Материал: Лекція 5

Лекція 5.

Тема: Модель OSI. Нижні рівні

Мета:ознайомити студентів з класичною моделлю мережевого обміну. Детально зупинитися на фізичному, канальному і мережевому рівнях – механізмах роботи, основних функціях, приладах, що підтримують роботу рівнів.

Яку назву мають фрагменти, на які поділяється повідомлення?

З якою метою здійснюється поділ?

Який з параметрів є найважливішим при оцінці якості зв’язку мережею?

На які частини розбивається пакет? Поясніть призначення кожної.

Поясніть, яким чином здійснюється обмін даними між джерелом і споживачем?

Поясніть сенс інкапсуляції пакетів.

Яким чином адресуються об’єкти мережі? Опишіть обидва способи.

Яку структуру має стандартна МАС-адреса?

Які методи керування обміном даними в мережі ви можете назвати?

Опишіть суть централізованого методу.

Опишіть суть детермінованого методу.

Опишіть суть випадкового методу.

Опишіть суть маркерного методу.

В якій з базових топологій можна застосовувати описані методи?

Що таке колізії?

Дайте визначення маршрутизації.

Опишіть відомі вам методи.

ПЛАН

1 Еталонна модель osi

2 Апаратура локальних мереж

У мережі здійснюється множина операцій, що забезпечують передачу даних від комп'ютера до комп'ютера. Користувача не цікавить, як саме це відбувається, йому необхідний доступ до додатка або комп'ютерного ресурсу, розташованого в іншій комп'ютерній мережі. У дійсності ж вся передана інформація проходить багато етапів обробки.

Насамперед, вона розбивається на блоки, кожний з яких забезпечується керуючою інформацією. Отримані блоки оформляються у вигляді мережних пакетів, потім ці пакети кодуються, передаються за допомогою електричних або світлових сигналів по мережі відповідно до обраного методу доступу, потім із прийнятих пакетів знову відновлюються зв’язані в них блоки даних, блоки з'єднуються в дані, які й стають доступні іншому додатку. Це, звичайно, спрощений опис процесів, що відбуваються.

Частина із зазначених процедур реалізується тільки програмно, інша частина – апаратно, а якісь операції можуть виконуватися як програмами, так й апаратурами.

Упорядкувати всі виконувані процедури, розділити їх на рівні й підрівні, взаємодіючі між собою, саме й покликані моделі мереж. Ці моделі дозволяють правильно організувати взаємодію як абонентам усередині однієї мережі, так і різним мережам на різних рівнях. У цей час найбільше поширення одержала так називана еталонна модель обміну інформацією відкритої системи OSI (Open System Interconnection). Під терміном "відкрита система" розуміється не замкнута в собі система, що має можливість взаємодії з якимись іншими системами (на відміну від закритої системи).

1 Еталонна модель osi

Модель OSI була запропонована Міжнародною організацією стандартів ISO (International Standards Organization) в 1984 році. З тих пір її використають (більш-менш строго) всі виробники мережних продуктів. Як і будь-яка універсальна модель, OSI досить громіздка, надлишкова, і не занадто гнучка. Тому реальні мережні засоби, пропоновані різними фірмами, не обов'язково дотримуються прийнятого поділу функцій. Однак знайомство з моделлю OSI дозволяє краще зрозуміти, що ж відбувається в мережі.

Всі мережні функції в моделі розділені на 7 рівнів ( рис. 5.1). При цьому вищестоящі рівні виконують більше складні, глобальні задачі, для чого використають у своїх цілях нижчестоящі рівні, а також управляють ними. Ціль нижчестоящого рівня – надання послуг вищестоящому рівню, причому вищестоящому рівню не важливі деталі виконання цих послуг. Нижчестоящі рівні виконують більше прості й конкретні функції. В ідеалі кожен рівень взаємодіє тільки з тими, які перебувають поруч із ним (вище й нижче його). Верхній рівень відповідає прикладній задачі, що працює в цей момент додатку, нижній – безпосередній передачі сигналів по каналі зв'язку.

Рис. 5.1. Сім рівнів моделі OSI

Модель OSI застосовується не тільки до локальних мереж, але й до будь-яких мереж зв'язку між комп'ютерами або іншими абонентами. Зокрема, функції мережі Інтернет також можна поділити на рівні відповідно до моделі OSI. Принципові відмінності локальних мереж від глобальних, з погляду моделі OSI, спостерігаються тільки на нижніх рівнях моделі.

