Съобщение на канала. Физически и информационни слоеве на OSI модела. Предимства на пакетната комутация

В тази статия ще разгледаме основните методи за превключване в мрежите.

В традиционен телефонни мрежи, комуникацията между абонатите се осъществява чрез превключване на комуникационни канали. В началото превключването на телефонните комуникационни канали се извършваше ръчно, след това превключването се извършваше от автоматични телефонни централи (АТС).

Подобен принцип се използва в компютърни мрежи. Географски отдалечените компютри в компютърна мрежа действат като абонати. Физически е невъзможно да се осигури на всеки компютър собствена некомутируема комуникационна линия, която да използва по всяко време. Следователно в почти всички компютърни мрежиВинаги се използва някакъв метод за превключване на абонати (работни станции), което дава възможност на няколко абоната да имат достъп до съществуващи комуникационни канали, за да осигурят няколко едновременни комуникационни сесии.

Превключванее процес на свързване на различни абонати на комуникационна мрежа чрез транзитни възли. Комуникационните мрежи трябва да гарантират, че техните абонати комуникират помежду си. Абонати могат да бъдат компютри, сегменти от локална мрежа, факс машини или телефонни събеседници.

Работните станции са свързани към комутатори, използвайки отделни комуникационни линии, всяка от които се използва по всяко време само от един абонат, назначен към тази линия. Комутаторите са свързани помежду си чрез споделени комуникационни линии (споделени от няколко абоната).

Нека да разгледаме трите основни най-често срещани метода за превключване на абонати в мрежи:

превключване на вериги;
комутация на пакети;
превключване на съобщения.

Превключване на веригата

Превключването на вериги включва формирането на непрекъснат съставен физически канал от отделни канални секции, свързани последователно за директен трансфер на данни между възлите. Индивидуалните канали са свързани помежду си чрез специално оборудване - комутатори, които могат да установяват връзки между всякакви крайни възли на мрежата. В мрежа с комутация на вериги, преди предаване на данни, винаги е необходимо да се извърши процедура за установяване на връзка, по време на която се създава съставен канал.

Времето за предаване на съобщението се определя от капацитета на канала, дължината на връзката и размера на съобщението.

Комутаторите, както и каналите, които ги свързват, трябва да осигуряват едновременното предаване на данни от няколко абонатни канала. За да направят това, те трябва да са високоскоростни и да поддържат някакъв вид техника за мултиплексиране на абонатни канали.

Предимства на превключването на веригата:

постоянна и известна скорост на трансфер на данни;
правилна последователност на пристигане на данни;
ниска и постоянна латентност на предаване на данни през мрежата.

Недостатъци на превключването на веригата:

мрежата може да откаже да обслужи заявката за установяване на връзка;
нерационално използване на капацитета на физическите канали, по-специално невъзможността да се използва потребителско оборудване, с което работи на различни скорости. Индивидуалните части на съставна верига работят с еднаква скорост, тъй като мрежите с комутация на вериги не буферират потребителски данни;
задължително забавяне преди предаване на данни поради фазата на установяване на връзка.

Превключването на съобщения е разделянето на информацията на съобщения, всяко от които се състои от заглавка и информация.

Това е метод на взаимодействие, при който се създава логически канал чрез последователно предаване на съобщения през комуникационни възли до адреса, посочен в заглавката на съобщението.

В този случай всеки възел получава съобщение, записва го в паметта, обработва заглавката, избира маршрут и изпраща съобщение от паметта до следващия възел.

Времето за доставка на съобщението се определя от времето за обработка на всеки възел, броя на възлите и капацитета на мрежата. Когато прехвърлянето на информация от възел А към комуникационен възел Б приключи, възел А става свободен и може да участва в организирането на други комуникации между абонатите, така че комуникационният канал се използва по-ефективно, но системата за контрол на маршрутизирането ще бъде сложна.
Днес превключването на съобщения в чиста форма практически не съществува.

Превключването на пакети е специален метод за превключване на мрежови възли, който е специално създаден за най-добро предаване на компютърен трафик (пулсиращ трафик). Експериментите при разработването на първите компютърни мрежи, базирани на технология за превключване на канали, показаха, че този тип превключване не дава възможност за получаване на висока пропускателна способносткомпютърна мрежа. Причината се крие в бурния характер на трафика, който типичните мрежови приложения генерират.

Когато се извърши превключване на пакети, всички съобщения, предадени от мрежов потребител, се разделят в изходния възел на сравнително малки части, наречени пакети. Необходимо е да се уточни, че съобщението е логически завършена част от данните - заявка за прехвърляне на файл, отговор на тази заявка, съдържащ целия файл и т.н. Съобщенията могат да имат произволна дължина от няколко байта до много мегабайта. Напротив, пакетите обикновено могат да имат и променлива дължина, но в тесни граници, например от 46 до 1500 байта (EtherNet). Всеки пакет е снабден със заглавка, която указва адресната информация, необходима за доставяне на пакета до целевия възел, както и номера на пакета, който ще бъде използван от целевия възел за сглобяване на съобщението.

Пакетните мрежови комутатори се различават от верижните комутатори по това, че имат вътрешна буферна памет за временно съхраняване на пакети, ако изходният порт на комутатора е зает с предаване на друг пакет, когато пакетът бъде получен.

Предимства на комутацията на пакети:

по-устойчиви на повреди;
висока обща пропускателна способност на мрежата при предаване на бурен трафик;
способността за динамично преразпределение на честотната лента на физическите комуникационни канали.

Недостатъци на превключването на пакети:

несигурност на скоростта на пренос на данни между мрежови абонати;
променливо забавяне на пакетите данни;
възможна загуба на данни поради препълване на буфера;
Възможно е да има нередности в последователността на пристигащите пакети.

Компютърните мрежи използват комутация на пакети.

Методи за предаване на пакети в мрежи:

Дейтаграмен метод– предаването се осъществява като набор от независими пакети. Всеки пакет се движи през мрежата по свой собствен маршрут и потребителят получава пакетите в произволен ред.

Предимства: простота на процеса на прехвърляне.
Недостатъци: ниска надеждност поради възможността за загуба на пакети и необходимостта от софтуер за сглобяване на пакети и възстановяване на съобщения.

