Перевірка доступності середовища передачі.
Реалізація механізмів виявлення та корекції помилок. Для цього на канальному рівні біти групуються в фрейми (frames), забезпечується коректність передачі кожного кадру, вміщуючи спеціальну послідовність біт в початок і кінець кожного кадру, щоб відзначити його, а також обчислює контрольну суму.
Управління параметрами зв'язку (швидкість, повтор)
У протоколах канального рівня, використовуваних в локальних мережах, закладена структура зв'язків і способи їх адресації тільки для мережі з певною топологією. До топологиям відносяться шина, кільце і зірка. Прикладами протоколів канального рівня є протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
В глобальних мережах, Канальний рівень забезпечує обмін повідомленнями між двома сусідніми комп'ютерами, сполученими індивідуальною лінією зв'язку. Прикладами протоколів "точка - точка" (як часто називають такі протоколи) можуть служити широко поширені протоколи PPP і LAP-B.
Протоколи: IEEE 802.1 (описуються пристрої (комутатори, мости))
Ділиться на LLC - 802.2 і на МАС (CSMA / CD) - 802.3,
МАС (Token Ring) - 802.5,
МАС (Ethernet) - 802.4
Структура кадру Ethernet: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
1) Пріамбула (початок передачі кадру - 8 байт)
2) Адреса одержувача (2-6 байт МАС-адреса одержувача, 2 байта для кільця)
3) Адреса відправника (2 6)
4) Довжина поля даних (2 байти)
5) Поле даних (64 - 1500 байт)
6) Контрольна сума
Протокол LLC: 1 LLC 802.2
| DSAP1байт | SSAP1байт | Control 1 байт | дані |
2 LLC 802.2 SNAP
| DSAP 2байта | SSAP 2байта | Control 3 байта | Тип сімейства протокола3байта | Тип протоколу 2 байта | дані |
DSAP -зазначає протокол одержувача
SSAP - указ. протокол відправника
Control - т для управління з'єднанням
Тип сімейства - (IPX / SPX, X.25, ATM, TCP / IP = 0)
Тип протоколу - 0 × 0800 - IP, 0 × 0806 - ARP
МАС-адреса (48 біт): визначається 3 типи: індивідуальний, широкомовний, груповий
| 0 | 0 | 22біта | 24біта |
00 -ндівідуальний адреса, 11 - широкомовний, 10 - груповий.
22 біта - код організації виробника
24 біта - код мережевого адаптера
23. КАНАЛИ Т1 / Е1.
Канали Т1 / Е1 Виділені канали Т1 / Е1 стали в останні роки дуже популярні в якості засобу для підключення корпоративних мереж і серверів до мережі Internet. Це пояснюється високими швидкостями даних каналів: 1,544 Мбіт / с в каналі Т1 і 2,048 Мбіт / с - для El.
Лінії Т1 - це дуплексні цифрові канали, які були спочатку розроблені для передачі викликів між телефонними станціями. Фізично зв'язок здійснюється по двох парах телефонного крученого дроту (одна пара в одну сторону, друга - у зворотний).
AMIУ каналі застосовується біполярний кодування(Bipolar encoding). .Цей метод має й іншу назву - альтернативне інвертування логічних одиниць(AMI). Відсутність напруги в мережі відповідає нулю, а для подання одиниць використовуються по черзі позитивні і негативні імпульси. Приклад такого кодування в порівнянні зі стандартним уявленням (у вигляді коду NRZ)
Синхронізаціяя.
Довга послідовність логічних нулів може призвести до втрати синхронізації у приймача. Для боротьби з цим застосовується методбіполярной заміни 8 нулів- (B8ZS).
Кожна виявлена передавачем група з 8 нулів замінюється їм на деякий «безглузде слово». При прийомі з каналу виконується зворотне перетворення. Для виділення цієї замінної комбінації (як ознака для початку її розпізнавання) використовується послідовна передач, без інвертування двох позитивних одиниць (що неприпустимо в звичайній послідовності коду AMI). На малюнку 5.2 представлений приклад такої замінює комбінації.
кадрова синхронізація
Канал Е1 складається з 24 окремих каналів по 64 Кбіт / с в кожному. Застосовується розбивку переданої інформації на кадри. Найбільшого поширення набули методи D4 і ESF (крім того в лініях ЕЗ часто використовується алгоритм Ml3).
алгоритм D4
Кадр містить 1 біт синхронізації і 24 байта даних (див. Рис.5.3). Таким чином загальна довжина кадру становить 193 біта.
Група з 12 кадрів забезпечується спеціальною 12-бітової маскою (див. Рис), яку називають сигналом вирівнювання кадру(Frame alignment signal). Група з 12 кадрів називається суперкадром.
алгоритм ESFАлгоритм формування суперкадрів ESF (Extended SuperFrame) відрізняється тим, що розмір суперкадра був збільшений з 12 до 24 кадрів. В такому суперкадрі кз 24 службових біт тільки 6 використовуються для цілей синхронізації. З решти 18 біт - 6 служать для корекції помилок і 12 -для поточного контролю за станом лінії.
алгоритм М13Призначений для каналів ТЗ (44,476 Мбіт / с). Кадр містить 4760 біт. З них 56 біт використовуються для вирівнювання кадру (кадрової синхронізації), корекції помилок і відстеження стану лінії.
Імпульсно-кодова модуляція (ІКМ)
Канали Т1 спочатку призначалися для передачі телефонних розмов, але по цифровій лінії.
за звичайному телефонусигнал передається як аналоговий в діапазоні частот від 300 до 3400 гц. Для перекладу аналогового сигналу в цифрову форму застосовується імпульсно-кодова модуляція (ІКМ) - Pulse Code Modulation (PCM). Для цієї мети вводиться блок АЦП, який переводить амплітуду аналогового сигналу в цифровий відлік з 8 біт. Частота зняття таких відліків була обрана з урахуванням теореми Найквіста(Nyquist). Відповідно до цієї теоремою для адекватного перетворення сигналу з аналогової форми в цифрову частотадискретизації повинна в 2 рази перевищувати частоту діскретізіруемого сигналу. Стосовно до телефонних каналах була обрана частота 8000 опитувань в секунду. Таким чином цифрова лінія повинна володіти пропускною спроможністю 8 х 8000 = 64 Кбіт / с.
мультиплексуванняУ лінії Т1 збираються разом 24 таких цифрових каналів по 64 Кбіт / с. У підсумку загальна пропускна здатність становить 1,544 Мбіт / с. Для об'єднання застосовується тимчасове мультиплексування каналів- Time Division Multiplexing (TDM). Вся доступна смуга частот ділиться на елементарні часові інтервали по 125 мкс. Пристрій монополізує всю смугу частот на період такого елементарного інтервалу.
Завдяки мультиплексуванню по лінії Т1 можна передавати одночасно звукові сигнали, цифрові дані і відеосигнали. У разі необхідності вся доступна пропускна здатність 1,544 Мбіт / с може бути монополізована одним потоком даних.
структура системиНа малюнку показана можлива структура кінцевого пристрою для роботи з лінії Т1. Тут CSU- модуль обслуговування каналу, a DSl - це модуль обслуговування даних.
Дробові лінії Т1Користувач може орендувати тільки частина каналу Т1. При цьому він може оплатити будь-яку кількість (від 1 до 24) канал DSO (Digital Sygnal 0) по 64 Кбіт / с.
канали E1В Європі 1TU- Міжнародний союз по електрозв'язку - запропонував дещо іншу класифікацію таких цифрових каналів. Основою є капав Е1, що містить 30 каналів USO (по 64 Кбіт / с) і додатково 1 канал для синхронізації і 1 канал для передачі службової інформації. Пропускна здатність каналу Е1 становить 2,048 Мбіт / с.
Середовище передачіДля організації каналів типу Т1 можуть використовуватися різні середовища. Наприклад: дві пари кручених провідників - дозволяють організувати канал Т1; в коаксіальному кабелі можуть бути організовані 4 канали Т1; надвисокочастотний кабель дозволяє розмістити 8 ліній Т1; оптоволоконний кабель може містити до 24 ліній Т1.
мережі ISDN
Цифрові мережі інтегрального обслуговування ISDN (Integrated Services Digital Network) знаходять широке застосування в якості альтернативи підключення за допомогою каналів Т1 / Е1. Різниця полягає в основному в способі оплати. За повний (або частина) каналу Т1 стягується фіксована (досить висока) абонентська плата. У мережах ж ISDN все одно буде оплачуватися тільки за час підключення.
Технологія ISDN дозволяє одночасно передавати голосові і цифрові дані, забезпечує високошвидкісне підключення до глобальних мереж. Розроблено була ця технологія для того, щоб забезпечити інтегральні потреби невеликого офісу.
