Горячев А.В. Основы сетевых технологий

Подождите немного. Документ загружается.

3.1. Физический уровень

На этом уровне модели OSI определяются следующие характеристики

сетевых компонентов: типы соединений сред передачи данных, физические

топологии сети, способы передачи данных (с цифровым или аналоговым

кодированием сигналов), виды синхронизации передаваемых данных,

разделение каналов связи с использованием частотного и временного

мультиплексирования. Реализации протоколов физического уровня модели

OS1 координируют правила передачи битов, т. е. отвечают за то, чтобы

каждый переданный бит мог быть принят другим узлом сети.

Физический уровень не включает описание среды передачи. Однако

реализации протоколов физического уровня специфичны для конкретной

среды передачи. С физическим уровнем обычно ассоциируется подключение

следующего сетевого оборудования:

- концентраторов, хабов и повторителей, регенерирующих

электрические сигналы;

- соединительных разъемов среды передачи, обеспечивающих

механический интерфейс для связи устройства со средой передачи;

- модемов и различных преобразующих устройств, выполняющих

цифровые и аналоговые преобразования.

Правила передачи бит от одного компьютера к другому определяют и

правила соединения компьютеров друг с другом - физическую топологию.

Известно всего несколько базовых физических топологий.

Первой из базового набора является шинная (bus) топология (рис. 3.2).

В этом случае все сетевые устройства и компьютеры подключаются к общей

шине передачи данных, в роли которой чаще всего используется

коаксиальный магистральный (backbone) кабель. От каждого из устройств,

подключенных к шине, сигнал распространяется в обе стороны, доходя до

всех подключенных к шине устройств. Для того чтобы не произошло

отражение сигнала на конце кабеля и его возвращение в шину, на концах

шины ставятся специальные прерыватели (terminator). Шинная топология -

одно из самых ранних решений. Она была распространена благодаря

простоте реализации схем доступа к шине и прокладки кабельной системы.

Однако у нее есть ряд недостатков, которые и предопределили ее

сегодняшний отход на второй план:

- механическое повреждение магистрали (обрыв, короткое

замыкание) сказывается на работе всех устройств, подключенных к ней, так

как не только сегмент разрывается на два не связанных фрагмента, но и

возникают условии для отражения сигналов в месте обрыва, что приводит к

полному отказу всего сегмента;

- локализовать место повреждения очень сложно именно из-за

того, что теряет работоспособность весь сегмент;

- достаточно сложно выполнять реконфигурацию сегмента, так как

для включения новой станции или переноса существующей на новое место

может понадобиться разорвать шину, чтобы вставить новый фрагмент

кабеля или заменить имеющийся на более длинный, а это приведет к

остановке всего сегмента.

Кольцевая топология предусматривает соединение всех сетевых уст-

ройств и компьютеров в физическое кольцо (ring) (рис. 3.3). В этой тополо-

гии информация всегда передается по кольцу в одну сторону от станции к

станции. Каждое сетевое устройство должно иметь приемник информации на

входном кабеле и передатчик — на выходном. Информация от одного узла

попадает к другому, только пройдя через узлы, расположенные между ними.

Данные проходят через все устройства кольца, и каждое устройство анализи-

рует, ему или нет адресованы эти данные.

Кольцевая физическая топология имеет как преимущества, так и недос-

татки: механическое повреждение среды передачи информации в одинарном

кольце повлияет на работу всех устройств, однако решения, построенные с

использованием двойного кольца, как правило, имеют запас по отказоустой-

чивости и функции самовосстановления. В сетях, построенных на двойном

кольце, одна и та же информация передается по кольцу в обе стороны. В слу-

чае повреждения кабеля кольцо будет продолжать работать в режиме оди-

нарного кольца на двойной длине (функции самовосстановления определя-

ются используемыми аппаратными средствами).

Звездообразная топология, или «звезда» (star), предусматривает

наличие центрального устройства, к которому лучами (отдельными

кабелями) подключаются другие сетевые устройства и компьютеры

(рис. 3.4).

Сети, построенные по звездообразной топологии, имеют одиночную

точку отказа — центральное устройство. В случае выхода из строя централь-

ного устройства все остальные участники сети не смогут обмениваться ин-

формацией между собой, поскольку весь обмен осуществится только через

центральное устройство. В простейшем случае таким устройством является

хаб. Хаб определяет правилa передачи информации между устройствами,

Хаб

подключенными к лучам «звезды»

В зависимости от типа центрального устройства, принимаемый с

одного входа сигнал может транслироваться (с усилением или без) на все

выходы либо на конкретный выход, к которому подключено устройство —

получатель информации

Полносвязанная (mesh) топология обладает высокой

отказоустойчивостью. При построении сетей с такой топологией каждое из

сетевых устройств или компьютеров соединяется с каждым другим

компонентом сети (рис. 3.5). Эта топология обладает избыточностью, отчего

кажется непрактичной Действительно, в малых сетях эта топология

малоприменима, однако в больших корпоративных сетях полносвязанная

топология может использоваться для соединения между собой наиболее

важных узлов Рассмотренные топологии чаще всего строятся с применением

кабельных соединений.

Рабочая станция

Рис. 3.5

Существует еще одна топология, использующая беспроводные

соединения, - сотовая (cellular). В ней сетевые устройства и компьютеры

объединяются в зоны - ячейки (cell), взаимодействуя только с приемо-

Рис. 3.6

передающим устройством ячейки, осуществляющим передачу информации

между ячейками (рис. 3.6) Сотовая топология используется для построения

больших территориально распределенных сетей.

