Модель OSI. Введение в протоколы и архитектуру сетей. Модель OSI и протоколы. Модели Ethernet, TokenRing, FDDI и их протоколы. Модель X.25 и Frame Relay и их прото

 

Таблица 3. Таблица сетевых протоколов и технологий

Уровень	Сетевая технология (протоколы)
	Internet	X.25	Frame Relay	ISDN	SDH	ATM
7
6
5
4	TCP			ISDN
3	IP	X.25		ISDN, LAPD		ATM
2	PPP	LAPB	Frame Relay	ISDN		ATM
1	PPP, SLIP	X.21 и другие	Frame Relay	ISDN	SDH	ATM, SDH, FDDI и др.

 

Таблица 4. Соответствие стеков протоколов модели OSI

Уровень	Стек протоколов
	IBM/ Microsoft	TCP/IP	Novell	OSI
7	SMB	Telnet, FTP, SNMP, SMTP, WWW	NCP, SAP	X.400, X.500, FTAM
6	SMB	Telnet, FTP, SNMP, SMTP, WWW	NCP, SAP	Протокол представления OSI
5	NetBIOS	TCP	NCP, SAP	Сеансовый протокол OSI
4	NetBIOS	TCP	SPX	Транспортный протокол OSI
3		IP, RIP, OSPF	IPX, RIP, NLSP	ES-ES, IS-IS
2	Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, DLIP. 100VG-AnyLAN, X.25, ATM, LAP-B, LAP-D, PPP
1	Медный кабель, оптическое волокно

 

Как в ЛВС, так и в глобальных сетях стандартизация строится на основе многоуровневого подхода к разработке средств межсетевого взаимодействия.

Формализованные правила, определяющие взаимодействие сетевых компонентов соседних уровней одного узла, называют интерфейсами. Интерфейсы определяют набор сервисов, предоставляемый данным уровнем модели OSI соседнему уровню.

Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

 

3.3. Принципы объединения сетей

 

Объединение сетей ведется на основе протоколов сетевого уровня. Основная идея – сеть рассматривают как совокупность нескольких  и называют составной сетью или интерсетью (internet).

Сети, входящие в состав большой сети называют подсетями.

Когда 2 или более сетей организуют совместную транспортную службу, то режим взаимодействия называют межсетевым взаимодействием (internetworking). Подсети соединяют между собой маршрутизаторами или коммутаторами.

Сетевой уровень обеспечивает работу всех подсетей в процессе передачи сообщений по составной сети. Для сетевого уровня предусматривается собственная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных подсетях. Эта система позволяет на сетевом уровне универсальным и однозначным способом идентифицировать любой узел объединенной сети.

Способ формирования сетевого адреса – уникальная нумерации всех подсетей  составной сети и нумерация всех узлов в пределах каждой подсети.

Маршрут определяется как путь, который должен пройти пакет по последовательности маршрутизаторов от узла-отправителя до узла-получателя

 

3.4. Стек протоколов TCP/IP

 

Наибольшее распространение для построения составных сетей получил стек протоколов TCP/IP, имеющий 4 уровня:

• Прикладной [7,6] (Telnet, FTP, TFTP, DNS, SNMP, HTTP)
• Основной или транспортный [5,4] ( TCP, UDP)
• Уровень межсетевого взаимодействия реализует коммутацию пакетов в режиме без установления соединений [3]
• Уровень сетевых интерфейсов [2,1] поддерживает все распространенные стандарты физического и канального уровней.

Как локальные, так и региональные сети могут отличаться по топологии и методу доступа.

Среди топологических схем наиболее популярными являются (см. рис. 4.3):

1. Шина
2. Звезда
3. Кольцо
4. Многокаскадные и многосвязные сети

Рис. 3. Примеры сетевых топологий

К первым трем типам топологии относятся 99% всех локальных сетей. Наиболее популярный тип сети - Ethernet, может строиться по схемам 1 и 2. Вариант 1 наиболее дешев, так как требует по одному интерфейсу на машину и не нуждается в каком-либо дополнительном оборудовании. Сети Token Ring и FDDI используют кольцевую топологию (3 на рис. 4.1), где каждый узел должен иметь два сетевых интерфейса. Эта топология удобна для оптоволоконных каналов, где сигнал может передаваться только в одном направлении (но при наличии двух колец, как в FDDI, возможна и двунаправленная передача). Нетрудно видеть, что кольцевая топология строится из последовательности соединений точка-точка.