Аналогічно каналах Т1 ця технологія базується на використанні цифрового каналу 64 Кбіт / с. Аналогові (голосові) дані попередньо дискретизируются (проводиться семплірованіє - sampling) 8000 разів в секунду. Кожен відлік є 8 біт інформації. Тобто використовується ІКМ.
По-каналОсновним компонентом будь-якої лінії ISDN є односпрямований В-канал з пропускною спроможністю 64 Кбіт / с. По ньому можуть передаватися оцифровані аудіо- або віддання або власне цифрові дані.
D-каналВикористовується для передачі службової інформації. Це, наприклад, сигнали встановлення та розриву з'єднання. Вся ж смуга По-каналу призначається тільки для передачі корисної інформації.
Є дві стандартні для ISDN конфігурації каналів: BRI і PRI /
інтерфейс BRIЦе логічне об'єднання двох В-каналів по 64 Кбіт / с і одного D-каналу з пропускною спроможністю 16 Кбіт / с. BRI (Basic Rate Interface) -I інтерфейс передачі з номінальною швидкістю.
Інтерфейс BRJ є конфігурацією оптимальної для віддалених користувачів і невеликих офісів. Загальна його пропускна здатність- 128 Кбіт / с, а D-канал використовується тільки для передачі службової інформації BRI дозволяє підключити до 8 пристроїв (телефонних, цифрових і відео).
Для обміну по D-каналу використовується протокол SS7 (Signalling System Number 7).
інтерфейс PRI PRI (Primary Rate Interface) - інтерфейс передачі з базової швидкістю. Цей інтерфейс відповідає максимальної швидкостіпередачі по лінії Т1. Конфігурація PRI складається з 23 каналів по 64 Кбіт / с (В-каналів) і одного D-каналу з пропускною спроможністю 64 Кбіт / с. Отже користувач може вести передачу зі швидкістю 1,472 Мбіт / с.
В європейських лініях ISDN конфігурації PRI відповідає 30 В-каналів (тому що Е1 містить саме стільки каналів передачі корисної інформації).
підключення користувачаНа малюнку 5.5 приведена типова конфігурація апаратних засобів абонентського комплексу ISDN.
Пристрій NT1 (Network Terminator 1) використовується для підключення абонента до цифрового каналу.
Пристрій NT2 (Network Terminator 2) займає проміжний рівень між NT1 і будь-яким термінальним обладнанням. Це можуть бути маршрутизатори мереж ISDN і цифрові офісні АТС.
Термінальним пристроєм першого типу ТЕ1 (Terminal Equipment 1) вважається призначене для користувача устаткування, яке в змозі підключатися до пристроїв типу NT. Це, наприклад, робочі станції ISDN, факсимільний апарат, телефони ISDN.K термінальним пристроям другого типу ТЕ2 (Terminal Equipment 2) відноситься все обладнання, яке не може безпосередньо підключатися до NT2 (аналогові телефони, ПК і т.д.), а вимагає для цього застосування спеціального термінального адаптера ТА (Terminal Adapter).
апаратураПроводка робиться скрученим мідним дротом (кручена пари) UTP класу не менше 3 (вона забезпечує передачу зі швидкістю до ЮМбіт / с). Для інтерфейсу BR1 потрібно одна пара UTP, а для інтерфейсу PRI - 2 пари UTP.
Пристрій NT1 досить просте, тому його часто інтегрують в термінальне обладнання.
Апаратура ISDN у користувача може бути вбудованою або автономною. Вбудований пристрій може бути і комбінованим, тобто містити NT1 і кілька термінальних адаптерів ТА. Зовнішні термінальні адаптери зовні виглядають аналогічно модему, тому їх часто називають ISDN-модемами (хоча там немає ні модуляції, ні демодуляції). Дуже часто використовують ще один тип апаратури - маршрутизатори ISDN - Ethernet. Вони виконують і роль моста між каналом і локальною мережею, тобто це router-bridge.
Н-канали ITU випустив стандарти на Н-канали ISDN. Вони включають п'ять конфігурацій, починаючи з АЛЕ (включає 6 По-каналів - пропускна здатність 384 Кбіт / с, призначений для підтримки відеоконференцій) і закінчуючи каналом Н4 (включає 2112 D-каналів, пропускна здатність - 135 Мбіт / с, орієнтований на трансляцію передачу відео- і аудіо).
послуги ISDN ISDN-канал може забезпечувати безліч додаткових послуг, наприклад: конференц-зв'язок; пересилання вхідних дзвінків на інший номер телефону; визначення номера абонента; організація робочих груп і т. д.
Мережі Frame Relay
Мережі, що використовують протоколи Х.25, виявилися надійними, але недостатньо високошвидкісними. У зв'язку зцим були запропоновані модифікації, орієнтовані на дуже високі швидкості передачі - це, зокрема, мережі Frame Relay та aТМ.
Родоначальником технології Frame Relay - ретрансляції кадрів - була на початку 90-х років американська компанія WILTEL, яка мала велику мережу оптоволоконних ліній, прокладених вздовж залізниць. Технологія Frame Relay на відміну від Х.25 дозволила забезпечити швидкості передачі, сумісні з каналами Т1 (1,5 Мбіт / с) і ТЗ (45 Мбіт / с), тоді як у Х.25 це була зазвичай швидкість 64 Кбіт / с.
Формат кадру Суть цієї технології полягає у відмові від 3-го (мережевого) рівня Х.25. Обмежуються використанням 2-го (канального) рівня, де передача ведеться кадрами. Видозмінюється тільки заголовок кадру:
Заголовок кадру Frame Relay містить:
10-бітове поле DLCI- ідентифікатора каналу передачі даних. Це поле використовується маршрутизаторами для знаходження вузла призначення, тобто це інформація для ретрансляції кадру.
З інших шести біт заголовка:
3 біта виконують роль прапорів перевантаження;
1 біт - дозволяє знизити пріоритет кадру (називається бітом DE);
2 біта - зарезервовано.
Швидкість передачі
Швидкість передачі узгоджується з провайдером у вигляді трьох параметрів:
- CIR- узгоджена швидкість передачі;
Bс - узгоджена величина розширення трафіку;
Be - гранична величина розширення трафіку.
Трафік об'ємом Be може прийматися мережею тільки обмежений проміжок часу.
Передача графіка об'ємом Нд допускається, тільки якщо завантаження мережі в середньому не перевищить узгодженого значення CIR.
У разі перевищення навантаження пакет може бути або відкинутий маршрутизатором, або ж в ньому встановлюється в «1» біт DE(Зниження пріоритету), а й цьому випадку такий пакет дозволяється при необхідності знищити будь-якого наступного але шляху проходження маршрутизатора.
типи каналів
Технологія Frame Relay може працювати на двох типах каналів:
PVC - постійний віртуальний канал;
SVC- комутований віртуальний канал.
Канали PVC визначаються на етапі конфігурації системи і гарантують, що пакети завжди будуть доставлятися по одному і тому ж маршруту. Канали SVC встановлюються кожного разу на початку передачі (на етапі встановлення з'єднання), що дозволяє уникати несправних ділянок мережі.
Захист від помилок
У мережі Frame Relay проводиться перевірка правильності кадру (за допомогою аналізу поля FCS) і, якщо виявлені помилки, кадр стирається. Однак повторна передача таких стертих кадрів при цьому не вимагається. Вважається, що за складання повідомлення і запит недоставлених кадрів повинен відповідати протокол більш високого рівня - транспортний (відповідальний за межконцевую доставку). Таким чином ці мережі орієнтовані на застосування високоякісних оптоволоконних каналів, в яких помилки досить рідкісні, а тому низька і ймовірність повторних передач пакета.
мережі АТМ
Мережі ATM були розроблені в якості ще однієї альтернативи мереж Х.25. Швидкість передачі в цій мережі знаходиться і діапазоні від 25,5 Мбіт / с до 2,488 Гбіт / с. Як середовище передачі можуть використовуватися різні носії, починаючи з неекранованої кручений пари UTР класу 3 аж до оптоволоконних каналів.
Ця технологія відома також під назвою Fast Packet Switching -швидка комутація пакетів.
Високі швидкості передачі забезпечуються за рахунок:
1. фіксованого розміру кадру - 53 байта
2. Відсутність будь-яких заходів щодо забезпечення правильності передачі. Це завдання переноситься на більш високі протокольні рівні (транспортний).
Технологія ATM відноситься за концепцією OSI до другого (канального) рівня. Кадри в ATM називаються осередками(Cell). Формат такого осередку показаний на лівому малюнку.
