Компьютерные сети. 
Физический уровень

1.1 Активные устройства физического уровня.

1.2 Пассивные устройства физического уровня.

2. Принципы построения сетей. Физический уровень.

2.1 Схемы взаимодействия устройств.

2.2 Архитектура физического уровня.

2.3 Методы доступа

2.4 Технология передачи данных.

3. Практическое задание.

Заключение

Список использованных источников

Физический уровень — первый уровень сетевой модели OSI (англ. Open Systems Interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем). Это нижний уровень модели OSI — физическая и электрическая среда для передачи данных. Этот уровень определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства (компьютера) к другому. Он имеет дело с передачей потока битов по физическим каналам связи, таким как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель, спутниковый канал передач данных или цифровой территориальный канал. Обычно физический уровень описывает передачи на примерах топологий, сравнивает аналоговое и цифровое кодирование, синхронизацию бит, сравнивает узкополосную и широкополосную передачу, многоканальные системы связи, последовательную (логическую 5-вольтовую) передачу данных.

Рис. 1. Слои сетевой модели «OSI».

Если посмотреть с той точки зрения, что сеть включает в себя оборудование и программы, контролирующие оборудование, то здесь физический слой будет относиться именно к первой части определения.

Этот уровень, так же как канальный и сетевой, является сетезависимым.

Единица измерения, используемая на этом слое — биты, то есть физический уровень осуществляет передачу потока битов по соответствующей физической среде через соответствующий интерфейс.

Физический уровень не вникает в смысл информации, которую он передает. Для него эта информация представляет собой однородный поток битов, которые нужно доставить без искажений и в соответствии с заданной тактовой частотой (интервалом между соседними битами).

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К этому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к этому уровню, являются: V.35, RS-232, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, DSL, ISDN, SONET/SDH, 802.11 Wi-Fi, Etherloop, GSM Um radio interface, ITU и ITU-T, TransferJet, ARINC 818, G. hn/G.9960.

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.

Спецификации физического уровня определяют параметры сред передачи данных — это, например, полоса пропускания, затухание, волновое сопротивление, активное сопротивление, задержки при распространении сигнала и так далее Помимо физических характеристик сред эти спецификации определяют физические характеристики сигналов. К этому же уровню относятся спецификации интерфейсных разъемов кабелей. Переданные биты затем будут обработаны и в виде неких данных «пойдут» к более высоким уровням OSI.

На этом уровне также работают концентраторы, повторители сигнала, медиаконвертеры, трансиверы и некоторые другие устройства.

1. Устройства физического уровня

1.1 Активные устройства физического уровня

Устройства физического уровня работают исключительно с электрическими, световыми или электромагнитными сигналами. Они принимают входной сигнал, при необходимости могут усиливать его, ресинхронизировать, очищать от шумов и передавать дальше независимо от его содержания и необходимости такой передачи. Устройства физического уровня не проводят анализа трафика, они работают только с сигналами.

Устройства физического уровня делятся на активные и пассивные. Активные устройства, как правило, выполняют определенные операции с сигналом, т. е. могут усиливать его или превращать из одного вида в другой. Для этого они требуют наличия внешнего источника питания. К активным устройствам относятся:

— трансиверы (приемопередатчики)

— повторители

— концентраторы

— медиаконвертеры

Трансимвер — устройство для передачи и приёма сигнала между двумя физически разными средами системы связи. Это приёмник-передатчик, физическое устройство, которое соединяет интерфейс хоста с локальной сетью, такой как Ethernet. Трансиверы Ethernet содержат электронные устройства, передающие сигнал в кабель и детектирующие коллизии.

Трансивер позволяет станции передавать и получать данные из общей сетевой среды передачи. Дополнительно, трансиверы Ethernet определяют коллизии в среде и обеспечивают электрическую изоляцию между станциями. Если трансивер является связующим звеном между оптическим и медным кабелями, то его часто называют медиаконвертером.

Медиаконвертер (также преобразователь среды) — это устройство, преобразующее среду распространения сигнала из одного типа в другой. Чаще всего средой распространения сигнала являются медные провода и оптические кабели. Под средой распространения сигнала может пониматься любая среда передачи данных, однако в современной терминологии медиаконвертер работает как связующее звено только между двумя средами — оптическим и медным кабелями. Традиционно, применительно к сетевым технологиям, медиаконвертеры осуществляют свою работу на 1-м уровне Модели OSI. В этом случае невозможно преобразование скорости передачи данных между 2-мя средами, а также невозможна другая интеллектуальная обработка данных. В этом случае медиаконвертеры также могут называть трансиверами. С развитием технологий медиаконвертеры снабдили дополнительными интеллектуальными возможностями, чтобы обеспечить стыковку старых устройств с более новыми. Медиаконвертеры стали работать на 2-м уровне модели OSI и получили возможность преобразовывать не только среду, а также и скорость передачи данных, обладать другими сервисными функциями, как оповещение об обрыве линии связи на противоположной стороне, контроль за потоком передачи данных, другими техническими возможностями.

