5,1-5,3

Трубаков 1
Общие понятия, стандарты
Местоположение в стеке сетевых протоколов
Узел — некоторый элемент сети, занимающийся приемом и обработкой пакетов больше
чем до второго уровня в стеке протоколов. К узлам относятся хосты и маршрутизаторы,
причем на канальном уровне не делается различия меду ними.
Звено (линия связи) — сегмент, обеспечивающий передачу данных между двумя
соседними узлами сети. То есть звено не содержит промежуточных устройств коммутации
и мультиплексирования.
Каналом — часть пропускной способности звена, используемая независимо при
коммутации. Например, звено первичной сети может состоять из 30 каналов, каждый из
которых обладает некоторой пропускной способностью.
Линия связи — соединяющие соседние узлы каналы связи.
Кадр — элемент передачи информации по канальному уровню.
1
Трубаков 1
Услуги канального уровня:
• Формирование кадра
• Доступ к линии связи
• Надежная доставка
• Управление потоком
• Обнаружение ошибок
• Исправление ошибок
• Дуплексная и полудуплексная передача
Стандарты группы IEEE 802
2.
Физическая среда передачи данных
Общие понятия
Физическая среда передачи — среда, в которой происходит распространение некоторого
вида сигналов при передачи данных.
Физическая среда передачи:
• проводная
• беспроводная
Типы сигналов:
• электрический ток (уровень напряжения)
• радиосигнал
• световой сигнал
2
Трубаков 1
Типы физических сред
Типы кабелей
Сегодня как для внутренней (кабели зданий), так и для внешней проводки чаще всего
применяются три класса проводных линий связи:

витая пара;

коаксиальные кабели;

волоконно-оптические кабели
Типы кабелей: неэкранированная витая пара
Кабель на основе неэкранированной витой пары, используемый для проводки
внутри здания, разделяется в международных стандартах на категории (от 1 до 7).
 Категория 1: применяются там, где требования к скорости передачи минимальны.
Обычно это кабель для цифровой и аналоговой передачи голоса и низкоскоростной
(до 20 Кбит/с) передачи данных.
 Категория 2: главное требование к кабелям этой категории — способность
передавать сигналы со спектром до 1 МГц.
 Категория 3: предназначенные как для передачи данных, так и для передачи голоса,
составляют сейчас основу многих кабельных систем зданий.
 Категория 4: представляют собой несколько улучшенный вариант кабелей
категории 3. Кабели категории 4 обязаны выдерживать тесты на частоте передачи
сигнала 20 МГц и обеспечивать повышенную помехоустойчивость и низкие потери
сигнала.
3
Трубаков 1
 Категория 5: были специально разработаны для поддержки высокоскоростных
протоколов. Их характеристики определяются в диапазоне до 100 МГц.
Большинство высокоскоростных технологий (FDDI, Fast Ethernet, ATM и Gigabit
Ethernet) ориентируются на использование витой пары категории 5.
Типы кабелей: экранированная витая пара
Типы кабелей: коаксиальный кабель

«Толстый» коаксиальный кабель разработан для сетей Ethernet 10Base-5 с
волновым сопротивлением 50 Ом и внешним диаметром около 12 мм. Этот кабель
имеет достаточно толстый внутренний проводник диаметром 2,17 мм, который
обеспечивает хорошие механические и электрические характеристики (затухание
на частоте 10 МГц — не хуже 18 дБ/км). Зато этот кабель сложно монтировать —
он плохо гнется.
 «Тонкий» коаксиальный кабель предназначен для сетей Ethernet 10Base-2.
Обладая внешним диаметром около 50 мм и тонким внутренним проводником 0,89
мм, этот кабель не так прочен, как «толстый» коаксиал, зато обладает гораздо
большей гибкостью, что удобно при монтаже. «Тонкий» коаксиальный кабель
также имеет волновое сопротивление 50 Ом, но его механические и электрические
характеристики хуже, чем у «толстого» коаксиального кабеля.
