между устройствами, подключенными к лучам звезды.

Физический уровень (physical layer) Рис Полносвязанная топология между любыми двумя сетевыми объектами есть линии связи

Физический уровень (physical layer) Рис Сотовая топология используется для построения больших территориально распределенных сетей. Для заданной области создается приемо-передающее устройство все, с которым «общаются» сетевые объекты

Стандарты, использующие физический уровень OSI IEEE 1394 (FireWire, i-Link) последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Различная скорость передачи данных 100, 200 и 400 Мбит/с в стандарте IEEE 1394/1394a, дополнительно 800 и 1600 Мбит/с в стандарте IEEE 1394b и 3200 Мбит/с в спецификации S3200. Может использоваться для: Создания компьютерной сети. Подключения аудио и видео мультимедийных устройств. Подключения принтеров и сканеров. Подключения жёстких дисков, массивов RAID USB (Universal Serial Bus «универсальная последовательная шина») последовательный интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных периферийных устройств в вычислительной технике. Для подключения периферийных устройств к шине USB используется четырёх проводной кабель, при этом два провода (витая пара) в дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных, а два провода для питания периферийного устройства.

Стандарты, использующие физический уровень OSI IEEE (Bluetooth) - переводится как синий зуб, спецификация беспроводных персональных сетей (Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Позволяет устройствам сообщаться в радиусе от 1 до 200 (в зависимости от преград и помех). IRDA Infrared Data Association IrDA, ИК-порт, Инфракрасный порт группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя. Является разновидностью атмосферной оптической линии связи ближнего радиуса действия. Была особо популярна в конце 1990-х начале 2000-х годов. В данное время практически вытеснена более современными способами связи, такими как Wi-Fi и Bluetooth из-за ограничения дальности действия и требования прямой видимости пары.

Стандарты, использующие физический уровень OSI Стандарты EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485 разработаны совместно двумя ассоциациями: Ассоциацией электронной промышленности (EIA Electronics Industries Association) и Ассоциацией промышленности средств связи (TIA Telecommunications Industry Association). Ранее EIA маркировала все свои стандарты префиксом «RS» (Recommended Standard Рекомендованный стандарт). Это обозначение продолжают использовать, однако EIA/TIA официально заменил «RS» на «EIA/TIA». Данные стандарты регламентируют последовательную асинхронную/синхронную передачу двоичных данных между терминалом (Data Terminal Equipment, DTE) и коммуникационным устройством (Data Communications Equipment, DCE) или физической линией (не симметричной или симметричной (витая пара)). EIA RS-232 часто ассоциируется с COM портом (последовательным портом). Ранее широко использовался для подключения ПУ: «мышь», принтер, ПК-ПК, модем, сканер и пр.

Стандарты, использующие физический уровень OSI Ethernet (10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T, 1000BASE-T, 1000BASE-SX и др.) 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, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для передачи данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических сигналов. ISDN - (Integrated Services Digital Network) цифровая сеть с интеграцией обслуживания. Позволяет совместить услуги телефонной связи и обмена данными. Основное назначение ISDN передача данных со скоростью до 64 кбит/с по абонентской проводной линии и обеспечение интегрированных телекоммуникационных услуг (телефон, факс, и пр.).

Стандарты, использующие физический уровень OSI xDSL- (digital subscriber line, цифровая абонентская линия) семейство технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала. Технологии хDSL появились в середине 90-х годов как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN. В аббревиатуре xDSL символ «х» используется для обозначения первого символа в названии конкретной технологии, а DSL обозначает цифровую абонентскую линию DSL (Digital Subscriber Line цифровая абонентская линия; также есть другой вариант названия Digital Subscriber Loop цифровой абонентский шлейф). Широкое распространение получила технология ADSL.

Стандарты, использующие физический уровень OSI SDH- Синхронная Цифровая Иерархия (СЦИ: англ. SDH Synchronous Digital Hierarchy) это технология транспортных телекоммуникационных сетей. Стандарты СЦИ определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов и т. д. В сетях SDH – применяются как оптические так и электрические интерфейсы. Система SDH обеспечивает стандартные уровни информационных структур, то есть набор стандартных скоростей. Базовый уровень скорости STM-1 155,52 Mбит/с. Цифровые скорости более высоких уровней определяются умножением скорости потока STM-1, соответственно, на 4, 16, 64 и т. д.: 622 Мбит/с (STM-4), 2,5 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64) и 40 Гбит/с (STM-256).

Стандарты, использующие физический уровень OSI Wi-Fi была создана в 1991 году NCR Corporation/AT&T (впоследствии Lucent Technologies и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Один из последних стандартов IEEE n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме n с другими устройствами n. Теоретически n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с

Стандарты, использующие физический уровень OSI GSM Um radio interface (от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением частотного канала по принципу TDMA и средней степенью безопасности. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов. GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation) (1G аналоговая сотовая связь, 2G цифровая сотовая связь, 3G широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет). Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи. По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи.