Канальный сообщение. Физический и канальный уровни модели OSI. Достоинства коммутации пакетов

Рассмотрим в данной статье основные методы коммутации в сетях.

В традиционных телефонных сетях, связь абонентов между собой выполняется с помощью коммутации каналов связи. В начале коммутация телефонных каналов связи выполнялась вручную, далее коммутацию выполняли автоматические телефонные станции (АТС).

Аналогичный принцип используется и в вычислительных сетях. В качестве абонентов выступают территориально удаленные вычислительные машины в компьютерной сети. Физически не представляется возможным предоставить каждому компьютеру свою собственную некоммутируемую линию связи, которой они пользовались бы в течении всего времени. Поэтому практически во всех компьютерных сетях всегда используется какой-либо способ коммутации абонентов (рабочих станций), выполняющий возможность доступа к существующим каналам связи для нескольких абонентов, для обеспечения одновременно нескольких сеансов связи.

Коммутация - это процесс соединения различных абонентов коммуникационной сети через транзитные узлы. Коммуникационные сети должны обеспечивать связь своих абонентов между собой. Абонентами могут выступать ЭВМ, сегменты локальных сетей, факс-аппараты или телефонные собеседники.

Рабочие станции подключаются к коммутаторам с помощью индивидуальных линий связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией, абонентом. Коммутаторы соединяются между собой с использованием разделяемых линии связи (используются совместно несколькими абонентами).

Рассмотрим три основные наиболее распространенные способы коммутации абонентов в сетях:

• коммутация каналов (circuit switching);
• коммутация пакетов (packet switching);
• коммутация сообщений (message switching).

Коммутация каналов

Коммутация каналов подразумевает образование непрерывного составного физического канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков для прямой передачи данных между узлами. Отдельные каналы соединяются между собой специальной аппаратурой - коммутаторами, которые могут устанавливать связи между любыми конечными узлами сети. В сети с коммутацией каналов перед передачей данных всегда необходимо выполнить процедуру установления соединения, в процессе которой и создается составной канал.

Время передачи сообщения при этом определяется пропускной способностью канала, длинной связи и размером сообщения.

Коммутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать одновременную передачу данных нескольких абонентских каналов. Для этого они должны быть высокоскоростными и поддерживать какую-либо технику мультиплексирования абонентских каналов.

Достоинства коммутации каналов:

• постоянная и известная скорость передачи данных;
• правильная последовательность прихода данных;
• низкий и постоянный уровень задержки передачи данных через сеть.

Недостатки коммутации каналов:

• возможен отказ сети в обслуживании запроса на установление соединения;
• нерациональное использование пропускной способности физических каналов, в частности невозможность применения пользовательской аппаратуры, работающей с разной скоростью. Отдельные части составного канала работают с одинаковой скоростью, так как сети с коммутацией каналов не буферизуют данные пользователей;
• обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Коммутация сообщений – разбиение информации на сообщения, каждый из которых состоит из заголовка и информации.

Это способ взаимодействия, при котором создается логический канал, путем последовательной передачи сообщений через узлы связи по адресу указанному в заголовке сообщения.

При этом каждый узел принимает сообщение, записывает в память, обрабатывает заголовок, выбирает маршрут и выдает сообщение из памяти в следующий узел.

Время доставки сообщения определяется временем обработки в каждом узле, числом узлов и пропускной способности сети. Когда заканчивается передача информации из узла А в узел связи В, то узел А становится свободным и может участвовать в организации другой связи между абонентами, поэтому канал связи используется более эффективно, но система управления маршрутизации будет сложной.
Сегодня коммутация сообщений в чистом виде практически не существует.

Коммутация пакетов - это особый способ коммутации узлов сети, который специально создавался для наилучшей передачи компьютерного трафика (пульсирующего трафика). Опыты по разработке самых первых компьютерных сетей, в основе которых лежала техника коммутации каналов, показали, что этот вид коммутации не предоставляет возможности получить высокую пропускную способность вычислительной сети. Причина крылась в пульсирующем характере трафика, который генерируют типичные сетевые приложения.

При коммутации пакетов все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Необходимо уточнить, что сообщением называется логически завершенная порция данных - запрос на передачу файла, ответ на этот запрос, содержащий весь файл, и т. п. Сообщения могут иметь произвольную длину, от нескольких байт до многих мегабайт. Напротив, пакеты обычно тоже могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт (EtherNet). Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.

Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета.

Достоинства коммутации пакетов:

• более устойчива к сбоям;
• высокая общая пропускная способность сети при передаче пульсирующего трафика;
• возможность динамически перераспределять пропускную способность физических каналов связи.

Недостатки коммутации пакетов:

• неопределенность скорости передачи данных между абонентами сети;
• переменная величина задержки пакетов данных;
• возможны потери данных из-за переполнения буферов;
• возможны нарушения последовательности прихода пакетов.

В компьютерных сетях применяется коммутация пакетов.

Cпособы передачи пакетов в сетях:

• Дейтаграммный способ – передача осуществляется как совокупность независимых пакетов. Каждый пакет двигается по сети по своему маршруту и пользователю пакеты поступают в произвольном порядке.
• Достоинства: простота процесса передачи.
• Недостатки: низкая надежность засчет возможности потери пакетов и необходимость программного обеспечения для сборки пакетов и восстановления сообщений.
• Логический канал - это передача последовательности связанных в цепочки пакетов, сопровождающихся установкой предварительного соединения и подтверждением приема каждого пакета. Если i-ый пакет не принят, то все последующие пакеты не будут приняты.
• Виртуальный канал – это логический канал с передачей по фиксированному маршруту последовательности связанных в цепочки пакетов.
• Достоинства: сохраняется естественная последовательность данных; устойчивые пути следования трафика; возможно резервирование ресурсов.
• Недостатки: сложность аппаратной части.

