Передача информации. Каналы передачи информации. Частотное, временное и фазовое разделение сигналов (каналов) Зашита от ошибок

11.04.2007 17:46

Разные подходы к выполнению коммутации
В общем случае решение каждой из частных задач коммутации — определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства, мультиплексирование/демультиплексирование потоков и разделение среды передачи — тесно связано с решением всех остальных. Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства.

Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:

коммутация каналов (circuit switching);

коммутация пакетов (packet switching).

Внешне обе эти схемы соответствуют приведенной на рис. 1 структуре сети, однако возможности и свойства их различны.

Рис. 1. Общая структура сети с коммутацией абонентов

Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Коммутация каналов
При коммутации каналов коммутационная сеть образует между конечными узлами непрерывный составной физический канал из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков. Условием того, что несколько физических каналов при последовательном соединении образуют единый физический канал, является равенство скоростей передачи данных в каждом из составляющих физических каналов. Равенство скоростей означает, что коммутаторы такой сети не должны буферизовать передаваемые данные.

В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. И только после этого можно начинать передавать данные.

Например, если сеть, изображенная на рис. 1, работает по технологии коммутации каналов, то узел 1, чтобы передать данные узлу 7, сначала должен передать специальный запрос на установление соединения коммутатору A, указав адрес назначения 7. Коммутатор А должен выбрать маршрут образования составного канала, а затем передать запрос следующему коммутатору, в данном случае E. Затем коммутатор E передает запрос коммутатору F, а тот, в свою очередь, передает запрос узлу 7. Если узел 7 принимает запрос на установление соединения, он направляет по уже установленному каналу ответ исходному узлу, после чего составной канал считается скоммутированным, и узлы 1 и 7 могут обмениваться по нему данными.

Рис. 2. Установление составного канала

Техника коммутации каналов имеет свои достоинства и недостатки.

Достоинства коммутации каналов

Постоянная и известная скорость передачи данных по установленному между конечными узлами каналу. Это дает пользователю сети возможности на основе заранее произведенной оценки необходимой для качественной передачи данных пропускной способности установить в сети канал нужной скорости.

Низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть. Это позволяет качественно передавать данные, чувствительные к задержкам (называемые также трафиком реального времени) — голос, видео, различную технологическую информацию.

Недостатки коммутации каналов

Отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения. Такая ситуация может сложиться из-за того, что на некотором участке сети соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала — например, если абонент способен поддерживать только одно соединение, что характерно для многих телефонных сетей. При поступлении второго вызова к уже разговаривающему абоненту сеть передает вызывающему абоненту короткие гудки — сигнал "занято".

Нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения, например в телефонном разговоре могут быть паузы, еще более неравномерным во времени является взаимодействие компьютеров. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности представляет собой принципиальное ограничение сети с коммутацией каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом.

Обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.
Достоинства и недостатки любой сетевой технологии относительны. В определенных ситуациях на первый план выходят достоинства, а недостатки становятся несущественными. Так, техника коммутации каналов хорошо работает в тех случаях, когда нужно передавать только трафик телефонных разговоров. Здесь с невозможностью "вырезать" паузы из разговора и более рационально использовать магистральные физические каналы между коммутаторами можно мириться. А вот при передаче очень неравномерного компьютерного трафика эта нерациональность уже выходит на первый план.

Коммутация пакетов
Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер — и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.

Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Напомним, что сообщением называется логически завершенная порция данных — запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл и т.д. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета на узел назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения (рис. 3). Пакеты транспортируются по сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге — узлу назначения.

Рис. 3. Разбиение сообщения на пакеты

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета (рис. 3). В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

Действительно, для пары абонентов наиболее эффективным было бы предоставление им в единоличное пользование скоммутированного канала связи, как это делается в сетях с коммутацией каналов. В таком случае время взаимодействия этой пары абонентов было бы минимальным, так как данные без задержек передавались бы от одного абонента другому. Простои канала во время пауз передачи абонентов не интересуют, для них важно быстрее решить свою задачу. Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, так как их пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока по магистральным связям передаются другие пакеты, пришедшие в коммутатор ранее.

Тем не менее, общий объем передаваемых сетью компьютерных данных в единицу времени при технике коммутации пакетов будет выше, чем при технике коммутации каналов. Это происходит потому, что пульсации отдельных абонентов в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени так, что их пики не совпадают. Поэтому коммутаторы постоянно и достаточно равномерно загружены работой, если число обслуживаемых ими абонентов действительно велико. На рис. 4 показано, что трафик, поступающий от конечных узлов на коммутаторы, распределен во времени очень неравномерно. Однако коммутаторы более высокого уровня иерархии, которые обслуживают соединения между коммутаторами нижнего уровня, загружены более равномерно, и поток пакетов в магистральных каналах, соединяющих коммутаторы верхнего уровня, имеет почти максимальный коэффициент использования. Буферизация сглаживает пульсации, поэтому коэффициент пульсации на магистральных каналах гораздо ниже, чем на каналах абонентского доступа — он может быть равным 1:10 или даже 1:2.

Рис. 4. Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов

Более высокая эффективность сетей с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов (при равной пропускной способности каналов связи) была доказана в 60-е годы как экспериментально, так и с помощью имитационного моделирования. Здесь уместна аналогия с мультипрограммными операционными системами. Каждая отдельная программа в такой системе выполняется дольше, чем в однопрограммной системе, когда программе выделяется все процессорное время, пока ее выполнение не завершится. Однако общее число программ, выполняемых за единицу времени, в мультипрограммной системе больше, чем в однопрограммной.
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия конкретной пары абонентов, но повышает пропускную способность сети в целом.

Задержки в источнике передачи:

время на передачу заголовков;

задержки, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета.

Задержки в каждом коммутаторе:

время буферизации пакета;

время коммутации, которое складывается из:

• времени ожидания пакета в очереди (переменная величина);

  времени перемещения пакета в выходной порт.

Достоинства коммутации пакетов

Высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика.

Возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи между абонентами в соответствии с реальными потребностями их трафика.

Недостатки коммутации пакетов

Неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети, обусловленная тем, что задержки в очередях буферов коммутаторов сети зависят от общей загрузки сети.

Переменная величина задержки пакетов данных, которая может быть достаточно продолжительной в моменты мгновенных перегрузок сети.

Возможные потери данных из-за переполнения буферов.
В настоящее время активно разрабатываются и внедряются методы, позволяющие преодолеть указанные недостатки, которые особенно остро проявляются для чувствительного к задержкам трафика, требующего при этом постоянной скорости передачи. Такие методы называются методами обеспечения качества обслуживания (Quality of Service, QoS).

Сети с коммутацией пакетов, в которых реализованы методы обеспечения качества обслуживания, позволяют одновременно передавать различные виды трафика, в том числе такие важные как телефонный и компьютерный. Поэтому методы коммутации пакетов сегодня считаются наиболее перспективными для построения конвергентной сети, которая обеспечит комплексные качественные услуги для абонентов любого типа. Тем не менее, нельзя сбрасывать со счетов и методы коммутации каналов. Сегодня они не только с успехом работают в традиционных телефонных сетях, но и широко применяются для образования высокоскоростных постоянных соединений в так называемых первичных (опорных) сетях технологий SDH и DWDM, которые используются для создания магистральных физических каналов между коммутаторами телефонных или компьютерных сетей. В будущем вполне возможно появление новых технологий коммутации, в том или ином виде комбинирующих принципы коммутации пакетов и каналов.

Коммутация сообщений
Коммутация сообщений по своим принципам близка к коммутации пакетов. Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера. Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение.

Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение (это может быть, например, текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо) хранится в транзитном компьютере на диске, причем довольно продолжительное время, если компьютер занят другой работой или сеть временно перегружена.

По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом "хранения-и-передачи" (store-and-forward).

Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Количество транзитных компьютеров обычно стараются уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров уменьшается до двух. Например, пользователь передает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать его серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть в данный момент невозможен из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.

Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, и кроме того, наличие дисков предполагает использование в качестве коммутаторов специализированных компьютеров, что влечет за собой существенные затраты на организацию сети.
Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.

Сравнение способов коммутации

Сравнение коммутации каналов и коммутации пакетов

Коммутация каналов	Коммутация пакетов
Гарантированная пропускная способность (полоса) для взаимодействующих абонентов	Пропускная способность сети для абонентов неизвестна, задержки передачи носят случайный характер
Сеть может отказать абоненту в установлении соединения	Сеть всегда готова принять данные от абонента
Трафик реального времени передается без задержек	Ресурсы сети используются эффективно при передаче пульсирующего трафика
Адрес используется только на этапе установления соединения	Адрес передается с каждым пакетом

Постоянная и динамическая коммутация

Как сети с коммутацией пакетов, так и сети с коммутацией каналов можно разделить на два класса:

сети с динамической коммутацией;

сети с постоянной коммутацией.

В сетях с динамической коммутацией:

разрешается устанавливать соединение по инициативе пользователя сети;

коммутация выполняется только на время сеанса связи, а затем (по инициативе одного из пользователей) разрывается;

в общем случае пользователь сети может соединиться с любым другим пользователем сети;

время соединения между парой пользователей при динамической коммутации составляет от нескольких секунд до нескольких часов и завершается после выполнения определенной работы — передачи файла, просмотра страницы текста или изображения и т.п.

Примерами сетей, поддерживающих режим динамической коммутации, являются телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

Сеть, работающая в режиме постоянной коммутации:

разрешает паре пользователей заказать соединение на длительный период времени;

соединение устанавливается не пользователями, а персоналом, обслуживающим сеть;

период, на который устанавливается постоянная коммутация, составляет обычно несколько месяцев;

режим постоянной (permanent) коммутации в сетях с коммутацией каналов часто называется сервисом выделенных (dedicated) или арендуемых (leased) каналов;

в том случае, когда постоянное соединение через сеть коммутаторов устанавливается с помощью автоматических процедур, инициированных обслуживающим персоналом, его часто называют полупостоянным (semi-permanent) соединением, в отличие от режима ручного конфигурирования каждого коммутатора.

Наиболее популярными сетями, работающими в режиме постоянной коммутации, сегодня являются сети технологии SDH, на основе которых строятся выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабит в секунду.

Некоторые типы сетей поддерживают оба режима работы. Например, сети X.25 и ATM могут предоставлять пользователю возможность динамически связаться с любым другим пользователем сети и в то же время отправлять данные по постоянному соединению определенному абоненту.

Пропускная способность сетей с коммутацией пакетов
Одним из отличий метода коммутации пакетов от метода коммутации каналов является неопределенность пропускной способности соединения между двумя абонентами. В случае коммутации каналов после образования составного канала пропускная способность сети при передаче данных между конечными узлами известна — это пропускная способность канала. Данные после задержки, связанной с установлением канала, начинают передаваться на максимальной для канала скорости (рис. 5.). Время передачи сообщения в сети с коммутацией каналов Тк.к. равно сумме задержки распространения сигнала по линии связи и задержки передачи сообщения. Задержка распространения сигнала зависит от скорости распространения электромагнитных волн в конкретной физической среде, которая колеблется от 0,6 до 0,9 скорости света в вакууме. Время передачи сообщения равно V/C, где V — объем сообщения в битах, а C — пропускная способность канала в битах в секунду.

В сети с коммутацией пакетов картина совсем иная.

Рис. 5 Задержки передачи данных в сетях с коммутацией каналов.

Процедура установления соединения в этих сетях, если она используется, занимает примерно такое же время, как и в сетях с коммутацией каналов, поэтому будем сравнивать только время передачи данных.

Рис. 6. Задержки при передаче данных в сетях с коммутацией пакетов.

