Пакеты, протоколы и методы управления обменов в сети

 

Информация в локальных сетях передается отдельными «порциями», называемыми пакетами (кадрами). Структура пакета определяется аппаратными особенностями сети, выбранной топологией и типом среды передачи информации, а также зависит от используемого протокола.

Чаще всего пакет содержит в себе следующие поля:

 

 

1) стартовая комбинация (преамбула). Обеспечивает настройку аппаратуры, адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку данных;

2) сетевой адрес принимающего абонента, т.е. индивидуальный или групповой номер, присвоенный каждому принимающему абоненту в сети;

3) сетевой адрес передающего абонента. Информирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет;

4) служебная информация – указывает на тип пакета, его размер, номер, формат, маршрут его доставки и на то, что с ним делить приемнику (принимающему абоненту);

5) данные – т.е. информация, при которой организовывается передача пакетов;

6) контрольная сумма пакетов – числовой код, формируемый передатчиком по определенным правилам и содержащий в свернутом виде информацию обо всем пакете. Если пакет ошибочен, то приемник запрашивает его повторную передачу;

7) стоковая комбинация – служит для информирования аппаратуры принимающего абонента об окончании пакета. Обеспечивает выход аппаратуры приемника и состояния приема.

 

Протокол. В процессе сеанса обмена информацией по сети между принимающим и передающим абонентами происходит обмен информационными и управляющими пакетами по установленным правилам, называемыми протоколами обмена

 

 

1. Топология «шина» (рис.1).

Являлась до недавнего времени самой распространенной топологией для локальных сетей. Компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного или». Передаваемая информация распространяется в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети.

Достоинства: дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям.

Недостатки: низкая надежность, т.е. любой дефект кабеля или разъема парализует всю сеть; низкая производительность.

 

Рис.1

 

2. Топология «кольцо» (рис.2).

Данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому в одном направлении. Если компьютер распознает свои данные, то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией принимают специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции, не прервался канал связи между остальными станциями.

 

Рис.2

 

3. Топология «звезда» (рис.3).

В этом случае каждый компьютер подключается к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В его функции входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети.

Достоинство: высокая надежность.

Недостатки: высокая стоимость; т.к. концентратор – общее устройство, его выход из строя парализует всю сеть.

 

Рис.3

 

4. Топология «иерархическое кольцо» (рис.4).

Реализующая кольцевую топологию сети, расширяется путем установления соединения между несколькими кольцами. Для соединения рабочих станций и серверов используют столько колец, сколько необходимо для поддержки производительности сети. Небольшие локальные сети расширяются путем установления иерархических соединений между несколькими локальными кольцами.

Рис.4

 

5. Топология «иерархическая звезда» (рис.5).

Такой метод применяется для подключения к центральному концентратору концентраторов более низкого уровня для создания крупной локальной вычислительной сети.

Рис.5

 

6. Топология «дерево» (рис.6).

Гибридная топология (комбинированная), в которой рабочие станции группируются в «звезду» и несколько «звезд» соединяются между собой. Большинство проблем, возникающих в «шине», не проявляется, т.к. неполадки одной станции не приведут к останову всей сети. Такой метод относительно недорогой, и используется для объединения различных сетевых сегментов внутри здания.

Недостаток – сеть может выйти из строя при повреждении магистрального кабеля.

Рис.6

 

7. Полносвязная топология (рис.7).

Ей соответствует сеть, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Такой вариант – громоздкий и неэффективный и применяется в основном в глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Рис.7

8. Ячеистая топология (рис.8).

В сети с такой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Характерно для локальных сетей.

 

Рис.8

 

 

Модель OSI

	Прикладной уровень
	Уровень представления
	Сеансовый уровень
	Транспортный уровень
	Сетевой уровень
	Канальный уровень
	Физический уровень

7. Обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя (программные средства передачи файлов, доступ к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере). Этот уровень управляет остальными 6 уровнями.

6. Определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети. Здесь выполняется шифрование и дешифрование данных, а при необходимости и их сжатие.

5. Управляет проведением сеансов связи, т.е. устанавливает, поддерживает и прекращает связь. Он же распознает логические имена абонентов, контролирует предоставление или права доступа.

4. Обеспечивает доставку пакетов без ошибок и потерь в нужной последовательности. Здесь же производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты и восстановление применяемых данных.

3. Отвечает за адресацию пакетов и перевод логических в физические сетевые адреса и обратно. А так же за выбор маршрута, по которому пакет доставляется по назначению, если в сети имеется несколько маршрутов.