В данной статье мы рассмотрели основные методы коммутации в вычислительных сетях, с описание каждого метода коммутации с указанием достоинст и недостатков.

Важнейшими задачами, решаемыми канальным уровнем модели сетевого взаимодействия (иногда этот уровень называют уровнем передачи данных ), являются задачи предоставления определенных сервисов сетево­му уровню. Основным сервисом является передача данных от сетевого уровня пе­редающей вычислительной машины сетевому уровню принимающей машины. На передающей ма­шине работает процесс, который передает биты с сетевого уровня на канальный уровень для передачи их по назначению. Работа канального уров­ня заключается в передаче этих битов на принимающую маши­ну так, чтобы они могли быть переданы сетевому уровню принимающей машины. Физически данные передаются по реальным каналам передачи, как схематично пока­зано на рис. 8.1.а. Однако посредством протоколов канального уровня виртуальный путь передачи данных связывает канальные уровни пе­редающей и принимающей вычислительной машины (рис. 8.1.б ).

Рис. 8.1. Пути передачи данных: а – виртуальный; б – фактический

Протоколы канального уровня описывают, каким образом логические биты или символы, передаваемые физическим уровнем, объединяются в более крупные единицы – кадры . Обобщенная структура кадра показана на рис. 8.2. В общем случае, каждый кадр содер­жит заголовок, поле данных и трейлер (или так называемый «концевик» ). Управление кадрами – одна их главнейших функций работы канального уровня.

Рис. 8.2. Обобщенная структура кадра протокола канального уровня

Канальный уровень может предоставлять различные сервисы и их на­бор может быть разным для разных систем. Обычно рассматриваются следующие возможные вари­анты:

1) сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения;

2) сервис с подтверждениями приема кадров и без установления соединения;

3) сервис с подтверждениями приема кадров и с установлением соединения.

Сервис без подтверждений приема кадров и без установления соединения заключается в том, что передающая машина посылает независимые кадры принимающей машине, а принимающая машина не посылает подтверждений о приеме кадров. Никакие соединения заранее не устанавливаются и не разрываются после передачи кад­ров. Если какой-либо кадр теряется из-за помех в линии связи, то на канальном уровне не предпринимается никаких попыток восстановить его. Данный класс сервисов приемлем при очень низком уровне ошибок. В этом случае вопросы, связанные с восстановлением потерянных при передаче данных, могут быть переданы для решения верхним уровням. Этот класс сервисов также применяется в линиях связи реального вре­мени (например, при передаче речи), в которых явно предпочтительнее получить искаженные данные, чем получить их с большой задержкой. Сервис без подтверждений и без установления соединения используется на канальном уровне в большинстве локаль­ных сетей.

Следующим шагом в сторону повышения надежности является сервис с под­тверждениями приема кадров, но без установления соединения . При его использовании соединение не устанавливается, но получение каждого кадра подтверждается. Таким об­разом, отправитель знает, дошел ли кадр до пункта назначения в целостности. Если в течение установленного интервала времени подтверждения не поступает, кадр посылается вновь. Такой сервис применяется в случае низкокачественных дешевых линий связи с боль­шой вероятностью ошибок, например, в беспроводных системах.

Наиболее сложным сервисом, который может предоставлять канальный уровень, является сервис, ориентированный на установление соединения с подтверждения­ми приема кадров . При использовании этого метода источник и приемник, прежде чем пере­дать друг другу данные, устанавливают соединение. Каждый посылаемый кадр нумеруется, а канальный уровень гарантирует, что каждый посланный кадр дей­ствительно принят на другой стороне линии связи. Кроме того, гарантируется, что каждый кадр был принят всего один раз и что все кадры были получены в правильном порядке. В сервисе без установления соединения, напротив, возмож­но, что при потере подтверждения один и тот же кадр будет послан несколько раз и, следовательно, несколько раз получен. При использовании ориентированного на соединение сервиса передача дан­ных состоит из трех фаз. В первой фазе устанавливается соединение, при этом обе стороны инициализируют переменные и счетчики, необходимые для слежения за тем, какие кадры уже приняты, а какие – еще нет. Во второй фазе передаются кадры данных. Наконец, в третьей фазе соединение разрывается и при этом освобождаются все переменные, буферы и прочие ресурсы, использо­вавшиеся во время соединения.

Для предоставления сервиса сетевому уровню канальный уровень должен использовать сервисы, предоставляемые ему физическим уровнем. Физический уровень принимает необработанный поток битов и пытается передать его по на­значению. Этот поток не застрахован от ошибок. Количество принятых битов мо­жет быть меньше, равно или больше числа переданных бит. Кроме того, значения принятых битов могут отличаться от значений переданных. Канальный уровень должен обнаружить ошибки и, если нужно, исправить их.

Обычно канальный уровень разбивает поток битов на отдельные кадры и считает для каждого кадра так называемую контрольную сумму. Когда кадр прибывает в пункт назначения, его контрольная сумма подсчитывается снова. Если она отличается от содержащейся в кадре, то канальный уровень «понимает», что при переда­че кадра произошла ошибка, и принимает соответствующие меры (например, игнорирует испор­ченный кадр и посылает передающей машине сообщение об ошибке). Разбиение потока битов на отдельные кадры представляет собой не очень простую задачу. Один из способов раз­биения на кадры заключается во вставке временных интервалов между кадрами, подобно тому, как вставляются пробелы между словами в тексте. Однако сети редко предоставляют гарантии сохранения временных интервалов при передаче данных, поэтому возможно, что эти интервалы при передаче исчезнут или, на­оборот, будут добавлены новые интервалы. Поэтому для повышения надежности передачи данных предложены более совершенные методы. Среди них наиболее популярны такие методы маркировки границ кадров (формирования кадров ), как:

1) подсчет количества символов;

2) применение сигнальных байтов с символьным заполнением;

3) использование стартовых и стоповых битов с битовым заполнением;

4) использование запрещенных сигналов физического уровня.

