Модель взаимодействия открытых систем

Вопросы:
1) Модель взаимодействия открытых систем (семиуровневая модель ISOOSI).
Модель ISO/ OSI предполагает, что все сетевые приложения можно подразделить на семь уровней,
для каждого из которых созданы свои стандарты и общие модели. В результате задача сетевого
взаимодействия делиться на меньшие и более легкие задачи, обеспечивается совместимость между
продуктами разных производителей и упрощается разработка приложений за счёт создания отдельных
уровней и использования уже существующих реализаций.
Теоретически, каждый уровень должен взаимодействовать с аналогичным уровнем удаленного
компьютера. На практике каждый из них, за исключением физического, взаимодействует с выше – и
нижележащими уровнями – представляет услуги вышележащему и пользуется услугами нижележащего.
Физический уровень
Физический уровень описывает физические свойства (например, электромеханические
характеристики) среды и сигналов, переносящих информацию. Это физические характеристики кабелей
и разъемов, уровни напряжений и электрического сопротивления и.т.д., в том числе, например,
спецификация кабеля «неэкранированная витая пара» (unshielded twisted pair, UTP)
Канальный уровень
Канальный уровень обеспечивает перенос данных по физической среде. Он поделен на два
подуровня: управления логическим каналом (logical link control, LLC) и управления доступом к среде
(media access control, MAC). Такое деление позволяет одному уровню LLC использовать различные
реализации уровня MAC.
Сетевой уровень
Работает с логическими адресами. Он обеспечивает подключение и маршрутизацию между двумя
узлами сети. К протоколам сетевого уровня относиться IP и ICMP (Internet Control Massage Protocol).
Транспортный уровень
Транспортный уровень предоставляет услуги, аналогично услугам сетевого уровня. Надежность
относят к числу функций, выполняемых транспортным уровнем. Транспортный уровень должен
существовать хотя бы потому, что иногда все три нижних уровня (физический, канальный и сетевой)
предоставляет оператор услуг связи. В этом случае, используя соответствующий протокол
транспортного уровня, потребитель услуг может обеспечить требуемую надежность услуг. TCP
(Transmission Control Protocol) – широко распространенный протокол транспортного уровня.
Сеансовый уровень
Сеансовый уровень обеспечивает установление и разрыв сеансов, и управление ими. Сеанс – это
логическое соединение между двумя конечными пунктами. Сеансовый уровень следит также за
очередностью передачи данных. Эту функцию называют «управление диалогом» (dialog management).
Представительный уровень
Представительный уровень позволяет двум стекам протоколов «договариваться» о синтаксисе
(представлении) передаваемых друг другу данных.
Прикладной уровень
На этом уровне выполняться конкретные приложения. Это может быть обмен электронной почтой,
пересылка файлов и любое другое сетевое приложение.
2) Основные определения (сеть, протокол, линия связи, канал связи, кабель).
Сеть – совокупность вычислительных узлов, взаимодействующих через сетевую коммуникационную
среду
Протокол - набор соглашений, который определяет обмен данными между различными программами
Линия связи Канал связи – система технических средств и среда распространения сигналов для односторонней
передачи данных.
Кабель – конструкция из одного или нескольких нескольких проводников или оптических волокон,
заключенных в оболочку
3) Характеристики передающей среды (линии связи) – 6 штук.
-частотная характеристика;

удельная стоимость.
В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и
достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и
надежность создаваемой сети.
Амплитудно-частотная характеристика показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе
линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого
сигнала.
Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму
выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр
входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудночастотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные
гармоники.
На практике вместо амплитудно-частотной характеристики применяются другие, упрощенные
характеристики, например, полоса пропускания и затухание.
Полоса пропускания (bandwidth) - это непрерывный диапазон частот, для которого отношение
амплитуды выходного сигнала к входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5
(рис. 3.2). То есть, полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при
которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений.
Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности
сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет
собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии.
Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей
формуле:
А = 10 log10 Рвых /Рвх,
где Рвых - мощность сигнала на выходе линии, Рвх - мощность сигнала на входе линии.
Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем
мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.
Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности.
Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость
передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду - бит/с, а также
в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в
секунду (Гбит/с) и т. д.
Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью
выражается формулой Шеннона:
С = F log2 (1 + Рс/Рш),
где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы
пропускания линии в герцах, Рс - мощность сигнала, Рш- мощность шума.