Ethernйt медиаконвертеры

Ethernet медиаконвертеры традиционно делятся на простые (1-й уровень модели OSI), которые подчиняются правилу 5−4-3 и на коммутирующие (2-й уровень модели OSI), на которые не действуют ограничения по количеству медиаконвертеров на участке сети, соединяющей её сегменты. У таких медиаконвертеров в описании указывается 10/100TX для Fast Ethernet, либо 10/100/1000T для Gigabit Ethernet, что означает их возможность преобразовывать не только среду передачи, а также и скорость, что характерно для коммутирующих устройств.

При использовании медиаконвертеров для объединения двух сегментов сети возникают проблемы с автоматическим обнаружением обрывов связи (например, в протоколах STP). Для их решения используются конверторы с поддержкой технологий:

Link Fault Pass-through (LFP)

Link Loss Carry Forward (LLCF)

Link Loss Return

Far End Fault (FEF 802.3u)

Концентратор или хаб (от англ. hub — центр) — устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытеснены сетевыми коммутаторами. Сетевые концентраторы также могли иметь разъёмы для подключения к существующим сетям на базе толстого или тонкого коаксиального кабеля. Концентратор работает на первом (физическом) уровне сетевой модели OSI, ретранслируя входящий сигнал с одного из портов в сигнал на все остальные (подключённые) порты, реализуя, таким образом, свойственную Ethernet топологию общая шина, c разделением пропускной способности сети между всеми устройствами и работой в режиме полудуплекса. Коллизии (то есть попытка двух и более устройств начать передачу одновременно) обрабатываются аналогично сети Ethernet на других носителях — устройства самостоятельно прекращают передачу и возобновляют попытку через случайный промежуток времени, говоря современным языком, концентратор объединяет устройства в одном домене коллизий. Сетевой концентратор также обеспечивает бесперебойную работу сети при отключении устройства от одного из портов или повреждении кабеля, в отличие, например, от сети на коаксиальном кабеле, которая в таком случае прекращает работу целиком.

Единственное преимущество концентратора — низкая стоимость — было актуально лишь в первые годы развития сетей Ethernet. По мере совершенствования и удешевления электронных микропроцессорных компонентов данное преимущество концентратора полностью сошло на нет, так как их стоимость вычислительной части коммутаторов и маршрутизаторов составляет лишь малую долю на фоне стоимости разъёмов, разделительных трансформаторов, корпуса и блока питания, общих для концентратора и коммутатора.

Недостатки концентратора являются логическим продолжением недостатков топологии общая шина, а именно — снижение пропускной способности сети по мере увеличения числа узлов. Кроме того, поскольку на канальном уровне узлы не изолированы друг от друга, все они будут работать со скоростью передачи данных самого худшего узла. Например, если в сети присутствуют узлы со скоростью 100 Мбит/с и всего один узел со скоростью 10 Мбит/с, то все узлы будут работать на скорости 10 Мбит/с, даже если узел 10 Мбит/с вообще не проявляет никакой информационной активности. Ещё одним недостатком является вещание сетевого трафика во все порты, что снижает уровень сетевой безопасности и даёт возможность подключения снифферов.

Характеристики сетевых концентраторов:

Количество портов — разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются концентраторы с 4, 5, 6, 8, 12, 16, 24 и 48 портами (наиболее популярны с 4, 8 и 16).

Скорость передачи данных — измеряется в Мбит/с, выпускаются концентраторы со скоростью 10 и/или 100 Mбит/c. Скорость может переключаться как автоматически (на наименьшую из используемых), так и с помощью перемычек или переключателей.

Наличие портов для подключения кабелей Ethernet других типов — коаксиальных или оптических.

Повторитель (репимтер, от англ. repeater) — сетевое оборудование, предназначенное для увеличения расстояния сетевого соединения путём повторения электрического сигнала «один в один». Бывают однопортовые повторители и многопортовые. Одной из первых задач, которая стоит перед любой технологией транспортировки данных, является возможность их передачи на максимально большое расстояние. Физическая среда накладывает на этот процесс своё ограничение — рано или поздно мощность сигнала падает, и приём становится невозможным. Но ещё большее значение имеет то, что искажается «форма сигнала» — закономерность, в соответствии с которой мгновенное значение уровня сигнала изменяется во времени. Это происходит в результате того, что провода, по которым передаётся сигнал, имеют собственную ёмкость и индуктивность. Электрические и магнитные поля одного проводника наводят ЭДС в других проводниках (длинная линия). Привычное для аналоговых систем усиление не годится для высокочастотных цифровых сигналов. Разумеется, при его использовании какой-то небольшой эффект может быть достигнут, но с увеличением расстояния искажения быстро нарушат целостность данных. Проблема не нова, и в таких ситуациях применяют не усиление, а повторение сигнала. При этом устройство на входе должно принимать сигнал, далее распознавать его первоначальный вид, и генерировать на выходе его точную копию. Такая схема в теории может передавать данные на сколь угодно большие расстояния (если не учитывать особенности разделения физической среды в Ethernet).