 Телевизионный кабель с волновым сопротивлением 75 Ом широко применяется в
кабельном телевидении. Существуют стандарты локальных сетей, позволяющие
использовать такой кабель для передачи данных.
Типы кабелей: волоконно-оптический кабель
4
Трубаков 1
В зависимости от распределения показателя преломления и величины диаметра
сердечника различают:
1. многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления
2. многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления
3. одномодовое волокно
3. Топология сети
4. Методы передачи данных
Схема методов передачи данных
4.1. Двухточечный доступ
Особенности двухточечного метода доступа
…
Основные протоколы двухточечного метода доступа
Двухточечные методы доступа:
o SLIP
o HDLC
o РРР
Из набора существующих двухточечных протоколов протокол IP сегодня
использует два: HDLC и РРР. Существует также устаревший протокол
SLIP (Serial Line Internet Protocol — межсетевой протокол для
последовательного канала), который долгое время был основным
протоколом удаленного доступа индивидуальных клиентов к IP-сети
5
Трубаков 1
через телефонную сеть. Однако сегодня он полностью вытеснен
протоколом
4.1.1.
Двухточечный доступ: протокол HDLC
Общие понятие и назначение
Протокол HDLC (High-level Data Link Control — высокоуровневое
управление линией связи) представляет целое семейство протоколов,
образующих канальный уровень для следующих сетей и устройств:
 LAP-В – сетей Х.25,
 LAP-D – сетей ISDN,
 LAP-M — асинхронно-синхронных модемов,
LAP-F — сетей Frame Relay
Формат кадра
Типы кадров:
 Ненумерованные кадры предназначены для установления и разрыва логического
соединения, а также информирования об ошибках. Поле М ненумерованных кадров
содержит коды, определяющие тип команд, которыми пользуются два узла на
этапе установления соединения, например:
 Управляющие кадры предназначены для передачи команд и ответов в контексте
установленного логического соединения, в том числе для передачи запросов на
повторную передачу искаженных информационных блоков:
 Информационные кадры предназначены для передачи данных пользователя. В
процессе передачи информационных блоков осуществляется их нумерация в
соответствии с алгоритмом скользящего окна.
Надежная передача
При работе HDLC для обеспечения надежности передачи используется
скользящее окно размером в 7 кадров (при размере поля управления 1 байт) или 127
кадров (при размере поля управления 2 байта). Для поддержания алгоритма окна в
информационных кадрах станции-отправителя отводится два поля:
 N(S) — номер отправляемого кадра;
 N(R) — номер кадра, который станция ожидает получить от своего партнера по
диалогу.
Предположим для определенности, что станция А отправила станции В информационный
кадр с некоторыми значениями NA(S) и NA(R). Если в ответ на этот кадр приходит кадр
от станции В, в котором номер посланного этой станцией кадра NB(S) совпадает с
номером ожидаемого станцией А кадра NA(R), то передача считается корректной. Если
станция А принимает кадр-ответ, в котором номер отправленного кадра NB(S) неравен
номеру ожидаемого NA(R), то станция А этот кадр отбрасывает и посылает
отрицательную квитанцию REJ (отказ) с номером NA(R). Приняв отрицательную
6
Трубаков 1
квитанцию, станция В обязана повторить передачу кадра с номером NA(R), а также всех
кадров с большими номерами, которые она уже успела отослать, пользуясь механизмом
скользящего окна.
4.1.2.
Двухточечный доступ: протокол PPP
Основные понятия и назначение
Протокол РРР (Point-to-Point Protocol) является стандартным протоколом Интернета.
Протокол РРР так же, как и HDLC, представляет собой целое семейство протоколов, в
которое, в частности, входят:
 протокол управления линией связи (Link Control Protocol, LCP);
 протокол управления сетью (Network Control Protocol, NCP):
 многоканальный протокол РРР (Multi Link PPP. MLPPP);
 протокол аутентификации по паролю (Password Authentication Protocol, PAP);
 протокол аутентификации по квитированию вызова (Challenge Handshake
Authentication Protocol, CHAP).
