Критика эталонной модели tcp/ip

У модели TCP/IP и ее протоколов также имеется ряд недостатков.

Во-первых, в этой модели нет четкого разграничения концепций служб, интерфейса и протокола.

Во-вторых, модель TCP/IP отнюдь не является общей и довольно плохо описывает любой стек протоколов, кроме TCP/IP..

В-третьих, хост-сетевой уровень в действительности не является уровнем в том смысле, который обычно используется в контексте уровневых протоколов.

В-четвертых, в модели TCP/IP не различаются физический уровень и уровень передачи данных. Однако они абсолютно разные. Физический уровень должен иметь дело с характеристиками передачи информации по медному кабелю, оптическому волокну и по радио, тогда как работой уровня передачи данных является определение начала и конца кадров и передача их с одной стороны на другую с требуемой степенью надежности.

№5 Наведіть визначення (призначення, функції) повторювача, концентратора, моста, комутатора, маршрутизатора та шлюзу

Повторитель (репи́тер, от англ. repeater) — сетевое оборудование, предназначеное для увеличения расстояния сетевого соединения путём повторения электрического сигнала «один в один». Бывают однопортовые повторители и многопортовые. В терминах модели OSI работает на физическом уровне.

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). Их физический смысл был точно такой же, но восстановленный сигнал транслировался на все активные порты, кроме того, с которого пришёл сигнал.

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. Эти названия хорошо прижились и используются в настоящее время очень широко.

Сетевой концентратор или хаб (от англ. hub — центр деятельности) — устройство для объединения компьютеров в сеть Ethernet c применением кабельной инфраструктуры типа витая пара. В настоящее время вытесненысетевыми коммутаторами.

Сетевые концентраторы также могли иметь разъемы для подключения к существующим сетям на базе толстого или тонкого коаксиального кабеля.

Принцип работы

Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, ретранслируя входящий сигнал с одного из портов в сигнал на все остальные (подключенные) порты, реализуя, таким образом, свойственную Ethernet топологию общая шина, c разделением пропускной способности сети между всеми устройствами и работой в режиме полудуплекса. Коллизии (т.е. 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.

Коммутаторы

Появившиеся позже интеллектуальные устройства, работающие на 2 (канальном) уровне по модели OSI (в отличии от концентраторов, работающих только на 1 (физическом) уровне) - коммутаторы, способные обеспечивать независимую и выборочную передачу кадров Ethernet между портами за счет вскрытия заголовков кадров и пересылки их по нужным портам (в отличии от концентраторов, пересылающих данные во все порты), работу в разных режимах и с различными скоростями, сначала использовались для разгрузки и оптимизации больших Ethernet-сетей, а затем полностью вытеснили концентраторы.

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.

Мост, сетевой мост, бридж (жарг., калька с англ. bridge) — сетевое устройство 2 уровня модели OSI, предназначенное для объединения сегментов (подсети)компьютерной сети разных топологий и архитектур.

Различия между коммутаторами и мостами

В общем случае коммутатор (свитч) и мост аналогичны по функциональности; разница заключается во внутреннем устройстве: мосты обрабатывают трафик, используя центральный процессор, коммутатор же использует коммутационную матрицу (аппаратную схему для коммутации пакетов). В настоящее время мосты практически не используются (так как для работы требуют производительный процессор), за исключением ситуаций, когда связываются сегменты сети с разной организацией первого уровня, например, между xDSL соединениями, оптикой, Ethernet’ом. В случае SOHO-оборудования, режим прозрачной коммутации часто называют «мостовым режимом» (bridging).

Функциональные возможности

Мост обеспечивает:

• ограничение домена коллизий

• задержку фреймов, адресованных узлу в сегменте отправителя

• ограничение перехода из домена в домен ошибочных фреймов:

  • карликов (фреймов меньшей длины, чем допускается по стандарту (64 байта))

  • фреймов с ошибками в CRC

  • фреймов с признаком «коллизия»

  • затянувшихся фреймов (размером больше, чем разрешено стандартом)

Мосты «изучают» характер расположения сегментов сети путем построения адресных таблиц вида «Интерфейс:MAC-адрес», в которых содержатся адреса всех сетевых устройств и сегментов, необходимых для получения доступа к данному устройству.

Мосты увеличивают латентность сети на 10-30 %. Это увеличение латентности связано с тем, что мосту при передаче данных требуется дополнительное время на принятие решения.