3.2. Канальный уровень

Этот уровень определяет логическую топологию сети, правила

получения доступа к среде передачи данных, решает вопросы, связанные с

адресацией физических устройств в рамках логической сети и управлением

передачей информации (синхронизация передачи и сервис соединений)

между сетевыми устройствами.

Протоколы канального уровня реализуются для достижения

следующих основных целей:

- организации битов физического уровня (двоичные единицы и

нули) в логические группы информации, называемые фреймами (frame) или

кадрами. Фрейм является единицей данных канального уровня, состоящей из

непрерывной последовательности сгруппированных битов, имеющей

заголовок и окончание;

- обнаружения (а иногда и исправления) ошибок при передаче;

- управления потоками данных (для устройств, работающих на этом

уровне модели OSI, например мостов);

- идентификации компьютеров в сети по их физическим адресам.

Подобно большинству других уровней, канальный уровень добавляет

собственную управляющую информацию в начало пакета данных. Эта

информация может включать адрес источника и адрес назначения

(физический или аппаратный), информацию о длине фрейма и индикацию

активных протоколов верхнего уровня.

С канальным уровнем обычно связаны такие сетевые соединительные

устройства, как мосты, интеллектуальные концентраторы, коммутаторы,

сетевые интерфейсные платы (сетевые интерфейсные карты, адаптеры и

т д.).

Функции канального уровня подразделяются на два подуровня:

- управление доступом к среде передачи (Media Access Control, MAC);

- управление логическим соединением (Logical Link Control, LLC).

Подуровень MAC определяет такие элементы канального уровня, как

логическая топология сети, метод доступа к среде передачи информации и

правила физической адресации между сетевыми объектами. Аббревиатура

MAC используется также при определении физического адреса сетевого

устройства: физический адрес устройства (который определяется внутри

сетевого устройства или сетевой карты на этапе производства) часто

называют МАС-адресом этого устройства. Существует возможность

программно изменить МАС-адрес большого количества сетевых устройств,

особенно сетевых карт. При этом необходимо помнить, что канальный

уровень модели OSI накладывает ограничения на использование

МАС-адресов: в одной физической сети (сегменте большей по размеру сети)

не может быть двух или более устройств, использующих одинаковые

МАС-адреса. Для определения физического адреса сетевого объекта может

быть использовано понятие «адрес узла» (node address). Адрес узла чаще

всего совпадает с МАС-адресом или определяется логически при

программном переназначении адреса.

Подуровень LLC определяет правила синхронизации передачи и

сервиса соединений. Этот подуровень канального уровня тесно

взаимодействует с сетевым уровнем модели OSI и отвечает за надежность

физических (с использованием МАС-адресов) соединений.

Логическая топология (logical topology) сети определяет способ и

правила (последовательность) передачи данных между компьютерами в сети.

Сетевые объекты передают данные в зависимости от логической топологии

сети. Физическая топология определяет структуру среды или физический

путь данных. Однако в некоторых случаях физическая топология не отражает

способ функционирования сети. Фактический путь данных определяется ло-

гической топологией. Для передачи данных по логическому пути (который

может отличаться от пути в физической среде) используются сетевые уст-

ройства подключения и схемы доступа к среде передачи. Хороший пример

различий физической и логической топологий - сеть Token Ring фирмы IBM.

В локальных сетях Token Ring часто используется медный кабель, который

прокладывается в виде звездообразной схемы с центральным разветвителем

(хабом) (рис. 3.7). Хаб, в отличие от нормальной звездообразной топологии,

не пересылает входящие сигналы всем другим подключенным устройствам.

Внутренняя схема хаба последовательно отправляет каждый входящий сиг-

нал следующему устройству в заранее предопределенном логическом кольце,

т.е. по круговой схеме (рис. 1.7). Для передачи данных каждый компьютер

должен получить от центрального разветвителя маркер, дающий право пере-

давать информацию в кольцо. Физической топологией этой сети является

звезда, а логической - кольцо.

Различия между физической и логической топологиями ярко

проявляются также в сети Ethernet. Физическая сеть может быть построена

по топологии звезды (рис 3.8) с использованием медных кабелей и

центрального хаба. Однако технология Ethernet предусматривает передачу

информации от одного компьютера всем остальным, находящимся в сети.

Хаб должен ретранслировать сигнал, принятый с одного nopтa, на остальные

порты (рис. 3.8). Образуется логическая сеть с шинной топологией.

Чтобы определить логическую топологию сети, необходимо понять,

как в ней принимаются сигналы:

- в логических шинных топологиях каждый сигнал принимается всеми

устройствами;

- в логических кольцевых топологиях каждое устройство получает

только те сигналы, которые были посланы конкретно ему.

Кроме того, важно знать, каким образом сетевые устройства получают

доступ к среде передачи информации.

Доступ к среде передачи Логические топологии используют специаль-

ные правила, управляющие разрешением на передачу сигналов данных дру-

гим сетевым объектам. Процесс управления называется доступом к среде пе-

редачи данных. Представим себе сеть, в которой всем устройствам позволено

функционировать безо всяких правил получения доступа к среде передачи.

Если бы все устройства передавали сигналы по мере готовности данных, эти

передачи иногда совпадали бы во времени. В результате наложения сигналы

исказились бы и произошла бы потеря передаваемых данных. Такая ситуация

называется коллизией (collision). Коллизии не позволяют организовать на-

дежную и эффективную передачу информации между сетевыми объектами

(рис. 3.9).