3.5. Ethernet (IEEE 802.3)

 

Сеть Ethernet разработана в 1976 году Меткальфом и Боггсом (фирма Ксерокс). Ethernet совместно со своей скоростной версией Fast Ethernet, GigaEthernet (1Гбит/с) и 10GE (10Гигабит/с) занимает в настоящее время абсолютно лидирующую позицию. В настоящее время на основе этого стандарта строятся уже не только локальные но и общегородские сети, а также межгородские каналы. Единственным недостатком данной сети является отсутствие гарантии времени доступа к среде (и механизмов, обеспечивающих приоритетное обслуживание), что делает сеть малоперспективной для решения технологических проблем реального времени. Определенные проблемы иногда создает ограничение на максимальное поле данных, равное ~1500 байт.

История создания протокола IEEE-802.3 (Ethernet) достаточно любопытна. Первоначальная версия базировалась на алгоритме доступа ALOHA и предназначалась для установления связи между машинами, раскиданными по Гавайским островам. Позднее компания Ксерокс создала систему на основе алгоритма CSMA/CD с быстродействием 2,94Мбит/c. Окончательно принципы сети Ethernet разработаны в 1976 году Меткальфом и Боггсом (фирма Ксерокс). Ethernet совместно со своими скоростными версиями Fast Ethernet (FE), Giga Ethernet (GE) и 10GE занимает в настоящее время абсолютно лидирующее положение.

Первоначально в качестве среды передачи данных использовался толстый коаксиальный кабель (Z=50 Ом), а подключение к нему выполнялось через специальные устройства (трансиверы). Позднее сети начали строиться на основе тонкого коаксиального кабеля. Но и такое решение было достаточно дорогим. Разработка дешевых широкополосных скрученных пар и соответствующих разъемов открыла перед Ethernet широкие перспективы.

Фирма Ксерокс осуществила разработку протокола Ethernet в 1973 году, а в 1979 году объединение компаний Ксерокс, Интел и DEC (DIX) предоставило документ для стандартизации протокола в IEEE. Предложение с небольшими изменениями было принято комитетом 802.3 в 1983 году. Кадр Ethernet имеет формат, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Формат кадра сетей Ethernet (цифры в верхней части рисунка показывают размер поля в байтах)

Поле преамбула содержит 7 байт 0хАА и служит для стабилизации и синхронизации среды (чередующиеся сигналы CD1 и CD0 при завершающем CD0), далее следует поле SFD (start frame delimiter = 0xab), которое предназначено для выявления начала кадра. Поле EFD (end frame delimiter) задает конец кадра. Поле контрольной суммы (CRC - cyclic redundancy check), также как и преамбула, SFD и EFD, формируются и контролируются на аппаратном уровне. Пользователю доступны поля, начиная с адреса получателя и кончая полем информация, включительно. После crc следует межпакетная пауза (IPG - interpacket gap - межпакетный интервал) длиной 9,6 мксек или более. Максимальный размер кадра равен 1518 байт (сюда не включены поля преамбулы, SFD и EFD). Интерфейс просматривает все пакеты, следующие по кабельному сегменту, к которому он подключен, ведь определить, корректен ли принятый пакет и кому он адресован, можно лишь приняв его целиком. Корректность пакета по CRC, по длине и кратности целому числу байт производится после проверки адреса места назначения.

Алгоритм вычисления CRC сводится к вычислению остатка от деления кода M(x), характеризующего кадр, на образующий полином G(x) (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification. Published by IEEE (802.3-1985). Wiley-Interscience, John & sons, inc.). CRC представляет собой дополнение полученного остатка R(x). CRC пересылается, начиная со старших разрядов. Схема взаимодействия различных субуровней при реализации протокола IEEE 802.3 показана на рис 5. Выше llc размещаются верхние субуровни, включая прикладной. Через AUI данные передаются с использованием манчестерского кода.