Логически канале предаване на последователност от пакети, свързани във верига, придружено от установяване на предварителна връзка и потвърждение за получаването на всеки пакет. Ако i-тият пакет не бъде получен, всички следващи пакети няма да бъдат получени.
Виртуален канал– това е логически канал с предаване на последователност от пакети, свързани във верига по фиксиран маршрут.

Предимства: запазва се естествената последователност на данните; устойчиви маршрути за движение; възможна е резервация на ресурс.
Недостатъци: хардуерна сложност.

В тази статия прегледахме основните методи за превключване в компютърните мрежи, с описание на всеки метод за превключване, посочващо предимствата и недостатъците.

Най-важните проблеми са решени каналниво на модела работа в мрежа(понякога това ниво се нарича ниво на трансфер на данни), са задачите за осигуряване на определени услугимрежово ниво. Основната услуга е прехвърлянето на данни от мрежовия слой на предаващия компютър към мрежовия слой на приемащия компютър. Изпращащата машина изпълнява процес, който прехвърля битове от мрежовия слой към слоя на връзката за данни за предаване до тяхната дестинация. Задачата на слоя за връзка е да предаде тези битове на приемащата машина, така че да могат да бъдат предадени на мрежовия слой на приемащата машина. Физически данните се предават по реални канали за предаване, както е показано схематично в ориз. 8.1.а.Въпреки това, чрез протоколите на слоя за връзка, виртуален път за данни свързва слоевете за връзка на изпращащия и получаващия компютър ( ориз. 8.1.б).

Ориз. 8.1. Пътища за предаване на данни: а – виртуални; b – действителен

Протоколите на слоя за връзка описват как логическите битове или символи, пренасяни от физическия слой, се комбинират в по-големи единици - персонал. Обща структура на рамката е показана в ориз. 8.2. IN общ случай, всеки кадър съдържа заглавка, поле за данниИ ремарке(или т.нар "краен изключвател"). Управлението на персонала е една от най-важните функции на ниво връзка.

Ориз. 8.2. Обобщена структура на рамката на протокола за слой на връзката

Слоят на връзката за данни може да предоставя различни услуги и техният набор може да бъде различен за различни системи. Обикновено се разглеждатследните възможни опции:

1) услуга без потвърждения за получаване на рамка и без установяване на връзка;

2) услуга с потвърждения за приемане на рамка и без установяване на връзка;

3) услуга с потвърждения за приемане на рамка и установяване на връзка.

Услуга без потвърждение за приемане на рамка и без установяване на връзкае, че предавателната машина изпраща независими кадри към приемащата машина, а приемащата машина не изпраща потвърждение за получаването на кадрите. Никакви връзки не се установяват предварително и не се прекъсват след предаване на рамки. Ако някой кадър бъде загубен поради смущения в комуникационната линия, не се прави опит за възстановяване на слоя за връзка за данни. Този класуслуги е приемливо с много нисък процент грешки. В този случай проблемите, свързани с възстановяването на данни, изгубени по време на предаване, могат да бъдат прехвърлени на по-горните нива за разрешаване. Този клас услуги се използва и при комуникации в реално време (напр. глас), където очевидно е за предпочитане да се получават повредени данни, отколкото да се получават с голямо закъснение. Услуга без потвърждение и без връзка се използва на слоя за връзка за данни в повечето локални мрежи.

Следващата стъпка към повишаване на надеждността е услуга с потвърждения за приемане на рамка, но без установяване на връзка. При използването му не се установява връзка, но се потвърждава получаването на всеки кадър. По този начин изпращачът знае дали рамката е достигнала местоназначението си непокътната. Ако не бъде получено потвърждение в рамките на определения интервал от време, рамката се изпраща отново. Тази услуга се използва в случай на нискокачествени, евтини комуникационни линии с висока вероятност за грешки, например в безжични системи.

Най-сложната услуга, която линк слоят може да предостави, е услуга ориентирана за установяване на връзка с потвърждения за приемане на кадри. С този метод източникът и дестинацията установяват връзка, преди да предадат данни един на друг. Всеки изпратен кадър е номериран и нивото на връзката гарантира, че всеки изпратен кадър действително се получава от другата страна на комуникационната линия. Той също така гарантира, че всеки кадър се получава само веднъж и че всички кадри се получават в правилния ред. При услуга без връзка, от друга страна, е възможно, ако потвърждението бъде загубено, един и същ кадър да бъде изпратен многократно и следователно получен многократно. Когато използвате услуга, ориентирана към връзка, прехвърлянето на данни се състои от три фази. В първата фаза връзката се установява, като и двете страни инициализират променливите и броячите, необходими, за да следят кои рамки вече са получени и кои все още не са получени. Във втората фаза се предават кадри с данни. Накрая, в третата фаза, връзката се затваря и всички променливи, буфери и други ресурси, използвани по време на връзката, се освобождават.

За да предостави услуги на мрежовия слой, слоят за връзка с данни трябва да използва услугите, предоставени му от физическия слой. Физическият слой взема необработения битов поток и се опитва да го препрати до местоназначението му. Тази тема не е имунизирана срещу грешки. Броят на получените битове може да бъде по-малък, равен или по-голям от броя на предадените битове. В допълнение, стойностите на получените битове могат да се различават от стойностите на предадените. Линковият слой трябва да открива грешки и, ако е необходимо, да ги коригира.

Обикновено слоят за връзка разделя битовия поток на отделни кадри и изчислява така наречената контролна сума за всеки кадър. Когато рамката пристигне на местоназначението си, нейната контролна сума се изчислява отново. Ако се различава от съдържащия се в кадъра, тогава слоят на връзката „разбира“, че е възникнала грешка по време на предаването на кадър и предприема подходящи мерки (например игнорира повредения кадър и изпраща съобщение за грешка до изпращащата машина). Разделянето на битов поток на отделни кадри не е много проста задача. Един от начините за рамкиране е да вмъкнете времеви интервали между кадрите, подобно на вмъкване на интервали между думите в текста. Мрежите обаче рядко предоставят гаранции, че времевите интервали ще бъдат запазени по време на предаване на данни, така че е възможно тези интервали да изчезнат по време на предаване или, обратно, да се добавят нови интервали. Поради това са предложени по-модерни методи за повишаване на надеждността на предаването на данни. Сред тях най-популярните методи за маркиране на границите на рамката ( формиране на персонала), Как:

1) преброяване на броя знаци;

2) използване на сигнални байтове с подпълване на знаци;

3) използване на стартови и стоп битове с пълнене на битове;

4) използване на забранени сигнали на физическия слой.

