Компьютерные сети и телекоммуникации (стр. 2 )

Важной проблемой передачи данных является проблема затухания сигнала. За счёт электрического сопротивления или не 100% оптической проникаемости, проходя определенное конечное расстояние, сигналы ослабевают до такой степени, что не могут быть правильно восприняты устройствами, в связи с этим для любой физической среды существуют ограничения на мах расстояние передачи данных.

В случае если нужно передать сигнал на расстояние, превышающее допустимое, используют промежуточные устройства, восстанавливающие первоначальные характеристики сигнала, называемые репитерами (повторителями).

Синхронизация – для успешного декодирования поток сигналов, принимаемый сигнал должен быть разделен на фрагменты, соответствующие битам данных. Такое деление не может быть разделенным, а должно быть синхронизировано с отправителем.

Устройства передачи данных

Для подключения компьютеров к среде передачи, используются специальные устройства. Основными функциями этих устройств являются физическое кодирование/декодирование данных, а так же синхронизация приёма и передачи. Так же некоторые устройства способны решать задачи логической организации, относящейся к канальному уровню. Как правило, сейчас используются два типа устройств: модемы и сетевые адаптеры.

Модем (модулятор, демодулятор) – устройство, осуществляющее физическое кодирование/декодирование методом модуляции. В зависимости от среды передачи, подразделяют на модемы для телефонных линий, для кабельных линий и радиомодемы.

Модемы можно использовать только в сетях с топологией точка-точка, то есть если на стороне абонента установлен, то на стороне провайдера должно быть установлено аналогичное устройство, поддерживающее тот же протокол.

Сетевой адаптер – устройство, предназначенное для подключения к высококачественным физическим каналам, поэтому для физического кодирования используется не модуляция, а различные типы цифрового кодирования.

Канальный уровень

Обзор технологий канального уровня.

В настоящее время наибольшее распространение получили следующие технологии канального уровня: Ethernet/ Fast Ethernet/ Gigabit Ethernet/ 10G Ethernet/ Radio Ethernet (Wi-Fi).

Изначально технология Ethernet была разработана фирмой XEROX, для обеспечения связи между филиалами компаний, расположенных на гавайских островах (сеть Алоха). Сеть покрывала спот радиусом примерно 10 миль и обеспечивала пропускную способность  в 1 Mbit/с. Развитием этой сети стали локальные сети Ethernet, использующие в качестве передачи медный кеоксиальный кабель, изначально толстый, в последствии – тонкий. При этом обеспечивалась пропускная способность 2,5,10 Mbit/с при полезной длине физического сегмента 500, 185, 100 метров соответственно.

В дальнейшем развитием Ethernet стал Fast Ethernet (витая пара). Обеспечивающая пропускную способность в 100 Mbit/с при предельной длине сегмента в 100 метров. Так же в стандарте Fast Ethernet предусмотрено использования в качестве среды передачи многомодового оптоволокна с полезной длиной сегмента до 200 метров при той же пропускной способности.

Далее Gigabit Ethernet с 1000 Mbit/с при использовании витой пары 5,6 категории, обеспечивает дальность передачи до 100 метров, при использовании оптоволокна дальность связи гарантированная до 316 метров.

10G Ethernet работает на витой паре не ниже 7 категории, дальность связи 25 метров.

Технология Ethernet является коммутированной технологией и использует метод коллективного доступа к среде с опознанием несущей и обнаружением коллизий, кроме WiFi  где используется метод опознания несущей и предотвращения коллизий.

Технология Token Ring, разработанная фирмой IBM в 80-х годах использует топологию кольцо/ закольцовання звезда и метод маркерного доступа к среде. Обеспечивает пропускную способность 16 Mbit/с мах, при диаметре кольца не более 220 метров и количестве станции не более 256.

Маркерный доступ

При маркерном доступе к среде в сети непрерывно вращается кадр, строго фиксированного формата, называемый маркером (тукен). Станция не может начать передачу, не получив на вход маркера, если маркер получен, станция забирает его из сети и начинает передачу, при этом все остальные станции не видят маркера «молчат». При передаче полезных данных все станции транслируют их до пункта назначения. После завершения передачи, станция, её начавшая, возвращает маркер в сеть. Следующая станция может начать передачу, только получив на вход маркер.

Ethernet

В сетях Ethernet, независимо от поколений все компьютеры сети имеют возможность одновременно получать данные от любого из компьютеров начал передавать на общую шину. Кабель, к которому подключены все компьютеры, работает в режиме коллективного доступа. В конкретный момент времени передавать данные на общую шину может только один компьютер в сети. При этом все компьютеры сети обладают равными правами доступа к среде. Чтобы упорядочить доступ ПК к общей шине, используют метод коллективного доступа с опозданием несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD).