Первоначально в Ethernet использовался коаксиальный кабель с топологией «шина», и нужно было соединять между собой всего несколько протяжённых сегментов. Для этого обычно использовались повторители (repeater), имевшие два порта. Несколько позже появились многопортовые устройства, называемые концентраторами (concentrator). С появлением протокола 10baseT (витой пары) для избежания терминологической путаницы многопортовые повторители для витой пары стали называться сетевыми концентраторами (хабами), а коаксиальные — повторителями (репитерами), по крайней мере, в русскоязычной литературе.

1.2 Пассивные устройства физического уровня

В отличие от активных устройств, которые могут преобразовывать сигнал, пассивные элементы просто передают сигнал без каких-либо изменений в нём.

К пассивным компонентам физического уровня относятся:

— кабели

— розетки

— штекеры

— Патч-панели

Патч-панель представляет собой набор сетевых розеток, жестко закрепленных в едином корпусе. Как правило, она размещается в кроссовом шкафу или комнате и служит для облегчения прокладки и последующей эксплуатации кабельной системы сети.

Кабель — это комплекс проводников, предназначенный для физического соединения устройств в локальную сеть. Иногда сетевой кабель называют также кабелем передачи данных. От выбора сетевого кабеля зависит тип сетевых карт и коммутатора. Есть 3 основных сетевых проводника с массой вариаций:

Витая Пара (Twisted Pair) — в настоящее время это наиболее распространённый сетевой проводник. По структуре он напоминает многожильный телефонный кабель, имеет 8 медных проводников, перевитых друг с другом, и хорошую плотную изоляцию из поливинилхлорида (ПВХ). Обеспечивает высокую скорость соединения — до 100 мегабит/с (Около 10−12 Мб/Сек) или до 200Мбит в режиме full-duplex. При использовании гигабитного оборудования достижимы скорости до 1000 Мбит. Существует неэкранированная и экранированная витая пара, помимо обычной изоляции у второго типа витой пары существует защитный экран, по структуре и свойствам напоминающий фольгу. При соответствующем заземлении экранированная витая пара обеспечивает отличную защиту от электромагнитных помех.

Full-Duplex — при соединении сетевого адаптера с коммутатором или же при непосредственном соединении коммутаторов между собой, возможно соединение в режиме Full-Duplex на скорости до 200 Мбит. При этом каждый узел одновременно передает и принимает кадры данных. На сегодня многие производители декларируют выпуск как сетевых адаптеров, так и коммутаторов с поддержкой этого режима. Однако, из-за разных способов реализации, эти продукты не всегда корректно работают друг с другом. Проще всего добиться скорости 200 Мбит соединением двух сетевых карт одного производителя с декларированной поддержкой full-duplex.

Коаксиальный Кабель (Coaxial) — Это один из первых проводников, использовавшихся для создания сетей. Содержит в себе центральный проводник, слой изолятора в медной или алюминиевой оплетке и внешнюю ПВХ изоляцию. Максимальная скорость передачи данных — 10 Мбит. Кабель достаточно сильно подвержен электромагнитным наводкам. В случае повреждения ремонтируется с трудом (требуется пайка и тщательная изоляция), но даже после этого восстановленный участок работает медленно и нестабильно.

Расчёт характеристик

Определение погонной ёмкости, погонной индуктивности и волнового сопротивления коаксиального кабеля по известным геометрическим размерам проводится следующим образом. Сначала необходимо измерить внутренний диаметр D экрана, сняв защитную оболочку с конца кабеля и завернув оплетку (внешний диаметр внутренней изоляции). Затем измеряют диаметр d центральной жилы, сняв предварительно изоляцию. Третий параметр кабеля, который необходимо знать для определения волнового сопротивления, — диэлектрическая проницаемость е материала внутренней изоляции. Погонная ёмкость Ch (в системе СИ, результат выражен в фарадах на метр) вычисляется по формуле ёмкости цилиндрического конденсатора:

где е0 — электрическая постоянная.

Погонная индуктивность Lh (в системе СИ, результат выражен в генри на метр) вычисляется по формуле:

где м0 — магнитная постоянная, м — относительная магнитная проницаемость изоляционного материала, которая во всех практически важных случаях близка к 1.

Волновое сопротивление коаксиального кабеля в системе СИ:

(приближённое равенство справедливо в предположении, что м = 1).

Скорость распространения сигнала в кабеле вычисляется по формуле:

где c — скорость света.

