25. Структура и назначение физического уровня. Протоколы физического уровня.

Обобщенная структура физического уровня Ethernet приведена на рисунке [1].

Основным назначением подуровня согласования является обеспечение универсального интерфейса между подуровнем MAC и блоками, реализующими взаимодействие с разными физическими средами. Кроме того, этот уровень генерирует/принимает полубайты данных. Основным назначением подуровня физического кодирования является преобразование потока битов в электрические сигналы определенной формы (манчестерский код, 8B6T, 4B5B). Например, увеличение уровней сигнала в 100BaseT4 позволило увеличить скорость передачи в 2,67 раза.

Подуровень подсоединения к внешней среде (PMA) обеспечивает непосредственную передачу сигналов, их прием, обнаружение конфликтов.

Подуровень интерфейса с внешней средой обеспечивает физическое соединение сетевой платы с внешней средой. Физически этот уровень реализуется с помощью коннекторов (T- коннектор, RJ-45). Нижние два подуровня реализуются с помощью трансиверов, приемопередатчиков, которые могут быть встроены в сетевую плату или выполняться автономно. Одна сетевая плата может иметь возможность соединения с разными средами. (например, коаксиал и UTP).

Протоколы физического уровня

Протоколы физического уровня включают в себя:

1. основные характеристики каналов линий связи:

   1. затухание

   2. шумы

   3. пропускная способность

   4. полоса пропускания

   5. удельная стоимость

   6. волновое сопротивление

   7. амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)

   8. помехоустойчивость

   9. достоверность передачи данных

2. основные характеристики сигналов, передаваемых по сети:

   1. тип кодировки сигнала

   2. параметры импульсов

Протоколы физического уровня, помимо выше описанных обязательных параметров, содержат описание типов разъемов и назначение каждого конкретного контакта в данном разъеме.

Напоследок, давайте рассмотрим основные типы сетевых интерфейсов (порты/сетевая карта), которые применяются на нашем рассматриваемом физическом уровне сети (OSI) для осуществления различных видов связи:

1. разъем BNC

2. разъемы AUI

3. RJ-45

4. V.35

5. RJ-11

6. RS-232C

Вот мы полностью рассмотрели физический уровень сети (OSI) и его описание протоколов. Для более полного понимания материала советую посмотреть различные виды сетевых интерфейсов, что бы наглядно увидеть как соединяется компьютер с физическим уровнем. А далее смело переходите к следующему уровню модели OSI - канальному.

26. Методы кодирования данных – nrz, Манчестерский код, 4b/5b, 8b/6t.

Потенциальный код без возвращения к нулю NRZ (Non Return to Zero)

Сигнал в линии имеет два уровня: нулю соответствует нижний уровень, единице - верхний. Переходы происходят на границе битового интервала. При передаче последовательности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение битового интервала.

Рис.4.1. Кодирование по методу NRZ

При передаче только единиц, или только нулей сигнал в линии представляет собой постоянный ток.

Спектр реального сигнала постоянно меняется в зависимости от того, какова структура данных, передаваемых по линии связи. При передаче длинных последовательностей нулей или единиц, спектр сигнала сдвигается в сторону низких частот. Линейный сигнал NRZ обычно содержит постоянную составляющую и не всегда обеспечивает приемнику возможность синхронизироваться с поступающим сигналом. С другой стороны код NRZ прост в реализации, обладает хорошей помехоустойчивостью (из-за двух резко отличающихся уровней сигнала).

В чистом виде код NRZ в сетях не используется. Тем не менее, используются его различные модификации, в которых с успехом устраняют как плохую самосинхронизацию, так и наличие постоянной составляющей.

Манчестерский код (Manchester)

Манчестерский код относится к самосинхронизирующимся кодам и имеет два уровня, что обеспечивает хорошую помехозащищенность. Каждый битовый интервал делится на две части. Информация кодируется перепадом уровня, происходящим в середине каждого интервала.

Единица кодируется перепадом от высокого уровня сигнала к низкому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого битового интервала может происходить служебный перепад сигнала (при передаче несколько единиц или нулей подряд).

Рис.4.4. Манчестерское кодирование

При передаче любой битовой последовательности сигнал не содержит постоянную составляющую. 

Манчестерский код используется в сетях Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с (спецификация 10Bаsе-Т).

В настоящее время разработчики пришли к выводу, что во многих случаях рациональнее применять потенциальное кодирование, ликвидируя его недостатки с помощью так называемого логического кодирования.