Помехоустойчивость линии определяет ее способность уменьшать уровень помех, создаваемых во
внешней среде, на внутренних проводниках. Помехоустойчивость линии зависит от типа используемой
физической среды, а также от экранирующих и подавляющих помехи средств самой линии. Наименее
помехоустойчивыми являются радиолинии, хорошей устойчивостью обладают кабельные линии и
отличной - волоконно-оптические линии, малочувствительные к внешнему электромагнитному
излучению. Обычно для уменьшения помех, появляющихся из-за внешних электромагнитных полей,
проводники экранируют и/или скручивают.
Перекрестные наводки на ближнем конце (Near End Cross Talk - NEXT) определяют
помехоустойчивость кабеля к внутренним источникам помех, когда электромагнитное поле сигнала,
передаваемого выходом передатчика по одной паре проводников, наводит на другую пару проводников
сигнал помехи. Если ко второй паре будет подключен приемник, то он может принять наведенную
внутреннюю помеху за полезный сигнал. Показатель перекрестных наводок NEXT, выраженный в
децибелах, представляется формулой
NEXT=10 log Рвых/Рнав,
где Рвых - мощность выходного сигнала, Рнав - мощность наведенного сигнала.
Достоверность передачи данных характеризует вероятность искажения для каждого передаваемого
бита данных. Величина этого показателя для каналов связи без дополнительных средств защиты от
ошибок (например, самокорректирующихся кодов или протоколов с повторной передачей искаженных
кадров) составляет, как правило,10-4 - 10-6, в оптоволоконных линиях связи - 10-9. Значение
достоверности передачи данных, например, в 10-4 говорит о том, что в среднем из 10000 бит искажается
значение одного бита.
Искажения бит происходят как из-за наличия помех на линии, так и по причине искажений формы
сигнала ограниченной полосой пропускания линии. Поэтому для повышения достоверности
передаваемых данных нужно повышать степень помехозащищенности линии, снижать уровень
перекрестных наводок в кабеле, а также использовать более широкополосные линии связи.
4) Оценка предельной скорости передачи данных (формула Шеннона и
Найквиста).
Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени
передается по линии и тем выше пропускная способности. Однако, с другой стороны, с увеличением
частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала, то есть
разность между максимальной и минимальной частотами того набора синусоид, которые в сумме дадут
выбранную для физического кодирования последовательность сигналов. Линия передает этот спектр
синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания. Чем больше
несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных
сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации
принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше,
чем можно было предположить.
Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне
зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:
С = F log2 (1 + Рс/Рш),
где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы
пропускания линии в герцах, Рс - мощность сигнала, Рш - мощность шума.
Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с
фиксированной полосой пропускания не существует, на практике такой предел имеется. Действительно,
повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же
уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с
большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов
и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными
экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего
достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную
способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как
прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к
мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения
пропускной способности линии.
Близким по сути к формуле Шеннона является следующее соотношение, полученное Найквистом,
которое также определяет максимально возможную пропускную способность линии связи, но без учета
шума на линии:
С = 2F log2 М,
где М - количество различимых состояний информационного параметра.
Если сигнал имеет 2 различимых состояния, то пропускная способность равна удвоенному значению
ширины полосы пропускания линии связи (рис. 2.10, а). Если же передатчик использует более чем 2
устойчивых состояния сигнала для кодирования данных, то пропускная способность линии повышается,
так как за один такт работы передатчик передает несколько бит исходных данных, например 2 бита при
наличии четырех различимых состояний сигнала (рис. 2.10, б).
Рис. 2.10. Повышение скорости передачи за счет дополнительных состояний сигнала
Хотя формула Найквиста явно не учитывает наличие шума, косвенно его влияние отражается в
выборе количества состояний информационного сигнала. Для повышения пропускной способности
канала хотелось бы увеличить это количество до значительных величин, но на практике мы не можем
этого сделать из-за шума на линии. Например, для примера, приведенного на рис. 2.10, можно
увеличить пропускную способность линии еще в два раза, использовав для кодирования данных не 4, а
16 уровней. Однако если амплитуда шума часто превышает разницу между соседними 16-ю уровнями,
то приемник не сможет устойчиво распознавать передаваемые данные. Поэтому количество возможных
состояний сигнала фактически ограничивается соотношением мощности сигнала и шума, а формула
Найквиста определяет предельную скорость передачи данных в том случае, когда количество состояний
уже выбрано с учетом возможностей устойчивого распознавания приемником.
Приведенные соотношения дают предельное значение пропускной способности линии, а степень
приближения к этому пределу зависит от конкретных методов физического кодирования,
рассматриваемых ниже.
5) Кабели (3 вида).