Предельное электрическое напряжение, передаваемое коаксиальным кабелем, определяется электрической прочностью S изолятора (в вольтах на метр), диаметром внутреннего проводника (поскольку максимальная напряжённость электрического поля в цилиндрическом конденсаторе достигается возле внутренней обкладки) и в меньшей степени диаметром внешнего проводника:

Оптоволоконный кабель (Optic Fiber) — Кабель содержит несколько световодов, хорошо защищенных пластиковой изоляцией. Он обладает сверхвысокой скоростью передачи данных (до 2 Гбит), и абсолютно не подвержен помехам. Расстояние между системами, соединенными оптоволокном может достигать 100 километров. Идеальный проводник для сети, но стоит он чрезвычайно дорого (около 1−3 $ за метр), и для работы с ним требуется специальные сетевые карты, коммутаторы и т. д. Без специального оборудования оптоволокно практически не подлежит ремонту. Данное соединение применяется для объединения крупных сетей, высокосортного доступа в Интернет (для провайдеров и крупных компаний), а также для передачи данных на большие расстояния.

2. Принципы построения сетей. Физический уровень

2.1 Схемы взаимодействия устройств

Существует 3 схемы взаимодействия устройств:

Симплексная. Обеспечивает одностороннюю передачу (только в одном направлении). Режим передачи данных, при котором передача ведется только в одном направлении по общему каналу связи. Передача в обратном направлении физически невозможна. Такой способ передачи данных используется для передачи сигнала по тв или радио. В этом случае используется один передатчик и много приемников, объединенных общим каналом связи. При таком режиме конфликт передачи может возникнуть только если, к общему каналу связи будет подключенно более одного передатчика.

Рис. 2. Симплексная схема взаимодействия устройств

Полудуплекс. Передача в любую сторону. Используя соответствующее оборудование, можно менять направление потока данных в линии (движение через узкий мост, теннис). Для связи необходимо 2 провода. Система имеет конечное время переключения. При таком режиме передачи данных каждое из устройств, подключенное к общему каналу связи должно быть способно попеременно принимать и передавать сигналы. При таком режиме передачи может возникнуть конфликт (коллизия), когда два и более устройства начнут одновременно передавать сигналы по общему каналу. При возникновении коллизии сигналы в канале связи перемешиваются, и другие устройства не способны воспринимать какой-либо из них по отдельности. Поэтому дальнейшая передача теряет смысл и информация должна быть отправлена заново, что существенно снижает производительность. Такой вид связи используется в основном при обмене информации некоторого количества устройств по общему каналу связи.

Рис. 3. Полудуплексная схема взаимодействия устройств.

Дуплекс. При наличии связи с двумя каналами появляется возможность передавать информацию в обоих направлениях. Обычно, по одному каналу информация передается в одну сторону, а по другому — в другую. Если конечное оборудование способно одновременно передавать и принимать данные, то система в целом может обеспечить двусторонний обмен данными (дорога, отдельная для каждого направления). Для передачи необходимо 4 провода, т. е. 2 канала передачи. Улучшается эффективность системы, т.к. исчезает время переключения каналов. Такой режим преимущественно используется для передачи между двумя устройствами, так как в этом случае не может возникнуть конфликтов передачи. Если же попытаться реализовать такой режим передачи между тремя устройствами и более, то при одновременной передаче информации какому-либо одному устройству другими произойдет конфликт. Таким образом, главное преимущество дуплекса (отсутствие коллизий) будет утеряно.

Рис. 4. Дуплексная схема взаимодействия устройств.

2.2 Архитектура физического уровня

Существует 2 архитектуры физического уровня:

Точка — точка. Два взаимодействующих устройства разделяют одну связь. Она может быть симплексной или полудуплексной.

Рис. 5. Архитектура «точка-точка»

Точка — множество точек. Этот тип архитектуры предполагает, что данные, передаваемые одним устройством физического уровня, принимаются множеством устройств. Такие связи являются симплексными (кабельное телевидение), полудуплексными (10/100 BaseT Ethernet) или дуплексными (SONET).

Рис. 6. Архитектура «точка-множество точек»

На базе этих двух архитектур строятся другие топологии, являющиеся вариацией 2-х базовых архитектур:

Топология «шина» — представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала. Топология общая шина предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Отправляемое какой-либо рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет, кому адресовано сообщение, — если сообщение адресовано ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и «даёт слово» «МАРКЕР» остальным компьютерам такой сети. Шина самой своей структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, — последовательно — потому что линия связи единственная. В противном случае пакеты передаваемой информации будут искажаться в результате взаимного наложения (т. е. произойдет конфликт, коллизия). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно (т. е. последовательно, а не параллельно)).

В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает надежность «шины». (При отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в «шину» достаточно простое и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании «шины» нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другой топологией. Правда, нужно учесть, что к каждому компьютеру (кроме двух крайних) подходят два кабеля, что не всегда удобно. «Шине» не страшны отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети продолжат нормально обмениваться информацией. Но так как используется только один общий кабель, — в случае его обрыва нарушается работа всей сети. Тем не менее может показаться, что «шине» обрыв кабеля не страшен, поскольку в этом случае остаются две полностью работоспособные «шины». Однако из-за особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных устройств — Терминаторов. Без включения терминаторов в «шину» сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Таким образом, при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались физически соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля «шины» выводит из строя всю сеть. Хотя в целом надежность «шины» все же сравнительно высока, так как выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособность сети в целом, поиск, тем не менее, неисправности в «шине» затруднен. В частности: любой отказ сетевого оборудования в «шине» очень трудно локализовать, потому что все сетевые адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто.