Свойства и требования к протоколу
Оригинальные требования, заложенные рабочей группой IETF в идею
протокола РРР (RFC 1547):
• Формирование кадра
• Прозрачность
• Поддержка различных протоколов сетевого уровня
• Поддержка различных типов линий
• Обнаружение ошибок
• Живучесть соединения
• Согласование адресов сетевого уровня
• Простота
Протокол РРР не должен реализовывать:
• Исправление ошибок
• Управление потоком
• Порядок доставки кадров
• Многоточечные линии
Формат кадра
4.2. Коллективный доступ
Основные определения и понятия
Коллективный доступ – метод передачи данных, при котором группа узлов имеет
одновременный доступ к физической среде передачи.
Обмен данными в компьютерных сетях управляется наборами правил, составляющих так
называемые протоколы коллективного доступа.
7
Трубаков 1
На практике по одному широковещательному каналу могут обмениваться данными сотни
или даже тысячи узлов. Поскольку передавать кадры могут все узлы, возможна ситуация,
когда одновременно начнут передачу несколько узлов. Когда такое происходит, каждый
из узлов одновременно получает несколько кадров, то есть на принимающих узлах имеет
место коллизия переданных кадров.
Примеры
Группы протоколов
За годы с помощью широкого спектра технологий канального уровня были
реализованы десятки протоколов коллективного доступа. Тем не менее практически
любой из этих протоколов мы можем отнести к одной из трех категорий:
 протоколы разделения канала,
 протоколы произвольного доступа,
 протоколы последовательного доступа.
Характеристики идеального протокола
В идеальном случае протокол коллективного доступа для широковещательного
канала со скоростью передачи данных R бит/с должен обладать следующими
характеристиками:
 Когда данные для передачи есть только у одного узла, этот узел обладает
пропускной способностью в R бит/с.
 Когда данные для передачи есть у М узлов, каждый из этих узлов обладает
пропускной способностью в R/M бит/с. Это не означает, что каждый из М узлов в
каждый момент времени может передавать данные со скоростью R/M бит/с, — это
средняя скорость передачи данных каждого из узлов.
 Протокол является децентрализованным, то есть не существует управляющих
узлов, выход из строя которых может остановить работу всей сети.
 Протокол прост и дешев в реализации.
8
Трубаков 1
4.2.1.
Коллективный доступ с разделением канала
Цели, задачи и способы
Цель: Обеспечить коллективный доступ к среде передачи, при котором каждому узлу
будет предоставлена некоторая минимально гарантированная скорость обмена и будет
обеспечено отсутствие коллизий в сети.
Способы:
 С временным разделением (TDM)
 С частотным разделением (FDM)
 С кодовым разделением
4.2.1.1. Коллективный доступ с временным разделением канала (TDM)
Принцип работы метода
TDM - Time-Division Multiplexing
Предположим для примера, что канал поддерживает N узлов и скорость передачи данных
в канале равна R бит/с. При временном разделении канала время делится на интервалы,
называемые кадрами, каждый из которых делится на N элементарных интервалов
времени, называемых слотами. Затем каждому из N узлов назначается один временной
слот. Когда у узла есть кадр для отправки, он передает биты этого кадра в течение
назначенного ему элементарного интервала времени.
Достоинства и недостатки
Привлекательность временного разделения канала заключается в том, что
такая схема полностью устраняет коллизии и обладает идеальной справедливостью:
каждый узел получает выделенную скорость передачи данных, равную R/N бит/с в
течение каждого временного кадра.
Однако у данной схемы есть два существенных недостатка.
 Во-первых, каждый узел ограничен средней скоростью передачи данных в R/N
бит/с даже в том случае, когда этот узел единственный, кому нужно передавать
данные в этот момент.
 Во-вторых, при передаче узел всегда должен ждать своей очереди, даже когда
кроме него никто не передает данные.