Первый метод формирования кадров использует поле в заголовке для указа­ния количества символов в кадре. Когда канальный уровень на принимаю­щей машине видит это поле, он узнает, сколько символов последует, и таким образом определяет, где находится конец кадра. Недостаток такого метода заключается в том, что при передаче может быть искажен сам счетчик. Тогда принимающая машина потеряет синхронизацию и не сможет обнаружить начало следующего кадра. Даже если контрольная сумма не совпадет и принимающая машина «пой­мет», что кадр принят неверно, то она все равно не сможет определить, где начало следующего кадра. Запрашивать повторную передачу кадра также бесполезно, поскольку принимающая машина не «знает», сколько символов нужно пропус­тить до начала повторной передачи. По этой причине метод подсчета символов теперь практически не применяется.

Второй метод формирования кадров решает проблему восстановления син­хронизации после сбоя при помощи маркировки начала и конца каждого кадра специальными байтами. В последнее время большинство протоколов перешло на использова­ние в обоих случаях одного и того же байта, называемого флаговым . Таким образом, если приемник теряет синхронизацию, ему необходимо просто найти флаговый байт, с помощью которого он распозна­ет конец текущего кадра. Два соседних флаговых байта говорят о том, что кон­чился один кадр и начался другой. Однако этот метод иногда приводит к серьезным проблемам при передачи бинарных данных, таких как объектные коды программ или числа с плавающей запятой. В передаваемых данных вполне может встретиться последовательность, исполь­зуемая в качестве флагового байта. Возникновение такой ситуации, скорее всего, собьет синхронизацию. Одним из способов решения проблемы является добав­ление специального escape-символа (знака переключения кода – ESC ) непосред­ственно перед байтом, случайно совпавшим с флаговым байтом внутри кадра. Канальный уровень получателя вначале убирает эти escape-символы, затем переда­ет кадр на сетевой уровень. Этот метод называется символьным заполнением. Таким образом, настоящий флаг можно отличить от «случайно совпавшего» по наличию или отсутствию перед ним символа ESC. Если же и символ ESC случайно окажется среди прочих данных, то перед этим фиктивным escape-символом также вставляется настоящий. Тогда любой одиночный ESC будет частью escape-после­довательности, а двойной будет указывать на то, что служебный байт случайно оказался в потоке данных. После очищения от вставных символов байтовая последовательности в точности совпадает с исходной. Главный недостаток этого метода заключается в том, что он тесно связан с 8-битными символами. Между тем не во всех кодировках один символ соответ­ствует 8 битам. Например, кодировка UNICODE использует 16-битное кодирование.

Следующий метод позволяет использовать кадры и наборы символов, состоящие из любого количества битов. При этом каждый кадр начинается и завершается специальной последовательностью битов 01111110. Битовое заполнение аналогично символьному, при котором в кадр перед случайно встретившимся среди данных флагом вставляется escape-символ. Битовое заполнение, как и сим­вольное, является абсолютно прозрачным для сетевого уровня обеих машин. Если флаговая последовательность битов (01111110) встречается в данных пользователя, она передается в виде 011111010, но в памяти принимающего ком­пьютера сохраняется опять в исходном виде: 01111110. Благодаря битовому заполнению границы между двумя кадрами могут быть безошибочно распознаны с помощью флаговой последовательности. Таким образом, если приемная сторона потеряет границы кадров, ей нужно всего лишь оты­скать в полученном потоке битов флаговый байт, поскольку он встречается толь­ко на границах кадров и не может присутствовать в данных пользователя.

Наконец, последний из рассматриваемых методов формирования кадров приемлем только в сетях, в которых физический носитель обладает некоторой избыточностью. Например, некоторые локальные сети кодируют один бит данных двумя физическими бита­ми. Так в «манчестерском» коде бит 1 кодируется парой высокого и низкого уровней сигналов (от­рицательный перепад), а бит 0 – наоборот, парой низкого и высокого уровней (положительный перепад). В такой схеме каждый передаваемый бит данных со­держит в середине переход, благодаря чему упрощается распознавание границ битов. Комбинации уровней сигналов (низкий–низкий и высокий–высокий) не используются для передачи данных, но используются в качестве ограничителей кадров в некоторых протоколах.

Отметим, что многие современные протоколы пе­редачи данных для повышения надежности применяют комбинированные методы формирования кадра.

Канальный уровень должен выполнять ряд специфических функций, к которым относятся обработка ошибок передачи данных и управление потоком данных , исключающее «затопление» медленных прием­ников быстрыми передатчиками.

Серьезной проблемой является гарантированная доставка сетевому уровню принимающей машины всех кадров с расположением их при этом в правильном порядке. Обычно для гарантирования надежной доставки поставщику посылается ин­формация о том, что происходит на другом конце линии. Протокол требует от получателя посылать обратно специальные управляющие кадры, содержащие по­зитивные или негативные сообщения о полученных кадрах. Получив позитивное сообщение, отправитель узнает, что посланный им кадр успешно получен на другом конце линии. Негативное сообщение, напротив, означает, что с кадром что-то слу­чилось и его нужно передать снова. Кроме того, посланный кадр может из-за неисправности оборудования или какой-нибудь помехи пропасть полностью. В этом случае при­нимающая сторона его просто не получит и, соответственно, никак не прореаги­рует, а отправитель при этом может бесконечно долго ожидать положительного или отрицательного ответа. Чтобы избежать зависаний сети в случае полной потери кадров, используют­ся таймеры канального уровня. После посылки кадра включается таймер и отсчитывает интервал времени, достаточный для получения принимающей машиной этого кадра, его обработки и посылки обратно подтверждения. В нор­мальной ситуации кадр правильно принимается, а подтверждение посылается на­зад и вручается отправителю, прежде чем истечет установленный интервал вре­мени, и только после этого таймер отключается. Однако если либо кадр, либо подтверждение теряется по пути, то установлен­ный интервал времени истечет, и отправитель получит сообщение о возможной проблеме. Самым простым решением для отправителя будет послать кадр еще раз. Однако при этом возникает опасность получения одного и того же кадра не­сколько раз канальным уровнем принимающей машины и повторной передачи его сетевому уровню. Чтобы этого не случилось, необходимо последо­вательно пронумеровать отсылаемые кадры, так чтобы получатель мог отличить повторно переданные кадры от оригиналов. Вопрос управления таймерами и порядковыми номерами, гарантирующими, что каждый кадр доставлен сетевому уровню принимающей машины ровно один раз, является очень важной задачей, решае­мой канальным уровнем.

Еще один важный аспект разработки канального уровня (а также более вы­соких уровней) связан с вопросом о том, что делать с отправителем, который по­стоянно желает передавать кадры быстрее, чем получатель способен их получать. Такая ситуация может возникнуть, если у передающей стороны оказывается бо­лее мощная (или менее загруженная) машина, чем у принимающей. При этом отпра­витель будет продолжает посылать кадры на высокой скорости до тех пор, пока получа­тель не окажется, как говорят, «затоплен» ими. Даже при идеально работающей линии связи в определенный момент времени получатель просто не сможет продолжать обработ­ку прибывающих кадров и начнет их терять. Для предотвраще­ния подобной ситуации чаще всего применяются два подхода. При первом, называющемся управлением потоком с обратной связью , получатель отсылает отправителю информацию, разрешающую последнему продолжить передачу или, по крайней мере, сообщающую о том, как идут дела у получателя. При втором подходе – управ­лении потоком с ограничением – в протокол встраивается механизм, ограничи­вающий скорость, с которой передатчики могут передавать данные, а обратная связь с получателем отсутствует. Известны различные схемы управления потоком с обратной связью, но большин­ство из них используют один и тот же принцип. Протокол содержит четко оп­ределенные правила, определяющие, когда отправитель может посылать следую­щий кадр. Эти правила часто запрещают пересылку кадра до тех пор, пока получатель не даст разрешения (явно либо неявно).

Канальный уровень (Data Link Layer) определяет правила доступа к физической среде и управляет передачей информации по каналу, осуществляя формирование сигнала о начале передачи и организуя начало и собственно передачу информации с созданием сигнала окончания передачи и последующим переводом канала в пассивное состояние. В процессе передачи выполняется проверка принимаемой информации и исправление возникающих ошибок, отключение канала при возникновении неисправности, а также формирование сообщений о возникновении неустранимых ошибок для вышестоящего уровня с восстановлением передачи по окончании ремонта техники. В ряде случаев данный уровень осуществляет слежение за скоростью обмена и окончанием информационных блоков, а также управляет физической цепью при ее мультиплексорном использовании.

На физическом уровне просто пересылаются биты и при этом не учитывается, что физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня (Data Link layer) является проверка доступности среды передачи. Другая задача канального уровня – реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров. Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной, поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например в Ethernet и frame relay.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает создание, передачу и прием информационных блоков, преобразуя последовательность битовых потоков в наборы битов, называемые кадрами данных, обслуживая запросы сетевого уровня и используя для передачи и приема кадров сервис физического уровня. Первоначально этот уровень был создан как функционально единый уровень, решающий задачи:

При передаче - собственно передачи кадра данных с сетевого уровня на физический уровень и обеспечения безошибочной передачи по физическому уровню кадров с одной системы на другую;

При приеме - перераспределения несмонтированных битов из физического уровня в кадры для более высоких уровней.

Функции канального уровня, как правило, реализуются программно-аппаратно.

Со временем возникла необходимость разделения канального уровня на два подуровня – уровень управления логической связью (Logical Link Control, LLC) и уровень управления доступом к физической среде (Media Access Control, MAC).

Подуровень MAC работает с физическими адресами, которые называются МАС-адресами. В сетях Ethernet и Token Ring МАС-адреса представляют собой шестнадцатиричные числа, записанные в микросхему сетевого адаптера. МАС-адрес сети Ethernet (иногда его называют адресом Ethernet) – это 12 шестнадцатиричных цифр, каждая пара из которых отделена двоеточием. Эти 12 шестнадцатеричных цифр представляют двоичное число длиной 48 бит (или 6 байт). Первые три байта содержат код производителя, присвоенный организацией IEEE. Последние три байта присваиваются производителем. МАС-адрес, или физический адрес, иногда называют адресом устройства. Он отличается от логического адреса,т.е. IP-адреса в сети ТСР/IР тем, что его нельзя изменить. Логический адрес присваивается программным обеспечением, изменить его очень просто. Оба адреса служат для идентификации компьютера в сети.

На подуровне LLC определяется логическая топология сети. Она может не совпадать с физической топологией. Подуровень LLC отвечает за связь (или интерфейс) между подуровнем MAC и расположенным выше сетевым уровнем, преобразуя биты и байты, полученные с уровня MAC, в формат, требуемый сетевым устройствам.