Рис. 7. Топология «шина»

При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину линии связи между узлами, — в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами — повторителями, концентраторами или хабами. Например, технология Ethernet позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров.

Рис. 8. «шина» с применением повторителей.

Преимущества и недостатки шинной топологии.

Типичная шинная топология имеет простую структуру кабельной системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость ее реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными, поскольку здесь имеются несколько точек концентрации. Так как среда передачи данных не проходит через узлы, подключенные к сети, потеря работоспособности одного из устройств никак не сказывается на других устройствах. Хотя использование всего лишь одного кабеля может рассматриваться как достоинство шинной топологии, однако оно компенсируется тем фактом, что кабель, используемый в этом типе топологии, может стать критической точкой отказа. Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы.

Топология «звезда» — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем д ругим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, потому что управление полностью централизовано.

Рис. 9. Топология «звезда»

Рабочая станция, с которой необходимо передать данные, отсылает их на концентратор. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета, обе посылки оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует на сетевом устройстве более высокого уровня — коммутаторе, который, в отличие от концентратора, подающего пакет на все порты, подает лишь на определенный порт — получателю. Одновременно может быть передано несколько пакетов. Сколько — зависит от коммутатора.

Существует 2 разновидности топологии «звезда» — активная и пассивная. При активной звезде в центре сети содержится компьютер, который выступает в роли сервера. При пассивной звезде в центре сети с данной топологией содержится не компьютер, а концентратор, или коммутатор, что выполняет ту же функцию, что и повторитель. Он возобновляет сигналы, которые поступают, и пересылает их в другие линии связи. Все пользователи в сети равноправны.

Достоинства топологии «звезда»:

· выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;

· хорошая масштабируемость сети;

· лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;

· высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);

· гибкие возможности администрирования.

Недостатки:

· выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом;

· для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;

· конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

Это одна из наиболее распространённых топологий, поскольку проста в обслуживании. В основном используется в сетях, где носителем выступает кабель витая пара UTP категории 3 или 5.

Топология «кольцо» — это топология, в которой каждый компьютер соединён линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передаёт. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приёмник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. Работа в сети кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в р оли повторителя, потому затухание сигнала во всём кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Чётко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако достаточно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надёжность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует весь обмен. Компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Одни из них обязательно получают информацию от компьютера, который ведёт передачу в этот момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на «кольцо». В этих методах право на следующую передачу (или, как ещё говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совсем безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина», максимальное количество абонентов в кольце может быть достаточно большое (1000 и больше). Кольцевая топология обычно является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самыми большими потоками переданной по сети информации, потому что в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды). В кольце, в отличие от других топологий (звезда, шина), не используется конкурентный метод посылки данных, компьютер в сети получает данные от стоящего предыдущим в списке адресатов и перенаправляет их далее, если они адресованы не ему. Список адресатов генерируется компьютером, являющимся генератором маркера. Сетевой модуль генерирует маркерный сигнал (обычно порядка 2—10 байт во избежание затухания) и передаёт его следующей системе (иногда по возрастанию MAC-адреса). Следующая система, приняв сигнал, не анализирует его, а просто передаёт дальше. Это так называемый нулевой цикл. Последующий алгоритм работы таков — пакет данных GRE, передаваемый отправителем адресату, начинает следовать по пути, проложенному маркером. Пакет передаётся до тех пор, пока не доберётся до получателя.

система данные сетевой передача Рис. 10. Топология «кольцо»

Достоинства топологии «кольцо»:

· Простота установки;

· Практически полное отсутствие дополнительного оборудования;

· Возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий.

Недостатки:

· Выход из строя одной рабочей станции и другие неполадки (обрыв кабеля) отражаются на работоспособности всей сети;

· Сложность конфигурирования и настройки;

· Сложность поиска неисправностей;

· Необходимость иметь две сетевые платы, на каждой рабочей станции;

· Добавление/удаление станции требует временной остановки работы сети.

Наиболее широкое применение получила в волоконно-оптических сетях. Используется в стандартах FDDI, Token ring.

На базе 3 основных топологий строится более сложная топология — «дерево» или «сетка».

Топология «дерево» — построение сети по схеме двоичного дерева, где каждый узел более высокого уровня связан с двумя узлами следующего по порядку более низкого уровня. В древовидной топологии сеть строится по схеме так называемого строго двоичного дерева, где каждый узел более высокого уровня связан с двумя узлами следующего по порядку более низкого уровня. Узел, находящийся на более высоко м уровне, принято называть родительским, а два подключенных к нему нижерасположенных узла — дочерними. В свою очередь, каждый дочерний узел выступает в качестве родительского для двух узлов следующего более низкого уровня. Каждый узел связан только с двумя дочерними и одним родительским.