Таким образом, очевидно, что временное разделение канала плохо подходит для
протокола коллективного доступа
9
Трубаков 1
4.2.1.2. Коллективный доступ с частотным разделением канала (FDM)
Принцип работы метода
FDM - Frequent-Division Multiplexing
Метод мультиплексирования с частотным разделением делит канал с пропускной
способностью R бит/с на частотные диапазоны с полосой пропускания R/N бит/с, при эгом
каждому узлу выделяется собственный частотный диапазон. Таким образом, при методе
частотного разделения из одного канала с пропускной способностью R бит/с создается iV
каналов с пропускной способностью R/N бит/с.
Достоинства и недостатки
Мульти-плексирование с частотным разделением канала обладает
теми же преимуществами и недостатками, что и с временным. Устраняются коллизии и
обеспечивается справедливое распределение пропускной способности между узлами, но
пропускная способность каждого узла ограничена значением R/N бит/с, независимо от
текущей загруженности канала.
4.2.1.3. Коллективный доступ с кодовым разделением канала (CDMA)
Принцип работы метода
Кодирование позволяет мультиплексировать несколько каналов в одном
диапазоне. Техника такого мультиплексирования называется множественным доступом с
кодовьш разделением (Code Division Multiple Access, CDMA).
10
Трубаков 1
4.2.1.3. Коллективный доступ с кодовым разделением канала (CDMA)
Недостатки и сложности реализации
Особенность расширяющих последовательностей, используемых в CDMA, состоит в том,
что они являются взаимно ортогональными. Это значит, что если их рассматривать как
векторы, то при попарном умножении они дают нулевой результат, например, взаимно
ортогональными являются векторы координат пространства: A(1 0 0), В(0 1 0) и С(0 0 1).
Однако помимо взаимной ортогональности нужно, чтобы такие векторы были
ортогональны с инверсиями членов набора векторов (так как инверсии применяются для
кодирования нулей исходной информации).
 На практике CDMA является весьма сложной технологией, которая оперирует не
условными значениями +1 и -1, а модулированными сигналами, например
сигналами BPSK. Кроме того, узлы сети не синхронизированы между собой, а
сигналы, которые приходят от удаленных на различные расстояния от приемника
узлов, имеют разную мощность. Проблема синхронизации приемника и
передатчика решается за счет передачи длинной последовательности
определенного кода, называемого пилотным сигналом. Для того же, чтобы
мощности всех передатчиков были примерно равны для базовой станции, в CDMA
применяются специальные процедуры управления мощностью.
11
Трубаков 1
4.2.2. Коллективный доступ с произвольным методом доступа
Основные понятия и принципы
4.2.2.1. Протокол ALOHA
Дискретный протокол ALOHA
Введем предположения:
 все кадры состоят ровно из L бит;
 время разделено на интервалы времени (слоты) длительностью L/R секунд
(это время, за которое передается один кадр);
 узлы начинают передачу кадров только в момент начала очередного слота;
 узлы синхронизируются так, что каждый узел знает, когда начинается слот;
 если в течение данного временного слота сталкиваются несколько кадров,
тогда все узлы обнаруживают факт столкновения, прежде чем закончится
данный слот.
Принцип работы: когда у узла есть новый кадр для передачи, он ждет, пока не начнется
новый временной слот, после чего весь кадр передается в течение одного временного
слота. Если передача проходит без коллизии, повторная передача кадра не требуется (узел
может подготовить к передаче новый кадр). В случае коллизии узел обнаруживает факт
коллизии, прежде чем заканчивается данный слот. Затем при наступлении каждого
последующего слота с вероятностью р узел передает кадр повторно до тех пор, пока кадр
не будет передан без коллизии.
Дискретный протокол ALOHA – достоинства и недостатки
…
Чистый протокол ALOHA
12
Трубаков 1
4.2.2.2. Протокол CSMA
Принцип работы
Основные правила, отличающие CSMA от ALOHA:
 Слушайте, прежде чем говорить (CSMA: Carrier Sense Multiple Access —
множественный доступ с контролем несущей )
 Если кто-то начал говорить, прекращайте разговор (CSMA/CD: CSMA with
Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий)
13