PROTOKOLY PRO FYZICKÝ MODEM
Telekomunikace jsou nejrychleji rostoucím průmyslem na světě. Relevanci tohoto odvětví konkrétně pro naši zemi, vzhledem k jeho velikosti a tradičním problémům s udržitelností a ovladatelností, lze jen stěží přeceňovat. Na druhou stranu nedostatečný rozvoj moderních komunikačních kanálů bohužel neumožňuje plně využít světových úspěchů v oblasti vysokorychlostních systémů digitálního přenosu informací. Proto modemy pro telefonické komunikační kanály telefonního připojení zůstávají a myslím, že ještě dlouho zůstanou nejrozšířenějším prostředkem informační komunikace. Soudě podle nadšení, s jakým se přední zahraniční výrobci telekomunikačních zařízení chopili vývoje a výroby modemů podle nové normy V.34, zájem o modemová témata v zemích, které jsou z hlediska prosperity prosperující, brzy nezmizí komunikační infrastruktury.
Tento článek se pokouší poskytnout přehled o protokolech fyzické vrstvy a jejich parametrech pro modemy pracující přes vytáčené a vyhrazené kanály hlasové frekvence (telefonní kanály). Před zahájením samotné kontroly stojí za to udělat několik obecných poznámek týkajících se přijaté terminologie a zásad provozu modemu. Tím se odstraní možná nedorozumění spojená s vágností široké veřejnosti ohledně rozdílu mezi pojmy přenosová rychlost a bit / s, respektive mezi rychlostí modulace a rychlostí informací. Kromě toho budou užitečné informace o možných typech modulace používaných v modemech a také o duplexní komunikaci a o tom, jak ji zajistit.
Rychlost
Analogové kanály hlasové frekvence se vyznačují skutečností, že spektrum signálu přenášeného přes ně je omezeno na rozsah od 300 Hz do 3400 Hz. Důvody, proč k takovému omezení dochází, ať zůstanou mimo rozsah tohoto článku. Berme to jako samozřejmost. Právě toto omezení spektra je hlavní překážkou ve využívání telefonních kanálů pro vysokorychlostní přenos digitálních informací. Osoba obeznámená s pracemi Nyquista nás bezpochyby upozorní, že přenosová rychlost informací přes kanál s omezeným spektrem nemůže překročit šířku tohoto spektra, tj. V našem případě 3100 baudů. Ale co potom s modemy, které přenášejí informace rychlostí 4800, 9600, 14400 bps a ještě více? Odpověď naznačuje sama sebe: v analogové technologii nejsou přenosová rychlost a bit / s totéž. Abychom tuto tezi objasnili, stojí za to se blíže podívat na fyzickou úroveň provozu modemu.
Elektrický signál šířící se kanálem je charakterizován třemi parametry - amplitudou, frekvencí a fází. Je to změna jednoho z těchto parametrů nebo dokonce jejich určité sady v závislosti na hodnotách informačních bitů a představuje fyzickou podstatu modulačního procesu. Každý informační prvek odpovídá pevně danému časovému intervalu, ve kterém má elektrický signál určité hodnoty svých parametrů, které charakterizují hodnotu tohoto informačního prvku. Tato doba se nazývá přenosový interval. Pokud kódovaný prvek odpovídá jednomu bitové informaci, která může nabývat hodnoty 0 nebo 1, pak na přenosovém intervalu mohou parametry signálu přijímat jednu ze dvou předdefinovaných sad hodnot amplitudy, frekvence a fáze. V tomto případě je modulační rychlost (nazývaná také lineární nebo přenosová rychlost) rovna informační rychlosti, tj. 1 baud = 1 bit / s. Zakódovaný prvek však nemusí odpovídat jednomu, ale například dvěma bitům informací. V tomto případě bude informační rychlost dvojnásobkem přenosové rychlosti a parametry signálu v přenosovém intervalu mohou mít jednu ze čtyř sad hodnot odpovídajících 00, 01, 10 nebo 11.
V obecném případě platí, že pokud je na přenosovém intervalu zakódováno n bitů, pak rychlost informací překročí přenosovou rychlost nkrát. Ale počet možných stavů signálu v trojrozměrném (obecně) prostoru - amplituda, frekvence, fáze - bude roven 2 ** n. To znamená, že modemový demodulátor, který přijal určitý signál v přenosovém intervalu, jej bude muset porovnat s 2 ** n referenčními signály a přesně vybrat jeden z nich pro dekódování požadovaných n bitů. S nárůstem kódovací kapacity a zvýšením informační rychlosti vzhledem k přenosové rychlosti se tedy vzdálenost v signálovém prostoru mezi dvěma sousedními body v progresi energetického zákona zmenšuje. A to zase klade stále přísnější požadavky na „čistotu“ přenosového kanálu. Teoreticky možná rychlost ve skutečném kanálu je určena známým Shannonovým vzorcem:
V = F log (1 + S / N),
kde F je šířka pásma kanálu, S / N je poměr signálu k šumu.
Druhý faktor určuje schopnosti kanálu z hlediska jeho hlučnosti pro spolehlivý přenos signálu, který kóduje více než jeden bit informace v přenosovém intervalu. Pokud tedy například poměr signálu k šumu odpovídá 20 dB, tj. Výkon signálu dosahujícího vzdáleného modemu je stonásobkem výkonu šumu a použije se plná šířka pásma kanálu frekvenčních tónů (3100 Hz), maximální hranice Shannon je 20 640 bit / s.
Modulace
Když mluvíme o typech modulace, omezíme se pouze na ty, které se skutečně používají v modemech. A ve skutečnosti jsou jen tři: frekvence, fázový rozdíl a vícepolohová amplitudová fázová modulace. Všechny ostatní nejsou ničím jiným než variacemi těchto tří.