Такую сеть можно охарактеризовать следующими параметрами: D = 2log2 [(N+1)/2]; d = 1 для краевых узлов, d = 2 для корневого узла и d = 3 для остальных узлов; I = N-1; В = 1. Диаметр для двоичного дерева возрастает пропорционально лишь логарифму числа узлов, в то время как степень узла остается постоянной. Сеть с такой топологией хорошо масштабируется. Основной недостаток топологии — малая ширина бисекции, что предполагает ограниченную полосу пропускания.

При больших объемах пересылок между несмежными узлами древовидная топология оказывается недостаточно эффективной, поскольку сообщения должны проходить через один или несколько промежуточных звеньев. Очевидно, что на более высоких уровнях сети вероятность затора из-за недостаточно высокой пропускной способности линий связи выше. Этот недостаток устраняют с помощью топологии, называемой «толстым» деревом. Идея «толстого» дерева состоит в увеличении пропускной способности коммуникационных линий на прикорневых уровнях сети. С этой целью на верхних уровнях сети родительские и дочерние узлы связывают не одним, а несколькими каналами, причем чем выше уровень, тем больше число каналов. На рисунке это отображено в виде множественных линий между узлами верхних уровней.

Топология двоичного дерева была использована в мультипроцессорной системе DADO из 1023 узлов, разработанной в Колумбийском университете.

2.3 Методы доступа

Метод доступа определяет способ или правила, в соответствии с которыми узел может получить или отправить данные. Методы доступа могут быть:

ь вероятностными;

ь детерминированными;

Вероятностный — узел, желающий послать данные в сеть, прослушивает сеть. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), то попытка передачи откладывается на некоторое время.

Детерминированный метод доступа — узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети, который может быть централизованным (его функции может выполнять сервер) или распределенным (функции выполняются оборудованием всех узлов).

Общий недостаток вероятностных методов доступа — неопределенное время прохождение кадров, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть. Основное преимущество детерминированного метода доступа — ограниченное время прохождения кадра, мало зависящее от нагрузки.

К вероятностным методам доступа относятся:

CSMA/CD — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий.

CSMA/CA — множественный доступ с прослушиванием несущей и избежанием коллизий.

CSMA/CD: узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он начинает передачу кадра, одновременно контролируя состояние линии. При обнаружении коллизий передача прекращается, и повторная попытка откладывается на случайное время. Частота коллизий связана с количеством и активностью подключенных узлов. Применяется в сетевых архитектурах Ethernet, EtherTalk (Apple), IBM PC Network, AT&T StartLAN.

CSMA/CA: узел, готовый послать кадр, прослушивает линию. При отсутствии несущей он посылает короткий сигнал запроса на передачу RTS и определенное время ожидает ответа CTS от адресата назначения. При отсутствии ответа CTS попытка передачи откладывается (предполагается возможность коллизий). При получении ответа в линию посылается кадр. Применяется в сети Apple Local Talk.

Основные типы детерминированного доступа:

Ш доступ с передачей маркера;

Ш поллинг (опрос готовности) узлов на передачу.

Доступ с передачей маркера (token) — Маркер последовательно, от одного ПК к другому передается до тех пор, пока его не получит узел, которому требуется передача данных. Этот узел добавляет к маркеру свои данные, указывает в маркере адрес свой и получателя и отправляет его дальше по кольцу. Маркер с данными проходит по кольцу, пока не достигнет адресуемого узла, который снимает данные (физически они остаются при маркере) и делает пометку в маркере, т. е. формирует подтверждение о получении данных. После этого маркер отправляют дальше. При достижении узла отправителя последний определяет по маркеру судьбу своих данных. При наличии подтверждения данные снимаются с маркера и он, пустой, опять отправляется по кругу. При отсутствии подтверждения от получателя принимает решение повторить или нет передачу. В кольце с диаметром 200 метров маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Поллинг — периодический опрос сервера стандартными пакетами. В ответ сервер во-первых помечает у себя, что клиент онлайн, а во-вторых посылает датаграмму, в которой в специальном формате содержится весь пакет событий, накопившихся к данному моменту. У этого способа есть одна большая проблема, а именно — большие задержки между созданием и получением данных. Сервер отсылает их не тогда, когда они появились, а когда настанет время очередного запроса.

Задержка = время между опросами + установление соединения + передача данных.

Другой минус — лишний входящий трафик на сервер. При каждом запросе браузер передает множество заголовков, причем заголовки всегда идут в несжатом виде. Для некоторых приложений входящий трафик заголовков может в 10 и более раз превосходить исходящий трафик реальных данных.

2.4 Технология передачи данных

Существует 2 основные технологии передачи данных:

· широкополосная передача (аналоговая)

· узкополосная передача (для цифровых сигналов) Широкополосная передача основана на использовании постоянно изменяющихся волн для переноса информации по каналу связи. Их обычно представляют синусоидальной функцией и поэтому называют синусоидальной волной.