1. Витая Пара (Twisted Pair)
В настоящее время это наиболее распространённый сетевой проводник. По структуре он напоминает
многожильный телефонный кабель, имеет 8 медных проводников, перевитых друг с другом, и хорошую
плотную изоляцию из поливинилхлорида (ПВХ). Обеспечивает высокую скорость соединения - до 100
мегабит/с (Около 10-12 Мб/Сек) или до 200Мбит в режиме full-duplex, см ниже. При использовании
гигабитного оборудования достижимы скорости до 1000 Мбит (См. Сеть на 1000 мегабит (Gigabit Lan)).
Существует неэкранированная и экранированная витая пара, помимо обычной изоляции у второго типа
витой пары существует защитный экран, по структуре и свойствам напоминающий фольгу. При
соответствующем заземлении экранированная витая пара обеспечивает отличную защиту от
электромагнитных помех, даже при проводке вблизи электрораспределительного щитка и линий
высокого напряжения отмечалась стабильная работа сети на скоростях свыше 90 Мбит.
Кабель легко ремонтируется и наращивается с помощью обычной изоленты и ножниц.
3. Коаксиальный Кабель (Coaxial)
Это один из первых проводников, использовавшихся для создания сетей. Содержит в себе центральный
проводник, слой изолятора в медной или алюминиевой оплетке и внешнюю ПВХ изоляцию.
Максимальная скорость передачи данных - 10 Мбит. Кабель достаточно сильно подвержен
электромагнитным наводкам. В случае повреждения ремонтируется с трудом (требуется пайка и
тщательная изоляция), но даже после этого восстановленный участок работает медленно и
нестабильно: появляются искажения электромагнитных волн, распространяющихся в коаксиальном
кабеле, что приводит к потерям информации.
Обратите внимание!
В локальных сетях применяется кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, а для передачи TV сигнала 75 Ом, они не совместимы между собой.
4. Оптоволоконный кабель (Optic Fiber)
Кабель содержит несколько световодов, хорошо защищенных пластиковой изоляцией. Он обладает
сверхвысокой скоростью передачи данных (до 2 Гбит), и абсолютно не подвержен помехам. Расстояние
между системами, соединенными оптиковолокном, может достигать 100 километров. Казалось бы,
идеальный проводник для сети найден, но стоит оптический кабель чрезвычайно дорого (около 1-3$ за
метр), и для работы с ним требуется специальные сетевые карты, коммутаторы и т.д. Без специального
оборудования оптоволокно практически не подлежит ремонту.
Данное соединение применяется для объединения крупных сетей, высокосортного доступа в Интернет
(для провайдеров и крупных компаний), а также для передачи данных на большие расстояния. В
домашних сетях, если требуется высокая скорость соединения, гораздо дешевле и удобнее
воспользоваться гигабитной сетью на витой паре.
6) Зоны прозрачности.
— диапазон длин волн оптического излучения, в котором имеет место меньшее, по сравнению с
другими диапазонами, затухание излучения в среде, в частности — в оптическом волокне
Стандартное ступенчатое оптическое волокно (SMF) имеет три окна прозрачности: 850 нм, 1310 нм и
1550 нм. К настоящему времени разработаны четвёртое (1580 нм) и пятое (1400 нм) окна
прозрачности[1], а также оптические волокна, имеющие относительно хорошую прозрачность во всём
ближнем инфракрасном диапазоне.
Неоднородность затухания света в оптическом волокне в разных диапазонах длин волн обусловлено
неидеальностью среды, наличием примесей, резонирующих на разных частотах.
Затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина — 0,22 дБ/км
наблюдается на длине волны 1550 нм, поэтому третье окно прозрачности используется для организации
связи на большие расстояния. Во втором окне прозрачности (1310 нм) затухание выше, однако для этой
длины волны характерна нулевая дисперсия, поэтому второе окно используется на городских и зоновых
сетях небольшой протяжённости. Первое окно прозрачности используется в офисных оптических сетях;
использование этого окна прозрачности незначительно
Обозначе
ние
Диапазон,
нм
Русское название
Английское
название
O
1260…136
0
Основной
Original
E
1360…146
0
Расширенный
Extended
S
1460…153
0
Коротковолновый
Short wavelength
C
1530…156
5
Стандартный
Conventional
L
1565…162
5
Длинноволновый
Long wavelength
U
1625…167
5
Сверхдлинноволно
вый
Ultra-long wavelengh
7) Виды WDM систем.
Мультиплекс. каналов на осн. разд. окон прозр. (WDM)
Спектральное уплотнение каналов (Wavelength-division multiplexing, WDM) - технология, позволяющая
одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на
разных несущих частотах.
Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2003 году
достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2009 - 15,5 Тбит/с).