Функції, що входять у показані на рис. 5.1 рівні, реалізуються кожним абонентом мережі. При цьому кожен рівень на одному абоненті працює так, начебто він має прямий зв'язок з відповідним рівнем іншого абонента. Між однойменними рівнями абонентів мережі існує віртуальний (логічний) зв'язок, наприклад, між прикладними рівнями взаємодіючих по мережі абонентів. Реальний же, фізичний зв'язок (кабель, радіоканал) абоненти однієї мережі мають тільки на самому нижньому, першому, фізичному рівні. У передавальному абоненті інформація проходить всі рівні, починаючи з верхнього й закінчуючи нижнім. У приймаючому абоненті отримана інформація робить дорогу назад: від нижнього рівня до верхнього ( рис. 5.2).

Рис. 5.2. Шлях інформації від абонента до абонента

Дані, які необхідно передати по мережі, на шляху від верхнього (сьомого) рівня до нижнього (першого) проходять процес інкапсуляції ( рис. 4.6). Кожен нижченаведений рівень не тільки робить обробку даних, що приходять із вищого рівня, але й забезпечує їх своїм заголовком, а також службовою інформацією. Такий процес обростання службовою інформацією триває до останнього (фізичного) рівня. На фізичному рівні вся ця багатооболонкова конструкція передається по кабелю приймачу. Там вона проходить зворотну процедуру декапсуляции, тобто при передачі на вищестоящий рівень прибирається одна з оболонок. Верхнього сьомого рівня досягають уже дані, звільнені від всіх оболонок, тобто від всієї службової інформації нижчестоящих рівнів. При цьому кожен рівень приймаючого абонента робить обробку даних, отриманих з нижченаведеного рівня відповідно до службової інформації, що забирає їм.

Якщо на шляху між абонентами в мережі включаються якісь проміжні пристрої (наприклад, трансивери, репітери, концентратори, комутатори, маршрутизатори ), то й вони теж можуть виконувати функції, що входять у нижні рівні моделі OSI. Чим більше складність проміжного пристрою, тим більше рівнів він охоплює. Але будь-який проміжний пристрій повинен приймати й повертати інформацію на нижньому, фізичному рівні. Всі внутрішні перетворення даних повинні здійснюватися двічі й у протилежних напрямках ( рис. 5.3). Проміжні мережні пристрої на відміну від повноцінних абонентів (наприклад, комп'ютерів) працюють тільки на нижніх рівнях і до того ж виконують двостороннє перетворення.

Рис. 5.3. Включення проміжних пристроїв між абонентами мережі

Розглянемо докладніше функції різних рівнів.

• Прикладний (7) рівень (Application Layer) або рівень додатків забезпечує послуги, безпосередньо підтримуючі додатки користувача, наприклад, програмні засоби передачі файлів, доступу до баз даних, засоби електронної пошти, службу реєстрації на сервері. Цей рівень управляє всіма іншими шістьма рівнями. Наприклад, якщо користувач працює з електронними таблицями Excel і вирішує зберегти робочий файл у своїй директорії на мережному файлі-сервері, те прикладний рівень забезпечує переміщення файлу з робочого комп'ютера на мережний диск прозоро для користувача.

• Представницький (6) рівень (Presentation Layer) або рівень відображення даних визначає й перетворює формати даних й їх синтаксис у форму, зручну для мережі, тобто виконує функцію перекладача. Тут же здійснюється шифрування й дешифрування даних, а при необхідності – і їхній стискання. Стандартні формати існують для текстових файлів (ASCII, EBCDIC, HTML), звукових файлів (MIDI, MPEG, WAV), малюнків (JPEG, GIF, TIFF), відео (AVI). Всі перетворення форматів робляться на представницькому рівні. Якщо дані передаються у вигляді двійкового коду, то перетворення формату не потрібно.