Мост рассматривается как устройство с функциями хранения и дальнейшей отправки, поскольку он должен проанализировать поле адреса пункта назначения фрейма и вычислить контрольную сумму CRC в поле контрольной последовательности фрейма перед отправкой фрейма на все порты.

Если порт пункта назначения в данный момент занят, то мост может временно сохранить фрейм до освобождения порта. Для выполнения этих операций требуется некоторое время, что замедляет процесс передачи и увеличивает латентность.

Программная реализация

Режим бриджинга присутствует в некоторых видах высокоуровневого сетевого оборудования и операционных систем, где используется для «логического объединения» нескольких портов в единое целое (с точки зрения вышестоящих протоколов), превращая указанные порты в виртуальный коммутатор. В Windows XP/2003 этот режим называется «подключения типа мост». В операционной системе Linux при объединении интерфейсов в мост создаётся новый интерфейс brN (N — порядковый номер, начиная с нуля — br0), при этом исходные интерфейсы находятся в состоянии down (с точки зрения ОС). Для создания мостов используется пакет bridge-utils, входящий в большинство дистрибутивов Linux^[1]

Комутатор (switch) - пристрій, що здійснює вибір одного з можливих варіантів напряму передачі даних. У комунікаційній мережі комутатор є ретрансляційною системою (система, призначена для передачі даних або перетворення протоколів), прозорості (тобто комутація здійснюється тут без якої-небудь обробки даних), що має властивість. Комутатор не має буферів і не може накопичувати дані. Тому при використанні комутатора швидкості передачі сигналів в каналах передачі даних, що сполучаються, мають бути однаковими. На відміну від інших видів ретрансляційних систем, тут, як правило, не використовується програмне забезпечення.

Комутатор (Switch) може сполучати сервери і служити основою для об'єднання декількох робітників груп. Він направляє пакети даних між вузлами мережі. Кожен комутований сегмент дістає доступ до каналу передачі даних без конкуренції і бачить тільки той трафік, який прямує в його сегмент. Комутатор повинен надавати кожному порту можливість з'єднання з максимальною швидкістю без конкуренції з боку інших портів (на відміну від спільно використовуваного концентратора). Зазвичай в комутаторах є один або два високошвидкісні порти, а також хороші інструментальні засоби управління. Комутатором можна замінити маршрутизатор, доповнити їм нарощуваний маршрутизатор або використовувати комутатор як основа для з'єднання декількох концентраторів.

Маршрутизатор (router) - ретрансляційна система, що сполучає дві комунікаційні мережі або їх частини. З'єднання пар комунікаційних мереж здійснюється через маршрутизатори, які здійснюють необхідне перетворення вказаних протоколів. Маршрутизатор працює з декількома каналами, направляючи в який-небудь з них черговий блок даних. Маршрутизатори обмінюються інформацією про зміни структури мереж, трафік і їх стан. Завдяки цьому, вибирається оптимальний маршрут дотримання блоку даних в різних мережах від абонентської системи-відправника до системи-одержувача. Маршрутизатори забезпечують також з'єднання адміністративно незалежних комунікаційних мереж. Маршрутизатором може бути як спеціальний електронний пристрій, так і спеціалізований комп'ютер, підключений до декількох мережевих сегментів за допомогою декількох мережевих карт.

Шлюз (gateway) - ретрансляційна система, що забезпечує взаємодію інформаційних мереж. Шлюз є найбільш складною ретрансляційною системою, що забезпечує взаємодію мереж з різними наборами протоколів. У свою чергу, набори протоколів можуть спиратися на різні типи фізичних засобів з'єднання. У тих випадках, коли з'єднуються інформаційні мережі, то в них частина рівнів може мати одні і ті ж протоколи. Тоді мережі з'єднуються не за допомогою шлюзу, а на основі простіших ретрансляційних систем, наприклад маршрутизаторами і мостами. Необхідність в мережевих шлюзах виникає при об'єднанні двох систем, що мають різну архітектуру. Як шлюз зазвичай використовується виділений комп'ютер, на якому запущено програмне забезпечення шлюзу і проводяться перетворення, що дозволяють взаємодіяти декільком системам в мережі. Іншою функцією шлюзів є перетворення протоколів. Шлюзи складні в установці і налаштуванні. Шлюзи працюють повільніше, ніж маршрутизатори.

№6 Дайте визначення логічної та фізичної структуризації мережі. Наведіть активні комунікаційні пристрої, за допомогою яких здійснюється логічна та фізична структуризації мережі.