Při frekvenční modulaci (FSK, Frequency Shift Keying) hodnoty 0 a 1 informačního bitu odpovídají jejich vlastním frekvencím fyzický signál s jeho amplitudou beze změny. Frekvenční modulace je velmi robustní, protože interferencí je zdeformována hlavně amplituda signálu, nikoli frekvence. V tomto případě je spolehlivost demodulace, a tedy i odolnost proti rušení, tím vyšší, čím více period signálu spadá do přenosového intervalu. Zvýšení přenosového intervalu ale ze zřejmých důvodů snižuje rychlost přenosu informací. Na druhou stranu může být šířka spektra signálu potřebná pro tento typ modulace výrazně užší než celá šířka pásma kanálu. Proto oblast použití FSK-nízkorychlostní, ale vysoce spolehlivé standardy, které umožňují komunikaci na kanálech s velkým zkreslením charakteristiky amplitudové frekvence nebo dokonce se zkrácenou šířkou pásma.
U modulace s fázovým rozdílem (DPSK, Differential Phase Shift Keying) je proměnnou parametru v závislosti na hodnotě informačního prvku fáze signálu s konstantní amplitudou a frekvencí. V tomto případě je každý informační prvek spojen nikoli s absolutní hodnotou fáze, ale s její změnou vzhledem k předchozí hodnotě. Pokud je informačním prvkem dibit, pak se v závislosti na jeho hodnotě (00, 01, 10 nebo 11) může fáze signálu změnit o 90, 180, 270 stupňů nebo se vůbec nezmění. Z informační teorie je známo, že fázová modulace je nejinformativnější, ale zvýšení počtu kódovaných bitů nad tři (8 poloh fázové rotace) vede k prudkému snížení odolnosti proti šumu. Proto na vysoké rychlosti jsou použity kombinované metody modulace amplitudové fáze.
Vícepolohová modulace amplitudové fáze se také nazývá Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Zde se kromě změny fáze signálu využívá manipulace s jeho amplitudou, což umožňuje zvýšit počet zakódovaných bitů. V současné době se používají modulace, ve kterých počet informačních bitů kódovaných v jednom přenosovém intervalu může dosáhnout 8, a podle toho počet pozic signálu v signálovém prostoru - až 256. Použití vícebodové QAM v čistá formačelí vážným problémům spojeným s nedostatečnou odolností proti kódovacímu šumu. Všechny moderní vysokorychlostní protokoly proto používají variantu tohoto typu modulace, tzv. modulace s kódováním mříží nebo kódováním mříží (TCM, Trellis Coded Modulation), což umožňuje zvýšit imunitu přenosu informací proti šumu-snížit požadavky na poměr signálu k šumu v kanálu o 3 až 6 dB. Podstatou tohoto kódování je zavedení redundance. Signální prostor se zdvojnásobí přidáním jednoho dalšího k informačním bitům, které je tvořeno konvolučním kódováním části informačních bitů a zavedením zpožďovacích prvků. Takto rozšířená skupina je podrobena stejné vícepolohové modulaci amplitudové fáze. V procesu demodulace přijímaného signálu je dekódován pomocí velmi důmyslného Vitterbeeho algoritmu, který díky zavedené redundanci a znalosti historie umožňuje vybrat nejspolehlivější bod z prostoru signálu kritériem maximální pravděpodobnosti a , čímž se určí hodnoty informačních bitů.
Duplexní provoz znamená schopnost přenášet informace v obou směrech současně. Běžná telefonní linka je typickým příkladem duplexní linky. Umožňuje vám něco říci svému partnerovi ve stejnou dobu, když se vám zase snaží něco říct. Další otázkou je, zda si budete rozumět, ale to jsou vaše problémy. Analogii lze plně připsat komunikaci přes modem. Problém modemu nebude ve schopnosti kanálu přenášet duplexní informace, ale ve schopnosti modemu demodulátor rozpoznat vstupní signál na pozadí vlastního výstupního signálu odraženého od zařízení PBX, což se ve skutečnosti stává šumem pro modem. Jeho výkon navíc může být nejen srovnatelný, ale ve většině případů výrazně převyšuje výkon přijímaného užitečného signálu. To, zda modemy mohou přenášet informace současně v obou směrech, je tedy dáno schopnostmi protokolu fyzické vrstvy.
Jaké jsou způsoby poskytování duplexu? Ze zmíněné možnosti vyplývá nejzjevnější způsob, který od vývojářů modemů nevyžaduje žádnou zvláštní představivost, ale vyžaduje od telefonní sítě možnost připojení k čtyřvodičovému zakončení. Pokud existuje taková možnost, pak v tomto případě každý pár slouží k přenosu informací pouze v jednom směru.
Pokud je při práci na dvouvodičovém vedení nutné zajistit duplex, pak musíte použít jiné metody. Jedním z nich je multiplexování s frekvenčním dělením. Celá šířka pásma kanálu je rozdělena do dvou frekvenčních subkanálů, z nichž každý je vysílán v jednom směru. Volba subkanálu přenosu se provádí ve fázi navazování spojení a zpravidla je jednoznačně spojena s rolí modemu v komunikační relaci: volání nebo odpovídání. Tato metoda zjevně neumožňuje plně využít možnosti kanálu kvůli výraznému zúžení šířky pásma. Kromě toho, aby se vyloučilo pronikání vedlejších harmonických do sousedních subkanálů, musí být tyto odděleny výraznou „mezerou“, v důsledku čehož frekvenční subkanály nezabírají v žádném případě polovinu celého spektra. Podle toho (viz Shannonův vzorec), tuto metodu poskytování duplexní komunikace omezuje přenosovou rychlost informací. Stávající protokoly fyzické vrstvy využívající multiplexování s frekvenčním dělením poskytují symetrickou duplexní komunikaci rychlostí nepřesahující 2400 bps.