2. Отвечает за формирование пакетов стандартного вида, включающих начальное и конечное управляющие поля. Здесь же производится управление доступом к сети, обнаруживаются ошибки передачи и производится повторная пересылка приемнику ошибочных пакетов.

1. Отвечает за кодирование передаваемой информации в уровни сигналов, принятые в среде передачи, и обратное декодирование. Определяет требование к соединителям, разъемам, электрическому согласованию, заземлению, защите от помех.

 

 

IEEE Project 802

802.1 – Объединение сетей

802.2 – Управление логической связью

802.3 – Локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией «шина «(относится к технологии Ethernet)

802.4 – Локальная сеть с топологией «шина» и маркерным доступом

802.5 - Локальная сеть с топологией «кольцо» и маркерным доступом

802.6 – Городская сеть

802.7 – Широковещательная технология

802.8 – Оптоволоконная технология

802.9 – Интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных

802.10 – Безопасность сетей

802.11 – Беспроводная сеть

802.12 – Локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и технологией «звезда»

 

 

Линии связи

Линии связи состоят из физической среды, по которой передаются электрические информационные сигналы, аппаратуры передачи данных и промежуточной аппаратуры.

 

Физическая среда передачи данных

 

Промежуточная аппаратура данных

Линии связи

 

1. Оконечное оборудование передающей стороны

2. Усилитель

3. Модем

4. Мультиплексор

5. Коммутатор

6. Демультиплексор

7. Усилитель

8. Демодулятор

9. Оконечное оборудование принимающей стороны

 

В зависимости от среды передачи данных линии связи разделяются на:

1) проводные (воздушные) линии связи, т.е. это провода без каких-либо изолирующих или экранируемых оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. По таким линиям передаются телефонные или телеграфные сигналы, также используются для передачи компьютерных данных;

2) кабельные линии – состоят из проводников, заключенных в несколько слоев изоляции: электрической, электромагнитной, механической и климатической. В компьютерных сетях применяется 3 типа кабелей: витая пара, коаксиальный кабель и оптоволокно;

3) радиосигналы наземной и спутниковой связи – образуются с помощью передатчика и приемника. Спутниковые каналы и радиосвязь используют, в основном, в том случае, когда кабельные связи применить нельзя.

 

 

Характеристики линий связи

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рис.9)

Показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линий связи, по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала.

Рис.9

 

2. Полоса пропускания.

Это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала к входному превышает заданный предел (обычно 0.5).

3. Затухание.

Определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты.

4. Пропускная способность линии.

Характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи (кбит/с)

Формула Шенена: С=F*log₂(1+P_C/P_ш), где С – максимальная пропускная способность линии, F – ширина полосы пропускания, Р_с – мощность сигнала линии передачи, Р_ш – мощность шума.

Формула Найквиста: С=2F*log₂М, где М – количество различных состояний информационного потока.

5. Помехоустойчивость.

Определяет способность линии уменьшать уровень помех, создаваемых во внешней среде на внутренних проводниках. Зависит от типа используемой физической среды, от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее помехоустойчивые – радиолинии, хорошая устойчивость у кабельных линий, отличная – оптоволокно.

6. Перекрестные наводки на ближнем конце.

Определяет помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех. Когда электромагнитное поле сигнала, передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников сигнал помехи.

7. Достоверность передачи данных.

Характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого бита данных.

 

 

Аналоговая модуляция (рис.10)

Рис.10

 

При АМ (а) для логической единицы выбирается один уровень амплитуды синусоиды несущей частоты, а для логического нуля – другой. Такой способ модуляции обладает низкой помехоустойчивостью.

При ЧМ (б) значения единицы и нуля исходных данных передаются синусоидами с различной частотой: f₁ и f_2.

При ФМ (в) значениям данных нуля и единицы соответствуют сигналы одинаковой частоты, но с разной фазой.

 

 

Цифровое кодирование (рис.11)

Рис.11

Потенциальный код без возврата к нулю (NRZ). Метод прост в реализации. Обладает хорошей распознаваемостью ошибок, но не обладает свойством самосинхронизации. Еще один недостаток – наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче данных последовательностей единиц или нулей.

Биполярный импульсный код. В нем единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но может присутствовать постоянная составляющая при передаче данных последовательностей единиц или нулей.

Манчестерский код. Для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, происходящий в середине каждого такта. Каждый такт длится 2 периода (делится на 2 части). Обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами, у него нет постоянной составляющей, являющейся паразитной.