11. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем osi.

Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection basic reference model — базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем) — сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO.

Модель OSI — сетевая модель, но не сетевая архитектура, т. к. не описывает службы и протоколы, используемые на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать каждый уровень. ISO также разработала стандарты для каждого уровня, хотя эти стандарты не входят в OSI.

Модель OSI
Тип данных	Уровень (Layer)	Функции
Данные	7. Прикладной (Application)	Взаимодействие пользователя с приложением на удаленном компьютере
	6. Представительский (Presentation)	Представление и шифрование данных
	5. Сеансовый (Session)	Управление сеансом связи
Сегменты	4. Транспортный (Transport)	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
Пакеты	3. Сетевой (Network)	Определение маршрута и логическая адресация
Кадры	2. Канальный (Data link)	Физическая адресация
Биты	1. Физический (Physical)	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше/ниже. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, уровнями выше/ниже — вертикальными. Любой протокол OSI не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню соответствует свой операнд — логически неделимый элемент данных, которым на отдельном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов. На физическом уровне мельчайшая единица — бит, на канальном информация объединена в кадры, на сетевом — в пакеты (датаграммы), на транспортном — в сегменты. Любой фрагмент данных, логически объединённых для передачи (кадр, пакет, сегмент) считается сообщением, которое в общем виде является операндом сеансового, представительского и прикладного уровней.

Инкапсуляция в компьютерных сетях — метод построения модульных сетевых протоколов, при котором логически независимые функции сети абстрагируются от нижележащих механизмов путём включения или инкапсулирования этих механизмов в более высокоуровневые объекты. На практике инкапсуляция — переход от уровня к уровня и добавление к пакету данных этого уровня.

Деинкапсуляция — обратный инкапсуляции процесс.

Прикладной уровень обеспечивает взаимодействие процесса-отправителя (пользователя) с процессом-получателем (удаленным компьютером). Разрешает приложениям пользователя иметь доступ к сетевым службам (обработчик запросов к БД, доступ к файлам, ЭП). Отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Примеры: HTTP, POP3.

Представительский уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование. Запросы приложений он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. Уровень может сжимать/распаковывать или кодировать/декодировать данные, перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально. Примеры: AFP, ICA, LPP, NCP.

Сеансовый уровень отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных, поддержанием сеанса при неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия. Примеры: L2TP, PPTP, RTCP.

Транспортный уровень предназначен для доставки данных. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть, он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Пример: TCP, UDP.

Сетевой уровень предназначается для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.

Канальный уровень предназначен для передачи данных узлам, находящимся в том же сегменте локальной сети. Также может использоваться для обнаружения и исправления ошибок, возникших на физическом уровне. Примеры: Ethernet для локальных сетей (многоузловой), PPP.

Физический уровень — физическая и электрическая среда для передачи данных. Обычно уровень описывает: передачи на примерах топологий, сравнивает аналоговое и цифровое кодирование, синхронизацию бит, сравнивает узкополосную и широкополосную передачу, многоканальные системы связи, последовательную передачу данных.

12. Основные проблемы передачи данных, связанные с физической передачей сигналов по линиям связи. Понятие кодирования данных. Факторы, влияющие на искажение сигналов в процессе передачи. Способы кодирования, применяемые в системах передачи данных.

Представление данных, понятие кодирования и способы кодирования.

В вычтехнике для представления данных используется двоичный код. Внутри компьютера единицам и нулям соответствуют дискретные электрические сигналы.

Кодирование — преобразование сигнала из формы, удобной для использования, в форму, удобную для передачи, хранения.

Кодирование — представление данных в виде сигналов (электрических, оптических).

Способы кодирования двоичных цифр.

1. Потенциальный способ: 0 и 1 представляют существенно различающимися уровнями потенциала («высоким» и «низким»). Считается, что интервал между соседними изменениями сигнала больше времени отклика схемы, в которой он используется.

2. Импульсный способ: для представления цифр используются импульсы различной или одной полярности.

Способы кодирования цифровых сигналов.

1. Бинарное кодирование. Без возврата к нулю (БВН) — NRZ, NRZD, NRZI; манчестерское.

2. Тринарное кодирование. С возвратом к нулю (СВН) — RZ; AMI (биполярный код AMI); HDB3; MLT-3.

3. Тетрарное кодирование. 2B1Q.

Аналогичные подходы могут быть использованы для кодирования данных и их передачи между компьютерами по линиям связи. Они отличаются по электрическим характеристикам от тех, которые существуют внутри компьютера. Главные отличия внутренних линий связи от внешних: последние имеют много большую протяженность и проходят вне экранированного корпуса по пространствам, которые могут быть подвержены воздействию сильных электромагнитных помех.

Основные проблемы передачи данных.

I. Затухание сигнала.

Когда сигнал передается по линии связи, он представляется в форме электрического тока. В реальных проводниках существует сопротивление, которое необходимо преодолевать, из-за этого неизбежного процесса сигнал постепенно затухает. В результате через определенное расстояние на устройстве воспроизведения полезный сигнал заметно уменьшается или вовсе снижается до уровня шума.

Пример: человеческий голос, преодолевая сопротивление воздуха, не может распространяться бесконечно.