Тема осередки (5 байт) містить:
Ідентифікатор віртуального шляху - VPI (Virtual Path Identifier);
Ідентифікатор віртуального каналу - VCI (Virtual Channel Identifier);
Ідентифікатор типу даних (3 біта);
Поле пріоритету втрати осередки (1 біт);
Поле контролю помилок в заголовку (8 біт) - це сума по mod 2 байтів заголовка. Протоколи вищого рівня розрізають свої повідомлення на сегменти
по 48 байт і помещаються в поле інформації осередки.
Технологія ATM підтримує 2 типи каналів (аналогічно мереж Frame
PVC - постійні віртуальні канали;
SVC- комутовані віртуальні канали.
На канальному рівні ATM виділяються 2 підрівні (див . Малвгорі праворуч): безпосередньо рівень ATM і рівень адаптації ATM.
Рівень адаптації ATM (ATM Adaptation Layer) - AAL - реалізує один з
п'яти режимів передачі:
AAL1- характеризується постійною швидкістю передачі(CBR) і синхронним трафіком.Орієнтований па передачу мови і відеозображень.
AAL2- теж підтримує синхронну передачу,але використовує змінну бітову швидкість(VDR). Oн поки, на жаль, ще не реалізований.
AAL3 / AAL4(Об'єднані в єдиний протокол) - орієнтовані на змінну бітову швидкість(VBR). Синхронізація не забезпечується. AAL4 відрізняється тим, що не вимагає попереднього встановлення з'єднання.
AAL5- аналогічний AAL3, тільки містить менший обсяг службової інформації.
За протоколами AAL1 і AAL2 передаються порції по 48 байт інформації (1 байт - службовий). Протоколи AAL3 - AAL5 припускають передачу блоків (розрізаних на сегменти) розміром до 65536 байт.
Рекомендація X.25 описує три рівні протоколів - фізичний, рівень ланки передачі даних і мережевий. Фізичний рівень описує рівні сигналів і логіку взаємодії на рівні фізичного інтерфейсу. Ті з читачів, яким доводилося наприклад підключати модем до послідовному портуперсонального комп'ютера (інтерфейс RS-232 / V.24) мають уявлення про цей рівень. Другий рівень (LAP / LAPB), з тими чи іншими модифікаціями, також досить широко представлений зараз в обладнанні масового попиту: в обладнанні модемів, наприклад, - протоколами групи MNP, що відповідають за захист від помилок при передачі інформації по каналу зв'язку, а також в локальних мережах на рівні LLC. Другий рівень протоколів відповідає за ефективну і надійну передачу даних в з'єднанні "точка-точка", тобто між сусідніми вузлами мережі X.25. Даним протоколом забезпечується захист від помилок при передачі між сусідніми вузлами і управління потоком даних (якщо приймаюча сторона не готова приймати дані, вона сповіщає про це передавальну сторону, і та призупинення передачі). Крім того, даний протоколмістить параметри, змінюючи значення яких, можна отримати оптимальний за швидкістю передачі режим в залежності від протяжності каналу між двома точками (часу затримки в каналі) і якості каналу (ймовірності спотворення інформації при передачі). Для реалізації всіх зазначених вище функцій в протоколах другого рівня вводиться поняття "кадру" ( "frame"). Кадром називається порція інформації (бітів), організована певним чином. Починає кадр прапор, тобто послідовність бітів строго певного виду, що є роздільником між кадрами. Потім йде поле адреси, яка в разі двухточечного з'єднання зводиться до адресою "А" або адресою "B". Далі йдуть поле типу кадру, яке вказує, чи несе кадр в собі інформацію, або є чисто службовим, тобто наприклад гальмує потік інформації, або сповіщає передавальну сторону про прийом / неприйняття попереднього кадру. У кадрі є також поле номера кадру. Кадри нумеруються циклічно. Це означає, що при досягненні певного порогового значення, нумерація знову починається з нуля. І нарешті закінчується кадр перевірочної послідовністю. Послідовність підраховується за певними правилами при передачі кадру. З цієї послідовності на прийомі відбувається перевірка, чи не відбулося спотворення інформації при передачі кадру. Під час налаштування параметрів протоколу до фізичними характеристикамилінії можна змінювати довжину кадру. Чим коротше кадр, тим менше ймовірність того, що він буде спотворений при передачі. Однак якщо лінія хорошої якості, то краще працювати більш довгими інформаційними кадрами, тому що зменшується відсоток надлишкової інформації, що передається по каналу (прапор, службові поля кадру). Крім того, можна змінювати число кадрів яке передає сторона посилає, не чекаючи підтвердження від приймаючої сторони.
Цей параметр пов'язаний з т.зв. "Модулем нумерації", тобто значенням порога, досягнувши якого нумерація знову починається з нуля. Це поле може бути одно 8 (для тих каналів, затримка передачі інформації в яких не дуже велика) або 128 (для супутникових каналів наприклад, коли затримка при передачі інформації по каналу велика). І нарешті, третій рівень протоколів - "мережевий". Цей рівень найбільш цікавий в контексті обговорення мереж X.25, так як саме він визначає в першу чергу специфіку цих мереж.
Функціонально даний протокол відповідає в першу чергу за маршрутизацію в мережі передачі даних X.25, за доведення інформації від "точки входу" в мережу до "точки виходу" з неї. На своєму рівні протокол третього рівня також структурує інформацію, тобто розбиває її на "порції". На третьому рівні порція інформації називається "пакетом" ( "packet"). Структура пакета багато в чому аналогічна структурі кадру. У пакеті є свій модуль нумерації, свої поля адреси, типу пакета, своя контрольна послідовність. При передачі пакет поміщається в поле даних інформаційних кадрів (кадрів другого рівня). Функціонально поля пакета відрізняються від відповідних полів кадру. В першу чергу це стосується поля адреси, яке в пакеті складається з 15 цифр. Це поле пакету має забезпечувати ідентифікацію абонентів у рамках всіх мереж пакетної комутації по всьому світу
МЕРЕЖА ІНТЕРНЕТ
Інтернет - це всі мережі, які взаємодіючи з допомогою протоколу IP, утворюють «безшовну» мережу для своїх користувачів. В даний час в Інтернет входять десятки тисяч мереж і їх число постійно збільшується. У 1980 році на Internet було 200 комп'ютерів. Число підключених до мережі комп'ютерів продовжує збільшуватися приблизно на 15% в місяць. Масштаби Internet істотно збільшилися після підключення до неї комерційних мереж. Це були такі мережі, як America Online, CompuServe, Prodigy, Delphi, GEuie, BIX і т.д ..
управління ІнтернетНапрямок розвитку Internet визначає "Суспільство Internet" (ISOC -Internet Society). Це організація, яка працює на громадських засадах; її метою є сприяння глобальному інформаційному обміну через Internet. Вона призначає Рада старійшин, який відповідає за технічне Керівництво та орієнтацію Internet.
Рада старійшин IAB - (Internet Architecture Board - рада з архітектури Internet) регулярно збирається для затвердження стандартів і розподілу ресурсів. Наявність стандартів має сприяти об'єднанню в мережі комп'ютерів різних платформ(Sun, Macintosh, IBM і т.д.). Кожен комп'ютер в мережі має свій унікальний 32-розрядний адреса. Правила присвоєння адрес визначає IAB.
Є ще один громадський орган - Інженерна комісія IETF (Internet Engineering Task Force). Вона збирається регулярно для обговорення технічних і організаційних питань, а при необхідності формує робочі групи.
Найважливішими завданнями, які розв'язуються канальнимрівнем моделі мережевої взаємодії (іноді цей рівень називають рівнем передачі даних), Є завдання надання певних сервісівмережевому рівню. Основним сервісом є передача даних від мережевого рівня передавальної обчислювальної машини мережному рівню приймаючої машини. На передавальної машині працює процес, який передає біти з мережевого рівня на канальний рівень для передачі їх за призначенням. Робота канального рівня полягає в передачі цих бітів на приймаючу машину так, щоб вони могли бути передані мережному рівню приймаючої машини. Фізично дані передаються по реальним каналам передачі, як схематично показано на Мал. 8.1.а.Однак за допомогою протоколів канального рівня віртуальний шлях передачі даних пов'язує канальні рівні передавальної і приймаючої обчислювальної машини ( Мал. 8.1.б).
Мал. 8.1. Шляхи передачі даних: а - віртуальний; б - фактичний
Протоколи канального рівня описують, яким чином логічні біти або символи, що передаються фізичним рівнем, об'єднуються в більш великі одиниці - кадри. Узагальнена структура кадру показана на Мал. 8.2.У загальному випадку, кожен кадр містить заголовок, поле данихі трейлер(Або так званий «Кінцевик»). Управління кадрами - одна з найголовніших функцій роботи канального рівня.