Рис. 11. Широкополосная передача данных.

Она может быть описана следующими параметрами:

Частота — представляет собой последовательность переходов, составляющих один цикл (средняя точка, верхний экстремум, средняя точка, нижний экстремум, средняя точка). Количество таких циклов за одну секунду называется частотой синусоидальной волны. Измеряется в циклах за секунду или в герцах.

Амплитуда — представляет собой относительное расстояние между экстремумами волны.

Фаза отдельно взятой синусоидальной волны измеряется относительно другой синусоидальной волны (опорной) и выражается как угловой сдвиг между этими двумя волнами. Выражение «две синусоидальные волны сдвинуты по фазе на 180 градусов» означает, что в один и тот же момент одна из волн достигает максимального экстремума, а другая — минимального.

Рис. 12. Виды различий между волнами.

Узкополосная передача:

Полярное кодирование. Основано на использовании дискретных состояний канала связи для передачи по нему информации. Эти дискретные состояния обычно представлены как некие импульсы (как правило, напряжения) и носят название прямоугольной волны. Разработано множество схем представления цифровых сигналов или цифрового кодирования. Цифровая единица представлена напряжением +12V, а цифровой ноль — напряжением -12V.

Рис. 13. Полярное кодирование.

Униполярное кодирование.

Рис. 14. Униполярное кодирование.

Биполярное кодирование (с возвратом к нулю). Цифровые нули представлены отсутствием напряжения, а цифровые единицы — знакогенерирующимися 3-х вольтовыми импульсами.

Рис. 15. Биполярное кодирование Потенциальное кодирование — информативным является уровень сигнала в определенные моменты времени.

Потоковое кодирование — информативным является наличие или отсутствие тока в линии.

Если необходимо передать цифровые данные по аналоговой линии передачи, необходим механизм представления цифровых данных в форме синусоидальной волны, чтобы показать присутствие единиц и нулей.

Если выполняется манипулирование амплитудой, то это амплитудная модуляция. Частотой — частотная модуляция. Фазой — фазовая модуляция.

Рис. 16. Виды модуляций.

Для передачи данных, особенно по телефонным линиям, применяется переменный ток. Непрерывный сигнал на частоте от 1000 до 2000Гц называется синусоидальной несущей частотой. Амплитуда, частота, фаза несущей могут изменяться (модулироваться) для передачи информации. При амплитудной модуляции используются 2 разные амплитуды сигнала, соответствующие значениям 0 и 1 (рис. 15. б). Амплитуда либо нулевая, либо ненулевая).

При частотной модуляции для передачи цифрового сигнала используется несколько различных частот (рис. 15. в).

При простейшей фазовой модуляции применяется сдвиг фазы несущей частоты на 180 градусов через определенные интервалы времени (рис. 15. г). Два состояния кодируются наличием либо отсутствием фазового сдвига на границе каждого бита.

Устройство, принимающее последовательный поток битов, и преобразующее его в выходной сигнал, модулируемый одним или несколькими из приведенных способов, а также выполняющее обратные преобразования называется модемом. Устанавливается между цифровым компьютером и аналоговой телефонной линией. Все хорошие модемы используют комбинированные методы модуляции сигналов для передачи максимального количества бит.

3. Практическое задание

Задание: Разработать адресное пространство ЛКС, реализующее задачу разграничения внутреннего адресного пространства на N=24 независимых подсетей. Внешний IP-адрес относится к категории «B». Разработать топологию сети и рассчитать максимальное количество хостов в каждой из подсетей.

Для решения поставленной задачи проанализируем методы разграничения внутреннего адресного пространства на независимые подсети.

В такой ситуации возможны два пути. Первый из них связан с получением от NIC дополнительных номеров сетей. Второй способ, употребляющийся более часто, связан с использованием так называемых масок, которые позволяют разделять одну сеть на несколько сетей. Маска — это число, двоичная запись которого содержит единицы в тех разрядах, которые должны интерпретироваться как номер сети.

Стандартное значение маски подсети для IP-адреса категории «B»

255.255.0.0

Подобное отображение маски удобно для восприятия и запоминания, но малопонятно для расчета. Для наглядного и удобного расчета преобразуем десятичную форму представления маски подсети в двоичную. Для этого воспользуемся методом деления на два с остатком. Результат будем отображать в виде таблицы.

Таблица 1

Из преобразования следует, что двоичное представление числа 255 это 11 111 111. Исходя из чего двоичное представление маски подсети будет иметь вид: 11 111 111.11111111.0.00000000

Для отображения числа 24 нам потребуется 5 разрядов двоичного числа. Из чего следует, что для разграничения внутреннего адресного пространства нам необходимо выделить для маски подсети дополнительные 5 разрядов 3-го октета. Получившаяся маска подсети будет иметь вид:

11 111 111.11111111.11 111 000.00000000

Для более удобного восприятия преобразуем двоичное представления маски подсети в десятичный формат.

