Эталонная модель взаимодействия открытых систем.

В 1984 г. Международная организация по стандартизации ISO (International Standards Organization) выпустила ряд спецификаций, названных эталонной моделью взаимодействия открытых систем OSI (Open Systems Interconnection). Модель OSI стала международным стандартом для построения сетей различных типов.

В широком смысле открытой системой называется любая система, которая построена в соответствии с открытыми спецификациями (опубликованными, общедоступными, соответствующими стандартам). С точки зрения компьютерных сетей открытая система - это система, реализующая стандартный набор услуг, поддерживаемая стандартными протоколами и отвечающая требованиям эталонной модели OSI.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем стандартизирует:

· понятия и основные термины, используемые в построении открытых систем;

· набор услуг, которые должна предоставлять открытая система;

· логическую структуру и протоколы открытых систем.

Модель OSI включает 7-уровней (рис 1): прикладной, представительный, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный, физический. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции, оборудование, протоколы и интерфейсы с соседними уровнями.

Информация при ее передаче по сети проходит отдельные уровни базовой модели два раза. Обмен данными происходит путем их перемещения с верхнего уровня (прикладного) на нижний (физический) в узле-отправителе, транспортировки по сети и обратного воспроизведения в узле-получателе с нижнего уровня на верхний. При этом на каждом уровне к исходному сообщению, которое надо передать по сети, добавляется заголовок данного уровня, содержащий служебную информацию, необходимую для передачи. На компьютере-получателе каждый уровень в свою очередь анализирует соответствующий ему заголовок, выполняет нужные функции, а затем удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.

Уровни модели OSI делятся на 2 группы: сетезависимые и сетенезависимые.

К сетезависимым относятся три нижних уровня: сетевой, канальный, физический. Транспортный уровень занимает промежуточное положение между нижними и верхними уровнями.

Транспортный уровень обеспечивает взаимодействие между приложениями и коммуникационными уровнями. Этот уровень отвечает за передачу данных с необходимой степенью надежности.

Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными принципами передачи данных. Этот уровень обеспечивает выбор маршрута и доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией и сетевой технологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных. Единица данных сетевого уровня – это пакет.

Канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием кадров данных. Этот уровень обслуживает запросы сетевого уровня и использует сервис физического уровня для приема и передачи кадров. На этом уровне происходит отслеживание и исправление ошибок. Еще одна функция канального уровня – управление доступом к среде передачи (метод доступа).

Физический уровень - самый нижний уровень в модели OSI. Этот уровень осуществляет передачу потока битов по физической среде (например, по сетевому кабелю) от одного узла к другому. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняет сетевой адаптер или последовательный порт.

На этом уровне стандартизируются:

1. характеристики физических сред передачи данных (полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и т.д.);

2. характеристики электрических и оптических сигналов, передающих дискретную информацию (крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения и тока передаваемого сигнала, тип кодирования двоичной информации, скорость передачи и т.д.);

3. способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера (типы разъемов, количество контактов в разъемах и их функции).

Коммуникационное оборудование. Структуризация локальной сети.

Физическая структуризация сети проводится для снятия ограничений на длину сети и кол-ва узлов. Для физической структуризации сети используются повторители и концентраторы.

Повторитель (repeator) – используются для соединения сегментов кабелей. Одна из задач – усиление сигнала. Максим длина 185*5.

Концентратор (хаб) – представляет собой многопортовый повторитель. Применение концентратора изменяет физическую топологию сети на звезду, оставляя неизменной логическую топологию.

Логическая структуризация сети: распространение трафика предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети только в пределах этого сегмента называют локализацией трафика. ЛСС – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком. Для ЛСС используются мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы.

Мост перед информацию из одного сегмента в другой только если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Мосты работают на канальном уровне модели OSI, используют аппаратные адреса компьютера.

Коммутатор похож на мост Пользователь Windows принципу работы (работает на канальном уровне; использует аппаратные адреса компьютера). У коммутатора информацию на каждом порту обрабатывает свой процесс. Коммутатор – многопроцессорный мост. Информация обрабатывается в параллельном режиме. Коммутатор – самое высокоскоростное устройство.