В локальных сетях протоколы канального уровня поддерживаются мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов. В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей, именно той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами канального уровня локальных сетей, относятся "общая шина", "кольцо" и "звезда", а также структуры, полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Во всех этих конфигурациях адрес назначения имеет локальный смысл для данной сети и не изменяется при прохождении кадра от узла-источника к узлу назначения. Возможность передавать данные между локальными сетями разных технологий связана с тем, что в этих технологиях используются адреса одинакового формата, к тому же производители сетевых адаптеров обеспечивают уникальность адресов независимо от технологии. Примерами протоколов канального уровня являются протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В территориально-распределенных сетях, т.е. сетях уровня WAN, которые редко обладают регулярной топологией, канальный уровень часто обеспечивает обмен сообщениями только между двумя соседними компьютерами, соединенными индивидуальной линией связи. Примерами протоколов "точка-точка" (как часто называют такие протоколы) могут служить широко распространенные протоколы канального уровня PPP и LAP-B, ответственные за доставку кадра непосредственному узлу-соседу. Адрес в этом случае не имеет принципиального значения, а на первый план выходит способность протокола восстанавливать искаженные и утерянные кадры, так как плохое качество территориальных каналов, особенно коммутируемых телефонных, часто требует выполнения подобных действий.

Если же перечисленные выше условия не соблюдаются, например связи между сегментами Ethernet имеют петлевидную структуру, либо объединяемые сети используют различные способы адресации, как в сетях Ethernet и X.25, то протокол канального уровня не может в одиночку справиться с задачей передачи кадра между узлами и требует помощи протокола сетевого уровня. Именно так организованы сети X.25. Таким образом, когда в сетях уровня WAN функции канального уровня в чистом виде выделить трудно, то они объединяются с функциями сетевого уровня в одном и том же протоколе. Примерами такого подхода могут служить протоколы технологий ATM и frame relay.

На канальном уровне используются такие протоколы, как широко известный для последовательных соединений протокол ISO High-level DataLink Conrol (HDLC), протоколы ITU-T Link Access Procedures Balanced (LAPB), Link Access Procedures on the D-channel (LAPD) и Link Access Procedures to Frame Mode Bearer Services (LAPF), протоколы IEEE 802.2 LLC (тип I и тип II), обеспечивающий MAC для сред локальных сетей 802.Х, а также протоколы Ethernet, Token ring, FDDI, X.25 и FR.

В целом канальный уровень представляет весьма мощный и законченный набор функций по пересылке сообщений между узлами сети, допуская в ряде случаев работу поверх него непосредственно протоколов прикладного уровня или приложений без привлечения протоколов сетевого и транспортного уровней. Тем не менее, для обеспечения качественной транспортировки сообщений в сетях любых топологий и технологий функций канального уровня недостаточно. Для этого следует использовать в рамках модели OSI следующие два уровня модели - сетевой и транспортный .

Физический уровень - самый нижний уровень сетевой модели OSI, предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы...

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передачи данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Особенности физического уровня модели OSI удобно рассматривать с использованием следующего рисунка:

Можно выделить следующие подуровни:

Reconciliation - подуровень согласования. Служит для перевода команд МАС-уровня в соответствующие электрические сигналы физического уровня.
MII - Medium Independent Interface, независимый от среды интерфейс. Обеспечивает стандартный интерфейс между МАС-уровнем и физическим уровнем.
PCS - Physical Coding Sublayer, подуровень физического кодирования. Выполняет кодирование и декодирование последовательностей данных из одного представления в другое.
PMA - Physical Medium Attachment, подуровень подсоединения к физической среде. Преобразует данные в битовый поток последовательных электрических сигналов, и обратно. Кроме того, обеспечивает синхронизацию приема/передачи.
PMD - Physical Medium Dependent, подуровень связи с физической средой. Отвечает за передачу сигналов в физической среде (усиление сигнала, модуляция, формирование сигнала).
AN - Auto-negotiation, согласование скорости. Используется для автоматического выбора устройствами протокола взаимодействия.
MDI - Medium Dependent Interface, зависимый от среды интерфейс. Определяет различные виды коннекторов для разных физических сред и PMD-устройств.

Среда передачи данных

Средой передачи данных называется физическая среда, пригодная для прохождения сигнала. Чтобы компьютеры могли обмениваться кодированной информацией, среда должна обеспечить их физическое соединение друг с другом. Существует несколько видов сред, применяемых для соединения компьютеров:
коаксиальный кабель;
неэкранированная витая пара;
экранированная витая пара;
оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в сеть. Кабель данного типа состоит из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим материалом, который, в свою очередь, окружен медной сеткой и/или алюминиевой фольгой. Этот внешний проводник обеспечивает заземление и защиту центрального проводника от внешней электромагнитной интерференции. При прокладке сетей используются два типа кабеля - "Толстый коаксиальный кабель" (Thicknet) и "Тонкий коаксиальный кабель" (Thinnet). Максимальная длина сегмента лежит в диапазоне от 185 до 500 м в зависимости от типа кабеля.

Кабель типа "витая пара" (twisted pair), является одним из наиболее распространенных типов кабеля в настоящее время. Он состоит из нескольких пар медных проводов, покрытых пластиковой оболочкой. Провода, составляющие каждую пару, закручены вокруг друг друга, что обеспечивает защиту от взаимных наводок. Кабели данного типа делятся на два класса - "экранированная витая пара " ("Shielded twisted pair") и "неэкранированная витая пара " ("Unshielded twisted pair"). Отличие этих классов состоит в том, что экранированная витая пара является более защищенной от внешней электромагнитной интерференции, благодаря наличию дополнительного экрана из медной сетки и/или алюминиевой фольги, окружающего провода кабеля. Сети на основе "витой пары" в зависимости от категории кабеля обеспечивают передачу со скоростью от 10 Мбит/с – 1 Гбит/с. Длина сегмента кабеля не может превышать 100 м (до 100 Мбит/с) или 30 м (1 Гбит/с).