Symetrická duplexní klauzule není náhodná. Faktem je, že řada protokolů také poskytuje rychlejší komunikaci, ale v jednom směru, zatímco zpětný kanál je mnohem pomalejší. Rozdělení frekvence je v tomto případě provedeno do subkanálů nestejných v šířce pásma. Tento typ duplexní komunikace se nazývá asymetrický.
Další metodou poskytování symetrického duplexu, která se používá ve všech vysokorychlostních protokolech, je technologie echo zrušení (echo zrušení). Jeho podstata spočívá ve skutečnosti, že modemy, které mají informace o svém vlastním výstupním signálu, mohou tyto znalosti použít k filtrování vlastního „umělého“ šumu z přijímaného signálu. Ve fázi vstupu do komunikace každý modem, vysílající určitý snímací signál, určuje parametry echo-odrazu: dobu zpoždění a sílu odraženého signálu. A během komunikační relace modemový odrušovač ozvěny „odečte“ od přijatého vstupního signálu vlastní výstupní signál, korigovaný podle přijatých parametrů odrazu ozvěny. Tato technologie umožňuje využít celou šířku pásma kanálu pro duplexní přenos informací, ale vyžaduje velmi vážné výpočetní prostředky pro zpracování signálu při jeho implementaci.
Nakonec stojí za zmínku, že mnoho protokolů se nepokouší poskytovat plně duplexní komunikaci. Jedná se o takzvané poloduplexní protokoly. Zejména všechny protokoly určené pro faxovou komunikaci jsou poloduplexní. V tomto případě jsou informace přenášeny vždy pouze jedním směrem. Po dokončení příjmu / přenosu určité části informace oba modemy (fax) synchronně přepnou směr přenosu dat (ping-pong). Vzhledem k absenci problémů se vzájemným pronikáním přenosových subkanálů, stejně jako s odrazem ozvěny, jsou poloduplexní protokoly obecně charakterizovány větší odolností proti šumu a schopností využívat celou šířku pásma kanálu. Účinnost využití kanálu pro přenos dat je však ve srovnání s duplexními protokoly nižší. To je dáno především skutečností, že téměř všechny protokoly pro přenos dat, jak vrstva datového spojení (MNP, V.42), tak vrstva přenosu souborů (X, Y, Zmodem, nemluvě o protokolech obousměrného typu), vyžadují dva- způsob výměny, alespoň k potvrzení přijatých informací. A jakékoli přepínání směru přenosu, kromě nemožnosti v tuto chvíli vysílat další část informací o uživateli, vyžaduje dodatečné režijní náklady včas na vzájemnou resynchronizaci přijímací a vysílací strany.
Běžně používané protokoly modemu ITU-T
Jedná se o plně duplexní, multiplexovaný, FSK modulovaný protokol s frekvenčním dělením. Na dolním kanálu (který se obvykle používá pro přenos volajícím modemem) je „1“ vysíláno při 980 Hz a „0“ při 1180 Hz. Na horním kanálu (vysílajícímu odpověď) je „1“ vysíláno při 1650 Hz a „0“ je vysíláno při 1850 Hz. Modulační a datové rychlosti jsou stejné - 300 baudů, 300 bit / s. I přes nízkou rychlost tento protokol najde uplatnění především jako „nouzový“, pokud to není možné z důvodu vysoká úroveň rušení pro použití jiných protokolů fyzické vrstvy. Kromě toho se díky své nenáročnosti a odolnosti proti šumu používá ve speciálních aplikacích na vysoké úrovni vyžadujících vysokou spolehlivost přenosu. Například při navazování spojení mezi modemy podle nového doporučení V.8, nebo pro přenos řídících příkazů při faxové komunikaci (horní kanál).
Jedná se o duplexní multiplexní protokol s frekvenčním dělením s modulací DPSK. Nosná frekvence dolního kanálu (vysílá volající Hz, horní (vysílá odpovídající Hz. Rychlost modulace je 600 baudů. Rychlost může být 600 nebo 1200 bps. Tento protokol je ve skutečnosti absorbován protokolem V.22bis.)
Jedná se o plně duplexní, frekvenčně dělené, modulační protokol QAM. Nosná frekvence dolního kanálu (vysílá volající Hz, horní - 2400 Hz. Modulační rychlost - 600 baudů. Má režimy čtyřpolohové (kódované dibitové) a šestnáctimístné (kvadbitové kódované) kvadraturní amplitudové modulace. rychlost přenosu informací může být 1 200 nebo 2 400 bitů / s. Režim 1 200 bitů / s je plně kompatibilní s V.22, a to navzdory odlišnému typu modulace. Faktem je, že první dva bity v režimu 16-QAM (quadbit) určují změna fázového kvadrantu vzhledem k předchozímu signálnímu prvku, a proto nejsou zodpovědné za amplitudu, a poslední dva bity definují polohu signálního prvku v kvadrantu s kolísáním amplitudy. DPSK lze tedy považovat za zvláštní případ QAM, kde poslední dva bity nemění své hodnoty. Výsledkem je, že jsou vybrány čtyři pozice ze šestnácti pozic v různých kvadrantech, ale se stejnou pozicí v kvadrantu, dokonce se stejnou amplitudou. Protokol V.22bis je de facto standard pro všechny středně rychlé modemy.