Маршрутизатор работает на сетевом уровне модели OSI и использует числовые составные адреса. Основная задача: определение дальнейшего маршрута пакета. Маршрутизатор может объединять подсети созданные на разных сетевых технологиях.

Шлюз используется для объединения сетей с разными типами системного и прикладного ПО

Типы кабелей.

Сегодня наиболее употребительными стандартами в мировой практике являются следующие. Американский стандарт EIA / TIA-568A. Международный стандарт ISO/IES 11801. Европейский стандарт EN50173. Кроме этих открытых стандартов, многие компании разработали свои фирменные станд., из которых до сих пор имеет практич. значение только один - стандарт компании IBM.

При построении компьютерных сетей применяются следующие основные типы кабелей: коаксиальный кабель, экранированная и неэкранированная витая пара, волоконно-оптический кабель.

Неэкранированная витая пара UTP (Unshielded Twisted Pair) в зависимости от электрических и механических характеристик разделяется на 5 категорий (Category 1- Category 5).

Кабели категорий 1 и 2 были определены в стандарте EIA/TIA-568, но в стандарт 568А уже не вошли, как устаревшие. Кабель категории 3 предназначен как для передачи данных, так и для передачи голоса. Полоса пропускания до 16МГц, скорость передачи до 16Мбит/с. Эффективная длина –100м. Кабели категории 3 сейчас составляют основу многих кабельных систем зданий. Кабель категории 4 представляет собой несколько улучшенный вариант кабеля категории 3. Он обязан выдерживать тесты на частоте передачи сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери сигнала. На практике используется редко. Кабели категории 5 специально разработаны для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц. Эффективная длина – 150м. Большинство новых высокоскоростных стандартов ориентируются на использование витой пары 5 категории. На кабеле работают протоколы со скоростью передачи данных 100 Мбит/c- FDDI, Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, а также более скоростные протоколы -ATM на скорости 155 Мбит/c, и Gigabit Ethernet на скорости 1000 Мбит/с. Кабель категории 5 пришел на смену кабелю категории 3, и сегодня все новые кабельные системы крупных зданий строятся именно на этом типе кабеля (в сочетании с волоконно-оптическим).

Все кабели UTP независимо от их категории выпускаются в 4-парном исполнении. Каждая из 4 пар имеет определенный цвет и шаг скрутки. Обычно две пары предназначены для передачи данных, а две - для передачи голоса. Для соединения кабеля с оборудованием используются вилки и розетки RJ-45, представляющие 8-контактные разъемы, похожие на обычные телефонные разъемы. RJ-11.

Экранированная витая пара STP (Shielded Twisted Pair) хорошо защищает передаваемые сигналы от внешних помех, а также меньше излучает электромагнитных колебаний вовне, что защищает, в свою очередь, пользователей сетей от вредного для здоровья излучения. Наличие заземляемого экрана удорожает кабель и усложняет его прокладку, так как требует качественного заземления. Экранированный кабель применяется только для передачи данных, а голос по нему не передают.

Основным стандартом, определяющим параметры экранированной витой пары, является фирменный стандарт IBM. В этом стандарте кабели делятся не на категории, а на типы: Type 1, Type 2,:, Type 9.

Основным типом экранированного кабеля является кабель Type 1 стандарта IBM. Он состоит из 2-х пар скрученных проводов, экранированных проводящей оплеткой. Электрические параметры кабеля Type 1 примерно соответствуют параметрам кабеля UTP категории 5.

Для присоединения экранированных кабелей к оборудованию используются разъемы конструкции IBM.

Не все типы кабелей стандарта IBM относятся к экранированным кабелям - некоторые определяют характеристики неэкранированного телефонного кабеля (Type 3) и оптоволоконного кабеля (Type 5).

Коаксиальные кабели

Существует большое количество типов коаксиальных кабелей, используемых в сетях различного типа - телефонных, телевизионных и компьютерных. Коаксиальные кабели с волновым сопротивлением 50 Ом (то есть "тонкий" и "толстый") описаны в стандарте EIA/TIA-568. Новый стандарт EIA/TIA-568A коаксиальные кабели не описывает, как морально устаревшие.