Избыточное кодирование основано на разбиении исходной последовательности бит на участки одинаковой длины – символы. Затем каждый символ заменяется (как правило, табличным способом) на новый, имеющий либо большее количество бит, либо другое основание системы счисления (например, на символ, состоящий из троичных разрядов). Рассмотрим некоторые распространенные схемы логического кодирования.

Логический код 4B/5B заменяет каждые 4 бита входного потока (исходный символ) на 5-битный выходной символ. Так как количество различных 5-битных символов равно 32, а исходные символы могут содержать лишь одну из 16 битовых комбинаций, среди возможных выходных кодов можно отобрать 16 “удобных” комбинаций – не содержащих большого количества нулей (больше трех подряд), среди оставшихся кодов выделить служебные символы (для поддержания синхронизации, выделения границ кадров и их полей и т.д.), а оставшиеся коды считать запрещенными.

Накладные расходы при кодировании 4B/5B составляют 25% (один лишний бит на четыре бита данных), соответственно для достижения той же пропускной способности, что и без логического кодирования, передатчик должен работать на повышенной на 25% частоте. Код 4B/5B используется в FDDI и Fast Ethernet: 100BaseFX и 100BaseTX.

Логический код 8B/10B заменяет каждый 8-битный исходный символ 10-битным выходным символом. При том же уровне накладных расходов (25%), что в случае кода 4B/5B, обладает 4-кратной избыточностью (1024 выходных символов и 256 исходных символов). При кодировании 8B/10B каждому исходному символу сопоставлено два выходных символа, выбор из которых осуществляется в зависимости от последнего бита предыдущего переданного символа. В результате код обеспечивает стабильное соотношение “0” и “1” в выходном потоке, независимо от исходных данных. Это свойство важно для лазерных передатчиков, поскольку от данного соотношения зависит их нагрев и количество ошибок приема. Код 8B/10B используется в Gigabit Ethernet: 1000BaseSX, 1000BaseLX, 1000BaseCX.

Применяется в Fast Ethernet – 100BaseT4.

27. Протокол HDLC. Бит- и байт-ориентированные протоколы.

28. Структура и назначение канального уровня. Методы доступа к среде передачи.

29. МАС – адресация участников сети. Обеспечение надежной доставки пакета.

MAC-адрес (от англ. Media Access Control — управление доступом к среде, также Hardware Address) — это уникальный идентификатор, присваиваемый каждой единице оборудования компьютерных сетей. Большинство сетевых протоколов канального уровня используют одно из трёх пространств MAC-адресов, управляемых IEEE: MAC-48, EUI-48 иEUI-64. Адреса в каждом из пространств теоретически должны быть глобально уникальными. Не все протоколы используют MAC-адреса, и не все протоколы, использующие MAC-адреса, нуждаются в подобной уникальности этих адресов.

В широковещательных сетях (таких, как сети на основе Ethernet) MAC-адрес позволяет уникально идентифицировать каждый узел сети и доставлять данные только этому узлу. Таким образом, MAC-адреса формируют основу сетей на канальном уровне, которую используют протоколы более высокого (сетевого) уровня. Для преобразования MAC-адресов в адреса сетевого уровня и обратно применяются специальные протоколы (например, ARP и RARP в сетях IPv4 и NDP в сетях на основе IPv6).

Адреса вроде MAC-48 наиболее распространены; они используются в таких технологиях, как Ethernet, Token ring, FDDI, WiMAX и др. Они состоят из 48 бит, таким образом, адресное пространство MAC-48 насчитывает 248 (или 281 474 976 710 656) адресов. Согласно подсчётам IEEE, этого запаса адресов хватит по меньшей мере до 2100 года.

MAC-адрес - уникальный адрес присваиваемый изготовителем каждой плате сетевого интерфейса. MAC-адрес или аппаратный адрес содержит 48 битов, размещаемых в 6 байтах.

1бит	1бит	22 бита	24 бита
I/G	U/L	Код изготовителя	Порядковый номер
6 байт

Первый бит называется индивидуальный/групповой бит (I/G). Значение 0 - индивидуальный (для одиночного адресата), значение 1 - групповой.

При групповой адресации требуется дополнительная проверка. Если используется MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF (содержащий все единицы), то пакет предназначается всем рабочим станциям сети.

Второй бит называется централизованный/местный бит (U/L). Значение 0 - централизованный (глобалный), MAC-адрес задан на заводе изготовителе.

Значение 1 - местный (локальный), локально администрируемый MAC-адрес.

Следующие 22 бита это уникальный идентификатор организации, присвоенный IEEE или код производителя.

Оставшиеся 24 бита - порядковый номер сетевой платы, заданный производителем.

30. Исправление ошибок в дискретных каналах связи. Методы исправления ошибок.