На рис. 6 показан пример передачи данных в сети с коммутацией пакетов. Предполагается, что по сети передается сообщение того же объема, что и сообщение, передаваемое на рис. 5. однако оно разделено на пакеты, каждый из которых снабжен заголовком. Время передачи сообщения в сети с коммутацией пакетов обозначено на рисунке Тк.п. При передаче этого разбитого на пакеты сообщения по сети с коммутацией пакетов возникают дополнительные задержки. Во-первых, это задержки в источнике передачи, который, помимо передачи собственно сообщения, тратит дополнительное время на передачу заголовков tп.з., к тому же добавляются задержки tинт, вызванные интервалами между передачей каждого следующего пакета (это время уходит на формирование очередного пакета стеком протоколов).

Во-вторых, дополнительное время тратится в каждом коммутаторе. Здесь задержки складываются из времени буферизации пакета tб.п. (коммутатор не может начать передачу пакета, не приняв его полностью в свой буфер) и времени коммутации tк. Время буферизации равно времени приема пакета с битовой скоростью протокола. Время коммутации складывается из времени ожидания пакета в очереди и времени перемещения пакета в выходной порт. Если время перемещения пакета фиксировано и, как правило, невелико (от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд), то время ожидания пакета в очереди колеблется в очень широких пределах и заранее неизвестно, так как зависит от текущей загрузки сети.

Проведем грубую оценку задержки при передаче данных в сетях с коммутацией пакетов по сравнению с сетями с коммутацией каналов на простейшем примере. Пусть тестовое сообщение, которое нужно передать в обоих видах сетей, имеет объем 200 Кбайт. Отправитель находится от получателя на расстоянии 5000 км. Пропускная способность линий связи составляет 2 Мбит/c.

Время передачи данных по сети с коммутацией каналов складывается из времени распространения сигнала, которое для расстояния 5000 км можно оценить примерно в 25 мс (принимая скорость распространения сигнала равной 2/3 скорости света), и времени передачи сообщения, которое при пропускной способности 2 Мбит/c и длине сообщения 200 Кбайт равно примерно 800 мс. При расчете корректное значение К (210), равное 1024, округлялось до 1000, аналогично значение М (220), равное 1048576, округлялось до 1000000. Таким образом, передача данных оценивается в 825 мс.

Ясно, что при передаче этого сообщения по сети с коммутацией пакетов, обладающей такой же суммарной длиной и пропускной способностью каналов, пролегающих от отправителя к получателю, время распространения сигнала и время передачи данных будут такими же — 825 мс. Однако из-за задержек в промежуточных узлах общее время передачи данных увеличится. Давайте оценим, на сколько возрастет это время. Будем считать, что путь от отправителя до получателя пролегает через 10 коммутаторов. Пусть исходное сообщение разбивается на пакеты в 1 Кбайт, всего 200 пакетов. Вначале оценим задержку, которая возникает в исходном узле. Предположим, что доля служебной информации, размещенной в заголовках пакетов, по отношению к общему объему сообщения составляет 10%. Следовательно, дополнительная задержка, связанная с передачей заголовков пакетов, составляет 10% от времени передачи целого сообщения, то есть 80 мс. Если принять интервал между отправкой пакетов равным 1 мс, то дополнительные потери за счет интервалов составят 200 мс. Таким образом, в исходном узле из-за пакетирования сообщения при передаче возникла дополнительная задержка в 280 мс.

Каждый из 10 коммутаторов вносит задержку коммутации, которая может составлять от долей до тысяч миллисекунд. В данном примере будем считать, что на коммутацию в среднем тратится 20 мс. Кроме того, при прохождении сообщений через коммутатор возникает задержка буферизации пакета. Эта задержка при величине пакета 1 Кбайт и пропускной способности линии 2 Мбит/c равна 4 мс. Общая задержка, вносимая 10 коммутаторами, составляет примерно 240 мс. В результате дополнительная задержка, созданная сетью с коммутацией пакетов, составила 520 мс. Учитывая, что вся передача данных в сети с коммутацией каналов заняла 825 мс, эту дополнительную задержку можно считать существенной.

Хотя приведенный расчет носит очень приблизительный характер, он объясняет, почему процесс передачи для определенной пары абонентов в сети с коммутацией пакетов является более медленным, чем в сети с коммутацией каналов.

Неопределенная пропускная способность сети с коммутацией пакетов — это плата за ее общую эффективность при некотором ущемлении интересов отдельных абонентов. Аналогично, в мультипрограммной операционной системе время выполнения приложения предсказать невозможно, так как оно зависит от количества других приложений, с которыми данное приложение делит процессор.

На эффективность работы сети влияют размеры пакетов, которые передает сеть. Слишком большие размеры пакетов приближают сеть с коммутацией пакетов к сети с коммутацией каналов, поэтому эффективность сети падает. Кроме того, при большом размере пакетов увеличивается время буферизации на каждом коммутаторе. Слишком маленькие пакеты заметно увеличивают долю служебной информации, так как каждый пакет содержит заголовок фиксированной длины, а количество пакетов, на которые разбиваются сообщения, при уменьшении размера пакета будет резко расти. Существует некоторая "золотая середина", когда обеспечивается максимальная эффективность работы сети, однако это соотношение трудно определить точно, так как оно зависит от многих факторов, в том числе изменяющихся в процессе работы сети. Поэтому разработчики протоколов для сетей с коммутацией пакетов выбирают пределы, в которых может находиться размер пакета, а точнее его поле данных, так как заголовок, как правило, имеет фиксированную длину. Обычно нижний предел поля данных выбирается равным нулю, что дает возможность передавать служебные пакеты без пользовательских данных, а верхний предел не превышает 4 Кбайт. Приложения при передаче данных пытаются занять максимальный размер поля данных, чтобы быстрее выполнить обмен, а небольшие пакеты обычно используются для коротких служебных сообщений, содержащих, к примеру, подтверждение доставки пакета.

