Лабораторная работа № 9 Введение в локальные сети. Физический уровень сетевой модели OSI

Цель работы: В этой лабораторной работе представлены сведения о фундаментальных основах стандартной модели OSI и влиянии этой модели на разработку новых стандартов сетей и использование уже существующей сетевой структуры.

Необходимо:

1. сформулировать определение ОТКРЫЫХ ИСТЕМ и описать предпосылки её создания;

2. рассмотреть каждый уровень модели, учитывая взаимосвязи с другими уровнями;

3. выделить и описать преимущества, недостатки и функциональные возможности витой пары, коаксиального и волоконно-оптического кабеля;

4. сформулировать определение модальной дисперсии;

5. указать способ уменьшения дисперсии;

6. изучить источники света для волоконно-оптического кабеля;

7. познакомиться с сетями различной и самостоятельно составить справочную таблицу, содержащую характеристики рассмотренных сетей.

8. Подготовить краткий конспект «Основные типы технологий локальных сетей».

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ:

В 1983 году Международная Организация Стандартов (ISO) создала модель OSI (известную также под названием Х.200). Целью создания этой модели было упрощение передачи информации в сети.

Модель OSI состоит из семи уровней, каждый из которых предоставляет определенные функциональные возможности. Вследствие разделения «служебных обязанностей» между уровнями стало возможным независимое изменение свойств уровней. Например, теперь можно переопределить конфигурацию сети не изменяя свойства уровня протокола или представления данных. Базовая модель OSI показана на рисунке 2.1.

РИСУНОК 6.1. Базовая модель OSI

Модель OSI была разработана специально для открытых систем. По определению, открытые системы позволяют устанавливать соединение практически с любой другой системой. В основу модели положен принцип разбиения на отдельные функциональные уровни. Модель строилась на следующих предпосылках: 1) каждый уровень выполняет отдельную функцию; 2) модель и ее уровни должны быть совместимы в международном масштабе; 3) количество уровней должно быть достаточным, но не избыточным.

Каждый уровень модели выполняет отдельную функцию:

    Уровень протокола (Application layer) — Предоставляет пользователю возможность доступа к информации в сети путем использования протокола. Для пользователя этот уровень является главным интерфейсом взаимодействия с протоколом и, следовательно, с сетью. В качестве примеров можно привести протокол передачи файлов (FTP), службу названий доменов (DNS), виртуальный терминал (Telnet), протокол обмена сообщениями по электронной почте (SMTP).

    Уровень представления данных (Presentation layer) — Управляет представлением информации в сети. Основной функцией уровня является синтаксический и семантический анализ передаваемых данных. На этом уровне представленные в формате хост-компьютера данные преобразуются в необходимый для передачи стандартный формат. На стороне получателя данные стандартного формата преобразуются в соответствующий хост-компьютеру формат. В результате хост может воспользоваться принятыми данными. Примерами служат преобразования между кодовыми таблицами ASCII и EBCDIC, криптография и т.п.

    Сеансовый уровень (Session layer) — Координирует параметры диалога/сеанса/соединения между устройствами в сети. Этот уровень управляет связью между сеансами соединения. Примерами служат управление маркерами (в обязанности сеансового уровня входит определение владельца маркера) и синхронизация сетевого времени.

    Транспортный уровень (Transport layer) — Отвечает за надежную передачу данных и распределение обязанностей между локальными компьютерами. Основной задачей этого уровня является поддержка целостности данных. Другими словами, стараниями именно этого уровня данные между локальными компьютерами должны передаваться надежно и своевременно. При необходимости дейтаграммы более высоких уровней разделяются на дейтаграммы сетевого размера, после чего обрабатываются на транспортном уровне. В зависимости от условий транспортный уровень устанавливает одно или несколько сетевых соединений. На этом уровне также принимается решение о типе устанавливаемого соединения. Двумя основными транспортными протоколами являются TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). Протокол IP (Internet Protocol) является хорошим примером интерфейса сетевого уровня.