Първият метод за рамкиране използва поле в заглавката, за да посочи броя на знаците в рамката. Когато слоят за връзка на приемащата машина види това поле, той знае колко знака ще последват и по този начин определя къде е краят на рамката. Недостатъкът на този метод е, че самият брояч може да бъде изкривен по време на предаване. Тогава получаващата машина ще загуби синхронизация и няма да може да открие началото на следващия кадър. Дори ако контролната сума не съвпада и приемащата машина „разбира“, че рамката е получена неправилно, тя пак няма да може да определи къде е началото на следващата рамка. Искането за повторно предаване на рамка също е безполезно, тъй като получаващата машина не "знае" колко знака да пропусне, преди да започне повторното предаване. Поради тази причина методът за преброяване на символи сега практически не се използва.

Вторият метод за кадриране решава проблема с възстановяването на синхронизацията след повреда, като маркира началото и края на всеки кадър със специални байтове. IN напоследъкповечето протоколи са преминали към използване на един и същ байт и в двата случая, т.нар знаме. По този начин, ако приемникът загуби синхронизация, той просто трябва да намери байт флаг, с който да разпознае края на текущия кадър. Два съседни флагови байта показват, че един кадър е приключил и друг е започнал. Въпреки това, този метод понякога причинява сериозни проблеми при предаване на двоични данни като програмни обектни кодове или числа с плаваща запетая. Предадените данни могат да съдържат последователност, използвана като флагов байт. Възникването на такава ситуация най-вероятно ще наруши синхронизацията. Един от начините за решаване на проблема е да добавите специален характер за бягство(знак за превключване на кода – ESC) непосредствено преди байт, който случайно съвпада с флагов байт вътре в рамката. Слоят на връзката на приемника първо премахва тези символи за избягване, след което предава рамката на мрежовия слой. Този метод се нарича запълване на знаци. По този начин истинският флаг може да бъде разграничен от „случайно съвпадащ“ по наличието или отсъствието на символа ESC пред него. Ако символът ESC случайно се появи сред други данни, тогава истински символ също се вмъква преди този фиктивен символ за избягване. Тогава всеки единичен ESC ще бъде част от последователността за изход, а двойният ще покаже, че сервизен байт случайно е попаднал в потока от данни. След изчистване на вмъкнати знаци, последователността от байтове е точно същата като оригиналната. Основният недостатък на този метод е, че той е тясно свързан с 8-битови символи. Междувременно не във всички кодировки един знак съответства на 8 бита. Например UNICODE използва 16-битово кодиране.

Следният метод позволява използването на рамки и набори от символи, състоящи се от произволен брой битове. В този случай всеки кадър започва и завършва със специална последователност от битове 01111110. Подпълването на битове е подобно на подпълването на знаци, при което в рамката се вмъква екраниращ знак преди произволно срещан флаг сред данните. Напълването с битове, подобно на напълването на знаци, е напълно прозрачно за мрежовия слой на двете машини. Ако битовата последователност на флага (01111110) се появи в потребителските данни, тя се предава като 011111010, но се съхранява в паметта на получаващия компютър отново в оригиналната си форма: 01111110. Благодарение на битовото запълване, границите между два кадъра могат да бъдат точно разпознат с помощта на последователността на флага. По този начин, ако получаващият край загуби границите на рамката, той трябва само да търси байта на флага в получения битов поток, тъй като той се среща само в границите на рамката и не може да присъства в потребителските данни.

И накрая, последният обсъден метод за кадриране е приемлив само в мрежи, където физическата медия има известна излишност. Например, някои локални мрежи кодират един бит данни с два физически бита. Така че в кода на Манчестър, бит 1 е кодиран от двойка високо и ниски нивасигнали (отрицателен фронт), а бит 0 – напротив, двойка ниски и високи нива (положителен фронт). В този дизайн всеки предаван бит данни съдържа преход в средата, което улеснява разпознаването на битовите граници. Комбинациите от нива на сигнала (ниско-ниско и високо-високо) не се използват за предаване на данни, но се използват като разделители на рамки в някои протоколи.

Имайте предвид, че много съвременни протоколи за предаване на данни използват комбинирани методи за рамкиране, за да повишат надеждността.

Слоят на връзката за данни трябва да изпълнява редица специфични функции, които включват обработка на грешки при предаване на данниИ контрол на потока от данни, елиминирайки „наводняването“ на бавни приемници от бързи предаватели.

Сериозен проблем е гарантираната доставка на всички кадри до мрежовия слой на приемащата машина, като същевременно се поставят в правилния ред. Обикновено, за да се гарантира надеждна доставка, на доставчика се изпраща информация за това какво се случва в другия край на линията. Протоколът изисква получателят да изпрати обратно специални контролни рамки, съдържащи положителни или отрицателни съобщения за получените рамки. След като получи положително съобщение, изпращачът знае, че изпратената от него рамка е получена успешно в другия край на линията. Отрицателното съобщение, от друга страна, означава, че нещо се е случило с рамката и трябва да бъде изпратено отново. В допълнение, изпратеният кадър може да бъде напълно загубен поради неизправност на оборудването или някакъв вид смущения. В този случай получаващата страна просто няма да го получи и съответно няма да реагира по никакъв начин, докато подателят може да чака безкрайно време за положителен или отрицателен отговор. За да избегнете блокиране на мрежата в случай на пълна загуба на кадри, таймериниво на връзката. След изпращане на рамката, таймерът стартира и отчита времевия интервал, достатъчен за приемащата машина да получи тази рамка, да я обработи и да изпрати обратно потвърждение. В нормална ситуация рамката се получава правилно и потвърждението се изпраща обратно и се дава на подателя преди изтичането на зададения интервал от време и едва тогава таймерът се изключва. Ако обаче рамката или потвърждението се изгубят по пътя, тогава конфигурираният интервал от време ще изтече и подателят ще получи съобщение за възможен проблем. Повечето просто решениеизпращачът да изпрати рамката отново. Това обаче създава опасност един и същи кадър да бъде получен няколко пъти от слоя за връзка на приемащата машина и препредаден на мрежовия слой. За да не се случи това, е необходимо изпратените кадри да се номерират последователно, за да може получателят да различи повторно предадените кадри от оригиналите. Проблемът с управлението на таймери и поредни номера, за да се гарантира, че всеки кадър се доставя до мрежовия слой на получаващата машина точно веднъж, е много важен проблем, решен от слоя за връзка за данни.