Рис. 5. Схема взаимодействия субуровней 802.3 (CSMA/CD)

Манчестерский код объединяет в бит-сигнале данные и синхронизацию. Каждый бит-символ делится на две части, причем вторая часть всегда является инверсной по отношению первой. В первой половине кодируемый сигнал представлен в логически дополнительном виде, а во второй - в обычном. Таким образом, сигнал логического 0 - CD0 характеризуется в первой половине уровнем HI, а во второй LO. Соответственно сигнал CD1 характеризуется в первой половине бит-символа уровнем LO, а во второй - HI. Примеры форм сигналов при манчестерском кодировании представлены на рис. 6.

Рис. 6. Примеры кодировки с использованием манчестерского кода

Ниже в таблице 5 приведены ограничения, налагаемые на сеть Ethernet в целом и на отдельные ее фрагменты.

Таблица 5. Возможности различных схем реализации ethernet

Тип кабеля	Толстый  (10base5)	Тонкий  (10base2)	Скрученная  пара (10baseT)
Максимальная длина сети (м)	2500	900	-
Максимальная длина кабельного сегмента (м)	500	185	100
Максимальное число подключений к сегменту	100	30	1
Минимальное расстояние между точками подключения (м)	2.5	0.5	-
Максимальное удаление узлов	5 сегментов  и 4 повторителя	5 сегментов  и 4 повторителя	5 сегментов и 4 повторителя

 

При подключении ЭВМ к сети непосредственно с помощью переключателя ограничение на минимальную длину кадра теоретически снимается. Но работа с более короткими кадрами в этом случае станет возможной лишь при замене сетевого интерфейса на нестандартный (причем, как у отправителя, так и получателя)!

Формат адреса получателя или отправителя (MAC) показан на рис. 7. Для передачи данных на физическом уровне используется манчестерский код.

Рис. 7. Формат MAC-адреса

В верхней части рисунка указана длина полей адреса, в нижней - нумерация разрядов. Субполе I/G представляет собой флаг индивидуального или группового адреса. I/G=0 - указывает на то, что адрес является индивидуальным адресом сетевого объекта. I/G=1 характеризует адрес как мультикастинговый, в этом случае дальнейшее разбиение адреса на субполя теряет смысл. Субполе UL является флагом универсального или местного управления (определяет механизм присвоения адреса сетевому интерфейсу). U/L=1 указывает на локальную адресацию (адрес задан не производителем и ответственность за уникальность лежит на администраторе LAN). U/L=I/G=0 характерно для стандартных уникальных адресов, присваиваемых интерфейсу его изготовителем. Субполе OUI (organizationally unique identifier) позволяет определить производителя сетевого интерфейса. Каждому производителю присваивается один или несколько OUI. Размер субполя позволяет идентифицировать около 4 миллионов различных производителей. За корректность присвоения уникального адреса интерфейса (OUA - organizationally unique address) несет ответственность производитель. Двух интерфейсов одного и того же производителя с идентичными номерами не должно существовать. Размер поля позволяет произвести примерно 16 миллионов интерфейсов. Комбинация oui и oua составляют UAA (universally administrated address = IEEE-адрес).

Если в поле кадра протокол/тип записан код менее 1500, то это поле характеризует длину кадра. В противном случае - это код протокола, пакет которого инкапсулирован в кадр Ethernet.

Доступ к каналу Ethernet базируется на алгоритме CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection). В Ethernet любая станция, подключенная к сети, может попытаться начать передачу пакета (кадра), если кабельный сегмент, к которому она подключена, свободен. Свободен ли сегмент, интерфейс определяет по отсутствию "несущей" в течение 9,6 мксек. Так как первый бит пакета достигает остальных станций сети не одновременно, может случиться, что попытку передачи совершат две или более станций, тем более что задержки в повторителях и кабелях могут достигать достаточно больших величин. Такие совпадения попыток называются столкновениями. Столкновение (коллизия) распознается по наличию в канале сигнала, уровень которого соответствует работе двух или более трансиверов одновременно. При обнаружении столкновения станция прерывает передачу. Возобновление попытки может быть произведено после выдержки (кратной 51,2 мксек, но не превосходящей 52 мсек), значения которой является псевдослучайной величиной и вычисляется каждой станцией независимо.