Jedná se o duplexní protokol s potlačením ozvěny a kvadraturní amplitudovou modulací nebo modulací kódovanou mřížoví. Nosná frekvence - 1800 Hz, modulační rychlost - 2400 baudů. Používá se tedy spektrum o šířce 600 až 3000 Hz. Má dvoupolohové (bitové), čtyřpolohové (dibitové) a šestnáctipolohové (čtyřbitové) režimy QAM. V souladu s tím může být datový tok 2400, 4800 a 9600 bps. Navíc pro 9600 bps existuje alternativní modulace - 32 -polohový TCM.
Jedná se o duplexní protokol s potlačením ozvěny a modulací TCM. Stejný jako ve V.32, nosná frekvence je 1800 Hz a modulační rychlost je 2400 baudů. Má režimy 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM a 128-TCM. V souladu s tím může být informační rychlost 7200, 9600, 12000 a 14400 bps. Režim 32-TCM je plně kompatibilní s odpovídajícím režimem V.32. V.32bis je de facto standardem pro všechny vysokorychlostní modemy.
Exotické protokoly modemu ITU-T
Jedná se o poloduplexní protokol FSK. Má dva režimy rychlosti: 600 bps a 1200 bps. Modulační a datové rychlosti jsou stejné: 600 a 1200 baudů. V obou režimech je „1“ vysíláno při 1 300 Hz. V režimu 600 bps se „0“ přenáší při 1700 Hz a v režimu 1200 bps při 2100 Hz. Implementace protokolu může volitelně zahrnovat zpětný odkaz pracující při 75 bps, který z protokolu udělá asymetrický duplex. Přenosová frekvence „1“ ve zpětném kanálu je 390 Hz, „0“ - 450 Hz. Tento protokol prakticky nevyšel z používání jako standardní komunikační protokol mezi modemy a není jím vybaven každý standardní modem. Sloužil a stále zůstává základem pro implementaci u nás rozšířených nestandardních modemů (například LEXAND). Zjevně kvůli jednoduchosti, vysoké odolnosti proti šumu a slušné (oproti V.21) rychlosti. V řadě evropských zemí je tento protokol navíc používán v informačním systému Videotex.
V.26, V.26bis, V.26ter
Tyto tři protokoly kombinují typ modulace - DPSK, nosnou frekvenci - 1800 Hz a rychlost modulace - 1200 baudů. Rozdíl mezi nimi spočívá v možnosti a způsobech poskytování plně duplexní komunikace a v informační rychlosti. V.26 poskytuje plně duplexní provoz pouze na čtyřvodičové vyhrazené lince, V.26bis je poloviční duplexní protokol určený pro dvouvodičové vytáčené linky a V.26ter poskytuje plně duplexní technologii potlačení ozvěny. Kromě toho mohou být první dva protokoly asymetrický duplex, volitelně včetně zpětného odkazu pracujícího při 75 bps podle V.23. Všechny tři protokoly poskytují rychlost přenosu dat 2 400 bps prostřednictvím čtyřpolohového (dibitového) DPSK. V.26bis a V.26ter také disponují dvoupolohovým (bitovým) DPSK, poskytujícím 1200 bps.
Tento protokol používá TCM modulaci kódovanou mřížoví. Je navržen tak, aby poskytoval plně duplexní komunikaci na čtyřvodičových vyhrazených kanálech. Má nosnou frekvenci 1 800 Hz a modulační rychlost 2 400 baudů. Funguje v režimech 64-TCM a 128-TCM. V souladu s tím může být informační rychlost 12 000 a 14 400 bps. Tento protokol je velmi podobný V.32bis bez zrušení ozvěny. Navíc, pokud je modem s protokolem V.33 nainstalován na čtyřvodičové zakončení před diferenciálním systémem PBX, pak bude schopen komunikovat se vzdáleným modemem V.32bis nainstalovaným na dvouvodičové lince.
Běžně používané faxové protokoly ITU-T
Tento protokol používá modulaci fázového rozdílu s nosnou frekvencí 1 800 Hz. Lze použít dva režimy s různými informačními rychlostmi: 2400 a 4800 bps. Informační rychlosti 2400 bitů / s je dosaženo s modulační rychlostí 1200 baudů a kódovacím dibitem (4poziční DPSK) a 4800 bps-s rychlostí 1600 baudů a kódováním přítoku (8poziční DPSK). Stojí za zmínku, že stále existují málo používané modemové protokoly této rodiny-V.27 a V.27bis, které se liší od V.27ter, hlavně v typu kanálu (vyhrazený čtyřvodičový), pro který jsou určeny.
Tento protokol používá Quadrature Amplitude Modulation. Nosná frekvence - 1700 Hz, modulační rychlost - 2400 baudů. Má 8-polohové (přítokové) a 16-polohové (čtyřbitové) režimy QAM. V souladu s tím může být informační rychlost 7200 a 9600 bps.
Tento protokol je svými parametry velmi podobný V.32bis. Využívá modulaci mříží. Nosná frekvence je 1800 Hz a modulační rychlost je 2400 baudů. Má režimy 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM a 128-TCM. V souladu s tím může být informační rychlost 7200, 9600, 12000 a 14400 bps.
Nestandardní protokoly modemu
Tento protokol vyvinutý společností AT&T je otevřený implementaci vývojáři modemu. Zejména, kromě AT & T LSI, je tento protokol implementován v některých modemech U. S. Robotics. Protokol je vlastně mechanickým vývojem technologie V.32bis: duplex s potlačením ozvěny, modulace kódování mřížoviny, modulační rychlost - 2400 baudů, nosná frekvence - 1800 Hz, rozšíření informačních rychlostí o hodnoty 16800 a 19200 bit / s díky až 256 TCM a 512 TCM. Důsledkem tohoto přístupu jsou velmi přísné požadavky tohoto protokolu na linku. Například pro stabilní provoz při rychlosti 19200 bit / s musí být poměr signálu k šumu alespoň 30 dB.