• Сеансовий (5) рівень (Session Layer) або рівень сесії управляє проведенням сеансів зв'язку (тобто встановлює, підтримує й припиняє зв'язок). Цей рівень передбачає три режими установки сеансів: симплексний (передача даних в одному напрямку), напівдуплексний (передача даних по черзі у двох напрямках) і дуплексний (передача даних одночасно у двох напрямках). Сеансовий рівень може також вставляти в потік даних спеціальні контрольні точки, які дозволяють контролювати процес передачі при розриві зв'язку. Цей же рівень розпізнає логічні імена абонентів, контролює надані їм права доступу.

• Транспортний (4) рівень (Transport Layer) забезпечує доставку пакетів без помилок і втрат, а також у потрібній послідовності. Тут же здійснюється розбивка переданих даних на блоки, що поміщають у пакети, і відновлення прийнятих даних з пакетів. Доставка пакетів можлива як із установленням з'єднання (віртуального каналу), так і без. Транспортний рівень є прикордонним і сполучним між верхніми трьома, що сильно залежать від додатків, і трьома нижнимиуровнями, сильно прив'язаними до конкретної мережі.

• Мережний (3) рівень (Network Layer) відповідає за адресацію пакетів і переклад логічних імен (логічних адрес, наприклад, IP-адрес або IPX-адрес) у фізичні мережні MAC-адреси (і навпаки). На цьому ж рівні вирішується задача вибору маршруту (шляху), по якому пакет доставляється по призначенню (якщо в мережі є кілька маршрутів). На мережному рівні діють такі складні проміжні мережні пристрої, як маршрутизатори.

• Канальний (2) рівень або рівень керування лінією передачі (Data link Layer) відповідає за формування пакетів (кадрів) стандартного для даної мережі (Ethernet, Token-Ring, FDDI) виду, що включають початкове й кінцеве керуючі поля. Тут же здійснюється керування доступом до мережі, виявляються помилки передачі шляхом підрахунку контрольних сум, і здійснюється повторне пересилання приймачу помилкових пакетів. Канальний рівень ділиться на два підрівня: верхній LLC і нижній MAC. На канальному рівні працюють такі проміжні мережні пристрої, як, наприклад, комутатори.

• Фізичний (1) рівень (Physical Layer) – це самий нижній рівень моделі, що відповідає за кодування переданої інформації в рівні сигналів, прийняті у використовуваному середовищі передачі, і зворотне декодування. Тут же визначаються вимоги до з'єднувачів, роз’ємів, електричного устаткування, заземлення, захисту від перешкод і т.д. На фізичному рівні працюють такі мережні пристрої, як трансивери, репітери й репітерні концентратори.

Більшість функцій двох нижніх рівнів моделі (1 й 2) звичайно реалізуються апаратно (частина функцій рівня 2 – програмним драйвером мережного адаптера ). Саме на цих рівнях визначається швидкість передачі й топологія мережі, метод керування обміном і формат пакета, тобто те, що має безпосереднє відношення до типу мережі, наприклад, Ethernet, Token-Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN. Більше високі рівні, як правило, не працюють прямо з конкретними апаратурами, хоча рівні 3, 4 й 5 ще можуть ураховувати її особливості. Рівні 6 й 7 ніяк не пов'язані з апаратурами, заміни одного типу апаратури на іншій вони не зауважують.

Як вже відзначалося, у рівні 2 (канальному) нерідко виділяють два підрівні (sublayers) LLC й MAC ( рис. 5.4):

• Верхній підрівень ( LLC – Logical Link Control ) здійснює керування логічним зв'язком, тобто встановлює віртуальний канал зв'язку. Строго говорячи, ці функції не пов'язані з конкретним типом мережі, але частина з них все-таки покладена на апаратуру мережі ( мережний адаптер ). Інша частина функцій подуровня LLC виконується програмою драйвера мережного адаптера. Підрівень LLC відповідає за взаємодію з рівнем 3 (мережним).

• Ніжний підрівень ( MAC – Media Access Control ) забезпечує безпосередній доступ до середовища передачі інформації (каналу зв'язку). Він прямо пов'язаний з апаратурою мережі. Саме на підурівні MAC здійснюється взаємодія з фізичним рівнем. Тут здійснюється контроль стану мережі, повторна передача пакетів задане число раз при колізіях, прийом пакетів і перевірка правильності передачі.