Оптоволоконные кабели представляют собой наиболее современную кабельную технологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных на большие расстояния, устойчивую к интерференции и прослушиванию. Оптоволоконный кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного слоем стеклянного или пластикового покрытия и внешней защитной оболочкой. Передача данных осуществляется с помощью лазерного или светодиодного передатчика, посылающего однонаправленные световые импульсы через центральный проводник. Сигнал на другом конце принимается фотодиодным приемником, осуществляющим преобразование световых импульсов в электрические сигналы, которые могут обрабатываться компьютером. Скорость передачи для оптоволоконных сетей находится в диапазоне от 100 Мбит/c до 2 Гбит/с. Ограничение по длине сегмента составляет 2 км.

Канальный уровень

Канальный уровень (англ. Data Link layer) - уровень сетевой модели OSI, который предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня - MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

В программировании, к примеру, этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС.

Задача канального уровня - обеспечить взаимодействие устройств внутри локальной сети путем передачи специальных блоков данных, которые называются кадрами (frame). В процессе формирования они снабжаются служебной информацией (заголовком), необходимой для корректной доставки получателю, и, в соответствии с правилами доступа к среде передачи, отправляются на физический уровень.

При приеме данных с уровня PHY необходимо выделить кадры, предназначенные данному устройству, проверить их на отсутствие ошибок, и передать сервису или протоколу, которому они предназначались.

Нужно обратить внимание, что именно канальный уровень отправляет, принимает, и повторяет кадры в случае коллизии. Но определяет состояние разделяемой среды физический уровень. Поэтому процесс доступа (с необходимым уточнением) подробно описан в предыдущей главе.

Информационное взаимодействие на канальном уровне сетей стандарта Ethernet так же, как и на физическом, принято разделять на дополнительные подуровни, которые не были предусмотрены стандартом OSI-7.

LLC (Logical Link Control). Уровень управления логическим каналом;
MAC (Media Access Control). Уровень доступа к среде.

Подуровень MAC

В идеология множественного доступа к среде Ethernet передачу данных приходится реализовать по широковещательному принципу "каждый для всех" (broadcasting). Это не может не наложить отпечаток на процесс формирования и распознавания кадров. Рассмотрим строение кадра Ethernet DIX, как наиболее часто используемого для передачи IP трафика.

Для идентификации устройств используются 6-ти байтовые MAC-адреса, которые отправитель обязательно должен указать в передаваемом кадре. Старшие три байта представляют собой идентификатор производителя оборудования (Vendor codes), младше - индивидуальный идентификатор устройства.

За уникальность последних несет ответственность производитель оборудования. С идентификаторами производителя дело обстоит сложнее. Существует специальная организация в составе IEEE, которая ведет список вендоров, выделяя каждому из них свой диапазон адресов. Кстати, занести туда свою запись стоит совсем не дорого, всего US 50. Можно отметить, что создатели технологии Ethernet, Ксерокс и DEC, занимают первую и последнюю строчку списка соответственно.

Такой механизм существует для того, что бы физический адрес любого устройства был уникальным, и не возникло ситуации его случайного совпадения в одной локальной сети.

Нужно особо отметить, что на большинстве современных адаптеров можно программным путем установить любой адрес. Это представляет определенную угрозу работоспособности сети, и может быть причиной тяжелых "мистических" неисправностей.

MAC-адрес может быть записан в различной форме. Наиболее часто используется шестнадцатеричная, в которой пары байтов отделяются друг от друга символами "-" или ":". Например, сетевая карта Realtek, установленная в моем домашнем компьютере, имеет адрес 00:C0:DF:F7:A4:25.

МАС-адрес позволяет выполнять единичную (Unicast), групповую (Multicast) и широковещательную адресацию кадров (Broadcast).

Единичная адресация означает, что узел-источник направляет свое сообщение только одному получателю, адрес которого явно указывается.

В режиме групповой адресации кадр будет обработан теми станциями, которые имеют такой же Vendor Code, как и у отправителя. Признаком такой посылки является "1" в младшем бите старшего байта МАС-адреса (X1:XX:XX:XX:XX:XX). Такой формат достаточно удобен для "фирменного" взаимодействия устройств, но на практике используется достаточно редко.

Другое дело широковещательная посылка, в которой адрес получателя кодируется специальным значением FF-FF-FF-FF-FF-FF. Переданный пакет будет принят и обработан всеми станциями, которые находятся в локальной сети.

Для успешной доставки одного адреса назначения явно недостаточно. Нужна дополнительная служебная информация - длина поля данных, тип сетевого протокола и др.