Мал. 8.2. Узагальнена структура кадру протоколу канального рівня
Канальний рівень може надавати різні сервіси та їх набір може бути різним для різних систем. зазвичай розглядаютьсянаступні можливі варіанти:
1) сервіс без підтверджень прийому кадрів і без встановлення з'єднання;
2) сервіс з підтвердженнями прийому кадрів і без встановлення з'єднання;
3) сервіс з підтвердженнями прийому кадрів і з встановленням з'єднання.
Сервіс без підтверджень прийому кадрів і без встановлення з'єднанняполягає в тому, що передає машина посилає незалежні кадри приймаючої машині, а приймаюча машина не посилає підтверджень про прийом кадрів. Ніякі з'єднання заздалегідь не повинні встановлюватися і розриваються після передачі кадрів. Якщо який-небудь кадр втрачається через перешкоди в лінії зв'язку, то на канальному рівні не робиться ніяких спроб відновити його. Даний клас сервісів прийнятний при дуже низькому рівні помилок. У цьому випадку питання, пов'язані з відновленням втрачених під час передачі даних, можуть бути передані для вирішення верхніх рівнів. Цей клас сервісів також застосовується в лініях зв'язку реального часу (наприклад, при передачі мови), в яких явно краще отримати спотворені дані, ніж отримати їх з великою затримкою. Сервіс без підтверджень і без встановлення з'єднання використовується на канальному рівні в більшості локальних мереж.
Наступним кроком в бік підвищення надійності є сервіс з підтвердженнями прийому кадрів, але без встановлення з'єднання. При його використанні з'єднання не встановлюється, але отримання кожного кадру підтверджується. Таким чином, відправник знає, чи дійшов кадр до пункту призначення в цілісності. Якщо протягом встановленого інтервалу часу підтвердження не надходить, кадр посилається знову. Такий сервіс застосовується в разі низькоякісних дешевих ліній зв'язку з великою ймовірністю помилок, наприклад, в бездротових системах.
Найбільш складним сервісом, який може надавати канальний рівень, є сервіс, орієнтований на встановлення з'єднання з підтвердженнями прийому кадрів. При використанні цього методу джерело і приймач, перш ніж передати один одному дані, встановлюють з'єднання. Кожен посилається кадр нумерується, а канальний рівень гарантує, що кожен посланий кадр дійсно прийнятий на іншій стороні лінії зв'язку. Крім того, гарантується, що кожен кадр був прийнятий лише один раз і що всі кадри були отримані в правильному порядку. У сервісі без встановлення з'єднання, навпаки, можливо, що при втраті підтвердження один і той же кадр буде посланий кілька разів і, отже, кілька разів отриманий. При використанні орієнтованого на з'єднання сервісу передача даних складається з трьох фаз. У першій фазі встановлюється з'єднання, при цьому обидві сторони ініціалізують змінні і лічильники, необхідні для стеження за тим, які кадри вже прийняті, а які - ще ні. У другій фазі передаються кадри даних. Нарешті, в третій фазі з'єднання розривається і при цьому звільняються всі змінні, буфери та інші ресурси, що використовувалися під час з'єднання.
Для надання сервісу мережевого рівня канальний рівень повинен використовувати сервіси, що надаються йому фізичною рівнем. Фізичний рівень приймає необроблений потік бітів і намагається передати його за призначенням. Цей потік не застрахований від помилок. Кількість прийнятих бітів може бути менше, дорівнює або більше числа переданих біт. Крім того, значення прийнятих бітів можуть відрізнятися від значень переданих. Канальний рівень повинен виявити помилки і, якщо потрібно, виправити їх.
Зазвичай канальний рівень розбиває потік бітів на окремі кадри і вважає для кожного кадру так звану контрольну суму. Коли кадр прибуває в пункт призначення, його контрольна сума підраховується знову. Якщо вона відрізняється від міститься в кадрі, то канальний рівень «розуміє», що при передачі кадру сталася помилка, і вживає відповідних заходів (наприклад, ігнорує зіпсований кадр і посилає передавальній машині повідомлення про помилку). Розбиття потоку бітів на окремі кадри є не дуже просте завдання. Один із способів розбиття на кадри полягає у вставці тимчасових інтервалів між кадрами, подібно до того, як вставляються прогалини між словами в тексті. Однак мережі рідко надають гарантії збереження тимчасових інтервалів при передачі даних, тому можливо, що ці інтервали при передачі зникнуть або, навпаки, будуть додані нові інтервали. Тому для підвищення надійності передачі даних запропоновані більш досконалі методи. Серед них найбільш популярні такі методи маркування кордонів кадрів ( формування кадрів), Як:
1) підрахунок кількості символів;
2) застосування сигнальних байтів з символьним заповненням;
3) використання стартових і степових бітів з двійкового заповненням;
4) використання заборонених сигналів фізичного рівня.
Перший метод формування кадрів використовує поле в заголовку для вказівки кількості символів в кадрі. Коли канальний рівень на приймаючій машині бачить це поле, він дізнається, скільки символів буде, і таким чином визначає, де знаходиться кінець кадру. Недолік такого методу полягає в тому, що при передачі може бути спотворений сам лічильник. Тоді приймаюча машина втратить синхронізацію і не зможе виявити початок наступного кадру. Навіть якщо контрольна сума не співпаде і приймаюча машина «зрозуміє», що кадр прийнятий невірно, то вона все одно не зможе визначити, де початок наступного кадру. Запитувати повторну передачу кадру також марно, оскільки приймаюча машина не «знає», скільки символів потрібно пропустити до початку повторної передачі. З цієї причини метод підрахунку символів тепер практично не застосовується.
Другий метод формування кадрів вирішує проблему відновлення синхронізації після збою за допомогою маркування початку і кінця кожного кадру спеціальними байтами. Останнім часом більшість протоколів перейшло на використання в обох випадках одного і того ж байта, званого прапоровим. Таким чином, якщо приймач не синхронізований, йому необхідно просто знайти флагової байт, за допомогою якого він розпізнає кінець поточного кадру. Два сусідніх прапорів байта говорять про те, що скінчився один кадр і почався інший. Однак цей метод іноді призводить до серйозних проблемпри передачі бінарних даних, таких як об'єктні коди програм або числа з плаваючою комою. У переданих даних цілком може зустрітися послідовність, яка використовується в якості флагового байта. Виникнення такої ситуації, швидше за все, зіб'є синхронізацію. Одним із способів вирішення проблеми є додавання спеціального escape-символа(Знака перемикання коду - ESC) Безпосередньо перед байтом, випадково співпало з прапоровим байтом всередині кадру. Канальний рівень одержувача спочатку прибирає ці escape-символи, потім передає кадр на мережевий рівень. Цей метод називається символьним заповненням. Таким чином, справжній прапор можна відрізнити від «випадково співпав» з наявністю або відсутністю перед ним символу ESC. Якщо ж і символ ESC випадково виявиться серед інших даних, то перед цим фіктивним escape-символом також вставляється справжній. Тоді будь-який одиночний ESC буде частиною escape-послідовності, а подвійний буде вказувати на те, що службовий байт випадково опинився в потоці даних. Після очищення від вставних символів байтовая послідовності в точності збігається з вихідною. головний недолікцього методу полягає в тому, що він тісно пов'язаний з 8-бітними символами. Тим часом не у всіх кодуваннях один символ відповідає 8 бітам. Наприклад, кодування UNICODE використовує 16-бітове кодування.
Наступний метод дозволяє використовувати кадри і набори символів, що складаються з будь-якої кількості бітів. При цьому кожен кадр починається і завершується спеціальною послідовністю бітів 01111110. Бітове заповнення аналогічно символьному, при якому в кадр перед випадково зустрівся серед даних прапором вставляється escape-символ. Бітове заповнення, як і символьне, є абсолютно прозорим для мережевого рівня обох машин. Якщо флаговая послідовність бітів (01111110) зустрічається в даних користувача, вона передається у вигляді 011111010, але в пам'яті приймає комп'ютера зберігається знову в початковому вигляді: 01111110. Завдяки битовому заповнення кордону між двома кадрами можуть бути безпомилково розпізнані за допомогою прапора послідовності. Таким чином, якщо приймальна сторона втратить кордону кадрів, їй потрібно всього лише відшукати в отриманому потоці бітів флагової байт, оскільки він зустрічається тільки на кордонах кадрів і не може бути присутнім в даних користувача.