Активні комунікаційні пристрої, за допомогою яких здійснюється фізична структуризація мережі

Повторювач (repeater) – покращує сигнал, дозволяє збільшити відстань між станціями

Концентратор (hub, concentrator)- багатопортовий повторювач, повторює сигнал, покращуючи його, на усіх інших портах, або на наступному порту

Концентратор Token Ring

Концентратор Ethernet

Логічна структуризація мережі – це процес розбивки мережі на сегменти з локалізованим трафіком.Для логічної структуризації мережі використовуються такі комунікаційні пристрої, як мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи. 

№7Дайте визначення основних характеристик ліній передачі даних: амплітудно-частотної характеристики лінії зв’язку, смуги пропускання лінії зв’язку, загасання на лінії зв'язку, завадостійкості лінії зв'язку, захищеності кабелю, достовірності передачі даних та пропускної спроможності лінії зв'язку.

Визначення амплітудно-частотної характеристики лінії зв’язку.

Амплітудно-частотна характеристика показує, як затухає амплітуда синусоїди на виході лінії зв'язку в порівнянні з амплітудою на її вході для усіх можливих частот передаваного сигналу.

Загасання - відносне зменшення амплітуди або потужності сигналу при передачі через лінії сигналу певної частоти.

А = 10log₁₀(Р_вих/Р_вх), [дБ]

Р_вх і Р_вих - потужності входу і виходу);

Завадостійкість визначається потужністю шумів, що створюються в лінії зовнішнім середовищем і що виникають в самій лінії.

Радіолінії

Оптоволоконні лінії

низька  добра  відмінна

Кабельні лінії

Смуга пропускання - це безперервний діапазон частот, для якого відношення амплітуди вихідного сигналу до вхідного перевищує деяку заздалегідь задану межу, зазвичай 0,5. Тобто смуга пропускання визначає діапазон частот синусоїдального сигналу, при яких цей сигнал передається по лінії зв'язку без значних спотворень.

Достовірність передачі даних (Інтенсивність бітових помилок) характеризує вірогідність спотворення для кожного біта даних, що передається. Величина цього показника для каналів зв'язку без додаткових затрат на захист від помилок (наприклад, кодів, що виправляють помилки або протоколів з повторною передачею спотворених кадрів) складає, як правило, 10^-4-10^-6, в оптоволоконних лініях зв'язку - 10^-9.

Значення достовірності передачі даних, наприклад, в 10^-4 говорить про те, що в середньому з 10 000 біт спотворюється значення одного біта.

Спотворення біт відбуваються як із-за наявності перешкод на лінії, так і унаслідок спотворень форми сигналу обмеженою смугою пропускання лінії. Тому для підвищення достовірності передаваних даних треба підвищувати міру завадозахищеності лінії, знижувати рівень перехресних наведень в кабелі, а також використати більше широкосмугові лінії зв'язку.

Пропускна спроможність - характеризує максимально можливу швидкість передачі даних по лінії зв'язку;

Пропускна здатність - C(біт/с) -

максимально можливе число біт інформації, які можуть бути передані в секунду

С(біт/с) = F  log₂(1 + P_c/P_m)

F - смуга пропускання (Гц);

P_c – потужність сигналу (Дб);

P_m – потужність шуму (Дб);

Існує й інший підхід, який дозволяє визначити максимально можливу пропускну спроможність лінії зв'язку, але без урахування шуму на лінії:

С = 2F log₂(М),

де М - кількість станів одного елементу даних.

Вита пара (twisted pair) – вид кабелю, який складається з однією або декількох пар ізольованих провідників скручених між собою покритих пластиковою оболонкою.

Види кабелів на основі витої пари:

незахищена вита пара (UTP - Unshielded twisted pair) - відсутній захисний екран навколо окремої пари;

фольгована вита пара (FTP - Foiled twisted pair) - також відома як F/UTP, є присутнім один загальний зовнішній екран у вигляді фольги;

захищена вита пара (STP - Shielded twisted pair) - є присутнім захист у вигляді екрану для кожної пари і загальний зовнішній екран у вигляді сітки;

фольгована екранована вита пара (S/FTP - Screened Foiled twisted pair) - зовнішній екран з мідного обплетення і кожна пара у фольгованому обплетенні; незахищена екранована вита пара (SF/UTP - Screened Foiled Unshielded twisted pair) - подвійний зовнішній екран з мідного обплетення і фольги, кожна вита пара без захисту.

№8Наведіть співвідношення: а) яке виражає зв’язок між смугою пропускання лінії і її максимально можливою пропускною спроможністю не залежно від прийнятого способу фізичного кодування; б) що визначає максимально можливу пропускну спроможність лінії зв'язку без врахування шуму.