Преамбула (Preamble). Состоит из 8 байтов. Первые семь содержат одну и ту же циклическую последовательность битов (10101010), которая хорошо подходит для синхронизации приемопередатчиков. Последний (Start-of-frame-delimiter, SFD), 1 байт (10101011), служит меткой начала информационной части кадра. Это поле не учитывается при определении длины кадра и не рассчитывается в контрольной сумме.
МАС-адрес получателя (Destination Address, DA).
МАС-адрес отправителя (Source Address, SA). Первый бит всегда равен нулю.
Поле длины либо тип данных (Length/Type, L/T). Два байта, которые содержат явное указание длины (в байтах) поля данных в кадре или указывают на тип данных. Ниже, в описании LLC будет показано, что возможно простое автоматическое распознавание разных типов кадров.
Данные (Data). Полезная нагрузка кадра, данные верхних уровней OSI. Может иметь длину от 0 до 1500 байт.
Для корректного распознавания коллизий необходим кадр не менее чем из 64 байт. Если поле данных менее 46 байт, то кадр дополняется полем заполнения (Padding).
Контрольная сумма (Frame Check Sequence, FCS). 4 байта, которые содержит контрольную сумму всех информационных полей кадра. Вычисление выполняется по алгоритму CRC-32 отправителем и добавляется в кадр. После приема кадра в буфер, приемник выполняет аналогичный расчет. В случае расхождения результата вычислений, предполагается ошибка при передаче, и кадр уничтожается.

Подуровень LLC

Данный подуровень обеспечивает единый, независимый от используемого метода доступа, интерфейс с верхним (сетевым) уровнем. По сути, можно сказать, что на нем определяется логическая структура заголовка кадра Ethernet.
...

Сетевые адаптеры

Сетевые адаптеры преобразуют пакеты данных в сигналы для передачи по сети. В ходе изготовления фирмой-производителем каждому сетевому адаптеру присваивается физический адрес, который заносится в специальную микросхему, устанавливаемую на плате адаптера. В большинстве сетевых адаптеров МАС-адрес зашивается в ПЗУ. Когда адаптер инициализируется, этот адрес копируется в оперативную память компьютера. Поскольку МАС-адрес определяется сетевым адаптером, то при замене адаптера изменится и физический адрес компьютера; он будет соответствовать МАС-адресу нового сетевого адаптера.
Для примера можно представить себе гостиницу. Предположим далее, что комната 207 имеет замок, открывающийся ключом А, а комната 410 - замок, открывающийся ключом F. Принято решение поменять замки в комнатах 207 и 410. После замены ключ А будет открывать комнату 410, а ключ F- комнату 207. В этом примере замки играют роль сетевых адаптеров, а ключи - роль МАС-адресов. Если адаптеры поменять местами, то изменятся и МАС-адреса.

ЗЫ. продолжение следует..

------
Основы организации сетей
wiki
nag.ru

Использование Р- и V-операций для организации взаимодействий процессов в системе может осуществляться до тех пор, пока нет лучшего механизма связи. Одним из предложений по улучшению

Рис. 8.7. P/V-система процессов для двух узлов графа вычислений на рис. 8.2.

Рис. 8.8. Добавление P/V-систем в иерархию моделей.

этого механизма является предложение использовать сообщения. Система с сообщениями - это набор процессов, которые взаимодействуют с помощью сообщений. Над сообщениями возможны две операции: послать и получить. Передача сообщения подобна V-операции, а прием сообщения подобен -операции. Если при выполнении операции получить нет ни одного сообщения, то получатель ждет до тех пор, пока сообщение не будет послано.

На этом механизме основана схема моделирования, предложенная Риддлом . Эта модель кажется наиболее подходящей для моделирования протоколов в сетях ЭВМ. Риддл рассматривает (конечное) множество процессов, которые взаимодействуют с помощью сообщений. Сообщения посылаются и запрашиваются специальными процессами, называемыми канальными процессами (почтовые ящики). Канальные процессы предоставляют, что существенно, комплект сообщений, которые посланы, но еще не приняты, или комплект запросов на сообщения от приемников, которые выданы, но еще не удовлетворены. Другие процессы системы называются программными процессами и описываются на языке моделирования программных процессов (ЯМПП).

Пример системы из трех процессов приведен на рис. 8.9. Как видно из примера, описание процессов на ЯМПП является, по существу, схемой. Интерес представляет только деятельность по передаче сообщений в системе. Сообщения являются абстрактными элементами, единственной характеристикой которых является тип. Число типов сообщений в системе может быть только конечным. Сообщения посылаются из или принимаются в буфер сообщений в каждом из процессов. Существует только по одному буферу на процесс. Предложениями ЯМПП являются: Поместить сообщение типа в буфер сообщений. Послать сообщение в буфер сообщений канального процесса Запросить сообщение из канального процесса Ждать (если необходимо) до тех пор, пока не будет получено сообщение. Сообщение помещается в буфер сообщений. Проверить тип сообщения в буфере сообщений и перейти к предложению если сообщение имеет тип, отличный от : Моделировать внутреннюю, зависящую от данных, проверку. Либо продолжать обработку, выполняя следующее предложение, либо перейти к предложению с меткой Передать управление предложению Завершить процесс.

Система с ЯМПП моделирует множество параллельных процессов. Каждый процесс стартует в начале своей программы и выполняет свою программу до тех пор, пока ему не встретится предложение Риддл показывает, как построить выражение передачи сообщений, которое представляет возможные потоки сообщений в системе и использует это выражение для исследования структуры системы и организации правильного функционирования. Это выражение передачи сообщений используется для тех же целей, что и язык сети Петри. Поэтому мы показываем, как описание системы процессов на ЯМПП может быть преобразовано в такую сеть Петри, что ее язык совпадает с выражением передачи сообщений из анализа Риддла. Это преобразование игнорирует выполнение отдельных предложений описания на ЯМПП, хотя с помощью незначительной модификации и они могли бы быть представлены в языке сети Петри.