Первая часть данного метода описывает принцип коллективного доступа к среде передачи данных. Когда какая либо станция (А) хочет передать кадр станции (В), она пытается вначале определить, что никакая другая станция в это время ничего не передаёт. В стандарте Ethernet признаком свободной линии является «тишина», то есть напряжение равно нулю.

В стандарте Fast Ethernet признаком свободного состояния среды является не отсутствие сигнала на шине, а передача по ней специального IDLE символа. Если рабочая станция обнаруживает несущий цикл, то для неё это является признаком занятости и передача данных откладывается, то есть станция переходит в режим ожидания.

Для передачи данных в поколении Ethernet, весь поток данных разбивается на сегменты(кадры). Для синхронизации между устройствами, разрешения коллизий и проверки состояния среды, после каждого кадра помещается межкадровый интервал (тишина). Для 10 Mbit/с  Ethernet межкадровый интервал составляет 9,6 микросекунд. 100 Mbit/с  -0,96 микросекунд, 1 Гбит/с – зависит от спецификации и среды передачи.

Межкадровый интервал равен времени, необходимому для передачи 12 байт (96 бит). Если определить в качестве единицы измерения интервала, время, необходимое для передачи 1 бит – битовый интервал, то межкадровый интервал равен 96 битовым интервалом, такой способ определения не зависит от скорости передачи данных.

Пусть первая станция, решив что шина свободна начинает передачу кадра, до самой удаленной от неё второй станции кадр дойдёт через время t. Если немного раньше другая станция так же решит, что шина свободна и начнёт передачу своего кадра, возникнет коллизия. Искаженная информация дойдёт обратно до 1 станции, поэтому коллизия будет обнаружена 1 станцией. Данная характеристика – время разрешения конфликта (время двойного оборота) определяет ограничение на мах параметр сети и количество концентраторов на пути распространения сигналов. Обнаружение коллизий должно произойти по окончании передачи кадра. Отсюда получаем ограничение на размер кадра min длины Tmin?2t. После возникновения коллизии станция, её обнаружившая, делает паузу, попытку передать кадр.

Пауза ?t=L?; ?= 512 бит, L - целое случайное[0;2N] N – номер попытки ? 16. После 16 попытки устройство отказывается передавать дальше данные. Дальнейшее исправление ситуации лежит на более высоких протоколах.

Формат кадра Ethernet

На физическом уровне ток – это последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой 135В, фиксированной длины и фиксированными полями. Каждый импульс это 1 бит.

байты

7	1	6	6	2	46-1500	4
преамбула	Начало кадра	Адрес получателя	Адрес отправителя	Длина поля данных	Полезная информация	Контр. сумма

Преамбула – поле, служащее для синхронизации приёмника и передатчика.

Начало кадра – имеет строго фиксированный формат и означает для приёмника, что дальше начнутся полезные данные.

Адрес приёмника получателя – мас адрес физического устройства.

Контрольная сумма - двоичная сумма всех бит в кадре, служащая для контроля целостности кадра.

Протокол IP

IP (интернет протокол) – входит в состав стека (набора) TCP/IP и является основным протоколом сетевого уровня. IP не ориентирован на установление соединения и «ненадежный» протокол передачи. Не ориентирован на установление соединения означает, что сеанс для обмена данными не устанавливается.

Ненадёжный  - означает, что доставка пакета не гарантируется, IP пакет может быть потерян, доставлен вне очереди, дублирован или задержан. Он не исправляет ошибки этих типов. Подтверждение получения этих пакетов и повторное обращение за потерянными данными, осуществляется протоколами более высокого уровня (TCP).

Понятие IP адреса

Уникальный цифровой идентификатор host в IP сети называется IP адресом.

IPv4 адрес состоит из 4 полей, по 8 двоичных разрядов каждая, может записываться как в двоичном формате, так и десятичном. Размер 32 байта.

11000000  10101000  00000011  00011000

192.  168.  3.  24

В силу размеров поля, ограниченного 8 разрядами, десятичное значение каждого поля может находиться в диапазоне 0,255. Поля называются триадами или октетами. Для идентификации host в IP сети IP адрес разделяется на адрес сети (id сети) и адрес host (id host)/ Мах количество host в IPv4 сети не может превышать 2­­32. Для ликвидации этого недостатка IPv6, в котором размерность адреса увеличена до 128 байт, мах количество host 2128.

Протокол IP отвечает за маршрутизацию пакетов, то есть за поиск маршрута до узла назначения. Если маршрут по умолчанию не доступен IP выбирает альтернативу.

IPv4 адреса разбиты на классы:

Класс А -  имеет адресат с числами от 1 до 127 первого октета, далее адрес host. Максимум 126 сетей на 224 host (16.777.214) – сети огромных компаний.

Класс В – первые два октета адрес сети, потом адрес host. При этом первый октет от 128 до 191. Что даёт 16384 сетей по 55534 узла.