· RG-8 и RG-11 - "толстый" коаксиальный кабель, разработанный для сетей Ethernet 10Base-5. Имеет волновое сопротивление 50 Ом и внешний диаметр около 12 мм. Этот кабель имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики. Эффективная длина – 500м. Зато этот кабель сложно монтировать - он плохо гнется.

· RG-58/U, RG-58A/U и RG-58 C/U - разновидности "тонкого" коаксиального кабеля для сетей Ethernet 10Base-2. Они обладают худшими механическими и электрическими характеристиками по сравнению с "толстым" коаксиальным кабелем. Тонкий внутренний проводник 0,89 мм не так прочен, зато обладает гораздо большей гибкостью, удобной при монтаже. Затухание в этом типе кабеля выше, чем в "толстом" коаксиальном кабеле. Эффективная длина – 185м. Для соединения кабелей с оборудованием используется разъем типа BNC.

Волоконно-оптические кабели

Состоят из центрального проводника света - стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла - оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за её пределы, отражаясь от оболочки. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины сердечника различают:

· многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления;

· многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления;

· одномодовое волокно;

Понятие "мода" описывает режим распространения световых лучей во внутреннем сердечнике кабеля. В одномодовом кабеле (Single Mode Fider, SMF) используется центральный проводник очень малого диаметра, соизмеримого с длинной волны света - от 5 до 10 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая - до сотен гигагерц на километр. Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого маленького диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии. Эффективная длина – 40-100км (в зависимости от качества волокна).

В многомодовых кабелях (Multi Mode Fiber, MMF) используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически. В стандартах определены два наиболее употребительных многомодовых кабеля: 62,5/125 мкм и 50.125 мкм, где 62,5 мкм или 50 мкм - это диаметр центрального проводника, а 125 мкм - диаметр внешнего проводника. Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания - от 500 до 800 МГц/км. Эффективная длина – 2 км.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются:

· светодиоды;

· полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Волоконно-оптические кабели обладают отличными характеристиками всех типов: электромагнитными, механическими (хорошо гнутся, а в соответствующей изоляции обладают хорошей механической прочностью). Однако у них есть один существенный недостаток - сложность соединения волокон с разъемами и между собой при необходимости наращивания длины кабеля.

Сама стоимость волоконно-оптических кабелей ненамного превышает стоимость кабелей на витой паре, однако проведение монтажных работ с оптоволокном обходится намного дороже из-за трудоемкости операций и высокой стоимости применяемого монтажного оборудования

Методы коммутации.

Процесс соединения абонентов сети через транзитные узлы называется коммутацией.

Существуют три различные схемы коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, коммутация пакетов и коммутация сообщений. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала для прямой передачи данных между узлами. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал. Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

Недостатком сетей с коммутацией каналов является невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью.

Сети с коммутацией каналов хорошо приспособлены для коммутации потоков данных постоянной скорости, когда единицей коммутации является не отдельный байт или пакет данных, а долговременный синхронный поток данных между двумя абонентами.

Коммутация пакетов - это техника коммутации абонентов, которая была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на пакеты. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения Пакеты транспортируются в 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.Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных линиях и тем самым повысить пропускную способность сети в целом.

Описанный выше режим передачи пакетов между двумя конечными узлами сети предполагает независимую маршрутизацию каждого пакета. Такой режим работы сети называется дейтаграммным.

Существует другой режим работы сети - передача пакетов по виртуальному каналу. В этом случае перед тем, как начать передачу данных между двумя конечными узлами, должен быть установлен виртуальный канал, который представляет собой единственный маршрут, соединяющий эти конечные узлы. Динамический виртуальный канал устанавливается при передаче в сеть специального пакета - запроса на установление соединения. Этот пакет проходит через коммутаторы и «прокладывает» виртуальный канал. Это означает, что коммутаторы запоминают маршрут для данного соединения и при поступлении последующих пакетов данного соединения отправляют их всегда по проложенному маршруту.

Дейтаграммный метод выгоден для передачи небольшого объема данных, когда время установления соединения может быть соизмеримым со временем передачи данных. При использовании метода виртуальных каналов время, затраченное на установление виртуального канала, компенсируется последующей быстрой передачей всего потока 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. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо. По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом «хранение-и-передача» (store-and-forward). Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.

Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.