    Сетевой уровень (Network layer) — Отвечает за маршрутизацию данных (пакетов) к системе в сети, занимается адресацией и доставкой данных. На этом уровне осуществляется контроль загруженности, разделение информации на бюджеты, маршрутизация, адресация и некоторые другие функции.

    Канальный уровень (Data link layer) — Обеспечивает надежную доставку данных в физической сети. Обратите внимание, что гарантируется только доставка информации, но не упоминаются маршрутизация и прием. Этот уровень оперирует такими понятиями, как регулировка потока данных, определение и коррекция ошибок, передача кадров. Уровень отвечает за то, какие именно кадры будут посланы в сеть. Кадр данных сети (network data frame), или пакет, состоит из контрольной суммы, адреса источника данных, адреса приемника данных и собственно данных. Максимальный размер пакета, который можно отослать, определяет максимальный передаваемый блок (MTU — maximum transmission unit).

    Физический уровень (Physical layer) — Поддерживает связь между электрическими/световыми сетевыми каналами на уровне битов. Основное внимание уделяется используемому физическому методу доступа. Физический уровень оперирует с четырьмя очень важными характеристиками сети; механической, электрической, функциональной и процедурной. Одновременно он определяет необходимые для передачи данных характеристики аппаратного обеспечения (уровни напряжения/тока, устойчивость сигналов, среду соединения). В основном именно этот уровень гарантирует, что посланный с одной стороны сети бит будет корректно принят на другой стороне.

Данные опускаются с уровня протокола отправителя на остальные уровни, проходят через узлы сетевой службы, а затем подымаются по уровням получателя. Не всем типам данных необходимо проходить все уровни — некоторые данные в определенной модели ничего не значат. Соответствующая модели OSI схема «получатель-отправитель» приведена на рисунке 6.2.В процессе передачи каждый уровень «дополняет» данные и заголовок предыдущих уровней своим собственным заголовком. Небольшой кадр данных постепенно обрастает заголовками всех уровней, которые он проходит. На стороне получателя все уже наоборот — каждый уровень будет «отсекать» соответствующий заголовок. Рисунок 6.3 иллюстрирует способ дополнения данных уровнями OSI.

Модель OSI следует использовать в качестве наглядного представления способа передачи данных в сети. Необходимо учитывать, что путь прохождения данных показан с изрядной долей абстракции.

Физические среды установления соединения

Для локальных сетей существует три принципиальные схемы соединения: с помощью витой пары, коаксиального или волоконно-оптического кабеля. Для передачи информации также могут использоваться спутники, лазеры, микроволновое излучение и т.п., (см.предыдущие л.р.)

РИСУНОК 2.4. Кабель из витых пар

Витая пара

Витая пара (Twisted pair — ТР) в настоящее время является самой распространенной средой передачи и представляет собой пару свитых проводов. Кабель, составленный из нескольких витых пар, как правило, покрыт жесткой пластиковой оболочкой, предохраняющей его от воздействия внешней среды и механических повреждений. Схема витой пары представлена на рисунке 6.4.

В нормальных условиях витая пара поддерживает скорость передачи данных от 10 до 100 Мбит/с. Однако ряд факторов может существенно снизить скорость передачи данных, в частности, потеря данных (data loss), перекрестное соединение (crosstalk coupling) и влияние электромагнитного излучения.

Для уменьшения влияния электрических и магнитных полей применяется экранирование (кабель из витых пар покрывается фольгой или оплеткой). Но после экранирования витой пары в значительной степени увеличивается затухание (аттенюация — attenuation) сигнала. Под затуханием сигнала подразумевается его ослабление при передаче из одной точки сети в другую. Экранирование изменяет сопротивление, индуктивность и емкость таким образом, что линия становится склонной к потерям данных. Подобные потери могут сделать витую пару нежелательной и ненадежной средой передачи. И экранированная, и неэкранированная витая пара используются для передачи данных на несколько сотен метров.