Друго важно съображение при проектирането на слоя за връзка (и по-високите слоеве също) включва въпроса какво да се прави с изпращач, който непрекъснато иска да изпраща кадри по-бързо, отколкото получателят може да ги получи. Тази ситуация може да възникне, ако изпращащата страна има по-мощна (или по-малко натоварена) машина от получаващата. В този случай подателят ще продължи да изпраща кадри с висока скорост, докато получателят не бъде, както се казва, „наводнен“ с тях. Дори при идеално работеща комуникационна линия, в определен момент получателят просто няма да може да продължи да обработва входящи кадри и ще започне да ги губи. За да се предотврати подобна ситуация, най-често се използват два подхода. На първия, наречен контрол на потока с обратна връзка , получателят изпраща информация на изпращача, позволявайки на последния да продължи предаването или поне информира как се справя получателят. Във втория подход - ограничаване на потока– в протокола е вграден механизъм, който ограничава скоростта, с която предавателите могат да предават данни, и няма обратна връзка с получателя. Известни са различни схеми за управление на потока със затворен контур, но повечето от тях използват същия принцип. Протоколът съдържа ясно дефинирани правила, които определят кога подателят може да изпрати следващия кадър. Тези правила често предотвратяват препращането на рамка, докато получателят не даде разрешение (изрично или косвено).

Слой за връзка с данни(Слой за връзка с данни)определя правилата за достъп до физическата среда и контролира предаването на информация по канала, като генерира сигнал за началото на предаването и организира началото и действителното предаване на информация със създаване на сигнал за край на предаването и последващо предаване на канала в пасивно състояние. По време на процеса на предаване се проверява получената информация и се коригират възникнали грешки, каналът се изключва при възникване на неизправност и се генерират съобщения за възникване на фатални грешки за по-високо ниво с възстановяване на предаването след ремонт на оборудването завършен. В някои случаи това нивоследи обменния курс и края на информационните блокове, а също така контролира физическата верига, когато се използва като мултиплексор.

Физическият слой просто прехвърля битове и не взема предвид, че физическата среда за предаване може да е заета. Следователно една от задачите на слоя за връзка с данни е да проверява наличността на предавателната среда. Друга задача на слоя за връзка е внедряването на механизми за откриване и коригиране на грешки. За да направите това, на слоя за връзка с данни битовете се групират в набори, наречени рамки. Слоят за връзка гарантира, че всеки кадър се предава правилно, като поставя специална последователност от битове в началото и края на всеки кадър, за да го различи, и също така изчислява контролна сума, като обработва всички байтове на кадъра по определен начин и добавя контролна сума към рамката. Когато рамка пристигне по мрежата, приемникът отново изчислява контролната сума на получените данни и сравнява резултата с контролната сума от рамката. Ако съвпадат, рамката се счита за правилна и приета. Ако контролните суми не съвпадат, се записва грешка. Слоят за връзка може не само да открива грешки, но и да ги коригира чрез повторно предаване на повредени кадри. Трябва да се отбележи, че функцията за коригиране на грешки за слоя на връзката за данни не е задължителна, така че някои протоколи на това ниво не я имат, например Ethernet и frame relay.

По този начин нивото на връзката за данни осигурява създаването, предаването и приемането на информационни блокове, преобразувайки последователност от битови потоци в набори от битове, наречени кадри с данни, обслужвайки заявки от мрежовия слой и използвайки услугата на физическия слой за предаване и получаване на кадри. Това ниво първоначално е създадено като функционално едно ниво, разрешаващ проблеми:

По време на предаване - действителното прехвърляне на рамката с данни от мрежовия слой към физически слойи осигуряване на безгрешно предаване на рамки през физическия слой от една система към друга;

При приемане - преразпределение на немонтирани битове от физическия слой в рамки за повече високи нива.

Функциите на слоя за връзка обикновено се изпълняват в хардуер и софтуер.

С течение на времето възникна необходимостта от разделяне на слоя на връзката за данни на две поднива – ниво на контрол на логическата връзка (Logical Link Control, LLC) и ниво на контрол на физическия достъп до медия (Media Access Control, MAC).

MAC подслоят работи с физически адреси, наречени MAC адреси . В мрежите Ethernet и Token Ring MAC адресите са шестнадесетични числа, записани в чипа на мрежовия адаптер. Ethernet MAC адресът (понякога наричан Ethernet адрес) е 12 шестнадесетични цифри, всяка двойка от които е разделена с двоеточие. Тези 12 шестнадесетични цифри представляват двоично число с дължина 48 бита (или 6 байта). Първите три байта съдържат кода на производителя, определен от IEEE. Последните три байта се присвояват от производителя. MAC адресът или физическият адрес понякога се нарича адрес на устройството. Различава се от логически адрес, т.е. IP адресът в TCP/IP мрежата не може да бъде променен. Логическият адрес се задава софтуерно и може да се променя много лесно. И двата адреса служат за идентифициране на компютър в мрежата.

Подслоят LLC дефинира топологията на логическата мрежа. Може да не съответства на физическата топология. Подслоят LLC отговаря за комуникацията (или интерфейса) между MAC подслоя и мрежовия слой по-горе, преобразувайки битовете и байтовете, получени от MAC слоя във формата, изискван от мрежовите устройства.