Нарешті, останній з розглянутих методів формування кадрів прийнятний тільки в мережах, в яких фізичний носій володіє деякою надмірністю. Наприклад, деякі локальні мережі кодують один біт даних двома фізичними битами. Так в «манчестерському» коді біт 1 кодується парою високого і низького рівнів сигналів (негативний перепад), а біт 0 - навпаки, парою низького і високого рівнів (позитивний перепад). У такій схемі кожен рухаючись біт даних містить в середині перехід, завдяки чому спрощується розпізнавання меж бітів. Комбінації рівнів сигналів (низький-низький і високий-високий) не використовуються для передачі даних, але використовуються в якості обмежувачів кадрів в деяких протоколах.
Відзначимо, що багато сучасних протоколи передачі даних для підвищення надійності застосовують комбіновані методи формування кадру.
Канальний рівень повинен виконувати ряд специфічних функцій, до яких відносяться обробка помилок передачі данихі управління потоком даних, Що виключає «затоплення» повільних приймачів швидкими передавачами.
Серйозною проблемою є гарантована доставка мережному рівню приймаючої машини всіх кадрів з розташуванням їх при цьому в правильному порядку. Зазвичай для гарантування надійної доставки постачальнику надсилається інформація про те, що відбувається на іншому кінці лінії. Протокол вимагає від одержувача посилати назад спеціальні керуючі кадри, що містять позитивні або негативні повідомлення про отримані кадрах. Отримавши позитивне повідомлення, відправник дізнається, що посланий їм кадр успішно отриманий на іншому кінці лінії. Негативний повідомлення, навпаки, означає, що з кадром щось трапилося і його потрібно передати знову. Крім того, посланий кадр може через несправність обладнання або який-небудь перешкоди прірву повністю. В цьому випадку приймаюча сторона його просто не отримає і, відповідно, неможливо прореагує, а відправник при цьому може нескінченно довго очікувати позитивного або негативного відповіді. Щоб уникнути зависання мережі в разі повної втрати кадрів, використовуються таймериканального рівня. Після посилки кадру включається таймер і відраховує інтервал часу, достатній для отримання приймаючої машиною цього кадру, його обробки і посилки назад підтвердження. У нормальній ситуації кадр правильно приймається, а підтвердження надсилається назад і вручається відправнику, перш ніж закінчиться встановлений інтервал часу, і тільки після цього таймер відключається. Однак якщо або кадр, або підтвердження втрачається по дорозі, то встановлений інтервал часу мине, і відправник отримає повідомлення про можливу проблему. самим простим рішеннямдля відправника буде послати кадр ще раз. Однак при цьому виникає небезпека отримання одного і того ж кадру кілька разів канальним рівнем приймаючої машини і повторної передачі його мережному рівню. Щоб цього не сталося, необхідно послідовно пронумерувати відсилаються кадри, так щоб одержувач міг відрізнити повторно передані кадри від оригіналів. Питання управління таймерами і порядковими номерами, що гарантують, що кожен кадр доставлений мережному рівню приймаючої машини рівно один раз, є дуже важливим завданням, розв'язуваної канальним рівнем.
Ще один важливий аспект розробки канального рівня (а також більш високих рівнів) пов'язаний з питанням про те, що робити з відправником, який постійно бажає передавати кадри швидше, ніж одержувач здатний їх отримувати. Така ситуація може виникнути, якщо у сторони, яка передає виявляється більш потужна (або менш завантажена) машина, ніж у приймаючої. При цьому відправник буде продовжує посилати кадри на високій швидкості до тих пір, поки абонент не виявиться, як кажуть, «затоплений» ними. Навіть при ідеально працює лінії зв'язку в певний момент часу одержувач просто не зможе продовжувати обробку прибувають кадрів і почне їх втрачати. для запобігання подібної ситуаціїнайчастіше застосовуються два підходи. При першому, що називається керуванням потоком зі зворотним зв'язком, Одержувач відсилає відправнику інформацію, що дозволяє останньому продовжити передачу або, по крайней мере, що повідомляє про те, як йдуть справи у одержувача. При другому підході - управлінні потоком з обмеженням- в протокол вбудовується механізм, що обмежує швидкість, з якою передавачі можуть передавати дані, а зворотний зв'язок з одержувачем відсутня. Відомі різні схеми управління потоком зі зворотним зв'язком, але більшість з них використовують один і той же принцип. Протокол містить чітко визначені правила, що визначають, коли відправник може посилати наступний кадр. Ці правила часто забороняють пересилання кадру до тих пір, поки одержувач не дасть дозволу (явно або неявно).
фізичний рівень(Physical layer) має справу з передачею бітівпо фізичних каналахзв'язку, таким, як коаксіальний кабель, кручена пара, оптоволоконний кабель або цифровий територіальний канал. До цього рівня мають відношення характеристики фізичних середовищ передачі даних, такі як смуга пропускання, перешкодозахищеність, хвильовий опір і інші. На цьому ж рівні визначаються характеристики електричних сигналів, Що передають дискретну інформацію, таку як крутизна фронтів імпульсів, рівні напруги або струму сигналу, що передається, тип кодування, Швидкість передачі сигналів. Крім того, тут стандартизуються типи роз'ємів і призначення кожного контакту.
фізичний рівень :
передача бітівпо фізичних каналах;
формування електричних сигналів;
кодуванняінформації;
синхронізація;
модуляція.
Реалізується апаратно.
функції фізичного рівняреалізуються у всіх пристроях, підключених до мережі. З боку комп'ютера функції фізичного рівнявиконуються мережним адаптеромабо послідовним портом.
прикладом протоколу фізичного рівняможе служити специфікація 10Base-T технології Ethernet, яка визначає в якості використовуваного кабелю неекрановану виту пару категорії 3 з хвилевим опором 100 Ом, роз'єм RJ-45, максимальну довжину фізичного сегмента 100 метрів, манчестерський код для представлення даних в кабелі, а також деякі інші характеристики середовища і електричних сигналів.
канальний рівень
на фізичному рівніпросто пересилаються біти. При цьому не враховується, що в тих мережах, в яких лінії зв'язку використовуються (розділяються) навперемінно декількома парами взаємодіючих комп'ютерів, фізичне середовище передачі може бути зайнята. Тому одним із завдань канального рівня (Data Link layer) Є перевірка доступності середовища передачі. інше завдання канального рівня- реалізація механізмів виявлення і корекції помилок. Для цього на канальному рівні бітигрупуються в набори, звані кадрами (frames ). канальний рівеньзабезпечує коректність передачі кожного кадрупоміщаючи спеціальну послідовність бітв початок і кінець кожного кадру, Для його виділення, а також обчислює контрольну суму, Обробляючи всі байти кадрупевним способом, і додає контрольну сумудо кадру. коли кадрприходить по мережі, одержувач знову обчислює контрольну сумуотриманих даних і порівнює результат з контрольної сумоюз кадру. Якщо вони збігаються, кадрвважається правильним і приймається. Якщо ж контрольні сумине збігаються, то фіксується помилка. канальний рівеньможе не тільки виявляти помилки, але і виправляти їх за рахунок повторної передачі пошкоджених кадрів. Необхідно відзначити, що функція виправлення помилок для канального рівняне є обов'язковою, тому в деяких протоколах цього рівня вона відсутня, наприклад в Ethernet і frame relay.
Функції канального рівня
надійна доставка пакету:
Між двома сусідніми станціями в мережі з довільною топологією.
Між будь-якими станціями в мережі з типовою топологією:
перевірка доступності середовища, що розділяється;
виділення кадрівз потоку даних, що надходять по мережі; формування кадрівпри відправці даних;
підрахунок і перевірка контрольної суми.
Реалізуються програмно-апаратний.
У протоколах канального рівня, Використовуваних в локальних мережах, закладена певна структура зв'язків між комп'ютерами і способи їх адресації. хоча канальний рівеньі забезпечує доставку кадруміж будь-якими двома вузлами локальної мережі, він це робить тільки в мережі з певною топологією зв'язків, саме тією топологією, для якої він був розроблений. До таких типових топологій, що підтримуються протоколами канального рівнялокальних мереж, відносяться "загальна шина", "кільце" і "зірка", а також структури, отримані з них за допомогою мостіві комутаторів. прикладами протоколів канального рівняє протоколи Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
У локальних мережах протоколи канального рівнявикористовуються комп'ютерами, мостами, комутаторамиі маршрутизаторами. У комп'ютерах функції канального рівняреалізуються спільними зусиллями мережевих адаптеріві їх драйверів.