При выборе размера пакета необходимо также учитывать интенсивность битовых ошибок канала. На ненадежных каналах необходимо уменьшать размеры пакетов, так как это сокращает объем повторно передаваемых данных при искажениях пакетов.
Ethernet — пример стандартной технологии коммутации пакетов

Рассмотрим, каким образом описанные выше общие подходы к решению проблем построения сетей воплощены в наиболее популярной сетевой технологии — Ethernet. (Заметим, что мы не будем сейчас подробно рассматривать саму технологию — отложим этот важный вопрос до следующего курса, а сегодня остановимся лишь на некоторых принципиальных моментах, иллюстрирующих ряд уже рассмотренных базовых концепций.)
Сетевая технология — это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.

Эпитет "достаточный" подчеркивает то обстоятельство, что речь идет о минимальном наборе средств, с помощью которых можно построить работоспособную сеть. Эту сеть можно усовершенствовать, например, за счет выделения в ней подсетей, что сразу потребует кроме протоколов стандарта Ethernet применения протокола IP, а также специальных коммуникационных устройств — маршрутизаторов. Усовершенствованная сеть будет, скорее всего, более надежной и быстродействующей, но за счет надстроек над средствами технологии Ethernet, которая составила базис сети.

Термин "сетевая технология" чаще всего используется в описанном выше узком смысле, но иногда применяется и его расширенное толкование как любого набора средств и правил для построения сети, например "технология сквозной маршрутизации", "технология создания защищенного канала", "технология IP-сетей".

Протоколы, на основе которых строится сеть определенной технологии (в узком смысле), создавались специально для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия. Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий могут служить наряду с Ethernet такие известные технологии локальных сетей как Token Ring и FDDI, или же технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получения работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии — сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п., — и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

Итак, для сетевой технологии Ethernet характерны:

коммутация пакетов;

типовая топология "общая шина";

плоская числовая адресация;

разделяемая передающая среда.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, — случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).

В стандарте Ethernet строго зафиксирована топология электрических связей. Компьютеры подключаются к разделяемой среде в соответствии с типовой структурой "общая шина" (рис. 7.). С помощью разделяемой во времени шины любые два компьютера могут обмениваться данными. Управление доступом к линии связи осуществляется специальными контроллерами — сетевыми адаптерами Ethernet. Каждый компьютер, а точнее, каждый сетевой адаптер, имеет уникальный адрес. Передача данных происходит со скоростью 10 Мбит/с. Эта величина является пропускной способностью сети Ethernet.

Рис. 7. Сеть Ethernet.

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер в сети Ethernet может передавать данные по сети, только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

После того как компьютер убедился, что сеть свободна, он начинает передачу и при этом "захватывает" среду. Время монопольного использования разделяемой среды одним узлом ограничивается временем передачи одного кадра. Кадр — это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet. Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры начинают одновременно принимать этот кадр. Все они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из начальных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Может возникнуть ситуация, когда несколько компьютеров одновременно решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию. Такая ситуация, называемая коллизией, препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet предусмотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, которые пытались передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Основные достоинства технологии Ethernet
1. Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины.
2. Кроме того, в сетях Ethernet реализованы достаточно простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведет к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надежностью.
3. И, наконец, еще одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть возможность подключения новых узлов.

Другие базовые сетевые технологии, такие как Token Ring и FDDI, хотя и обладают индивидуальными чертами, в то же время имеют много общего с Ethernet. В первую очередь, это применение регулярных фиксированных топологий ("иерархическая звезда" и "кольцо"), а также разделяемых сред передачи данных. Существенные отличия одной технологии от другой связаны с особенностями используемого метода доступа к разделяемой среде. Так, отличия технологии Ethernet от технологии Token Ring во многом определяются спецификой заложенных в них методов разделения среды — случайного алгоритма доступа в Ethernet и метода доступа путем передачи маркера в Token Ring.

Дейтаграммная передача

В сетях с коммутацией пакетов сегодня применяется два класса механизмов передачи пакетов:

дейтаграммная передача;

виртуальные каналы.

Примерами сетей, реализующих дейтаграммный механизм передачи, являются сети Ethernet, IP и IPX. С помощью виртуальных каналов передают данные сети X.25, frame relay и ATM. Сначала мы рассмотрим базовые принципы дейтаграммного подхода.

Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Принадлежность пакета к определенному потоку между двумя конечными узлами и двумя приложениями, работающими на этих узлах, никак не учитывается.

Выбор следующего узла — например, коммутатора Ethernet или маршрутизатора IP/IPX — происходит только на основании адреса узла назначения, содержащегося в заголовке пакета. Решение о том, какому узлу передать пришедший пакет, принимается на основе таблицы, содержащей набор адресов назначения и адресную информацию, однозначно определяющую следующий (транзитный или конечный) узел. Такие таблицы имеют разные названия — например, для сетей Ethernet они обычно называются таблицей продвижения (forwarding table), а для сетевых протоколов, таких как IP и IPX, — таблицами маршрутизации (routing table). Далее для простоты будем пользоваться термином "таблица маршрутизации" в качестве обобщенного названия такого рода таблиц, используемых для дейтаграммной передачи на основании только адреса назначения конечного узла.

В таблице маршрутизации для одного и того же адреса назначения может содержаться несколько записей, указывающих, соответственно, на различные адреса следующего маршрутизатора. Такой подход используется для повышения производительности и надежности сети. В примере на рис. 8 пакеты, поступающие в маршрутизатор R1 для узла назначения с адресом N2, А2, в целях баланса нагрузки распределяются между двумя следующими маршрутизаторами — R2 и R3, что снижает нагрузку на каждый из них, а значит, уменьшает очереди и ускоряет доставку. Некоторая "размытость" путей следования пакетов с одним и тем же адресом назначения через сеть является прямым следствием принципа независимой обработки каждого пакета, присущего дейтаграммным протоколам. Пакеты, следующие по одному и тому же адресу назначения, могут добираться до него разными путями и вследствие изменения состояния сети, например отказа промежуточных маршрутизаторов.

Рис. 8. Дейтаграммный принцип передачи пакетов.