Protokol byl vyvinut společností ZyXEL Communications Corporation a implementován do vlastních modemů. Tento protokol, stejně jako V.32terbo, rozšiřuje V.32bis o datové rychlosti 16800 a 19200 bps při zachování technologie potlačení ozvěny, modulace kódované mřížoví a nosné frekvence 1 800 Hz. Rychlost modulace 2400 baudů je zachována pouze pro 16800 bps. 19200 bps je dosaženo zvýšením rychlosti modulace na 2743 baudů při zachování modulačního režimu 256-TCM pro obě rychlosti. Toto řešení umožňuje snížit požadavek na poměr signálu k šumu na lince o 2,4 dB, avšak rozšíření šířky pásma může nepříznivě ovlivnit velké zkreslení frekvenční odezvy kanálu.
Protokol HST (High Speed Technology) byl vyvinut společností U. S. Robotics a implementován do modemů řady Courier. Jedná se o duplexní protokol s asymetrickým dělením frekvence. Zpětný kanál má režimy 300 a 450 bps. Hlavní kanál je 4800, 7200, 9600, 12000, 14400 a 16800 bps. Je použita modulace mřížoviny s modulační rychlostí 2400 baudů. Vyznačuje se srovnávací jednoduchostí a vysokou odolností proti šumu díky absenci potřeby kompenzace ozvěny a absenci vzájemného ovlivňování kanálů.
Poloduplexní protokoly rodiny PEP (Packetized Ensemble Protocol) byly vyvinuty společností Telebit a implementovány do modemů TrailBlazer (PEP) a WorldBlazer (TurboPEP). Tyto protokoly využívají celou šířku pásma hlasového kanálu zásadně odlišným způsobem pro vysokorychlostní přenos dat. Celý kanál je rozdělen do mnoha úzkopásmových frekvenčních subkanálů, z nichž každý nezávisle vysílá svou vlastní část bitů z obecného informačního toku. Tyto druhy protokolů se nazývají vícekanálové nebo paralelní nebo vícekanálové protokoly. V protokolu PEP je kanál rozdělen do 511 subkanálů. Každý subkanál, široký přibližně 6 Hz, s rychlostí modulace 2 až 6 baudů, je kódován QAM od 2 do 6 bitů na baud. Existuje několik stupňů volnosti, které zajišťují maximální propustnost každého konkrétního kanálu, který má své vlastní charakteristiky z hlediska zkreslení a rušení. V procesu navazování spojení je každý frekvenční subkanál testován nezávisle a je určena možnost jeho použití, stejně jako parametry: modulační rychlost subkanálu a počet poloh modulace. Maximální přenosová rychlost pro protokol PEP může být až 19200 bps. V průběhu relace, když se interferenční situace zhorší, se mohou změnit parametry subkanálů a některé subkanály mohou být vypnuty. V tomto případě snížení rychlosti nepřesáhne 100 bit / s. Protokol TurboPEP zvýšením počtu subkanálů a počtu bitů kódovaných v jednom přenosovém intervalu může dosáhnout rychlosti 23 000 bps. Protokol TurboPEP navíc využívá modulaci kódovanou mřížemi, což zvyšuje odolnost protokolu proti rušení.
Hlavní výhody těchto protokolů jsou nízká citlivost na zkreslení frekvenční odezvy kanálu a výrazně nižší citlivost na impulsní šum ve srovnání s tradičními protokoly. Pokud první z nich nevyvolává žádné otázky, jsou zapotřebí nějaké komentáře týkající se impulzního hluku. Faktem je, že ačkoli impulsní šum „zasáhne“ téměř celou šířku spektra, tj. Napříč všemi subkanály, kvůli výrazně delšímu trvání signálu ve srovnání s tradičními protokoly (6 baudů oproti 2400), signál zkreslený šumem je mnohem méně, což umožňuje v některých případech normální demodulaci. A poslední věc, kterou stojí za zmínku, je, že v řadě zemí je používání protokolů tohoto typu v telefonních obvodech telefonického připojení zakázáno. Možná proto, že vícekanálové protokoly umožňují úspěšně pracovat i na linkách, na kterých jsou horliví kanalizátoři instalovány zářezové filtry (aby očividně připravily zákazníky o něco provinilého o možnost používat telefonní kanály pro přenos dat pomocí standardních modemů). .
A nakonec
Téměř úplná absence zmínky o nejnovějších pokrokech v ultra-vysokorychlostním přenosu dat po telefonních kanálech-rychlé projekty různých společností, V. FC od Rockwell International a nakonec doporučení V.34 ITU-T-v kontrola protokolů modemu fyzické vrstvy se může zdát náročná ... Pokud se však jen mírně dotknete tématu V.34, ukáže se, že to není jen další krok ke zvýšení rychlosti modemové komunikace, ale obrovský revoluční průlom v touze vybrat všechny rezervy kanálu frekvenčních tónů . Průlom, svým způsobem, ve světonázoru, demonstrující systémový přístup k problému a založený na prudkém technologickém skoku v nástrojích, který vám umožní dostat se co nejblíže k teoretické Shannonově hranici. A proto si toto téma zaslouží samostatný článek ...
Alexander Paskovaty, analytik-TelecomSystems
Protokol RS-232.
Existuje několik protokolů fyzické vrstvy, které se zaměřují na práci s porty, jako je UART. Jedním z těchto protokolů je RS-232.