Крім моделі OSI існує також модель IEEE Project 802, прийнята в лютому 1980 року (звідси й число 802 у назві), яку можна розглядати як модифікацію, розвиток, уточнення моделі OSI. Стандарти, обумовлені цією моделлю (так називані 802-специфікації) ставляться до нижнього двох рівням моделі OSI і діляться на дванадцять категорій, кожної з яких привласнений свій номер:

Рис. 5.4. Підурівні LLC й MAC канального рівня

802.1 – об'єднання мереж за допомогою мостів і комутаторів

802.2 – керування логічним зв'язком на подуровне LLC.

802.3 – локальна мережа з методом доступу CSMA/CD і топологією шина (Ethernet).

802.4 – локальна мережа з топологією шина й маркерний доступ (Token-Bus).

802.5 – локальна мережа з топологією кільце й маркерний доступ (Token-Ring).

802.6 – міська мережа (Metropolitan Area Network, MAN) з відстанями між абонентами більше 5 км.

802.7 - широкосмугова технологія передачі даних.

802.8 - оптоволоконна технологія.

802.9 - інтегровані мережі з можливістю передачі мови й даних.

802.10 – безпека мереж, шифрування даних.

802.11 – бездротова мережа з радіоканом (WLAN – Wireless LAN).

802.12 – локальна мережа із централізованим керуванням доступом по пріоритетах запитів і топологією зірка (100VG-AnyLAN).

2 Апаратура локальних мереж

Апаратура локальних мереж забезпечує реальний зв'язок між абонентами. Вибір апаратури має найважливіше значення на етапі проектування мережі, тому що вартість апаратури становить найбільш істотну частину від вартості мережі в цілому, а заміна апаратури зв'язана не тільки з додатковими витратами, але найчастіше й із трудомісткими роботами. До апаратури локальних мереж відносять:

• кабелі для передачі інформації;

• роз’єми для приєднання кабелів;

• погоджуючи термінатори;

• мережеві адаптери ;

• репітери ;

• трансивери ;

• концентратори ;

• мости;

• маршрутизатори ;

• шлюзи.

Про перші три компоненти мережних апаратур уже говорилося в попередніх главах. А зараз варто зупинитися на функціях інших компонентів.

Мережні адаптери (вони ж контролери, карти, плати, інтерфейси, NIC – Network Interface Card) – це основна частина апаратури локальної мережі. Призначення мережного адаптера – сполучення комп'ютера (або іншого абонента) з мережею, тобто забезпечення обміну інформацією між комп'ютером і каналом зв'язку відповідно до прийнятих правил обміну. Саме вони реалізують функції двох нижніх рівнів моделі OSI. Як правило, мережні адаптери виконуються у вигляді плати ( рис. 5.5), вставляються в слоти розширення системної магістралі (шини) комп'ютера (найчастіше PCI, ISA або PC-Card). Плата мережного адаптера звичайно має також один або кілька зовнішніх роз’ємів для підключення до неї кабелю мережі.

Рис. 5.5. Плата мережного адаптера

Наприклад, мережні адаптери Ethernet можуть випускатися з наступними наборами роз’ємів:

• TPO - роз’єми RJ-45 (для кабелю на скручених парах по стандарті 10BASE-T).

• TPC - роз’єми RJ-45 (для кабелю на скручених парах 10BASE-T) і BNC (для коаксіального кабелю 10BASE2).

• TP - роз’єми RJ-45 (10BASE-T) і трансиверний роз’єми AUI.

• Combo - роз’єми RJ-45 (10BASE-T), BNC (10BASE2), AUI.

• Coax - роз’єми BNC, AUI.

• FL - роз’єми ST (для оптоволоконного кабелю 10BASE-FL).

Функції мережного адаптера діляться на магістральні й мережні. До магістральних відносять ті функції, які здійснюють взаємодію адаптера з магістраллю (системною шиною) комп'ютера (тобто визначення своєї магістральної адреси, пересилання даних до комп'ютера і з комп'ютера, вироблення сигналу переривання процесора й т.д.). Мережні функції забезпечують спілкування адаптера з мережею.

