Основы проектирования приборов и систем. Лекции

Рисунок 55 Физический уровень

Средой передачи информации называются линии связи (каналы связи), по которым производится обмен информацией между компьютерами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей используются проводные или кабельные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети, которые сейчас находят все более широкое применение, особенно в портативных компьютерах.

Канальный уровень (рис. 56) или уровень управления линией передачи (Data link Layer) формирует из битов, получаемых от физического уровня, последовательности информационных пакетов (кадров) или фреймов стандартного для данной сети (Ethernet, Token-Ring, FDDI) вида, включающих начальное и конечное управляющие поля.

Здесь также осуществляется управление доступом к разделяемой всеми сетевыми устройствами передающей среде и обнаруживается и корректируется часть ошибок. Как и большинство других уровней, канальный добавляет заголовок к передаваемой информации. В заголовке обычно содержится физический адрес приемника, адрес источника и другая информация.

Рисунок 56 Канальный уровень

Канальный уровень делится на два подуровня (sublayers):

верхний подуровень LLC (Logical Link Control), который осуществляет управление логической связью, то есть устанавливает виртуальный канал связи. Эти функции не связаны с конкретным типом сети, но часть из них возлагается на аппаратуру сети (сетевой адаптер). Другая часть функций подуровня LLC выполняется программой драйвера сетевого адаптера. Подуровень LLC отвечает за взаимодействие с сетевым уровнем;

нижний подуровень MAC (Media Access Control), который обеспечивает непосредственный доступ к среде передачи информации (каналу связи). Он напрямую связан с аппаратурой сети. Именно на подуровне MAC осуществляется взаимодействие с физическим уровнем. Здесь производится контроль состояния сети, повторная передача пакетов заданное число раз при коллизиях, прием пакетов и проверка правильности передачи (см. рис. 57).

Рисунок 57 Подуровни LLC и MAC канального уровня

Сетевой уровень (Network Layer) заведует движением информации по сетям, состоящим из нескольких сегментов (см. рис. 58).

Он отвечает за адресацию пакетов и перевод логических имен (логических адресов, например, IPадресов или IPX-адресов) в физические сетевые MAC-адреса (и обратно). На этом уровне решается задача выбора маршрута (пути), по которому пакет доставляется по назначению (если в сети имеется несколько маршрутов).

Для успешного решения этой задачи в протокол данного уровня вносится информация о логическом адресе источника и адресата пакета. При прохождении пакетов через узлы, соединяющие различные сети, эта информация анализируется, и пакет пересылается к следующему узлу, принадлежащему уже другому сегменту. Информация о том, куда пересылать пакет, может содержаться в таблицах маршрутизатора. Таким образом, пакеты путешествуют по сети, переходя от узла к узлу. В функции сетевого уровня входит также идентификация и удаление «заблудившихся» пакетов.

Рисунок 58 Сетевой уровень

Транспортный уровень (Transport Layer) отвечает за гарантированную доставку данных, компенсируя ошибки, которые могли возникнуть при работе нижележащих уровней (см. рис. 59). Здесь производится разбивка передаваемых данных на блоки, помещаемые в пакеты, и восстановление принимаемых данных из пакетов. Доставка пакетов возможна как с установлением соединения (виртуального канала), так и без. Транспортный уровень является пограничным и связующим между верхними тремя, сильно зависящими от приложений, и тремя нижними уровнями, сильно привязанными к конкретной сети.

Гарантированная доставка осуществляется при помощи различных механизмов, среди которых - установление и разрыв соединения, механизм подтверждения и контроль скорости потока.

Рисунок 59 Транспортный уровень

Сеансовый уровень (Session Layer) отвечает за вызовы удаленных процедур RPC (Remote Procedure Calls).

RPC - это специальный поддерживаемый соответствующими протоколами интерфейс, при котором вызов программной процедуры производится на одном компьютере, а выполнение на другом, после чего результат возвращается вызвавшей программе так, словно процедура была выполнена локально (см. рис. 60). Такой интерфейс практически прозрачен для локального программного обеспечения. Сеансовый уровень контролирует установление, течение и завершение сеанса связи между взаимодействующими программами, что и отражается в его названии.

Рисунок 60 Сеансовый уровень

Сеансовый уровень может вставлять в поток данных специальные контрольные точки, которые позволяют контролировать процесс передачи при разрыве связи. Этот уровень распознает логические имена абонентов, контролирует предоставленные им права доступа.

Представительский уровень (Presentation Layer) или уровень представления данных определяет и преобразует форматы данных и их синтаксис в форму, удобную для сети, занимается упаковкой, распаковкой, шифрованием и дешифрованием (см. рис. 61). Стандартные форматы существуют для текстовых файлов (ASCII, EBCDIC, HTML), звуковых файлов (MIDI, MPEG, WAV), рисунков (JPEG, GIF, TIFF), видео (AVI). Все преобразования форматов делаются на представительском уровне. Если данные передаются в виде двоичного кода, то преобразования формата не требуется.