В локалните мрежи протоколите на слоя за връзка се поддържат от мостове, комутатори и рутери. В компютрите функциите на слоя за връзка се изпълняват съвместно мрежови адаптерии техните шофьори. Протоколите на слоя за връзка, използвани в локалните мрежи, съдържат определена структура от връзки между компютрите и методи за тяхното адресиране. Въпреки че свързващият слой осигурява доставка на рамка между всеки два възела локална мрежа, той прави това само в мрежа с определена топология на връзките, точно топологията, за която е проектиран. Типичните топологии, поддържани от протоколите на слоя за свързване на LAN, включват шина, пръстен и звезда, както и структури, получени от тях с помощта на мостове и комутатори. Във всички тези конфигурации адресът на местоназначение има локално значение за дадена мрежа и не се променя, докато рамката преминава от възела източник към възела местоназначение. Възможност за прехвърляне на данни между локални мрежи различни технологииТова се дължи на факта, че тези технологии използват адреси от един и същи формат, а освен това производителите на мрежови адаптери гарантират, че адресите са уникални, независимо от технологията. Примери за протоколи на ниво връзка са Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

В географски разпределени мрежи, т.е. WAN слой мрежи, които рядко имат правилна топология, слоят за връзка с данни често осигурява обмен на съобщения само между два съседни компютъра, свързани чрез отделна комуникационна линия. Примери за протоколи от точка до точка (както често се наричат такива протоколи) са широко използваните протоколи на ниво връзка PPP и LAP-B, които отговарят за доставянето на рамката до непосредствения съседен възел. Адресът в този случай не е от основно значение и способността на протокола да възстановява изкривени и загубени кадри излиза на преден план, тъй като лошо качествотериториалните канали, особено комутируемите телефонни линии, често изискват подобни действия.

Ако условията, изброени по-горе, не са изпълнени, например връзки между сегменти Ethernet има контурна структура или взаимосвързаните мрежи използват различни начиниадресиране, както в мрежите Ethernet и X.25, протоколът на ниво връзка не може сам да се справи със задачата за предаване на рамки между възлите и изисква помощта на протокол на мрежовия слой. Ето как са организирани мрежите X.25. По този начин, когато е трудно да се изолират функциите на слоя за връзка в тяхната чиста форма в мрежи на ниво WAN, те се комбинират с функции на ниво мрежа в същия протокол. Примери за този подход включват технологични протоколи ATM и frame relay.

На ниво връзка, протоколи като ISO High-level DataLink Conrol (HDLC) протокол, широко известен за серийни връзки, ITU-T Link Access Procedures Balanced (LAPB), Link Access Procedures on the D-channel (LAPD) и Link Използват се протоколи за достъп Процедури за Frame Mode Bearer Services (LAPF), IEEE 802.2 LLC протоколи (Тип I и Тип II), предоставящи MAC за 802.X LAN среди, както и Ethernet, Token ring, FDDI, X.25 и FR протоколи.

Като цяло, нивото на връзката за данни представлява много мощен и пълен набор от функции за изпращане на съобщения между мрежови възли, позволявайки в някои случаи протоколите на приложния слой или приложенията да работят директно върху него, без да включват протоколи на мрежовия и транспортния слой. Въпреки това, за да се осигури висококачествен транспорт на съобщения в мрежи с всякаква топология и технология, функциите на слоя за връзка не са достатъчни. За да направите това, в OSI модела трябва да се използват следните две нива на модел - мрежаИ транспорт.

Физически слой- най-ниското ниво на мрежовия модел OSI, предназначено директно за предаване на поток от данни. Предава електрически или оптични сигнали в кабелно или радио предаване и съответно ги получава и преобразува в битове данни в съответствие с методите за цифрово кодиране на сигнала. С други думи, той осигурява интерфейс между мрежовата медия и мрежовото устройство.

На това ниво работят концентратори (хъбове), повторители на сигнали (ретранслатори) и медийни конвертори...

Функциите на физическия слой се изпълняват на всички устройства, свързани към мрежата. От страна на компютъра функциите на физическия слой се изпълняват от мрежовия адаптер или серийния порт. Физическият слой се отнася до физическите, електрическите и механичните интерфейси между две системи. Физическият слой определя такива свойства на мрежовата среда за данни като оптично влакно, усукана двойка, коаксиален кабел, сателитен каналпредаване на данни и др. Стандартни видовемрежовите интерфейси, свързани с физическия слой, са: V.35, RS-232C, RJ-11, RJ-45, AUI и BNC конектори.

Удобно е да видите характеристиките на физическия слой на OSI модела, като използвате следната фигура:

Могат да се разграничат следните поднива:

Помирение- координационно подниво. Служи за преобразуване на команди на ниво MAC в съответните електрически сигнали на физическия слой.
MII- Средно независим интерфейс, средно независим интерфейс. Осигурява стандартен интерфейс между MAC слоя и физическия слой.
PCS- Подслой за физическо кодиране, подслой за физическо кодиране. Извършва кодиране и декодиране на поредици от данни от едно представяне в друго.
П.М.А.- Привързаност към физическия медиум, подниво на връзка с физическата среда. Преобразува данни в битов поток от серийни електрически сигнали и обратно. В допълнение, той осигурява синхронизация на приемане/предаване.
PMD- Зависимо от физическа среда, подниво на комуникация с физическата среда. Отговаря за предаването на сигнали във физическата среда (усилване на сигнала, модулация, оформяне на сигнала).
АН- Автоматично договаряне, скоростно договаряне. Използва се за автоматичен избор на комуникационен протокол от устройства.
MDI- Средно зависим интерфейс, средно зависим интерфейс. Определя различни видовесъединители за различни физически среди и PMD устройства.

Среда за предаване на данни

Средата за предаване на данни е физическата среда, подходяща за преминаване на сигнала. За да могат компютрите да обменят кодирана информация, средата трябва да осигури физическа връзка между тях. Има няколко вида медии, използвани за свързване на компютри:
коаксиален кабел;
неекранирана усукана двойка;
екранирана усукана двойка;
оптичен кабел.

Коаксиален кабеле първият вид кабел, използван за свързване на компютри към мрежа. Кабел от този типсе състои от централен меден проводник, покрит с пластмасов изолационен материал, който от своя страна е заобиколен от медна мрежа и/или алуминиево фолио. Този външен проводник осигурява заземяване и предпазва централния проводник от външни електромагнитни смущения. При полагане на мрежи се използват два вида кабели - „Дебел коаксиален кабел“ (Thicknet) и „Тънък коаксиален кабел“ (Thinnet). Максимална дължинасегментът варира от 185 до 500 m в зависимост от вида на кабела.