У глобальних мережах, які рідко володіють регулярною топологією, канальний рівеньчасто забезпечує обмін повідомленнями тільки між двома сусідніми комп'ютерами, сполученими індивідуальною лінією зв'язку. Прикладами протоколів "точка-точка" (як часто називають такі протоколи) можуть служити широко поширені протоколи PPP і LAP-B. У таких випадках для доставки повідомлень між кінцевими вузлами через всю мережу використовуються засоби мережевого рівня. Саме так організовані мережі X.25. Іноді в глобальних мережах функції канального рівняв чистому вигляді виділити важко, так як в одному і тому ж протоколі вони об'єднуються з функціями мережевого рівня. Прикладами такого підходу можуть служити протоколи технологій ATM і frame relay.
В цілому канальний рівеньявляє собою досить потужний набір функцій з пересилання повідомлень між вузлами мережі. У деяких випадках протоколи канального рівнявиявляються самодостатніми транспортними засобами, і тоді поверх них можуть працювати безпосередньо протоколи прикладного рівня або додатки, без залучення коштів мережевогоі транспортного рівнів. Наприклад, існує реалізація протоколу управління мережею SNMP, безпосередньо Ethernet, хоча стандартно цей протокол працює поверх мережевого протоколу IP і транспортного протоколу UDP. Природно, що застосування такої реалізації буде обмеженим - вона не підходить для складових мережрізних технологій, наприклад Ethernet і X.25, і навіть для такої мережі, в якій у всіх сегментахзастосовується Ethernet, але між сегментамиіснують петлевидних зв'язку. А ось в двохсегментній мережі Ethernet, об'єднаної мостом, Реалізація SNMP над канальним рівнембуде цілком працездатна.
Проте, для забезпечення якісного транспортування повідомлень в мережах будь-яких топологій і технологій функцій канального рівнявиявляється недостатньо, тому в моделі OSIрішення цього завдання покладається на два наступних рівня - мережевийі транспортний.
канальний рівеньзабезпечує передачу пакетівданих, що надходять від протоколів верхніх рівнів, вузлу призначення, адреса якого також вказує протокол верхнього рівня. протоколи канального рівняоформляють передані їм пакетив кадривласного формату, поміщаючи вказану адресу призначення в одне з полів такого кадру, А також супроводжуючи кадр контрольної сумою. протокол канального рівнямає локальний сенс, він призначений для доставки кадрівданих, як правило, в межах мереж з простою топологією зв'язків і однотипної або близькою технологією, наприклад в односегментной мережах Ethernet або ж в багатосегментних мережах Ethernet і Token Ring ієрархічної топології, розділених тільки мостамиі комутаторами. У всіх цих змінах адреса призначення має локальний сенс для даної мережі і не змінюється при проходженні кадрувід вузла-джерела до вузла призначення. Можливість передавати дані між локальними мережами різних технологій пов'язана з тим, що в цих технологіях використовуються адреси однакового формату, до того ж виробники мережевих адаптерівзабезпечують унікальність адрес незалежно від технології.
Інший областю дії протоколів канального рівняє зв'язку типу "точка-точка" глобальних мереж, коли протокол канального рівнявідповідальний за доставку кадрубезпосереднього сусіда. Адреса в цьому випадку не має принципового значення, а на перший план виходить здатність протоколу відновлювати перекручені і загублені кадри, Так як погана якість територіальних каналів, особливо комутованих телефонних, часто вимагає виконання подібних дій. Якщо ж перераховані вище умови не дотримуються, наприклад зв'язку між сегментами Ethernet мають петлевидних структуру, або об'єднуються мережі використовують різні способи адресації, Як в мережах Ethernet і X.25, то протокол канального рівняне може самотужки впоратися із завданням передачі кадруміж вузлами і вимагає допомоги протоколу мережевого рівня.
Мережевий рівень
Мережевий рівень (Network layer ) Служить для утворення єдиної транспортної системи, що об'єднує декілька мереж, причому ці мережі можуть використовувати різні принципи передачі повідомлень між кінцевими вузлами і володіти довільною структурою зв'язків. функції мережевого рівнядосить різноманітні. Розглянемо їх на прикладі об'єднання локальних мереж.
протоколи канального рівнялокальних мереж забезпечують доставку даних між будь-якими вузлами тільки в мережі з відповідною типовою топологією, наприклад топологією ієрархічної зірки. Це жорстке обмеження, яке не дозволяє будувати мережі з розвиненою структурою, наприклад мережі, які об'єднують кілька мереж підприємства в єдину мережу, або високонадійні мережі, в яких існують надлишкові зв'язку між вузлами. Можна було б ускладнювати протоколи канального рівнядля підтримки петлевидних надлишкових зв'язків, але принцип поділу обов'язків між рівнями призводить до іншого рішення. Щоб, з одного боку, зберегти простоту процедур передачі даних для типових топологій, а з іншого - допустити використання довільних топологій, вводиться додатковий мережевий рівень.
на мережевому рівнісам термін "мережа" наділяють специфічним значенням. В даному випадку під мережею розуміється сукупність комп'ютерів, з'єднаних між собою відповідно до однієї зі стандартних типових топологій і використовують для передачі даних один з протоколів канального рівня, Визначений для цієї топології.
Усередині мережі доставка даних забезпечується відповідним канальним рівнем, А ось доставкою даних між мережами займається мережевий рівень, Який і підтримує можливість правильного вибору маршрутупередачі повідомлення навіть в тому випадку, коли структура зв'язків між складовими мережами має характер, відмінний від прийнятого в протоколах канального рівня.
мережіз'єднуються між собою спеціальними пристроями, званими маршрутизаторами. маршрутизатор - це пристрій, який збирає інформацію про топологію міжмережевих з'єднань і пересилає пакети мережевого рівняв мережу призначення. щоб передати повідомленнявід відправника, що знаходиться в одній мережі, одержувачу, що знаходиться в іншій мережі, потрібно здійснити деяку кількість транзитних передач між мережами, або хопов (Від слова hop - стрибок), кожен раз вибираючи відповідний маршрут. Таким чином, маршрут являє собою послідовність маршрутизаторів, Через які проходить пакет.
Мережевий рівень- доставка пакету:
між будь-якими двома вузлами мережі з довільною топологією;
між будь-якими двома мережами в складовою мережі;
мережа - сукупність комп'ютерів, що використовують для обміну даними єдину мережеву технологію;
маршрут - послідовність проходження пакетом маршрутизаторівв складовою мережі.
на Мал. 11.8показані чотири мережі, пов'язані трьома маршрутизаторами. Між вузлами А і В даній мережі пролягає два маршруту: Перший - через маршрутизатори 1 і 3, а другий - через маршрутизатори 1, 2 і 3.
Мал. 11.8.Приклад складової мережі.
Проблема вибору найкращого шляху називається маршрутизацією, і її рішення є одним з головних завдань мережевого рівня. Ця проблема ускладнюється тим, що найкоротший шлях - не завжди найкращий. Часто критерієм при виборі маршрутує час передачі даних; воно залежить від пропускної здатності каналів зв'язку і інтенсивності трафіку, яка може з плином часу змінюватися. Деякі алгоритми маршрутизації намагаються пристосуватися до зміни навантаження, в той час як інші приймають рішення на основі середніх показників за тривалий час. вибір маршрутуможе здійснюватися і за іншими критеріями, таким як надійністьпередачі.
У загальному випадку функції мережевого рівняширше, ніж функції передачі повідомлень по зв'язках з нестандартною структурою, які ми розглянули на прикладі об'єднання декількох локальних мереж. Мережевий рівеньтакож вирішує завдання узгодження різних технологій, спрощення адресаціїв великих мережах і створення надійних і гнучких бар'єрів на шляху небажаного трафіку між мережами.
повідомлення мережевого рівняприйнято називати пакетами (packet ). При організації доставки пакетівна мережевому рівнівикористовується поняття "номер мережі". В цьому випадку адресаодержувача складається з старшої частини - номера мережі і молодшої - номера вузла в цій мережі. Всі вузли однієї мережі повинні мати одну і ту ж старшу частину адреси, Тому терміну "мережа" на мережевому рівніможна дати і інше, більш формальне, визначення: мережа - це сукупність вузлів, мережева адресаяких містить один і той же номер мережі.
на мережевому рівнівизначається два види протоколів. Перший вид - мережеві протоколи (routed protocols)- реалізують просування пакетівчерез мережу. Саме ці протоколи звичайно мають на увазі, коли говорять про протоколи мережевого рівня. Однак часто до мережевому рівнювідносять і інший вид протоколів, званих протоколами обміну маршрутною інформацією або просто протоколами маршрутизації (routing protocols). За допомогою цих протоколів маршрутизаторизбирають інформацію про топологію міжмережевих з'єднань. протоколи мережевого рівняреалізуються програмними модулями операційної системи, а також програмними і апаратними засобами маршрутизаторів.