Рисунок 61 Представительский уровень

Прикладной уровень (Application Layer) или уровень приложений отвечает за интерфейс с пользователем и взаимодействие прикладных программ, выполняемых на взаимодействующих компьютерах. Он обеспечивает услуги, непосредственно поддерживающие приложения пользователя, например, программные средства передачи файлов, доступа к базам данных, средства электронной почты, службу регистрации на сервере. Этот уровень управляет всеми остальными шестью уровнями. Например, если пользователь работает с электронными таблицами Excel и решает сохранить рабочий файл в своей директории на сетевом файл-сервере, то прикладной уровень обеспечивает перемещение файла с рабочего компьютера на сетевой диск прозрачно для пользователя.

Помимо модели OSI существует также модель IEEE Project 802, принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии), которую можно рассматривать как модификацию, развитие, уточнение модели OSI. Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации) относятся к нижним двум уровням модели OSI и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер:

802.1объединение сетей с помощью мостов и коммутаторов;

802.2управление логической связью на подуровне LLC;

802.3локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией шина (Ethernet);

802.4локальная сеть с топологией шина и маркерным доступом (Token-Bus);

802.5локальная сеть с топологией кольцо и маркерным доступом (Token-Ring);

802.6городская сеть ( MAN - Metropolitan Area Network) с расстояниями между абонентами более 5

км;

802.7широкополосная технология передачи данных;

802.8оптоволоконная технология;

802.9интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных;

802.10безопасность сетей, шифрование данных;

топологией звезда (100VG-AnyLAN).

Лекция 13

1) Способы реализации физического уровня.

Физический уровень состоит из кабелей и соединительных разъемов.

Промышленностью выпускается огромное количество типов кабелей, например, только одна крупнейшая кабельная компания Belden предлагает более 2000 наименований. Но все кабели можно разделить на три большие группы:

электрические (медные) кабели на основе витых пар проводов (twisted pair), которые делятся на

экранированные (STP - shielded twisted pair) и неэкранированные (UTP - unshielded twisted pair);

электрические (медные) коаксиальные кабели (coaxial cable);

оптоволоконные кабели (fiber optic).

Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию.

Можно выделить следующие основные параметры кабелей, принципиально важные для использования в локальных сетях:

полоса пропускания кабеля (частотный диапазон сигналов, пропускаемых кабелем) и затухание сигнала в кабеле. Два этих параметра тесно связаны между собой, так как с ростом частоты сигнала растет затухание сигнала. Надо выбирать кабель, который на заданной частоте сигнала имеет приемлемое затухание. Или же надо выбирать частоту сигнала, на которой затухание еще приемлемо. Затухание измеряется в децибелах и пропорционально длине кабеля;

помехозащищенность кабеля и обеспечиваемая им защита (секретность) передачи информации. Эти два взаимосвязанных параметра показывают, как кабель взаимодействует с окружающей средой, то есть, как он реагирует на внешние помехи, и насколько просто прослушать информацию, передаваемую по кабелю;

скорость распространения сигнала по кабелю или, обратный параметр задержка сигнала на метр длины кабеля. Этот параметр имеет принципиальное значение при выборе длины сети. Типичные величины

для электрических кабелей очень важна величина волнового сопротивления кабеля. Волновое сопротивление важно учитывать при согласовании кабеля для предотвращения отражения сигнала от концов кабеля. Волновое сопротивление зависит от формы и взаиморасположения проводников, от технологии изготовления и материала диэлектрика кабеля. Типичные значения волнового сопротивления от 50 до 150 Ом.

Ограничение длины кабеля связано с затуханием распространяющегося по нему сигнала. В любой среде при распространении сигнал ослабляется (затухает). И чем большее расстояние проходит сигнал, тем больше он затухает (см. рис. 62). Необходимо следить, чтобы длина кабеля сети не была больше предельной длины, при превышении которой затухание становится уже неприемлемым (принимающий абонент не распознает ослабевший сигнал).

Рисунок 62 - Затухание сигнала при распространении по сети В настоящее время действуют следующие стандарты на кабели:

EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard) американский; ISO/IEC IS 11801 (Generic cabling for customer premises) международный;

CENELEC EN 50173 (Generic cabling systems) европейский.

Наиболее дешевым и самым распространенным кабелем является неэкранированная витая пара UTP (см. рис. 63). Кабель на основе витых пар представляет собой несколько пар скрученных попарно изолированных медных проводов в единой диэлектрической (пластиковой) оболочке. Он довольно гибкий и удобный для прокладки. Скручивание проводов позволяет свести к минимуму индуктивные наводки и снизить влияние переходных процессов. С целью снижения взаимных наводок шаг скрутки у всех пар различен.