Кабел с усукана двойка(усукана двойка), е един от най-често срещаните видове кабели днес. Състои се от няколко двойки медни проводници, покрити с пластмасова обвивка. Проводниците, които образуват всяка двойка, са усукани един около друг, което осигурява защита срещу взаимни смущения. Кабелите от този тип са разделени на два класа - " екранирана усукана двойка" ("Екранирана усукана двойка") и " неекранирана усукана двойка"("Неекранирана усукана двойка"). Разликата между тези класове е, че екранираната усукана двойка е по-защитена от външни електромагнитни смущения, поради наличието на допълнителен екран от медна мрежа и/или алуминиево фолио, обграждащо кабелните проводници. Мрежи на базата на "усукани двойки", в зависимост от категорията на кабела, осигуряват предаване със скорости от 10 Mbit/s – 1 Gbit/s. Дължината на кабелния сегмент не може да надвишава 100 m (до 100 Mbit/s) или 30 m (1 Gbit/s).

Оптични кабелипредставляват най-модерната кабелна технология, предоставяща висока скоростпредаване на данни на дълги разстояния, устойчив на смущения и подслушване. Оптичният кабел се състои от централен стъклен или пластмасов проводник, заобиколен от слой от стъкло или пластмасово покритие и външна защитна обвивка. Предаването на данни се осъществява с помощта на лазерен или LED предавател, който изпраща еднопосочни светлинни импулси през централен проводник. Сигналът в другия край се приема от фотодиоден приемник, който преобразува светлинните импулси в електрически сигнали, които могат да бъдат обработени от компютър. Скоростите на предаване за оптични мрежи варират от 100 Mbit/s до 2 Gbit/s. Ограничението за дължина на сегмента е 2 км.

Слой за връзка с данни

Слой за връзка с данни(Английски слой за връзка с данни) - слой на мрежовия модел OSI, който е предназначен да осигури взаимодействието на мрежите на физическо ниво и да контролира грешките, които могат да възникнат. Той пакетира данните, получени от физическия слой, в рамки, проверява ги за цялост, коригира грешки, ако е необходимо (изпраща повторна заявка за повреден кадър) и ги изпраща на мрежовия слой. Слоят на връзката за данни може да комуникира с един или повече физически слоеве, като наблюдава и управлява това взаимодействие. Спецификацията IEEE 802 разделя този слой на 2 подслоя - MAC (Media Access Control) регулира достъпа до споделената физическа среда, LLC (Logical Link Control) предоставя услуга на мрежовия слой.

Превключвателите и мостовете работят на това ниво.

В програмирането, например, този слой представлява драйвера на мрежовата карта, в операционна системана разположение софтуерен интерфейсвзаимодействието на каналния и мрежовия слой един с друг, това не е ново ниво, а просто имплементация на модела за конкретна ОС.

Задачата на слоя за връзка за данни е да осигури взаимодействието на устройствата в локалната мрежа чрез предаване на специални блокове от данни, наречени рамки. По време на процеса на формиране те се доставят със служебна информация (заглавие), необходима за правилното доставяне до получателя, и в съответствие с правилата за достъп до предавателната среда се изпращат на физическия слой.

Когато получавате данни от PHY слоя, е необходимо да изберете кадри, предназначени за това устройство, да ги проверите за грешки и да ги прехвърлите към услугата или протокола, за които са предназначени.

Важно е да се отбележи, че нивото на връзката е това, което изпраща, получава и повтаря кадри в случай на сблъсък. Но физическият слой определя състоянието на споделената среда. Следователно процесът на достъп (с необходимите пояснения) е описан подробно в предишната глава.

Информационното взаимодействие на ниво връзка за данни на стандартни Ethernet мрежи, както и на физическо ниво, обикновено се разделя на допълнителни поднива, които не са предвидени от стандарта OSI-7.

LLC (контрол на логическата връзка). Ниво на управление на логическия канал;
MAC (контрол на достъпа до медиите). Ниво на достъп до медиите.

MAC подслой

В идеологията на множествения достъп до Ethernet средата, предаването на данни трябва да се реализира в съответствие с принципа на излъчване „всеки към всеки“ (излъчване). Това не може да не остави своя отпечатък върху процеса на формиране и разпознаване на рамката. Нека разгледаме структурата на Ethernet DIX рамката, тъй като най-често се използва за предаване на IP трафик.

За идентифициране на устройства се използват 6-байтови MAC адреси, които подателят трябва да посочи в предавания кадър. Горните три байта представляват идентификатора на производителя на оборудването (кодове на доставчика), долните три байта представляват идентификатора на отделното устройство.

Производителят на оборудването носи отговорност за уникалността на последното. С идентификаторите на производителя ситуацията е по-сложна. Има специална организация в рамките на IEEE, която поддържа списък с доставчици, разпределяйки на всеки от тях собствен диапазон от адреси. Между другото, поставянето на вашето участие там изобщо не е скъпо, само 50 САЩ. Може да се отбележи, че създателите Ethernet технологии, Xerox и DEC, заемат съответно първия и последния ред на списъка.

Такъв механизъм съществува, за да гарантира, че физическият адрес на всяко устройство е уникален и няма ситуация на случайно съвпадение в една и съща локална мрежа.

Трябва да се отбележи, че на повечето съвременни адаптери можете програмно да зададете всеки адрес. Това представлява известна заплаха за работоспособността на мрежата и може да причини сериозни „мистични“ неизправности.

Може да се записва на MAC адреса различни форми. Най-често използваният е шестнадесетичен, при който двойки байтове са разделени един от друг със знаците "-" или ":". Например, LAN карта Realtek е инсталиран в моя домашен компютър, има адрес 00:C0:DF:F7:A4:25.

MAC адресът позволява единично (Unicast), групово (Multicast) и адресиране на разпръсквани рамки (Broadcast).

Единично адресиране означава, че възелът източник препраща своето съобщение само до един получател, чийто адрес е изрично посочен.

В режим на мултикаст рамката ще бъде обработена от тези станции, които имат същия код на доставчик като подателя. Знакът на такова изпращане е „1” в най-младшият бит на старшия байт на MAC адреса (X1:XX:XX:XX:XX:XX). Този формат е доста удобен за „марково“ взаимодействие между устройства, но на практика се използва доста рядко.

Друго нещо е излъчено съобщение, в което адресът на получателя е кодиран със специална стойност FF-FF-FF-FF-FF-FF. Изпратеният пакет ще бъде получен и обработен от всички станции, разположени в локалната мрежа.