Zkratka RS znamená Doporučený standard (to znamená, že nejde o standard de jure). Protokol RS-232 definuje fyzickou vrstvu protokolu, která se často používá ve spojení s UART (to znamená, že pro přenos používá asynchronní režim start-stop, metoda fyzického kódování NRZ). Hlavní charakteristiky RS-232:
· Médium pro přenos dat - měděný drát. Signál je nevyvážený (potenciální). V tomto případě je signál přenášen přes jeden jednotlivý vodič kabelu, vysílač a přijímač mají jeden terminál, na rozdíl od diferenciálního signálu (každý signál je přenášen přes jednotlivý pár). Druhý vodič je společný (zem), který používají všechny signály najednou a je připojen ke společnému výstupnímu výkonu přijímače a vysílače. Tato metoda snižuje náklady na propojovací kabel, ale také snižuje odolnost systému proti rušení.
· Počet uzlů - vždy 2. Vysílač prvního uzlu je připojen k přijímači druhého a naopak. V souladu s tím je vždy používán plně duplexní provoz - data jsou přenášena v obou směrech současně a nezávisle.
· Maximální délka dráty - 15,25 m. pro přenosovou rychlost 19,2 Kbps.
· Úrovně napětí signálu na výstupu vysílače: signál je bipolární, logická „1“ odpovídá napětí -5 ¸ -15 V., logická „0“ -+5 ¸ +15 V.
Minimální úrovně napětí na vstupu přijímače ± 3 V.
· Linkový proud - 500 ma (ve skutečnosti vyrobené ovladače RS -232 umožňují proud do 10 ma).
V současné době existuje velké množství ovladačů, které převádějí signály z digitálních úrovní (unipolární signál omezený úrovní digitálního výkonu) na úroveň RS-232.
Protokol RS-485.
Poskytuje zjednodušené peer-to-peer (fyzické) připojení libovolného počtu zařízení k datové lince.
Hlavní charakteristiky:
· Médium pro přenos dat - vždy kroucená dvojlinka. Obvykle se používá 1 pár (poloviční duplex), možné jsou 2 páry (plně duplexní, není standardní). Párové linky jsou také označeny A a B. Doporučuje se použití stíněného krouceného páru;
· Způsob přenosu-poloduplexní (pomocí jednoho páru) nebo plně duplexní (pomocí dvou párů). V druhém případě je komunikační režim podobný režimu RS-422.
· Maximální přenosová vzdálenost - 1220 m při rychlosti 100 kbps;
· Maximální přenosová rychlost - 10 Mbit / s na vzdálenost až 15 m;
· Signál vysílače je bipolární. Potenciální poměry čar A a B: stav 0 - A> B, stav 1 - B> A. Potenciální rozdíl mezi A a B by měl být 1,5 - 5 V, aktuální úroveň v potrubí by měla být až 250 ma.
Protokol původně počítal s připojením až 32 zařízení k jedné lince, ale výrobci linkových ovladačů toto číslo zvýšili na 128–256.
1.3.3. Síťové vrstvy Fyzická vrstva
Fyzická vrstva přenáší bity přes fyzické komunikační kanály, například
Koaxiální kabel nebo kroucená dvojlinka. To znamená, že je to tato úroveň, která přímo přenáší data. Na této úrovni jsou určeny vlastnosti elektrických signálů, které přenášejí diskrétní informace, například: typ kódování, rychlost snu, co to je. Tato úroveň také zahrnuje charakteristiky fyzických médií pro přenos dat: šířka pásma, vlnová impedance, odolnost proti hluku. Funkce fyzické vrstvy jsou implementovány síťovým adaptérem nebo sériovým portem. Příkladem protokolu fyzické vrstvy je specifikace 100Base-TX(technologie Ethernet).
Odkazová vrstva ( Datová vrstva)
Spojovací vrstva je zodpovědná za přenos dat mezi uzly ve stejné místní síti. V tomto případě je uzlem chápáno jakékoli zařízení připojené k síti. Tato vrstva adresuje fyzické adresy ( MAC-adresy), „všité“ do síťových adaptérů výrobcem. Každý síťový adaptér má svůj vlastní unikát MAC-adresa, to znamená, že nenajdete dvě síťové karty se stejnou MAC-adresa Spojovací vrstva převádí informace přijaté z horní vrstvy na bity, které pak budou přenášeny fyzickou vrstvou po síti. Přenáší přenášené informace na části datových rámců (rámečky)... Právě na této úrovni si otevřené systémy vyměňují zaměstnance. Proces předávání vypadá takto: vrstva odkazu odešle rámec fyzické vrstvě, která snímek odešle do sítě. Tento rámec přijímá každý hostitel v síti a kontroluje, zda se cílová adresa shoduje s adresou tohoto hostitele. Pokud se adresy shodují, vrstva odkazu přijme rámec a předá jej vyšším vrstvám. Pokud se adresy neshodují, pak rámec jednoduše ignoruje. Síť ve vrstvě odkazu je tedy vysílána. Použito v místní sítě protokoly linkové vrstvy mají určitou topologii. Topologie označuje způsob, jakým jsou organizovány fyzické odkazy a jak jsou řešeny. Spojovací vrstva zajišťuje přenos dat mezi uzly v síti s určitou topologií, tj. Pro kterou je určena. Mezi hlavní topologie (viz obr. 1.4) patří:
Obr.
- Společný autobus
- Prsten
- Hvězda.