До основних мережних функцій адаптерів відносять:

• гальванічна розв'язка комп'ютера й кабелю локальної мережі (для цього звичайно використовується передача сигналів через імпульсні трансформатори);

• перетворення логічних сигналів у мережні (електричні або світлові) і навпаки;

• кодування й декодування мережних сигналів, тобто пряме й зворотне перетворення мережних кодів передачі інформації (наприклад, манчестерський код);

• розпізнавання прийнятих пакетів (вибір із всіх прихожих пакетів тих, які адресовані даному абонентові або всім абонентам мережі одночасно);

• перетворення паралельного коду в послідовний при передачі й зворотне перетворення при прийомі;

• буферизація переданої й прийнятої інформації в буферній пам'яті адаптера ;

• організація доступу до мережі відповідно до прийнятого методу керування обміном;

• підрахунок контрольної суми пакетів при передачі й прийомі.

Типовий алгоритм взаємодії комп'ютера з мережним адаптером виглядає наступним чином.

Якщо комп'ютер хоче передати пакет, то він спочатку формує цей пакет у своїй пам'яті, потім пересилає його в буферну пам'ять мережного адаптера й дає команду адаптеру на передачу. Адаптер аналізує поточний стан мережі й з першою ж нагодою видає пакет у мережу (виконує керування доступом до мережі). При цьому він робить перетворення інформації з буферної пам'яті в послідовний вид для побітової передачі по мережі, підраховує контрольну суму, кодує біти пакета в мережний код і через вузол гальванічної розв'язки видає пакет у кабель мережі. Буферна пам'ять у цьому випадку дозволяє звільнити комп'ютер від контролю стану мережі, а також забезпечити необхідний для мережі темп видачі інформації.

Якщо по мережі приходить пакет, то мережний адаптер через вузол гальванічної розв'язки приймає біти пакета, робить їхнє декодування з мережного коду й порівнює мережну адресу приймача з пакета зі своєю власною адресою. Адреса мережного адаптера, як правило, установлюється виробником адаптера. Якщо адреса збігається, то мережний адаптер записує пакет, що прийшов, у свою буферну пам'ять і повідомляє комп'ютеру (звичайно - сигналом апаратного переривання) про те, що прийшов пакет і його треба читати. Одночасно із записом пакета здійснюється підрахунок контрольної суми, що дозволяє до кінця прийому зробити висновок, чи є помилки в цьому пакеті. Буферна пам'ять у цьому випадку знову ж дозволяє звільнити комп'ютер від контролю мережі, а також забезпечити високий ступінь готовності мережного адаптера до прийому пакетів.

Частіша за все, мережні функції виконуються спеціальними мікросхемами високого ступеня інтеграції, що дає можливість знизити вартість адаптера й зменшити площу його плати.

Деякі адаптери дозволяють реалізувати функцію вилученого завантаження, тобто підтримувати роботу в мережі бездискових комп'ютерів, що завантажують свою операційну систему прямо з мережі. Для цього до складу таких адаптерів включається постійна памятьс відповідною програмою завантаження. Правда, не всі мережні програмні засоби підтримують даний режим роботи.

Мережевий адаптер виконує функції першого й другого рівнів моделі OSI ( рис. 5.6).

Рис. 5.6. Функції мережного адаптера в моделі OSI

Всі інші апаратні засоби локальних мереж (крім адаптерів ) мають допоміжний характер, і без них часто можна обійтися. Це мережні проміжні пристрої.

Трансивери або приймач-передавачі (від англійського TRANsmitter + reCEIVER) слугують для передачі інформації між адаптером і кабелем мережі або між двома сегментами (частинами) мережі. Трансивери підсилюють сигнали, перетворюють їх рівні або перетворять сигнали в іншу форму (наприклад, з електричної у світлову й навпаки). Трансиверами також часто називають убудовані в адаптер приемопередатчики.

Репітери або повторювачі (repeater) виконують більше просту функцію, ніж трансиверы. Вони не перетворять ні рівні сигналів, ні їхню фізичну природу, а тільки відновлюють ослаблені сигнали (їхню амплітуду й форму), приводячи їх до вихідного виду. Ціль такої ретрансляції сигналів складається винятково в збільшенні довжини мережі ( рис. 5.7).

Рис. 5.7. З'єднання репітером двох сегментів мережі

Однак часто репітери виконують і деякі інші, допоміжні функції, наприклад, гальванічну розв'язку сегментів, що з'єднують, і кінцеве узгодження. Репітери так само як трансивери не здійснюють ніякої інформаційної обробки прямуючих через них сигналів.