Решение. Электрический сигнал требует регулярного усиления в пунктах, далеко отстоящих от уровня своего полного затухания.

II. Проблема синхронизации.

Еще одной проблемой, которую нужно решать при передаче сигналов, является проблема взаимной синхронизации передатчика с приемником.

Пример: битовая синхронизация — необходимо, чтобы передающий и принимающий концы работали на одной частоте для правильного считывания битов.

Решение.

• При организации взаимодействия модулей внутри компьютера эта проблема решается просто: в этом случае все модули синхронизируются от общего тактового генератора.

• Проблема синхронизации при связи компьютеров может решаться с помощью обмена специальными тактовыми синхроимпульсами по отдельной линии и/или периодической синхронизации заранее обусловленными кодами (или импульсами характерной формы, отличающейся от формы импульсов данных).

III. Искажение сигналов.

Факторы, приводящие к искажениям импульсов.

1. Внешние. Большая протяженность, незащищенность экранированным корпусом, электромагнитные помехи.

2. Внутренние.

2.1. Физические параметры материала линии связи. Отличаются от идеальных.

2.2. Скорость распространения лучей в проводах.

2.3. Направляющие свойства волокон.

Для надежного распознавания импульсов на приемном конце линии связи не всегда можно использовать одни и те же скорости и способы кодирования. Например, медленное нарастание фронта импульса из-за высокой емкостной нагрузки линии требует передачи импульсов с меньшей скоростью (чтобы передний и задний фронты соседних импульсов не перекрывались и импульс успел дорасти до требуемого уровня).

Несмотря на предпринимаемые меры (выбор скорости обмена данными, линий связи с определенными характеристиками, способа синхронизации) существует вероятность искажения некоторых бит передаваемых данных.

Пример искажения импульсов: «заваливание» фронтов — потеря импульсом прямоугольной формы.

Решение. Для повышения надежности передачи данных между компьютерами часто используется стандартный прием — подсчет контрольной суммы и передача ее по линиям связи после каждого байта или после некоторого блока байтов. Часто в протокол обмена данными включается обязательный элемент сигнал-квитанция, который подтверждает правильность приема данных.

IV. Эффект накопления искажений присущ только аналоговым системам. При каждом копировании аналоговой информации ее качество резко ухудшается. Происходит такое потому что исходное (эталонное) состояние передаваемой информации не фиксируется. По линии связи распространяется такой сигнал, который существует в данный момент времени. Усилитель "поднимает" сигнал не до исходного уровня, а лишь увеличивает тот сигнал, что к нему "пришел". Если вместо полезного сигнала до усилителя докатился треск и шум, он усиливает эти помехи. Не существует технологии полного исправления.

Пример: количество перезаписей аудио- или видеокассеты ограничивается лишь несколькими копиями.

Решение. Необходимо обеспечить копирование максимально близкой к оригиналу копии. "Оригинал – копия 1", "копия 1 – копия 2", "копия 1 – копия 3", ...

Модуляция.

В вычсетях применяют потенциальное и импульсное кодирование дискретных данных, а также специфический способ представления данных, который не используется внутри компьютера — модуляцию (см. рис.). При модуляции дискретная информация представляется синусоидальным сигналом той частоты, которую хорошо передает линия связи.

Кодирование применяется на каналах высокого качества, а модуляция на основе синусоидальных сигналов предпочтительнее, когда канал вносит сильные искажения в передаваемые сигналы. Обычно модуляция используется в глобальных сетях при передаче данных через аналоговые телефонные каналы связи, которые были разработаны для передачи голоса в аналоговой форме и поэтому плохо подходят для непосредственной передачи импульсов. На способ передачи сигналов влияет и количество проводов в линиях связи между компьютерами. Для сокращения стоимости линий связи в сетях обычно стремятся к сокращению количества проводов и из-за этого используют не параллельную передачу всех бит, как это делается внутри компьютера, а последовательную, побитную передачу, требующую всего одной пары проводов.

Оборудование.

Задачи надежного обмена двоичными сигналами, представленными соответствующими ЭМ-сигналами, в вычсетях решает определенный класс оборудования. В локальных сетях это сетевые адаптеры, в глобальных сетях — аппаратура передачи данных (например, модемы — устройства, выполняющие модуляцию и демодуляцию дискретных сигналов). Это оборудование кодирует и декодирует каждый информационный бит, синхронизирует передачу ЭМ-сигналов по линиям связи, проверяет правильность передачи по контрольной сумме и может выполнять некоторые другие операции. Сетевые адаптеры рассчитаны, как правило, на работу с определенной передающей средой — коаксиальным кабелем (коаксиал, высокочастотные сигналы), витой парой, оптоволокном и т. п. Каждый тип передающей среды обладает электрическими характеристиками, влияющими на способ использования данной среды, и определяет скорость передачи сигналов, способ их кодирования и некоторые другие параметры.

Машинный код.

Современный компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видеоинформацию. Все эти виды информации в компьютере представлены в двоичном коде. Связано это с тем, что удобно представлять информацию в виде последовательности импульсов: 0 – импульс отсутствует, 1 – импульс есть. Такое кодирование принято называть двоичным, последовательности нулей и единиц — машинным языком.