Основные достоинства неэкранированных витых пар простота монтажа разъемов на концах кабеля, а также ремонта любых повреждений по сравнению с другими типами кабеля. Все остальные характеристики у них хуже, чем у других кабелей. Например, при заданной скорости передачи затухание сигнала (уменьшение его уровня по мере прохождения по кабелю) у них больше, чем у коаксиальных кабелей. Если учесть еще низкую помехозащищенность, то понятно, почему линии связи на основе витых пар, как правило, довольно короткие (обычно в пределах 100 метров). В настоящее время витая пара используется для передачи информации на скоростях до 1000 Мбит/с, хотя технические проблемы, возникающие при таких скоростях, крайне сложны.

Согласно стандарту EIA/TIA 568, существуют пять основных и две дополнительные категории кабелей на основе неэкранированной витой пары (UTP):

кабель категории 1 обычный телефонный кабель (пары проводов не витые), по которому можно передавать только речь. Этот тип кабеля имеет большой разброс параметров (волнового сопротивления, полосы пропускания и перекрестных наводок);

кабель категории 2 кабель из витых пар для передачи данных в полосе частот до 1 МГц. Кабель не тестируется на уровень перекрестных наводок и используется очень редко;

кабель категории 3 кабель для передачи данных в полосе частот до 16 МГц, состоящий из витых пар с девятью витками проводов на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Это самый простой тип кабелей, рекомендованный стандартом для локальных сетей. Сейчас повсеместно вытесняется кабелем категории 5;

кабель категории 4 кабель, передающий данные в полосе частот до 20 МГц. Используется редко, так как не слишком заметно отличается от категории 3. Стандартом рекомендуется вместо кабеля категории 3 переходить сразу на кабель категории 5. Кабель категории 4 тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Кабель был создан для работы в сетях по стандарту IEEE 802.5;

кабель категории 5 в настоящее время самый совершенный кабель, рассчитанный на передачу данных в полосе частот до 100 МГц. Состоит из витых пар, имеющих не менее 27 витков на метр длины. Кабель тестируется на все параметры и имеет волновое сопротивление 100 Ом. Рекомендуется применять его в современных высокоскоростных сетях типа Fast Ethernet. На 30 50 % дороже, чем кабель категории 3;

кабель категории 6 перспективный кабель для передачи данных в полосе частот до 250 МГц; кабель категории 7 перспективный кабель для передачи данных в полосе частот до 600 МГц.

Неэкранированные витые пары характеризуются слабой защищенностью от внешних

электромагнитных помех. Причем действие помех и величина излучения увеличивается с ростом длины кабеля. Для устранения этих недостатков применяется экранирование кабелей.

В случае экранированной витой пары STP (см. рис. 69) каждая из витых пар помещается в металлическую оплетку-экран для уменьшения излучений кабеля, защиты от внешних электромагнитных помех и снижения взаимного влияния пар проводов друг на друга (crosstalk перекрестные наводки ).

Для того чтобы экран защищал от помех, он должен быть обязательно заземлен. Естественно,

экранированная витая пара дороже, чем неэкранированная. Ее использование требует специальных

экранированных разъемов. Поэтому встречается она значительно реже, чем неэкранированная витая пара.

Рисунок 69 Кабель STP

Кабели выпускаются с двумя типами внешних оболочек:

кабель в поливинилхлоридной ПВХ (PVC) оболочке дешевле и предназначен для работы в офисных условиях эксплуатации;

кабель в тефлоновой оболочке дороже и предназначен для жестких условий эксплуатации. Кабель в ПВХ оболочке называется non-plenum, а в тефлоновой plenum. Термин plenum обозначает

пространство под фальшполом и над подвесным потолком, где удобно размещать кабели сети. Для прокладки в скрытых пространствах удобнее кабель в тефлоновой оболочке, который практически не горит и при пожаре не выделяет ядовитых газов в отличие от ПВХ оболочки.

Согласно стандарту EIA/TIA 568, полное волновое сопротивление кабелей категорий 3, 4 и 5 должно составлять 100 Ом ±15 % в частотном диапазоне от 1 МГц до максимальной частоты кабеля. Требования не жесткие: величина волнового сопротивления может находиться в диапазоне от 85 до 115 Ом. Волновое сопротивление экранированной витой пары STP по стандарту должно быть равным 150 Ом ± 15 %.

Второй важнейший параметр, задаваемый стандартом, это максимальное затухание сигнала, передаваемого по кабелю, на разных частотах. Величины затухания на частотах, близких к предельным, для всех кабелей очень значительны. Даже на небольших расстояниях сигнал ослабляется в десятки и сотни раз, что предъявляет высокие требования к приемникам сигнала.