За успешна доставка един адрес на местоназначение очевидно не е достатъчен. Необходима е допълнителна служебна информация - дължина на полето за данни, тип мрежов протокол и др.

Преамбюл. Състои се от 8 байта. Първите седем съдържат една и съща циклична битова последователност (10101010), която е много подходяща за синхронизиране на трансивъри. Последният (разделител за начало на рамката, SFD), 1 байт (10101011), служи като маркировка за началото на информационната част на рамката. Това поле не се взема предвид при определяне на дължината на рамката и не се изчислява в контролната сума.
MAC адрес на получателя (адрес на местоназначение, DA).
MAC адрес на изпращача (източен адрес, SA). Първият бит винаги е нула.
Поле за дължина или тип данни (дължина/тип, L/T). Два байта, които съдържат изрична индикация за дължината (в байтове) на полето с данни в рамката или показват типа на данните. По-долу в описанието на LLC ще бъде показано, че е възможно просто автоматично разпознаване различни видоверамки.
Данни. Полезен товар на рамка, данни горни нива OSI. Може да има дължина от 0 до 1500 байта.
За правилно разпознаване на сблъсъци е необходим кадър от поне 64 байта. Ако полето за данни е по-малко от 46 байта, тогава рамката се допълва с поле за подпълване.
Контролна сума (Frame Check Sequence, FCS). 4 байта, който съдържа контролната сума на всички информационни полета на рамката. Изчислението се извършва с помощта на алгоритъма CRC-32 от подателя и се добавя към рамката. След като приеме рамката в буфера, приемникът извършва подобно изчисление. Ако резултатът от изчислението се различава, се приема грешка при предаване и рамката се унищожава.

LLC подслой

Този подслой осигурява единичен интерфейс с горния (мрежов) слой, независимо от използвания метод за достъп. Всъщност можем да кажем, че определя логическа структураЗаглавка на Ethernet рамка.
...

Мрежови адаптери

Мрежовите адаптери преобразуват пакетите данни в сигнали за предаване по мрежата. По време на производството производителят присвоява на всеки мрежов адаптер физически адрес, който се въвежда в специален чип, инсталиран на адаптерната платка. В повечето мрежови адаптери MAC адресът е програмиран в ROM. Когато адаптерът се инициализира, този адрес се копира на RAMкомпютър. Тъй като MAC адресът се определя от мрежовия адаптер, когато адаптерът се смени, физическият адрес на компютъра също ще се промени; той ще съответства на MAC адреса на новия мрежов адаптер.
Например, нека си представим хотел. Нека освен това приемем, че стая 207 има ключалка, която може да се отвори с ключ A, а стая 410 има ключалка, която може да се отвори с ключ F. Взето е решение да се сменят ключалките в стаи 207 и 410. След промяната, ключ A ще отвори стая 410, а ключ F ще отвори стая 207. B В този пример ключалките играят ролята на мрежови адаптери, а ключовете играят ролята на MAC адреси. Ако адаптерите се разменят, MAC адресите също ще се променят.

PS. следва продължение..

------
Основи на работата в мрежа
wiki
nag.ru

Използването на P- и V-операции за организиране на взаимодействията на процесите в системата може да се извърши, стига да няма по-добър комуникационен механизъм. Едно от предложенията за подобрение

Ориз. 8.7. P/V процесна система за два възела на изчислителната графика на фиг. 8.2.

Ориз. 8.8. Добавяне на P/V системи към йерархията на модела.

Този механизъм е предложение за използване на съобщения. Системата за съобщения е набор от процеси, които комуникират чрез съобщения. Със съобщенията са възможни две операции: изпращане и получаване. Предаването на съобщение е подобно на V-операция, а получаването на съобщение е подобно на -операция. Ако по време на операцията няма получени съобщения, получателят изчаква, докато съобщението бъде изпратено.

Схемата за моделиране, предложена от Riddle, се основава на този механизъм. Този модел изглежда най-подходящ за моделиране на протоколи в компютърни мрежи. Riddle разглежда (краен) набор от процеси, които комуникират чрез съобщения. Съобщенията се изпращат и заявяват специални процеси, наречени канални процеси ( пощенски кутии). Процесите на канала осигуряват по същество набор от съобщения, които са изпратени, но все още не са получени, или набор от заявки за съобщения от получатели, които са били издадени, но все още не са удовлетворени. Други процеси на системата се наричат софтуерни процеси и са описани на езика за моделиране на софтуерни процеси (SPML).

Пример за система от три процеса е показан на фиг. 8.9. Както може да се види от примера, описанието на процесите в YAMP е по същество диаграма. Интерес представлява само дейността по предаване на съобщения в системата. Съобщенията са абстрактни елементи, чиято единствена характеристика е техният тип. Броят на видовете съобщения в системата може да бъде ограничен. Съобщенията се изпращат от или се получават в буфера за съобщения във всеки процес. Има само един буфер на процес. Предложенията на YAMPS са: Поставете тип съобщение в буфера за съобщения. Изпратете съобщение до буфера за съобщения на процеса на канала Поискайте съобщение от процеса на канала Изчакайте (ако е необходимо), докато съобщението бъде получено. Съобщението се поставя в буфера за съобщения. Проверете типа на съобщението в буфера за съобщения и отидете на оператор, ако съобщението е от тип, различен от : Симулирайте вътрешна проверка, зависима от данни. Или продължете обработката, като изпълните следващия оператор, или преминете към оператора с надпис Transfer Control към оператора End Process.

Система с YAMPS моделира много паралелни процеси. Всеки процес започва в началото на своята програма и изпълнява своята програма, докато не срещне изречение. Riddle показва как да се конструира израз за предаване на съобщения, който представлява възможни потоци от съобщения в система и използва този израз, за да изследва структурата на системата и да организира правилно функциониране. Този израз за предаване на съобщения се използва за същите цели като езика на мрежата на Петри. Следователно, ние показваме как описанието на процесна система в YAMP може да се трансформира в мрежа на Петри, така че нейният език да съвпада с израза за предаване на съобщения от анализа на Riddle. Тази трансформация игнорира изпълнението на отделни описателни изречения в YAMP, въпреки че с помощта на малка модификация те могат да бъдат представени на езика на мрежата на Петри.