Такая особенность дейтаграммного механизма как размытость путей следования трафика через сеть также в некоторых случаях является недостатком. Например, если пакетам определенной сессии между двумя конечными узлами сети необходимо обеспечить заданное качество обслуживания. Современные методы поддержки QoS работают эффективней, когда трафик, которому нужно обеспечить гарантии обслуживания, всегда проходит через одни и те же промежуточные узлы.
Виртуальные каналы в сетях с коммутацией пакетов

Механизм виртуальных каналов (virtual circuit или virtual channel) создает в сети устойчивые пути следования трафика через сеть с коммутацией пакетов. Этот механизм учитывает существование в сети потоков данных.

Если целью является прокладка для всех пакетов потока единого пути через сеть, то необходимым (но не всегда единственным) признаком такого потока должно быть наличие для всех его пакетов общих точек входа и выхода из сети. Именно для передачи таких потоков в сети создаются виртуальные каналы. На рисунке 9 показан фрагмент сети, в которой проложены два виртуальных канала. Первый проходит от конечного узла с адресом N1, A1 до конечного узла с адресом N2, A2 через промежуточные коммутаторы сети R1, R3, R7 и R4. Второй обеспечивает продвижение данных по пути N3, A3 — R5 — R7 — R4 — N2, A2. Между двумя конечными узлами может быть проложено несколько виртуальных каналов, как полностью совпадающих в отношении пути следования через транзитные узлы, так и отличающихся.

Рис. 9. Принцип работы виртуального канала.

Сеть только обеспечивает возможность передачи трафика вдоль виртуального канала, а какие именно потоки будут передаваться по этим каналам, решают сами конечные узлы. Узел может использовать один и тот же виртуальный канал для передачи всех потоков, которые имеют общие с данным виртуальным каналом конечные точки, или же только части из них. Например, для потока реального времени можно использовать один виртуальный канал, а для трафика электронной почты — другой. В последнем случае разные виртуальные каналы будут предъявлять разные требования к качеству обслуживания, и удовлетворить их будет проще, чем в том случае, когда по одному виртуальному каналу передается трафик с разными требованиями к параметрам QoS.

Важной особенностью сетей с виртуальными каналами является использование локальных адресов пакетов при принятии решения о передаче. Вместо достаточно длинного адреса узла назначения (его длина должна позволять уникально идентифицировать все узлы и подсети в сети, например технология АТМ оперирует адресами длиной в 20 байт) применяется локальная, то есть меняющаяся от узла к узлу, метка, которой помечаются все пакеты, перемещаемые по определенному виртуальному каналу. Эта метка в различных технологиях называется по-разному: в технологии X.25 — номер логического канала (Logical Channel number, LCN), в технологии frame relay — идентификатор соединения уровня канала данных (Data Link Connection Identifier, DLCI), в технологии АТМ — идентификатор виртуального канала (Virual Channel Identifier, VCI). Однако назначение ее везде одинаково — промежуточный узел, называемый в этих технологиях коммутатором, читает значение метки из заголовка пришедшего пакета и просматривает свою таблицу коммутации, в которой указывается, на какой выходной порт нужно передать пакет. Таблица коммутации содержит записи только о проходящих через данный коммутатор виртуальных каналах, а не обо всех имеющихся в сети узлах (или подсетях, если применяется иерархический способ адресации). Обычно в крупной сети количество проложенных через узел виртуальных каналов существенно меньше количества узлов и подсетей, поэтому по размерам таблица коммутации намного меньше таблицы маршрутизации, а, следовательно, просмотр занимает гораздо меньше времени и не требует от коммутатора большой вычислительной мощности.

Идентификатор виртуального канала (именно такое название метки будет использоваться далее) также намного короче адреса конечного узла (по той же причине), поэтому и избыточность заголовка пакета, который теперь не содержит длинного адреса, а переносит по сети только идентификатор, существенно меньше.

Важнейшими задачами, решаемыми канальным уровнем модели сетевого взаимодействия (иногда этот уровень называют уровнем передачи данных ), являются задачи предоставления определенных сервисов сетево­му уровню. Основным сервисом является передача данных от сетевого уровня пе­редающей вычислительной машины сетевому уровню принимающей машины. На передающей ма­шине работает процесс, который передает биты с сетевого уровня на канальный уровень для передачи их по назначению. Работа канального уров­ня заключается в передаче этих битов на принимающую маши­ну так, чтобы они могли быть переданы сетевому уровню принимающей машины. Физически данные передаются по реальным каналам передачи, как схематично пока­зано на рис. 8.1.а. Однако посредством протоколов канального уровня виртуальный путь передачи данных связывает канальные уровни пе­редающей и принимающей вычислительной машины (рис. 8.1.б ).

Рис. 8.1. Пути передачи данных: а – виртуальный; б – фактический

Протоколы канального уровня описывают, каким образом логические биты или символы, передаваемые физическим уровнем, объединяются в более крупные единицы – кадры . Обобщенная структура кадра показана на рис. 8.2. В общем случае, каждый кадр содер­жит заголовок, поле данных и трейлер (или так называемый «концевик» ). Управление кадрами – одна их главнейших функций работы канального уровня.

Рис. 8.2. Обобщенная структура кадра протокола канального уровня

Канальный уровень может предоставлять различные сервисы и их на­бор может быть разным для разных систем. Обычно рассматриваются следующие возможные вари­анты:

1) сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения;

2) сервис с подтверждениями приема кадров и без установления соединения;

3) сервис с подтверждениями приема кадров и с установлением соединения.

Сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения заключается в том, что передающая машина посылает независимые кадры принимающей машине, а принимающая машина не посылает подтверждений о приеме кадров. Никакие соединения заранее не устанавливаются и не разрываются после передачи кад­ров. Если какой-либо кадр теряется из-за помех в линии связи, то на канальном уровне не предпринимается никаких попыток восстановить его. Данный класс сервисов приемлем при очень низком уровне ошибок. В этом случае вопросы, связанные с восстановлением потерянных при передаче данных, могут быть переданы для решения верхним уровням. Этот класс сервисов также применяется в линиях связи реального вре­мени (например, при передаче речи), в которых явно предпочтительнее получить искаженные данные, чем получить их с большой задержкой. Сервис без подтверждений и без установления соединения используется на канальном уровне в большинстве локаль­ных сетей.