При передаче на частоте 100 МГц кабель категории 5 (cat. 5) отличается лучшим исполнением, разность уровней полезного сигнала и помехи достигает 17,1 дБ. При передаче на 125 МГц составляет 12,7 дБ.

Еще один специфический параметр, определяемый стандартом, это величина перекрестной наводки на ближнем (передающем) конце NEXT (Near End CrossTalk). Он характеризует влияние разных проводов в кабеле друг на друга. Суть данного параметра проиллюстрирована на рисунке 70. Сигнал, передаваемый по одной из витых пар кабеля (верхняя пара), наводит индуктивную помеху на другую (нижнюю) витую пару кабеля. Две витые пары в сети обычно передают информацию в разные стороны, поэтому наиболее важна наводка на ближнем конце воспринимающей пары (нижней на рисунке), так как именно там находится приемник информации. Перекрестная наводка на дальнем конце FEXT (Far End CrossTalk) не имеет такого большого значения. Более качественные кабели обеспечивают меньшую величину перекрестной наводки.

Рисунок 70 Перекрестные помехи в кабелях на витых парах

Стандарт определяет максимально допустимую величину рабочей емкости каждой из витых пар кабелей категории 4 и 5. Она должна составлять не более 17 нФ на 305 метров при частоте сигнала 1 кГц и температуре окружающей среды 20 °С.

Еще один важный параметр любого кабеля, который жестко не определяется стандартом, но может существенно повлиять на работоспособность сети, это скорость распространения сигнала в кабеле или, другими словами, задержка распространения сигнала в кабеле в расчете на единицу длины. Производители кабелей указывают величину задержки на метр длины.

Следующий тип кабеля коаксиальный кабель (coaxial cable), который представляет собой электрический кабель, состоящий из центрального медного провода и металлической оплетки (экрана), разделенных между собой слоем диэлектрика (внутренней изоляции) и помещенных в общую внешнюю оболочку (см. рис. 71).

Рисунок 71 Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель до недавнего времени был очень популярен благодаря его высокой помехозащищенности, обеспечиваемой металлической оплеткой, а также более широкими, чем в случае витой пары, полосами пропускания (свыше 1 ГГц), и большими допустимыми расстояниями передачи (до 500 м). Он дает меньше электромагнитных излучений. Однако монтаж и ремонт коаксиального кабеля существенно сложнее, чем витой пары, а стоимость его выше (дороже в 1,5 3 раза). Сложнее установка разъемов на концах кабеля. Стандарт EIA/TIA-568 включает в себя только один тип коаксиального кабеля, применяемый в сети Ethernet.

Основное применение коаксиальный кабель находит в сетях с топологией типа шина. При этом на концах кабеля обязательно должны устанавливаться терминаторы для предотвращения внутренних отражений сигнала и возникновения стоячих волн, причем один из терминаторов должен быть заземлен. Без заземления металлическая оплетка не защищает сеть от внешних электромагнитных помех и не снижает излучение передаваемой по сети информации во внешнюю среду. При заземлении оплетки в двух или более точках из строя может выйти не только сетевое оборудование, но и компьютеры, подключенные к сети. Терминаторы должны быть обязательно согласованы с кабелем, их сопротивление должно равняться волновому сопротивлению кабеля. Терминатор представляет собой ВNC-разъем (см. рис. 72), не имеющий отверстия для подключения кабеля, с помещенным внутри резистором сопротивлением равным волновому сопротивлению кабеля. При использовании 50-омного кабеля подходят только 50-омные терминаторы.

Волновое сопротивление кабеля (параметр, показывающий отношение между амплитудами падающих волн напряжения и тока, определяется конструктивными характеристиками) указывается в сопроводительной документации. Чаще всего в локальных сетях применяются 50-омные кабели (RG-58, RG11, RG-8). Допустимо применение кабеля российского производства РК-50.

Рисунок 72 Терминатор

Существует два основных типа коаксиального кабеля:

тонкий (thin) кабель, имеющий диаметр около 0,5 см, более гибкий; толстый (thick) кабель, диаметром около 1 см, значительно более жесткий.

Тонкий кабель используется для передачи на меньшие расстояния, чем толстый, поскольку сигнал в нем затухает сильнее. C тонким кабелем гораздо удобнее работать: его можно оперативно проложить к каждому компьютеру, а толстый требует жесткой фиксации на стене помещения. Подключение к тонкому кабелю с помощью BNC разъемов байонетного типа (см. рис. 73) проще и не требует дополнительного оборудования. А для подключения к толстому кабелю надо использовать специальные устройства, прокалывающие его оболочки и устанавливающие контакт, как с центральной жилой, так и с экраном. Толстый кабель примерно вдвое дороже, чем тонкий, поэтому тонкий кабель применяется гораздо чаще.