А) Визначемо коефіцієнт використання смуги пропущення як відношення реального трафіку на позначеній ділянці до трафіку, що здатен пропустити мультиплексор. Коефіцієнт використання смуги пропущення r визначає ефективність використання магістрального каналу або корисну частину пропускної здатності каналу (завантаження каналу), що використовується при передачі корисного навантаження. По величині r визначається розмір вхідного буфера.

r=114/155=0,74.

 

 

Рис. 5.1. – залежність розміру буфера мультиплексора типу від коефіцієнта завантаження.

За рис 5.1 визначаємо розмір буфера мультиплексора рівним 2.

 

Визначемо залежноіть часу затримки мультиплексора від коефіцієнта завантаження за рис.5.2.

Рис. 5.2 – залежності часу затримки мультиплексора від коефіцієнта завантаження для різних швидкостей передачі: 1 - 34 Мбіт/с, 2-155 Мбіт/с, 3 - 622 Мбіт/с.

В нашому випадку швидкість передачі 155 Мбіт/с. Час затримки визначаємо рівним 0,6.

З аналізу залежностей видно, що при збільшенні коефіцієнта використання смуги пропущення (завантаження каналу) (мультиплексированої лінії до значень, близьких до 0,8...0,9, різко зростає потреба в буферній пам'яті, зростають затримки пакетів і можлива їхня втрата. Це веде, в остаточному підсумку, до зниження якості обслуговування і надалі до деградації мережі. Утрата пакетів у свою чергу викликає необхідність повторних передач, веде до зростання часу доставки і різкому зниженню якості обслуговування.

Для оцінки корисної смуги пропущення технології SDH використовується також коефіцієнт використання смуги пропущення транспортної мережі SDH.

          F - смуга пропущення мультиплексируємого каналу;

F_use - корисна смуга пропущення мультиплексируємого каналу;

P - число байт у кадрі;

P_use - число байт із корисним навантаженням у кадрі.

Таким чином, в нашому випадку коефіцієнт використання смуги пропущення = 0,74, тобто менше, ніж 0,8, що задовольняє вимогам щодо буферній пам'яті, затримки пакетів і можливості їх втрати.

Б) Пропускна спроможність лінії (throughput) характеризує максимально можливу швидкість передачі даних по лінії зв'язку. Пропускна спроможність вимірюється в бітах в секунду - бит/с, а також в похідних одиницях, таких як кілобіт в секунду (Кбіт/с), мегабіт в секунду (Мбіт/с), гигабит в секунду (Гбіт/с) і так далі.

Пропускна спроможність лінії зв'язку залежить не тільки від її характеристик, таких як амплітудно-частотна характеристика, але і від спектру пересланих сигналів. Якщо значущі гармоніки сигналу (тобто ті гармоніки, амплітуди яких вносять основний внесок до результуючого сигналу) потрапляють в смугу пропускання лінії, то такий сигнал добре передаватиметься даною лінією зв'язки і приймач зможе правильно розпізнати інформацію, відправлену по лінії передавачем. Якщо ж значущі гармоніки виходять за межі смуги пропускання лінії зв'язку, то сигнал значно спотворюватиметься, приймач помилятиметься при розпізнаванні інформації, а значить, інформація не зможе передаватися із заданою пропускною спроможністю

співвідношення, отримане Найквістом, яке також визначає максимально можливу пропускну спроможність лінії зв'язку, але без урахування шуму на лінії:

 

,

 

де    - кількість помітних станів інформаційного параметра.

Якщо сигнал має 2 помітних стани, то пропускна спроможність дорівнює подвоєному значенню ширини смуги пропускання лінії зв'язку (рис. 5, а). Якщо ж передавач використовує більш ніж 2 стійких стани сигналу для кодування даних, то пропускна спроможність лінії підвищується, оскільки за один такт роботи передавач передає декілька біт початкових даних, наприклад 2 бита за наявності чотирьох помітних станів сигналу (рис. 5, б).