Следующим шагом в сторону повышения надежности является сервис с под­тверждениями приема кадров, но без установления соединения . При его использовании соединение не устанавливается, но получение каждого кадра подтверждается. Таким об­разом, отправитель знает, дошел ли кадр до пункта назначения в целостности. Если в течение установленного интервала времени подтверждения не поступает, кадр посылается вновь. Такой сервис применяется в случае низкокачественных дешевых линий связи с боль­шой вероятностью ошибок, например, в беспроводных системах.

Наиболее сложным сервисом, который может предоставлять канальный уровень, является сервис, ориентированный на установление соединения с подтверждения­ми приема кадров . При использовании этого метода источник и приемник, прежде чем пере­дать друг другу данные, устанавливают соединение. Каждый посылаемый кадр нумеруется, а канальный уровень гарантирует, что каждый посланный кадр дей­ствительно принят на другой стороне линии связи. Кроме того, гарантируется, что каждый кадр был принят всего один раз и что все кадры были получены в правильном порядке. В сервисе без установления соединения, напротив, возмож­но, что при потере подтверждения один и тот же кадр будет послан несколько раз и, следовательно, несколько раз получен. При использовании ориентированного на соединение сервиса передача дан­ных состоит из трех фаз. В первой фазе устанавливается соединение, при этом обе стороны инициализируют переменные и счетчики, необходимые для слежения за тем, какие кадры уже приняты, а какие – еще нет. Во второй фазе передаются кадры данных. Наконец, в третьей фазе соединение разрывается и при этом освобождаются все переменные, буферы и прочие ресурсы, использо­вавшиеся во время соединения.

Для предоставления сервиса сетевому уровню канальный уровень должен использовать сервисы, предоставляемые ему физическим уровнем. Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по на­значению. Этот поток не застрахован от ошибок. Количество принятых битов мо­жет быть меньше, равно или больше числа переданных бит. Кроме того, значения принятых битов могут отличаться от значений переданных. Канальный уровень должен обнаружить ошибки и, если нужно, исправить их.

Обычно канальный уровень разбивает поток битов на отдельные кадры и считает для каждого кадра так называемую контрольную сумму. Когда кадр прибывает в пункт назначения, его контрольная сумма подсчитывается снова. Если она отличается от содержащейся в кадре, то канальный уровень «понимает», что при переда­че кадра произошла ошибка, и принимает соответствующие меры (например, игнорирует испор­ченный кадр и посылает передающей машине сообщение об ошибке). Разбиение потока битов на отдельные кадры представляет собой не очень простую задачу. Один из способов раз­биения на кадры заключается во вставке временных интервалов между кадрами, подобно тому, как вставляются пробелы между словами в тексте. Однако сети редко предоставляют гарантии сохранения временных интервалов при передаче данных, поэтому возможно, что эти интервалы при передаче исчезнут или, на­оборот, будут добавлены новые интервалы. Поэтому для повышения надежности передачи данных предложены более совершенные методы. Среди них наиболее популярны такие методы маркировки границ кадров (формирования кадров ), как:

1) подсчет количества символов;

2) применение сигнальных байтов с символьным заполнением;

3) использование стартовых и стоповых битов с битовым заполнением;

4) использование запрещенных сигналов физического уровня.

Первый метод формирования кадров использует поле в заголовке для указа­ния количества символов в кадре. Когда канальный уровень на принимаю­щей машине видит это поле, он узнает, сколько символов последует, и таким образом определяет, где находится конец кадра. Недостаток такого метода заключается в том, что при передаче может быть искажен сам счетчик. Тогда принимающая машина потеряет синхронизацию и не сможет обнаружить начало следующего кадра. Даже если контрольная сумма не совпадет и принимающая машина «пой­мет», что кадр принят неверно, то она все равно не сможет определить, где начало следующего кадра. Запрашивать повторную передачу кадра также бесполезно, поскольку принимающая машина не «знает», сколько символов нужно пропус­тить до начала повторной передачи. По этой причине метод подсчета символов теперь практически не применяется.

Второй метод формирования кадров решает проблему восстановления син­хронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого кадра специальными байтами. В последнее время большинство протоколов перешло на использова­ние в обоих случаях одного и того же байта, называемого флаговым . Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти флаговый байт, с помощью которого он распозна­ет конец текущего кадра. Два соседних флаговых байта говорят о том, что кон­чился один кадр и начался другой. Однако этот метод иногда приводит к серьезным проблемам при передачи бинарных данных, таких как объектные коды программ или числа с плавающей запятой. В передаваемых данных вполне может встретиться последовательность, исполь­зуемая в качестве флагового байта. Возникновение такой ситуации, скорее всего, собьет синхронизацию. Одним из способов решения проблемы является добав­ление специального escape-символа (знака переключения кода – ESC ) непосред­ственно перед байтом, случайно совпавшим с флаговым байтом внутри кадра. Канальный уровень получателя вначале убирает эти escape-символы, затем переда­ет кадр на сетевой уровень. Этот метод называется символьным заполнением. Таким образом, настоящий флаг можно отличить от «случайно совпавшего» по наличию или отсутствию перед ним символа ESC. Если же и символ ESC случайно окажется среди прочих данных, то перед этим фиктивным escape-символом также вставляется настоящий. Тогда любой одиночный ESC будет частью escape-после­довательности, а двойной будет указывать на то, что служебный байт случайно оказался в потоке данных. После очищения от вставных символов байтовая последовательности в точности совпадает с исходной. Главный недостаток этого метода заключается в том, что он тесно связан с 8-битными символами. Между тем не во всех кодировках один символ соответ­ствует 8 битам. Например, кодировка UNICODE использует 16-битное кодирование.