Для моделирования процесса сетью Петри используем по одной фишке на процесс в качестве программного счетчика. Присутствие сообщения в канальном процессе также представляется фишкой. Поскольку сообщения идентифицируются типом, то необходимо моделировать каждый тип сообщений в канальном процессе отдельной позицией. Очень важным свойством систем с ЯМПП является то, что число сообщений конечно. Каждый программный процесс также конечен. Только очередь сообщений занимает потенциально неограниченный объем памяти. Таким образом, способность моделировать канальные процессы и правильно представлять предложения send и receive являются наиболее важными аспектами преобразования описания на ЯМПП в сеть Петри. Моделируя

канальные процессы множествами позиций (по одной на каждый тип сообщений), мы можем представить предложение send переходом, который помещает фишку в позицию, представляющую соответствующие канальный процесс и тип сообщений. Предложение receive просто удаляет фишку из любой позиции канального процесса. Конкретная позиция, которая поставляет фишку, определяет тип получаемого сообщения. Эта информация может использоваться в любом последующем предложении

Единственным символом в выражении передачи сообщений является тип сообщений для тех сообщений, которые посылаются к или принимаются от канального процесса. Поскольку каждый переход в сети Петри приводит к появлению символа в языке сети Петри для этой сети Петри, то только предложения send и receive в системе с ЯМПП могут быть промоделированы. Таким образом, существуют два вида позиций в сети Петри. Один вид позиций, помеченных действует как счетчик числа сообщений типа в канальном процессе Другой вид позиций представляет предложения send и receive программы ЯМПП. Пусть эти предложения однозначно помечены Мы пометим позицию, представляющую предложение с сообщением типа в буфере сообщений, символом Фишка в позиции, ассоциированной с предложением означает, что предложение уже выполнено. Рис. 8.10 иллюстрирует, как предложения должны моделироваться сетью Петри. На рис. 8.10 позиция представляет позицию, ассоциированную с каким-либо предложением, которое предшествует предложению

Теперь осталось показать, что существует возможность определения предложения, предшествующего другим предложениям в программе на ЯМПП. Отметим, что каждое предложение можно рассматривать как пару, состоящую из типа сообщения и номера предложения, поскольку одно и то же предложение с различными типами сообщений в буфере сообщений будет моделироваться сетью Петри различным образом. Наиболее очевидный способ определения предшественников предложения состоит в запуске в начале каждой программы на ЯМПП специального стартового предложения (которое становится стартовой позицией) и в порождении согласно описанию программ всех возможных последующих предложений send и receive с соответствующим им содержимым буфера сообщений. Этот процесс повторяется для всех появляющихся предложений до тех пор, пока все предложения send и receive не будут порождены, а их последователи не будут идентифицированы. Поскольку число предложений в описании на ЯМПП и число типов сообщений конечно, то порождается только конечное число пар предложение! /тип, сообщение. Эта процедура подобна характеристическим уравнениям, используемым Риддлом для построения выражения передачи сообщений. На рис. 8.11 перечисляются предложения

Рис. 8.10. (см. скан) Преобразование предложений send и receive в переходы сети Петри. вверху - модель предложения sk:send с сообщением типа в буфере сообщений. Канальный процесс внизу - модель предложения sk:receive из канального процесса Возможные типы сообщений в

и их возможные последователи для системы с ЯМПП, изображенной на рис. 8.9.

После того как последователи предложения определены, мы можем, используя эту информацию, идентифицировать возможные предшественники предложения и, следовательно, построить сеть Петри, эквивалентную системе с ЯМПП, используя переходы, подобные приведенным на рис. 8.10. Специальная стартовая позиция является предшественником первого предложения каждого процесса системы. На рис. 8.12 система с ЯМПП, изображенная на рис. 8.9, преобразована в эквивалентную сеть Петри.

Краткое описание преобразования систем передачи сообщений в сети Петри показывает, что эта модель включается по мощности моделирования в сети Петри. Оно показывает также, что множество выражений передачи сообщений, рассматриваемое как класс языков, является подмножеством класса языков сети Петри.

Поскольку P/V-системы можно моделировать системами передачи сообщений с сообщениями только одного типа, то P/V-системы

Рис. 8.11. (см. скан) Предложения и последователи для системы с ЯМПП, изображенной на рис. 8.9.

включаются в системы передачи сообщений. Легко построить систему с сообщениями для решения задачи о курильщиках сигарет, поэтому включение P/V-систем в системы с сообщениями является собственным. С другой стороны, системы с сообщениями не способны воспринимать входные сообщения от нескольких источников одновременно и поэтому не эквивалентны сетям Петри.

При попытке моделирования перехода с несколькими входами может возникнуть один из следующих двух случаев:

1. Процесс будет пытаться получить фишки (сообщения) из всех своих входов, но будет недопустимым, и поэтому будет блокирован, задерживая при этом фишки, которые нужны для того, чтобы позволить продолжать работу другим переходам. Это приведет к тупикам в системе с сообщениями, которые не соответствуют тупикам в сети Петри, что нарушает третье ограничение.

2. Процесс будет уклоняться от создания лишних тупиков, определяя, что оставшиеся нужные фишки отсутствуют, и возвращая

(кликните для просмотра скана)

фишки в позиции (канальные процессы), из которых они были получены. Такие действия могут выполняться произвольно часто, а это означает, что не существует ограничения на длину последовательности действий в системе с сообщениями, соответствующей ограниченной последовательности запусков переходов в сети Петри. Таким образом, при этом нарушается наше второе ограничение.

Рис. 8.13. Добавление систем с сообщениями к иерархии моделей.

Риддл представил преобразование, которое подпадает под случай 1 и приводит к лишним тупикам. В любом случае мы видим, что системы с сообщениями не могут моделировать произвольные сети Петри (при сформулированных нами ограничениях). Поэтому в результате мы получаем иерархию, приведенную на рис. 8.13.