Хоча формула Найквіста явно не враховує наявність шуму, побічно її вплив відбивається у виборі кількості станів інформаційного сигналу. Для підвищення пропускної спроможності каналу хотілося б збільшити цю кількість до значних величин, але на практиці ми не можемо цього зробити із-за шуму на лінії. Наприклад, для прикладу, приведеного на рис. 5, можна збільшити пропускну спроможність лінії в два рази, використавши для кодування даних не 4, а 16 рівнів. Проте якщо амплітуда шуму часто перевищує різницю між сусідніми 16-ю рівнями, то приймач не зможе стійко розпізнавати передавані дані. Тому кількість можливих станів сигналу фактично обмежується співвідношенням потужності сигналу і шуму, а формула Найквіста визначає граничну швидкість передачі даних у тому випадку, коли кількість станів вже вибрана з урахуванням можливостей стійкого розпізнавання приймачем.

№9Наведіть основні типи коаксіальних кабелів, їх значення хвильового опору та застосування.

тонкий (thin) кабель, що має діаметр близько 0,5 см, більше гнучкий;товстий (thick) кабель, діаметром близько 1 см, значно твердіший. Він являє собою класичний варіант коаксіального кабелю, що уже майже повністю витиснутий сучасним тонким кабелем.

Тонкий кабель використовується для передачі на менші відстані, ніж товстий, оскільки сигнал у ньому загасає сильніше. Зате з тонким кабелем набагато зручніше працювати: його можна оперативно прокласти до кожного комп’ютера, а товстий вимагає твердої фіксації на стіні приміщення.

Підключення до тонкого кабелю (за допомогою рознімів BNC байонетного типу) простіше й не вимагає додаткового устаткування. А для підключення до товстого кабелю треба використовувати спеціальні досить дорогі пристрої, що проколюють його оболонки й установлюють контакт як із центральною жилою, так і з екраном. Товстий кабель приблизно вдвічі дорожче, ніж тонкий, тому тонкий кабель застосовується набагато частіше.

Як і у випадку звитих пар, важливим параметром коаксіального кабелю є тип його зовнішня оболонка. У цьому випадку застосовуються як non-plenum (PVC), так і plenum кабелі. Природно, тефлоновий кабель дорожчий полівінілхлоридного. Тип оболонки можна відрізнити за фарбуванням (наприклад, для PVC кабелю фірма Belden використовує жовтий колір, а для тефлонового — жовтогарячий).

Типові величини затримки поширення сигналу в коаксіальному кабелі становлять для тонкого кабелю близько 5 нс/м, а для товстого — близько 4,5 нс/м.

Існують варіанти коаксіального кабелю з подвійним екраном (один екран розташований усередині іншого й відділений від нього додатковим шаром ізоляції). Такі кабелі мають кращу перешкодозахищеність і захист від прослуховування, але вони небагато дорожчі звичайних.

Застосування

Основне призначення коаксіального кабелю — передача сигналу в різних областях техніки:

• Системи зв’язку;

• Мовленнєві мережі;

• Комп’ютерні мережі;

• Антенно-фідерні системи;

• АСУ та інші виробничі та науково-дослідні технічні системи;

• Системи дистанційного управління, вимірювання та контролю;

• Системи сигналізації і автоматики;

• Системи об’єктивного контролю та відеоспостереження;

• Канали зв’язку різних радіоелектронних пристроїв мобільних об’єктів (суден, літальних апаратів тощо);

• Внутрішньоблокові і міжблочні зв’язку в складі радіоелектронної апаратури;

• Канали зв’язку у побутовій та аматорської техніці;

• Військова техніка та інші області спеціального застосування.

Крім каналізації сигналу, відрізки кабелю можуть використовуватися і для інших цілей:

• Кабельні лінії затримки;

• Чвертьхвильові трансформатори;

• Симетрувальні і согласующие пристрої;

• Фільтри і формувачі імпульсу.

Тип і застосування кабелів
RG-6	має більший діаметр в порівнянні з кабелем категорії RG-59, призначений для вищих частот, але може застосовуватися для широкосмугового передавання
RG-11	практично незамінний в тому випадку, коли потрібні передача даних на великі відстані (до 600 метрів). Застосовується для передачі цифрового і аналогового сигналу. Механічні, температурні та електричні характеристики дозволяють використовувати коаксіальний кабель RG-11 в кабельних трасах з несприятливими умовами експлуатації (підземні траси, повітряні лінії). Основною перевагою RG-11 є низький рівень загасання сигналу по кабелю. Цей тип коаксіального кабелю 75 Ом застосовується як розподільного кабелю у внутрішніх системах абонентського і кабельного телебачення, як кабель зв’язку в системах супутникових антен, для передачі високочастотних сигналів в різної електронної апаратури, трансмітер і ресиверах, комп’ютерах, радіо і телевізійних передавачах.
RG-59	для широкосмугового передавання, для передавання сигналу в системах відеоспостереження