РИСУНОК 6.2. Пример приема/передачи данных в модели OSI

РИСУНОК 6.3. Дополнение данных заголовками в модели OSI

Спецификации категорий витой пары

В соответствии со спецификациями ассоциации электронной и телекоммуникационной промышленности (Electronic Industries Association and Telecommunications Industries Association — EIA/TIA) вводится пять стандартных категорий кабеля из витых пар. Обратите внимание, что при определении категорий кабеля используется только неэкранированная витая пара (unshielded twisted pair — UTP).

    Кабель первой категории используется для передачи голосовых данных. С начала 80-х годов кабель CAT 1 используется в основном в качестве проводки телефонных линий. Кабель первой категории не сертифицирован для передачи данных любого типа и в большинстве случаев не рассматривается как среда для передачи цифровых данных.

    Кабель второй категории используется для передачи информации со скоростью не более 4 Мбит/с. Этот тип проводки характерен для сетей устаревшей кольцевой топологии, использующих протокол с передачей маркера. Кабель тактируется частотой 1 МГц.

    Кабель третьей категории в основном используется в локальных сетях с устаревшей архитектурой Ethernet 10base-Т и сертифицирован для передачи данных со скоростью до 16 Мбит/с. Кабель тактируется частотой 16 Мгц.

    Кабель четвертой категории используется в качестве среды соединения сетей с кольцевой архитектурой или архитектурой 10base-T/100base-T. Кабель САТ4 сертифицирован для передачи данных со скоростью до 16 Мбит/с и состоит из четырех витых пар. Тактируется частотой 20 МГц.

    Кабель пятой категории является самой распространенной средой передачи сетей Ethernet. Кабель поддерживает скорость передачи данных до 100 Мбит/с и используется в сетях с архитектурой 100base-Т и 10base-Т. Кабель тактируется частотой 100 МГц.

Таким образом:

    Витая пара представляет собой два обычных медных проводника, скрученных по всей длине кабеля.

    Существует два типа витой пары: экранированная и неэкранированная.

    Существует пять основных категорий кабеля «витая пара».

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель является широко распространенной и достаточно удобной средой передачи данных. Такое название кабель получил вследствие того, что состоит из двух проводников (axes). Один проводник (цельная или витая жила) экранируется вторым, который тоже может быть сплошным или переплетенным. Проводники, как правило, разделены слоем диэлектрического материала. Сам кабель покрыт пластиковой оболочкой. Коаксиальный кабель лучше защищен от помех и позволяет увеличить длину сегмента сети. Использующие коаксиальный кабель сети стандартов 10base-5/2 характеризуются пропускной способностью 10 Мбит/с. Максимальная длина сегмента для сетей стандарта 10base-5 составляет приблизительно 500 метров, а для сетей стандарта 10base-2 — приблизительно 180 метров. На рисунках 6.5 и 6.6 показан коаксиальный кабель в разрезе.

С увеличением диаметра коаксиального кабеля пропускная способность повышается. Однако одновременно с этим увеличиваются затраты на выполнение проводки из такого кабеля, поскольку необходимо использовать специальные инструменты. Характерные свойства коаксиального кабеля:

    Он менее подвержен влиянию шума по сравнению с витой парой.

    Кабель состоит из двух концентрических проводников, разделенных слоем диэлектрического материала.

    Импеданс коаксиального кабеля может быть равен 75 Ом (кабель толщиной 1/2 дюйма) или 50 Ом (кабель толщиной 3/8 дюйма).

Волоконно-оптический кабель

Это тонкая и гибкая среда, позволяющая передавать данные в виде световых волн по стеклянному «проводнику» или кабелю. Волоконно-оптические линии связи используются на расстояниях свыше одного километра. Характерной их особенностью является высокая защищенность от несанкционированного подключения (что не удивительно, поскольку для передачи данных не используются электрические сигналы). Существует две разновидности кабеля: одномодовый и многомодовый. Между ними существуют различия (см. далее)

Устройство волоконно-оптического кабеля

Коаксиальный и волоконно-оптический кабель устроены почти одинаково. Сердечник последнего состоит из сплетения тонких стеклянных волокон и заключен в пластиковую оболочку (плакирование— cladding), отражающую свет обратно к сердечнику. Плакирование покрыто концентрическим защитным слоем пластика. Несколько волоконно-оптических кабелей объединяются в жгут и покрываются еще одним защитным слоем пластика. На рисунке 6.7 показано устройство волоконно-оптического кабеля.