на мережевому рівніпрацюють протоколи ще одного типу, які відповідають за відображення адресивузла, використовуваного на мережевому рівні, В локальну адресу мережі. Такі протоколи часто називають протоколами дозволу адрес - Address Resolution Protocol , ARP . Іноді їх відносять не до мережевому рівню, А до канального, Хоча тонкощі класифікації не змінюють суті.
прикладами протоколів мережевого рівняє протокол міжмережевої взаємодії IP стека TCP / IP і протокол міжмережевого обміну пакетами IPX стека Novell.
Використання Р- і V-операцій для організації взаємодій процесів в системі може здійснюватися до тих пір, поки немає кращого механізму зв'язку. Однією з пропозицій щодо поліпшення
Мал. 8.7. P / V-система процесів для двох вузлів графа обчислень на рис. 8.2.
Мал. 8.8. Додавання P / V-систем в ієрархію моделей.
цього механізму є пропозиція використовувати повідомлення. Система з повідомленнями - це набір процесів, які взаємодіють за допомогою повідомлень. Над повідомленнями можливі дві операції: послати і отримати. Передача повідомлення подібна V-операції, а прийом повідомлення подібний -Операції. Якщо при виконанні операції отримати немає жодного повідомлення, то одержувач чекає до тих пір, поки сполучення не буде послано.
На цьому механізмі заснована схема моделювання, запропонована Редла. Ця модель здається найбільш придатною для моделювання протоколів в мережах ЕОМ. Редл розглядає (кінцеве) безліч процесів, які взаємодіють за допомогою повідомлень. Повідомлення надсилаються і запитуються спеціальними процесами, званими канальними процесами ( поштові ящики). Канальні процеси надають, що істотно, комплект повідомлень, які надіслані, але ще не прийняті, або комплект запитів на повідомлення від приймачів, які видані, але ще не задоволені. Інші процеси системи називаються програмними процесами і описуються на мові моделювання програмних процесів (ЯМПП).
Приклад системи з трьох процесів наведено на рис. 8.9. Як видно з прикладу, опис процесів на ЯМПП є, по суті, схемою. Інтерес представляє тільки діяльність з передачі повідомлень в системі. Повідомлення є абстрактними елементами, єдиною характеристикою яких є тип. Число типів повідомлень в системі може бути тільки кінцевим. Повідомлення надсилаються з або приймаються в буфер повідомлень в кожному з процесів. Існує тільки по одному буферу на процес. Пропозиціями ЯМПП є: Помістити повідомлення типу в буфер повідомлень. Послати повідомлення в буфер повідомлень канального процесу Запросити повідомлення з канального процесу Чекати (якщо необхідно) до тих пір, поки не буде отримано повідомлення. Повідомлення буде переміщено в буфер повідомлень. Перевірити тип повідомлення в буфері повідомлень і перейти до пропозиції якщо повідомлення має тип, відмінний від: Моделювати внутрішню, залежну від даних, перевірку. Або продовжувати обробку, виконуючи таку пропозицію, або перейти до пропозиції з міткою Передати управління пропозицією Завершити процес.
Система з ЯМПП моделює безліч паралельних процесів. Кожен процес стартує на початку своєї програми і виконує свою програму до тих пір, поки йому не зустрінеться пропозицію Редл показує, як побудувати вираз передачі повідомлень, яке представляє можливі потоки повідомлень в системі і використовує цей вислів для дослідження структури системи і організації правильного функціонування. Цей вислів передачі повідомлень використовується для тих же цілей, що і мова мережі Петрі. Тому ми показуємо, як опис системи процесів на ЯМПП може бути перетворено в таку мережу Петрі, що її мова збігається з виразом передачі повідомлень з аналізу Редла. Це перетворення ігнорує виконання окремих пропозицій опису на ЯМПП, хоча за допомогою незначної модифікації і вони могли б бути представлені в мові мережі Петрі.
Для моделювання процесу мережею Петрі використовуємо по одній фішці на процес в якості програмного лічильника. Присутність повідомлення в канальному процесі також представляється фішкою. Оскільки повідомлення ідентифікуються типом, то необхідно моделювати кожен тип повідомлень в канальному процесі окремою позицією. Дуже важливою властивістю систем з ЯМПП є те, що число повідомлень звичайно. Кожен програмний процес також кінцевий. Тільки чергу повідомлень займає потенційно необмежений обсяг пам'яті. Таким чином, здатність моделювати канальні процеси і правильно подавати пропозиції send і receive є найбільш важливими аспектами перетворення опису на ЯМПП в мережу Петрі. моделюючи
канальні процеси множинами позицій (по одній на кожен тип повідомлень), ми можемо представити пропозицію send переходом, який поміщає фішку в позицію, що представляє відповідні канальний процес і тип повідомлень. Пропозиція receive просто видаляє фішку з будь-якої позиції канального процесу. Конкретна позиція, яка поставляє фішку, визначає тип отримуваного повідомлення. Ця інформація може використовуватися в будь-якому наступному реченні
Єдиним символом в вираженні передачі повідомлень є тип повідомлень для тих повідомлень, які надсилаються до або приймаються від канального процесу. Оскільки кожен перехід в мережі Петрі призводить до появи символу в мові мережі Петрі для цієї мережі Петрі, то тільки пропозиції send і receive в системі з ЯМПП можуть бути промоделювати. Таким чином, існують два види позицій в мережі Петрі. Один вид позицій, позначених діє як лічильник числа повідомлень типу в канальному процесі Інший вид позицій представляє пропозиції send і receive програми ЯМПП. Нехай ці пропозиції однозначно помічені Ми помітимо позицію, що представляє пропозицію з повідомленням типу в буфері повідомлень, символом Фішка в позиції, асоційованої з пропозицією означає, що пропозиція вже виконано. Мал. 8.10 ілюструє, як пропозиції повинні моделюватися мережею Петрі. На рис. 8.10 позиція представляє позицію, пов'язану з будь-яким пропозицією, яке передує пропозицією
Тепер залишилося показати, що існує можливість визначення пропозиції, що передує інших пропозицій в програмі на ЯМПП. Відзначимо, що кожне речення можна розглядати як пару, що складається з типу повідомлення і номера пропозиції, оскільки одне і те ж речення з різними типамиповідомлень в буфері повідомлень буде моделюватися мережею Петрі по-різному. Найбільш очевидний спосіб визначення попередників пропозиції полягає в запуску на початку кожної програми на ЯМПП спеціального стартового пропозиції (яке стає стартова позиція) і в породженні згідно з описом програм усіх можливих подальших пропозицій send і receive з відповідним їм вмістом буфера повідомлень. Цей процес повторюється для всіх з'являються пропозицій до тих пір, поки всі пропозиції send і receive НЕ будуть породжені, а їх послідовники будуть ідентифіковані. Оскільки число пропозицій в описі на ЯМПП і число типів повідомлень звичайно, то породжується тільки кінцеве число пар пропозицію! / Тип, повідомлення. Ця процедура подібна характеристичним рівнянням, використовуваним Редла для побудови виразу передачі повідомлень. На рис. 8.11 перераховуються пропозиції
Мал. 8.10. (Див. Скан) Перетворення пропозицій send і receive в переходи мережі Петрі. вгорі - модель пропозиції sk: send з повідомленням типу в буфері повідомлень. Канальний процес внизу - модель пропозиції sk: receive з канального процесу можливі типиповідомлень в
і їх можливі послідовники для системи з ЯМПП, зображеної на рис. 8.9.
Після того як послідовники пропозиції визначені, ми можемо, використовуючи цю інформацію, ідентифікувати можливі попередники пропозиції і, отже, побудувати мережу Петрі, еквівалентну системі з ЯМПП, використовуючи переходи, подібні наведеним на рис. 8.10. Спеціальна стартова позиція є попередником першого речення кожного процесу системи. На рис. 8.12 система з ЯМПП, зображена на рис. 8.9, перетворена в еквівалентну мережу Петрі.
Короткий опис перетворення систем передачі повідомлень в мережі Петрі показує, що ця модель включається по потужності моделювання в мережі Петрі. Воно показує також, що безліч виразів передачі повідомлень, що розглядається як клас мов, є підмножиною класу мов мережі Петрі.
Оскільки P / V-системи можна моделювати системами передачі повідомлень з повідомленнями тільки одного типу, то P / V-системи
Мал. 8.11. (Див. Скан) Пропозиції та послідовники для системи з ЯМПП, зображеної на рис. 8.9.