11 111 111>(10) =1*20+1*21+1*22+1*23+1*24+1*25+1*26+1*27=255

11 111 000>(10) =0*20+0*21+0*22+1*23+1*24+1*25+1*26+1*27=248

Полученное значения маски подсети:

255.255.248.0

Пусть сеть имеет номер 129.44.0.0 (10 000 001 101 100 0 0), из которого видно, что она относится к классу В. После наложения маски на этот адрес число разрядов, интерпретируемых как номер сети, увеличилось с 16 до 21, то есть администратор получил возможность использовать вместо одного, централизованно заданного ему номера сети, 32:

Результат вычисления возможных номеров подсетей отобразим в таблице.

Таблица 2

Исходя из того, что маска имеет значение 255.255.248.0 (11 111 111 11 111 111 11 111 000 0). IP-адрес 129.44.141.15 (10 000 001 101 100 10 001 101 1 111), который по стандартам IP задает номер сети 129.44.0.0 и номер узла 0.0.141.15, теперь, при использовании маски, будет интерпретироваться как пара:

129.44.136.0 — номер сети, 0.0. 5.15 — номер узла.

Таким образом, установив новое значение маски, можно заставить маршрутизатор по-другому интерпретировать IP-адрес. При этом два дополнительных последних бита номера сети часто интерпретируются как номера подсетей

Определение максимального количества хостов.

Расчет максимального количества хостов заключается в определении максимального числа которое может быть выражено при помощи оставшегося количества разрядов двоичного представления IP-адреса.

Таблица 3

Исходя из таблицы 3 видно, что минимальное значение IP-адреса это: 0.1(0.00000001).

Максимальное значение:8.254(111.11111110). Для определения максимального количества хостов определим наибольшее число которое может быть выражено при помощи оставшихся 11 разрядов двоичного представления IP-адреса.

11 111 111 111>(10)= =1*20+1*21+1*22+1*23+1*24+1*25+1*26+1*27+1*28+1*29+1*210 =2047

Исключая из числа возможных IP-адресов зарезервированные значения получаем что максимальное количество хостов в полученном адресном пространстве подсети будет 2046.

Мин. узел: 129.44.0.1 (10 000 001.00101100.0.00000001)

Макс. узел: 129.44.255.254 (10 000 001.00101100.11 111 111.11111110)

Разработка топологии сети.

Подводя итог по заданным условиям разработки внутреннего адресного пространства, получаем параметры топологии сети:

Таблица 4

Рисунок 17.

Топология сети представленная на рисунке 17 реализует поставленную задачу и позволяет создать ЛКС в соответствии с условием.

Заключение

Физический уровень модели OSI — это уровень, основанный исключительно на аппаратных устройствах. Задача этого уровня — передавать информацию через физическую среду, такую как оптоволокно, медные проводники в витой паре, либо с помощью электромагнитных волн (беспроводные сети). Никакой обработки информации на этом уровне не происходит, только генерирование и передача сигнала, усиление, ретранслирование с одного порта на множество других, передача сигнала в определённый момент (чтобы избежать коллизий сигналов) и т. п. Исключение составляют только трансивер и медиаконвертер, задача которых — преобразовывать сигнал, предназначенный для передачи в одной физической среде, в сигнал, предназначенный для передачи в другой среде. Это самый основной уровень сети, без него невозможна работа остальных уровней.

Список использованных источников

1. Цилькер Б. Я. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов / Б. Я. Цилькер, С. А. Орлов. — 2-е изд. — СПб.: Питер, 2011. — 688 с. — ISBN 978−5-49 807−862−5.

2. Н. И. Белоруссов, И. И. Гроднев. Радиочастотные кабели. 2-е изд., перераб. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.

3. Т. И. Изюмова, В. Т. Свиридов. Волноводы, коаксиальные и полосковые линии. — М.: Энерия, 1975.

4. Д. Я. Гальперович, А. А. Павлов, Н. Н. Хренков. Радиочастотные кабели. — М.: Энергоатомиздат, 1990.

5. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник/Н. И. Белоруссов, А. Е. Саакян, А. И. Яковлева: Под ред. Н. И. Белоруссова. — 5 изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 536 с.; ил.

6. Любительская радиосвязь на КВ. Под ред. Б. Г. Степанова. — М.: Радио и связь, 1991.

7. Листвин А. В., Листвин В. Н., Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. — М.: ЛЕСАРарт, 2003. — 288 с. — 10 000 экз. — ISBN 5−902 367−01−8.

8. А. Филимонов. Построение мультисервисных сетей Ethernet. — М.: BHV, 2007. ISBN 978−5-9775−0007−4.

9. Руководство по технологиям объединенных сетей. 4-е изд. — М.: Вильямс, 2005. ISBN 5−8459−0787-X.

10. Intuit: Н. Н. Васин — Построение сетей на базе коммутаторов и маршрутизаторов.