Следующий метод позволяет использовать кадры и наборы символов, состоящие из любого количества битов. При этом каждый кадр начинается и завершается специальной последовательностью битов 01111110. Битовое заполнение аналогично символьному, при котором в кадр перед случайно встретившимся среди данных флагом вставляется escape-символ. Битовое заполнение, как и сим­вольное, является абсолютно прозрачным для сетевого уровня обеих машин. Если флаговая последовательность битов (01111110) встречается в данных пользователя, она передается в виде 011111010, но в памяти принимающего ком­пьютера сохраняется опять в исходном виде: 01111110. Благодаря битовому заполнению границы между двумя кадрами могут быть безошибочно распознаны с помощью флаговой последовательности. Таким образом, если приемная сторона потеряет границы кадров, ей нужно всего лишь оты­скать в полученном потоке битов флаговый байт, поскольку он встречается толь­ко на границах кадров и не может присутствовать в данных пользователя.

Наконец, последний из рассматриваемых методов формирования кадров приемлем только в сетях, в которых физический носитель обладает некоторой избыточностью. Например, некоторые локальные сети кодируют один бит данных двумя физическими бита­ми. Так в «манчестерском» коде бит 1 кодируется парой высокого и низкого уровней сигналов (от­рицательный перепад), а бит 0 – наоборот, парой низкого и высокого уровней (положительный перепад). В такой схеме каждый передаваемый бит данных со­держит в середине переход, благодаря чему упрощается распознавание границ битов. Комбинации уровней сигналов (низкий–низкий и высокий–высокий) не используются для передачи данных, но используются в качестве ограничителей кадров в некоторых протоколах.

Отметим, что многие современные протоколы пе­редачи данных для повышения надежности применяют комбинированные методы формирования кадра.

Канальный уровень должен выполнять ряд специфических функций, к которым относятся обработка ошибок передачи данных и управление потоком данных , исключающее «затопление» медленных прием­ников быстрыми передатчиками.

Серьезной проблемой является гарантированная доставка сетевому уровню принимающей машины всех кадров с расположением их при этом в правильном порядке. Обычно для гарантирования надежной доставки поставщику посылается ин­формация о том, что происходит на другом конце линии. Протокол требует от получателя посылать обратно специальные управляющие кадры, содержащие по­зитивные или негативные сообщения о полученных кадрах. Получив позитивное сообщение, отправитель узнает, что посланный им кадр успешно получен на другом конце линии. Негативное сообщение, напротив, означает, что с кадром что-то слу­чилось и его нужно передать снова. Кроме того, посланный кадр может из-за неисправности оборудования или какой-нибудь помехи пропасть полностью. В этом случае при­нимающая сторона его просто не получит и, соответственно, никак не прореаги­рует, а отправитель при этом может бесконечно долго ожидать положительного или отрицательного ответа. Чтобы избежать зависаний сети в случае полной потери кадров, используют­ся таймеры канального уровня. После посылки кадра включается таймер и отсчитывает интервал времени, достаточный для получения принимающей машиной этого кадра, его обработки и посылки обратно подтверждения. В нор­мальной ситуации кадр правильно принимается, а подтверждение посылается на­зад и вручается отправителю, прежде чем истечет установленный интервал вре­мени, и только после этого таймер отключается. Однако если либо кадр, либо подтверждение теряется по пути, то установлен­ный интервал времени истечет, и отправитель получит сообщение о возможной проблеме. Самым простым решением для отправителя будет послать кадр еще раз. Однако при этом возникает опасность получения одного и того же кадра не­сколько раз канальным уровнем принимающей машины и повторной передачи его сетевому уровню. Чтобы этого не случилось, необходимо последо­вательно пронумеровать отсылаемые кадры, так чтобы получатель мог отличить повторно переданные кадры от оригиналов. Вопрос управления таймерами и порядковыми номерами, гарантирующими, что каждый кадр доставлен сетевому уровню принимающей машины ровно один раз, является очень важной задачей, решае­мой канальным уровнем.

Еще один важный аспект разработки канального уровня (а также более вы­соких уровней) связан с вопросом о том, что делать с отправителем, который по­стоянно желает передавать кадры быстрее, чем получатель способен их получать. Такая ситуация может возникнуть, если у передающей стороны оказывается бо­лее мощная (или менее загруженная) машина, чем у принимающей. При этом отпра­витель будет продолжает посылать кадры на высокой скорости до тех пор, пока получа­тель не окажется, как говорят, «затоплен» ими. Даже при идеально работающей линии связи в определенный момент времени получатель просто не сможет продолжать обработ­ку прибывающих кадров и начнет их терять. Для предотвраще­ния подобной ситуации чаще всего применяются два подхода. При первом, называющемся управлением потоком с обратной связью , получатель отсылает отправителю информацию, разрешающую последнему продолжить передачу или, по крайней мере, сообщающую о том, как идут дела у получателя. При втором подходе – управ­лении потоком с ограничением – в протокол встраивается механизм, ограничи­вающий скорость, с которой передатчики могут передавать данные, а обратная связь с получателем отсутствует. Известны различные схемы управления потоком с обратной связью, но большин­ство из них используют один и тот же принцип. Протокол содержит четко оп­ределенные правила, определяющие, когда отправитель может посылать следую­щий кадр. Эти правила часто запрещают пересылку кадра до тех пор, пока получатель не даст разрешения (явно либо неявно).

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, 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, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования , скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Физический уровень :

передача битов по физическим каналам ;

формирование электрических сигналов ;

кодирование информации;

синхронизация ;

модуляция .

Реализуется аппаратно.

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 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 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 тех 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 . Другая задача канального уровня - 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 добавляет 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 для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay.

Функции канального уровня

Надежная доставка пакета :

Между двумя соседними станциями в сети с произвольной топологией.

Между любыми станциями в сети с типовой топологией:

проверка доступности разделяемой среды;

выделение кадров из потока данных, поступающих по сети; формирование кадров при отправке данных;

подсчет и проверка контрольной суммы .

Реализуются программно-аппаратно.