включаються в системи передачі повідомлень. Легко побудувати систему з повідомленнями для вирішення завдання про курців сигарет, тому включення P / V-систем в системи з повідомленнями є власним. З іншого боку, системи з повідомленнями не здатні сприймати вхідні повідомлення від декількох джерел одночасно і тому не еквівалентні мереж Петрі.
При спробі моделювання переходу з декількома входами може виникнути один з наступних двох випадків:
1. Процес буде намагатися отримати фішки (повідомлення) з усіх своїх входів, але буде неприпустимим, і тому буде блокований, затримуючи при цьому фішки, які потрібні для того, щоб дозволити продовжувати роботу іншим переходам. Це призведе до тупикам в системі з повідомленнями, які не відповідають тупикам в мережі Петрі, що порушує третє обмеження.
2. Процес буде ухилятися від створення зайвих тупиків, визначаючи, що залишилися потрібні фішки відсутні, і повертаючи
(Клікніть для перегляду ськана)
фішки в позиції (канальні процеси), з яких вони були отримані. Такі дії можуть виконуватися довільно часто, а це означає, що не існує обмеження на довжину послідовності дій в системі з повідомленнями, що відповідає обмеженою послідовності запусків переходів в мережі Петрі. Таким чином, при цьому порушується наше друге обмеження.
Мал. 8.13. Додавання систем з повідомленнями до ієрархії моделей.
Редл представив перетворення, яке підпадає під випадок 1 і призводить до зайвих тупикам. У будь-якому випадку ми бачимо, що системи з повідомленнями не можуть моделювати довільні мережі Петрі (при сформульованих нами обмеженнях). Тому в результаті ми отримуємо ієрархію, наведену на рис. 8.13.
Частотний поділ сигналів (каналів)
Простежимо основні етапи формування багатоканального сигналу при частотному поділі каналів (ЧРК). Спочатку відповідно до переданими повідомленнями первинні сигнали a i(t), Що мають енергетичні спектри,, ..., модулюють поднесущие частоти кожного каналу. Цю операцію виконують модулятори,, ..., канальних передавачів. Отримані на виході частотних фільтрів, ..., спектри канальних сигналів займають відповідно смуги частот,, ..., (рис.9.2).
Мал. 9.2. Схема частотного ущільнення та розділення каналів
Будемо вважати, що кожне з підлягають передачі повідомлень a i(t) Займає смугу частот стандартного ТЧ-каналу. У процесі формування групового сигналу кожному канальному сигналу S i(t) Відводиться не перекриваються зі спектрами інших сигналів смуга частот (рис. 9.3). Тоді загальна смуга частот N-Канальний групи дорівнюватиме
. (9.8)
Рис.9.3 Перетворення спектрів в системі з ЧРК
Вважаючи, що застосовується однополосная модуляція, а кожен канальний сигнал займає смугу частот
для спектра групового сигналу отримаємо
. (9.10)
Груповий сигнал перетвориться в лінійний сигнал, передається по лінії зв'язку (тракту передачі). На приймальній стороні після перетворення лінійного сигналу в груповий, останній за допомогою смугових канальних фільтрів Ф k з пропускною здатністю і демодуляторів перетворюється в канальні повідомлення, які направляються одержувачу.
Коротше кажучи, в багатоканальних системах з ЧРК кожному каналу відводиться певна частина загальної смуги частот групового сигналу. На вхід приймального пристрою i-го каналу одночасно діють сигнали S iвсіх Nканалів. За допомогою частотних фільтрів Ф iвиділяються лише ті частоти, які належать даному i-му каналу.
За рахунок неідеальності характеристик смугових канальних фільтрів виникають взаємні перехідні перешкоди між каналами. Для зниження цих перешкод доводиться вводити захисні частотні інтервали між каналами.
Таким чином
Це означає, що в системах з ЧРК ефективно використовується лише близько 80% смуги пропускання тракту передачі. Крім того, необхідно забезпечити дуже високу ступінь лінійності всього групового тракту.
Тимчасовий поділ сигналів (каналів)
При тимчасовому способі поділу каналів (ВРК) груповий тракт за допомогою синхронних комутаторів передавача ( До пер) І приймача ( К пр) По черзі надається для передачі сигналів кожного каналу багатоканальної системи. (В сучасній апаратурі механічні комутатори практично не використовують. Замість них застосовують електронні комутатори, виконані, наприклад, на регістрах зсуву.) При ВРК спочатку передається сигнал 1-го каналу, потім наступного і т.д. до останнього каналу за номером N, Після чого знову підключається 1-й канал, і процес повторюється з частотою дискретизації (рис.9.4).
Як канальних сигналів в системах ВРК використовуються неперекривающіеся в часі послідовності модульованих імпульсів S i (t); сукупність канальних імпульсів - груповий сигнал Sг ( t) Передається по лінії зв'язку. Дія комутатора на приймальній стороні К прможна ототожнити з ключем, що з'єднує лінію з приймачем i-го каналу тільки на час проходження імпульсів i-го каналу ( "тимчасової фільтр" Ф i). Після демодуляції повідомлення a i(t) Надходять до i-му одержувачу.
Для нормальної роботи багатоканальної системи з ВРК необхідна синхронна робота комутаторів на передавальної і приймальні сторонах. Часто для цього один з каналів займають під передачу спеціальних імпульсів синхронізації для узгодженої в часі роботи До пері До пр.
Мал. 9.5. Тимчасовий поділ
двох сигналів з АІМ
На рис. 9.5 представлені тимчасові діаграми двоканальної системи з АІМ. Переносником повідомлень тут є послідовності імпульсів з періодом
, (9.12)
надходять на імпульсний модулятор (ІМ) від генератора тактових імпульсів (ГТВ). Груповий сигнал (рис. 9.5, а) надходить на комутатор. Останній виконує роль «тимчасових» параметричних фільтрів або ключів, передавальна функція яких . (Рис. 9.5, б) змінюється синхронно (з періодом) і синфазно зі змінами передавальної функції:
(9.13)
Це означає, що до тракту передачі в межах кожного часового інтервалу підключений тільки -й імпульсний детектор ід. Отримані в результаті детектування повідомлення надходять до одержувача повідомлень ПС.
оператор, описує роботу ключового фільтра, вирізає з сигналу інтервали, що випливають із періодом і відкидає іншу частину сигналу.
Тут, як і раніше, позначає інтервал, протягом якого передаються сигнали -го джерела.
При тимчасовому поділі взаємні перешкоди в основному обумовлені двома причинами. Перша полягає в тому, що лінійні спотворення, що виникають за рахунок обмеженості смуги частот і неідеальної амплітудно-частотної і фазо-частотної характеристик всякої фізично здійсненною системи зв'язку, порушують імпульсний характер сигналів. Дійсно, якщо при передачі модульованих імпульсів кінцевої тривалості обмежити спектр, то імпульси «распливутся» і замість імпульсів кінцевої тривалості отримаємо процеси, нескінченно протяжні в часі. При тимчасовому поділі сигналів це призведе до того, що імпульси одного каналу будуть накладатися на імпульси інших каналів. Інакше кажучи, між каналами виникають взаємні перехідні перешкоди або міжсимвольні інтерференція. Крім того, взаємні перешкоди можуть виникати за рахунок недосконалості синхронізації тактових імпульсів на передавальної і приймальні сторонах.
Для зниження рівня взаємних перешкод доводиться вводити «захисні» тимчасові інтервали, що відповідає деякому розширенню спектра сигналів. Так, в багатоканальних системах телефонії смуга ефективно переданих частот = 3100 Гц; відповідно до теореми Котельникова мінімальне значення = 2 = 6200 Гц. Однак в реальних системах частоту проходження імпульсів вибирають з деяким запасом: = 8 кГц. Для передачі таких імпульсів в одноканальному режимі буде потрібно смуга частот не менше 4 кГц. При тимчасовому поділі каналів сигнал кожного каналу займає однакову смугу частот, яка визначається в ідеальних умовах відповідно до теореми Котельникова зі співвідношення (без урахування каналу синхронізації)
, (9.14)
де , що збігається із загальною смугою частот системи при частотному поділі.
Хоча теоретично ВРК і ЧРК еквівалентні за ефективністю використання частотного спектра, проте в реальних умовах системи ВРК помітно поступаються ЧРК за цим показником через труднощі зниження рівня взаємних перешкод при поділі сигналів. Разом з тим, незаперечною перевагою ВРК є зниження рівня перешкод нелінійного походження за рахунок різночасності дії імпульсів різних каналів, в системах ВРК нижче пік-фактор. Істотно також, що апаратура ВРК значно простіше апаратури ЧРК. Найбільш широке застосування ВРК знаходить в цифрових системах з ІКМ.