За да моделираме процес с мрежа на Петри, ние използваме един чип на процес като програмен брояч. Наличието на съобщение в процес на канал също е характеристика. Тъй като съобщенията се идентифицират по тип, е необходимо да се моделира всеки тип съобщение в процес на канал като отделен елемент. Много важно свойство на системите с YAMP е, че броят на съобщенията е краен. Всеки софтуерен процессъщо ограничен. Самата опашка от съобщения заема потенциално неограничено количество памет. По този начин способността за моделиране на канални процеси и правилното представяне на клаузи за изпращане и получаване са най-важните аспекти на конвертирането на YAMP описание в мрежа на Петри. Моделиране

канални процеси чрез набори от позиции (по една за всеки тип съобщение), можем да представим клаузата за изпращане с преход, който поставя токен в позицията, представляваща съответния канален процес и тип съобщение. Клаузата за получаване просто премахва токена от всяка позиция в процеса на канала. Конкретната позиция, която доставя токена, определя вида на полученото съобщение. Тази информация може да се използва във всяка следваща оферта.

Единственият символ в израза за предаване на съобщение е типът на съобщението за онези съобщения, които са изпратени или получени от процеса на канала. Тъй като всеки преход в мрежа на Петри води до появата на символ на езика на мрежата на Петри за тази мрежа на Петри, само клаузите за изпращане и получаване в система YAMP могат да бъдат моделирани. По този начин има два вида позиции в мрежата на Петри. Един вид маркирана позиция действа като брояч за броя типове съобщения в процеса на канала Друг вид позиция представлява командите за изпращане и получаване на програмата YAMP. Нека тези клаузи бъдат уникално маркирани. Ще маркираме позицията, представляваща клаузата с тип съобщение в буфера за съобщения със символа. Токен в позицията, свързана с клаузата, означава, че клаузата вече е била изпълнена. Ориз. Фигура 8.10 илюстрира как изреченията трябва да бъдат моделирани от мрежа на Петри. На фиг. 8.10 позиция представлява позиция, свързана с всяка клауза, която предхожда клаузата

Сега остава да покажем, че е възможно да се дефинира изречение, което предхожда други изречения в програма в YAMP. Имайте предвид, че всяко изречение може да се разглежда като двойка, състояща се от тип съобщение и номер на изречение, тъй като същото изречение с различни видовесъобщенията в буфера за съобщения ще бъдат моделирани от мрежа на Петри по различни начини. Най-очевидният начин за определяне на предшествениците на изречение е да се стартира в началото на всяка YAMP програма специално начално изречение (което става начална позиция) и да се генерират, според описанието на програмата, всички възможни последващи изрази за изпращане и получаване с съответното съдържание на буфера за съобщения. Този процес се повтаря за всички появяващи се клаузи, докато не бъдат генерирани всички клаузи за изпращане и получаване и бъдат идентифицирани техните приемници. Тъй като броят на изреченията в описанието на YAMP и броят на типовете съобщения е краен, генерират се само краен брой двойки изречения! /тип, съобщение. Тази процедура е подобна на характеристичните уравнения, използвани от Riddle за конструиране на израза за предаване на съобщение. На фиг. 8.11 изброява оферти

Ориз. 8.10. (вижте сканиране) Преобразуване на изречения за изпращане и получаване в преходи на Петри. в горната част е модел на изречението sk:send със съобщение от тип в буфера за съобщения. Канал процес по-долу - модел на sk:receive изречение от канал процес Възможни типове съобщения в

и техните възможни наследници за системата с YAMPP, показана на фиг. 8.9.

След като наследниците на изречението бъдат идентифицирани, можем да използваме тази информация, за да идентифицираме възможни предшественици на изречението и следователно да конструираме мрежа на Петри, еквивалентна на системата JAMP, използвайки преходи като тези, показани на Фиг. 8.10. Специалната начална позиция е предшественикът на първото изречение на всеки системен процес. На фиг. 8.12 система с YMPP, показана на фиг. 8.9, преобразувано в еквивалентна мрежа на Петри.

Кратко описание на трансформацията на системите за предаване на съобщения в мрежа на Петри показва, че този модел е включен в силата на моделирането в мрежата на Петри. Той също така показва, че наборът от изрази за предаване на съобщения, разглеждан като клас от езици, е подмножество от класа езици на мрежата на Петри.

Тъй като P/V системите могат да бъдат моделирани чрез системи за предаване на съобщения със съобщения само от един тип, тогава P/V системите

Ориз. 8.11. (вижте сканиране) Предложения и приемници за системата с YAMPP, показана на фиг. 8.9.

включени в системите за съобщения. Лесно е да се изгради система за съобщения за решаване на проблема с пушачите на цигари, така че включването на P/V системи в системи за съобщения е естествено. От друга страна, системите за съобщения не са в състояние да приемат входни съобщения от множество източници едновременно и следователно не са еквивалентни на мрежите на Петри.

Когато се опитвате да симулирате преход с множество входове, може да възникне един от следните два случая:

1. Процесът ще се опита да получи токени (съобщения) от всички свои входове, но ще бъде невалиден и следователно ще блокира, като по този начин ще забави токени, които са необходими, за да позволят на други преходи да продължат. Това ще доведе до задънени блокировки в системата със съобщения, които не съответстват на задънени блокировки в мрежата на Петри, което нарушава третото ограничение.

2. Процесът ще избегне създаването на ненужни задънени улици, като установи, че останалите необходими жетони липсват и се връщат

(щракнете, за да видите сканиране)

чипове в позицията (процесите на канала), от която са получени. Такива действия могат да се изпълняват произволно често, което означава, че няма ограничение за дължината на последователността от действия в системата за съобщения, съответстваща на ограничената последователност от задействания на преход в мрежата на Петри. По този начин това нарушава второто ни ограничение.

Ориз. 8.13. Добавяне на системи за съобщения към йерархията на модела.

Riddle въведе трансформация, която попада в Случай 1 и води до ненужни блокирания. Във всеки случай виждаме, че системите за съобщения не могат да моделират произволни мрежи на Петри (с ограниченията, които формулирахме). Следователно в резултат получаваме йерархията, показана на фиг. 8.13.