Síťová vrstva (Síťová vrstva)
Tato úroveň slouží k vytvoření jediného transportního systému, který spojuje několik sítí. Jinými slovy, síťová vrstva poskytuje práci na internetu. Protokoly propojovací vrstvy přenášejí rámce mezi uzly pouze v rámci sítě s příslušnou topologií. Jednoduše řečeno - ve stejné síti. Rámec vrstvy odkazu nelze odeslat do uzlu v jiné síti. Toto omezení neumožňuje budování sítí s rozvinutou strukturou nebo sítí s nadbytečnými odkazy, konkrétně Internet je takovou sítí. Postavte jeden velká síť na vrstvě datového spojení je to také nemožné kvůli fyzickým omezením. A přestože například specifikace lOBase-T umožňuje použít 1024 uzlů v jednom segmentu, výkon této sítě vás nepotěší, protože ve vrstvě propojení je síť vysílána. To znamená, že datový paket (rámec) je odeslán do všech počítačů v síti najednou. Pokud je v síti málo počítačů a rychlý komunikační kanál, pak to není problém, zatížení nebude kritické. A pokud je v síti mnoho počítačů (1024), pak bude zatížení sítě velmi vysoké, a to zase ovlivní rychlost interakce sítě. To vše vede k potřebě jiného řešení pro velké sítě. Právě toto řešení je síťová vrstva navržena k implementaci. Na síťové úrovni by měl být termín „síť“ chápán jako soubor počítačů, které jsou připojeny v souladu s jednou ze základních topologií a používají k přenosu dat jeden z protokolů linkové vrstvy. Sítě jsou propojeny speciálními zařízeními - routery. Směrovač shromažďuje informace o topologii propojení a na základě těchto informací předává pakety síťové vrstvy do cílové sítě. Chcete -li odeslat zprávu z odesílajícího počítače do cílového počítače, který je v jiné síti, musíte provést určitý počet přenosů mezi sítěmi. Někdy se jim také říká hoplmi (z angličtiny hop - skok). V tomto případě je pokaždé vybrána vhodná trasa. Příspěvky AHOJ„Síťové vrstvě se říká pakety. Současně na síťové vrstvě pracuje několik typů protokolů. Především se jedná o síťové protokoly, které zajišťují pohyb paketů po síti, a to i do jiné sítě. Proto poměrně často směrovací protokoly jsou označovány jako síťová vrstva. (směrovací protokoly) - RIP a OSPF... Dalším druhem protokolů, které fungují na síťové vrstvě, jsou protokoly rozlišení adres - Address Resolution Protocol (ARP)... Ačkoli jsou tyto protokoly někdy označovány jako odkazová vrstva. Klasické příklady protokolů síťové vrstvy: IP (zásobník TCP / IP), IPX (zásobník Novell).
Transportní vrstva (Transport Layer)
Na cestě od odesílatele k přijímači mohou být pakety zkomoleny nebo ztraceny. Některé aplikace zpracovávají chyby přenosu dat samy, ale většina stále upřednostňuje řešení se spolehlivým připojením, což je přesně to, co má transportní vrstva poskytovat. Tato vrstva poskytuje požadovanou spolehlivost doručování paketů pro aplikaci nebo horní vrstvu (relaci nebo aplikaci). Na transportní vrstvě je definováno pět tříd služeb:
- Naléhavost;
- Obnovení přerušeného připojení
- Dostupnost zařízení multiplexování pro více připojení;
- Detekce chyb;
- Oprava chyb.
Vrstva relace
Vrstva relace navazuje a přerušuje spojení mezi počítači, spravuje dialog mezi nimi a také poskytuje synchronizační nástroje. Synchronizační zařízení umožňují vkládat specifické řídicí informace do dlouhých přenosů (teček). Díky tomu se v případě přerušení komunikace můžete vrátit zpět (do posledního bodu) a pokračovat v přenosu z místa přestávky. Relace je logické spojení mezi počítači. Každá relace má tři fáze:
- Navazování spojení. Zde se uzly mezi sebou „shodnou“ na protokolech a komunikačních parametrech.
- Přenos informací.
- Přerušte spojení.
Prezentační vrstva
Reprezentativní úroveň mění formu přenášených informací, ale nemění jejich obsah. Prostředky této úrovně lze například použít k převodu informací z jednoho kódování do druhého. Také na této úrovni se provádí šifrování a dešifrování dat. výměna dat.
Aplikační vrstva
Tato vrstva je souborem různých protokolů, pomocí kterých uživatelé sítě získávají přístup ke sdíleným prostředkům. Jednotka dat se nazývá zpráva. Příklady protokolů: HTTP, FTP, TFTP, SMTP, POP, SMB, NFS.
Lokální sítě byly budovány pomocí několika typů protokolů fyzické vrstvy, lišících se typem přenosového média, frekvenčním rozsahem signálů, úrovní signálu a metodami kódování.
První LAN technologie, které získaly komerční uznání, byly proprietární řešení ARCNET (Připojený Zdroje Počítač Síť) a Token ring(marker ring), ale na počátku 90. let minulého století byly postupně téměř všude nahrazovány sítěmi založenými na rodině protokolů Ethernet.
Tento protokol byl vyvinut výzkumným střediskem Xerox Palo Alto Research Center (PARC) v roce 1973. V roce 1980 Digital Equipment Corporation, Intel Corporation a Xerox Corporation společně vyvinuly a přijaly specifikaci ethernetu (verze 2.0). Současně byl na Institutu elektrotechnických a elektronických inženýrů (IEEE) uspořádán výbor pro standardizaci místní sítě 802, v důsledku čehož byla přijata řada norem IEEE 802.x, která obsahuje doporučení pro navrhování spodních vrstev místních sítí. Tato řada zahrnuje několik skupin standardů:
802.1 - síťové připojení.
802.2 - Logická správa propojení.
802.3 - LAN s vícenásobným přístupem, snímáním nosiče a detekcí kolizí (Ethernet).
802.4 - Bus topologie LAN s tokenem.
802.5 - „prsten“ topologie LAN s předáním tokenu.
802.6 je síť metropolitních oblastí (MAN).
802.7 - Technická poradní skupina pro vysílání.
802.8 - Technická poradní skupina pro optická vlákna.
802.9 - Integrované hlasové / datové sítě.