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 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, 100VG-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 PPP и LAP-B. В таких случаях для доставки сообщений между конечными узлами через всю сеть используются средства сетевого уровня . Именно так организованы сети X.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 ATM и frame relay.

В целом канальный уровень представляет собой весьма мощный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети. В некоторых случаях протоколы канального уровня оказываются самодостаточными транспортными средствами, и тогда поверх них могут работать непосредственно протоколы прикладного уровня или приложения, 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 X.25, и даже для такой сети, в которой во всех сегментах применяется Ethernet, но между сегментами существуют петлевидные 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.

Канальный уровень обеспечивает передачу пакетов данных, поступающих от протоколов верхних уровней, узлу назначения, адрес которого также указывает протокол верхнего уровня. Протоколы канального уровня оформляют переданные им пакеты в кадры собственного формата, помещая указанный адрес назначения в одно из полей такого кадра , а также сопровождая кадр контрольной суммой . Протокол канального уровня имеет локальный смысл, он предназначен для доставки кадров данных, как правило, в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией, например в односегментных сетях Ethernet или же в многосегментных сетях Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных только мостами и коммутаторами . Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии.

Другой областью действия протоколов канального уровня являются связи типа "точка-точка" глобальных сетей, когда протокол канального уровня ответственен за доставку кадра непосредственному соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры , так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий. Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации , как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня .

Сетевой уровень

Сетевой уровень (Network layer ) служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны. Рассмотрим их 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 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 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, или хопов (от слова hop - прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут . Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов , через которые проходит пакет .

Сетевой уровень - доставка пакета :

между любыми двумя узлами сети с произвольной топологией;

между любыми двумя сетями в составной сети ;

сеть - совокупность компьютеров, использующих для обмена данными единую сетевую технологию;

маршрут - последовательность прохождения пакетом маршрутизаторов в составной сети .

На рис. 11.8 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами . Между узлами А и В данной сети пролегает два маршрута : первый - через маршрутизаторы 1 и 3, а второй - через маршрутизаторы 1, 2 и 3.

Рис. 11.8. 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; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может с течением времени изменяться. 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, таким как надежность передачи.

В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень также решает 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 (packet ). 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 определяется 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 сути.

Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Канальный уровень (Data Link Layer) определяет правила доступа к физической среде и управляет передачей информации по каналу, осуществляя формирование сигнала о начале передачи и организуя начало и собственно передачу информации с созданием сигнала окончания передачи и последующим переводом канала в пассивное состояние. В процессе передачи выполняется проверка принимаемой информации и исправление возникающих ошибок, отключение канала при возникновении неисправности, а также формирование сообщений о возникновении неустранимых ошибок для вышестоящего уровня с восстановлением передачи по окончании ремонта техники. В ряде случаев данный уровень осуществляет слежение за скоростью обмена и окончанием информационных блоков, а также управляет физической цепью при ее мультиплексорном использовании.

На физическом уровне просто пересылаются биты и при этом не учитывается, что физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другая задача канального уровня – 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 добавляет 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 для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием информационных блоков, преобразуя последовательность битовых потоков в наборы битов, называемые кадрами данных, обслуживая запросы сетевого уровня и используя для передачи и приема кадров сервис физического уровня. Первоначально этот уровень был создан как функционально единый уровень, решающий задачи:

При передаче - собственно передачи кадра данных с сетевого уровня на физический уровень и обеспечения безошибочной передачи по физическому уровню кадров с одной системы на другую;

При приеме - перераспределения несмонтированных битов из физического уровня в кадры для более высоких уровней.

Функции канального уровня, как правило, реализуются программно-аппаратно.

Со временем возникла необходимость разделения канального уровня на два подуровня – уровень управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и уровень управления доступом к физической среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC работает с физическими адресами, которые называются МАС-адресами. В сетях Ethernet и Token Ring МАС-адреса представляют собой шестнадцатиричные числа, записанные в микросхему сетевого адаптера. МАС-адрес сети Ethernet (иногда его называют адресом Ethernet) – это 12 шестнадцатиричных цифр, каждая пара из которых отделена двоеточием. Эти 12 шестнадцатеричных цифр представляют двоичное число длиной 48 бит (или 6 байт). Первые три байта содержат код производителя, присвоенный организацией IEEE. Последние три байта присваиваются производителем. МАС-адрес, или физический адрес, иногда называют адресом устройства. Он отличается от логического адреса,т.е. IP-адреса в сети ТСР/IР тем, что его нельзя изменить. Логический адрес присваивается программным обеспечением, изменить его очень просто. Оба адреса служат для идентификации компьютера в сети.

На подуровне LLC определяется логическая топология сети. Она может не совпадать с физической топологией. Подуровень LLC отвечает за связь (или интерфейс) между подуровнем MAC и расположенным выше сетевым уровнем, преобразуя биты и байты, полученные с уровня MAC, в формат, требуемый сетевым устройствам.

В локальных сетях протоколы канального уровня поддерживаются мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов. 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 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. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В территориально-распределенных сетях, т.е. сетях уровня WAN, 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 канального уровня PPP и LAP-B, ответственные за доставку кадра непосредственному узлу-соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня. Именно так организованы сети X.25. Таким образом, когда в сетях уровня WAN функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, то они объединяются с функциями сетевого уровня в одном и том же протоколе. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.

На канальном уровне используются такие протоколы, как широко известный для последовательных соединений протокол ISO High-level DataLink Conrol (HDLC), протоколы ITU-T Link Access Procedures Balanced (LAPB), Link Access Procedures on the D-channel (LAPD) и Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services (LAPF), протоколы IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II), обеспечивающий MAC для сред локальных сетей 802.Х, а также протоколы Ethernet, Token ring, FDDI, X.25 и FR.

В целом канальный уровень представляет весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети, допуская в ряде случаев работу поверх него непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения протоколов сетевого и транспортного уровней. Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня недостаточно. Для этого следует использовать в рамках модели OSI следующие два уровня модели - сетевой и транспортный .