РИСУНОК 6.5. Сечение коаксиального кабеля.

РИСУНОК 6.6. Продольный разрез коаксиального кабеля.

РИСУНОК 6.7. Волоконно-оптический кабель.

Принцип передачи данных волоконно-оптическим кабелем

Вы, скорее всего, помните, что все данные в компьютере представляются с помощью нулей и единиц. Все стандартные кабели передают бинарные данные с помощью электрических импульсов. И только волоконно-оптический кабель, используя тот же принцип, передает данные с помощью световых импульсов. Источник света посылает данные по волоконно-оптическому «каналу», а принимающая сторона должна преобразовать полученные данные в необходимый формат (см. рис. 6.8).

Одномодовый и многомодовый кабель

В относительно тонком волоконно-оптическом канале свет будет распространяться вдоль продольной оси канала. В учебниках физики этот эффект упоминается в следующей формулировке — «импульсы света распространяются в осевом (аксиальном) направлении». Именно это и происходит в одномодовом кабеле (см. рис. 6.9).

Однако преимущества этого типа передачи ограничены. С целью устранения подобных ограничений стали выпускать толстый кабель. Но тут возникла другая проблема — лучи света имеют свойство входить в канал под различными углами и проходить кабель, отражаясь от стенок сердечника. В результате вошедшие в канал под различными углами волны проходят различное расстояние и прибывают к получателю в разное время. Этот эффект, проиллюстрированный на рисунке 6.10, получил название модальной дисперсии (modal dispersion).

РИСУНОК 6.8. Принцип работы волоконно-оптического кабеля.

РИСУНОК 6.9. В тонком кабеле свет распространяется по одномодовому пути.

РИСУНОК 6.10. В толстом кабеле неаксиальные лучи подвержены модальной дисперсии.

Чем больше количество мод света в канале, тем уже полоса пропускания. В дополнение к тому, что различные импульсы достигают получателя практически одновременно, усиление дисперсии приводит к наложению импульсов и введению получателя в «заблуждение». В результате снижается общая пропускная способность. Одномодовый кабель передает только одну моду световых импульсов. Скорость передачи данных при этом достигает десятков гигабит в секунду. Одномодовый кабель в состоянии поддерживать несколько гигабитных каналов одновременно, используя для этого световые волны разной длины. Следовательно, пропускная способность многомодового волоконно-оптического кабеля ниже, чем у одномодового.

Простейший способ уменьшения дисперсии — нивелирование (grading) волоконно-оптического кабеля. В результате лучи света синхронизируются таким образом, что дисперсия на стороне приемника уменьшается. Дисперсия также может быть уменьшена путем ограничения количества длин световых волн. Оба метода позволяют в некоторой степени уменьшить дисперсию, но не в состоянии привести скорость передачи данных в соответствие с одномодовым волоконно-оптическим кабелем.

На сегодняшний день широко используется многомодовый волоконно-оптический кабель 62.5/125. Обозначение «62.5» соответствует диаметру сердечника, а обозначение «12.5» — диаметру плакирования (все величины приведены в микронах). Из одномодовых распространены кабели с маркировкой 5-10/125. Ширина полосы пропускания обычно приводится в МГц/км. Хорошей моделью взаимоотношений полосы пропускания и дальности передачи служит резиновый жгут — с увеличением расстояния полоса пропускания сужается (и наоборот). В случае передачи данных на расстояние 100 метров полоса частот многомодового кабеля составляет 1600 МГц при длине волны 850 нм. Аналогичная характеристика одномодового кабеля составляет приблизительно 888 ГГц.