Принцип работы систем со спектральным уплотнением
В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из
частотного плана. Все эти сигналы перед тем, как вводятся в оптическое волокно, объединяются
мультиплексором. На приемном конце сигналы аналогично разделяются демультиплексором.
Виды WDM систем
Первыми возникли двухволновые WDM системы, работающие на центральных длинах волн из
второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм).
Современные WDM системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G.692) можно
подразделить на три группы:
1) грубые WDM (Coarse WDM - CWDM) - системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц,
позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов. (Используемые в настоящее время CWDM
работают в полосе от 1270нм до 1610нм, промежуток между каналами 20нм (200Ghz), можно
мультиплексировать 16 спектральных каналов.)
2) плотные WDM (Dense WDM - DWDM) - системы с разносом каналов не менее 100 ГГц,
позволяющие мультиплексировать не более 40 каналов.
3) высокоплотные WDM (High Dense WDM - HDWDM) - системы с разносом каналов 50 ГГц и менее,
позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.
CWDM - городские сети с расстоянием до 50 км. Низкая (по сравнению с остальными типами)
стоимость оборудования вследствие меньших требований к компонентам.
DWDM - магистральные сети. Этот вид WDM систем предъявляет более высокие требования к
компонентам, чем CWDM (ширина спектра источника излучения, температурная стабилизация источника
и т. д.).
8) Организация передачи данных в системах связи точка-точка.
Для обмена данными с внешними устройствами предусмотрены интерфейсы, или порты, а также
наборы правил обмена информацией по этим проводам. Логикой передачи сигналов на внешний
интерфейс управляет аппаратное устройство – контроллер и программный модуль – драйвер. Для того,
чтобы компьютер мог работать в сети, его ОС должна быть дополнена клиентским и/или серверным
модулем, а также ср-вами передачи данных м/д двумя компьютерами. В результате этого ОС становится
сетевой.
Программа с удаленной машины может только «попросить» о доступе к ресурсам другую программу,
выполняемую на удаленной машине, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в
виде сообщений, передаваемых по каналам связи. Сообщения могут содержать не только команды на
выполнение некоторых действий, но и данные.
При соединении «точка-точка» на первый план выходит задача физической передачи данных по
линиям связи. Эта задача среди прочего включает взаимную синхронизацию передатчика одной машины
с приемником другой, а также подсчет контрольной суммы и передачу ее по линиям связи после
каждого байта или после некоторого блока байтов.
Синхронизация делится на 2 задачи:
- нужно знать начало передачи.
- нужно знать положение битого интервала.
Первая задача решается путем оформления данных в виде пакета, при этом в самом общем виде
структура пакета может быть следующей:
Методы решения второй задачи:
1) Асинхронный – инфа о положении бита никаким образом не передается в линию связи.
Правильный прем данных опирается на ряд соглашений м/д передающей и приемной стороной:
задается жесткий формат пакета данных, частота (и приемник и передатчик должны быть настроены на
одну частоту передачи данных).
2) Синхронный – в каждом битовом интервале заложена инфа о его положении. Применяются
самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент
времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или несколько битов, если код
ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала (фронт) может
служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком. При использовании
синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает св-ством самосинхронизации, т.к.
изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику опред. момент появления
входного кода.
9) RFC 1149
Рабочее предложение (англ. Request for Comments, RFC) — документ из серии пронумерованных
информационных документов Интернета, содержащих технические спецификации и стандарты, широко
применяемые во всемирной сети. Название «Request for Comments» ещё можно перевести как «заявка
(запрос) на отзывы» или «тема для обсуждения».
шуточный RFC, описывающий способ передачи IP-пакетов с помощью голубей. Опубликован 1 апреля
1990 организацией Internet Engineering Task Force. Написан Д. Вейтцманом (Waitzman), как один из
первоапрельских RFC.
28 апреля 2001 на практике реализован членами Бергенской группы пользователей Linux (Норвегия).
Они переслали 9 пакетов данных, содержащих по одному ICMP эхо-запросу, на 9 голубях в удалённый
пункт, который находился на расстоянии 5 км. В пункт отправки успешно вернулись только 4 эхо-ответа.
При потерях 55,6 % пакетов и времени задержки от 53 минут до 1 часа 40 минут, метод всё же доказал
свою практическую работоспособность.
ICMP (англ. Internet Control Message Protocol — протокол межсетевых управляющих сообщений[1]) —
сетевой протокол, входящий в стек протоколов TCP/IP. В основном ICMP используется для передачи
сообщений об ошибках и других исключительных ситуациях, возникших при передаче данных, например,
запрашиваемая услуга недоступна, или хост, или маршрутизатор не отвечают. Также на ICMP
возлагаются некоторые сервисные функции.