802.10 - Zabezpečení sítě.
802.11 - Bezdrátová síť.
802.12 - Demand Priority Access LAN,
lOObaseVG-AnyLan).
802.13 - číslo nebylo použito !!!
802.14 - Přenos dat po sítích kabelové televize (není aktivní od roku 2000)
802.15 - Bezdrátové osobní sítě (WPAN), např. Bluetooth, ZigBee, 6loWPAN
802.16 - bezdrátové sítě WiMAX ( Wnebo celosvětově Jáprovozuschopnost pro Mmikrovlnná trouba Access, čte se v ruštině wimax)
802.17 se nazývá RPR (Resilient Packet Ring). Byl vyvinut od roku 2000 jako moderní městská páteřní síť.
Každá skupina má svůj vlastní podvýbor, který vyvíjí a přijímá aktualizace. Standardy řady IEEE 802 pokrývají dvě vrstvy modelu OSI, zatím nás zajímají pouze ty z nich a část, která popisuje fyzickou vrstvu.
Ethernet (802 .3) - LAN s vícenásobným přístupem, detekcí nosiče a detekcí kolizí.
Ethernet je dnes nejpoužívanějším protokolem LAN. Specifikace IEEE 802.3 dnes navíc popisuje několik možností fyzické implementace sítě LAN s různými přenosovými médii a datovými rychlostmi.
Základní vlastností, kterou mají všechny tyto specifikace společné, je metoda řízení přístupu na médium pro přenos dat. U ethernetu ano vícenásobný přístup s detekcí nosiče a detekcí kolizí(CSMA / CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). V ethernetové síti jsou si všechny uzly rovny, neexistuje centralizované řízení jejich aktivity ani diferenciace sil (jako například v Token Ring). Každý uzel nepřetržitě poslouchá přenosové médium a analyzuje obsah všech datových paketů, pokud paket není určen pro tento uzel, není pro něj zajímavý a není přenášen do vyšších úrovní. Problémy obvykle vznikají při přenosu, protože nikdo nezaručuje, že se dva uzly nepokusí vysílat současně (v důsledku toho se v kabelu objeví nepředstavitelná superpozice dvou signálů). Aby se předešlo takovým situacím ( kolize) každý uzel se před zahájením přenosu ujistil, že v kabelu nejsou žádné signály z jiných síťových zařízení ( ovládání nosiče). To však nestačí k zabránění kolizím kvůli omezené rychlosti šíření signálu v přenosovém médiu. Je možné, že nějaký jiný uzel již začal vysílat, jde jen o to, že signál z něj ještě nedosáhl na zařízení, které zvažujeme. To znamená, že v ethernetové síti jsou situace možné a normální, když se dva nebo více uzlů současně pokoušejí přenášet data, která navzájem interferují. Postup řešení takové kolize spočívá ve skutečnosti, že po zjištění přítomnosti signálu někoho jiného v kabelu během přenosu všechny uzly v takové situaci zastaví přenos a pokusí se jej obnovit rozličnýčasové intervaly.
Nevýhodou metody pravděpodobnostního přístupu je doba přenosu neurčitého rámce, která se prudce zvyšuje s rostoucím zatížením sítě, což omezuje její použití v systémech v reálném čase.
Zvažme podrobněji postup detekce kolizí a vzájemnou závislost přípustných velikostí sítě na rychlosti přenosu dat a délce informačních paketů přenášených po síti. Budeme analyzovat obsah a vnitřní strukturu ethernetových rámců na úrovni propojení. Prozatím jednoduše vezmeme v úvahu, že když je rychlost šíření signálu ve vodiči během provozu asi 200 000 000 m / s síťový adaptér Ethernet IEEE 802.3 s rychlostí přenosu dat 10 Mb / s, odeslání jednoho bajtu trvá 0,8 μs a je to vlnový paket dlouhý asi 150 m.
Nyní se vraťme zpět k obrázku. Aby pracovní stanice „A“ věděla, že během přenosu došlo ke kolizi, musí k ní superpozice „kolidujících“ signálů dorazit před dokončením přenosu. To ukládá omezení na možnou minimální délku odeslaných paketů. Pokud mezi pracovními stanicemi „A“ a „B“ používáte pakety kratší než délka kabelu, je situace možná, když je paket úplně odeslán první stanicí (a ta již rozhodla, že přenos byl úspěšný), ale ještě nedosáhla ani druhého. a má plné právo kdykoli začít vysílat svá data. Je snadné zajistit, aby se takovým nedorozuměním dalo vyhnout pouze použitím paketů takové délky, aby se během jejich přenosu signál podařilo dosáhnout nejvzdálenější stanice a vrátit se zpět.
Při rychlosti přenosu dat 10 Mb / s tento problém nehrál významnou roli a minimální délka rámce byla omezena na 64 bajtů. Během jejich přenosu zvládnou první bity ujet zhruba 10 km a u sítí s maximální délkou segmentu 500 m jsou splněny všechny potřebné podmínky.
Při přechodu na 100 Mb / s se délka minimálního rámce zkrátí 10krát. To výrazně zpřísňuje parametry sítě a maximální vzdálenost mezi stanicemi byla snížena na 100 m.
Při rychlosti 1 000 Mb / s se přenáší 64 bajtů za pouhých 0,512 μs, a proto jsme v gigabitových sítích museli minimální délku rámce 8krát prodloužit na 512 bajtů. Pokud není k vyplnění rámečku dostatek dat, síťový adaptér jej jednoduše doplní speciální sekvencí znaků na tuto délku. Tato technika se nazývá „rozšiřování médií“.
Vyřešením problému detekce kolizí ztrácí mediální expanze šířku pásma při přenosu malých paketů. Aby se snížil vliv tohoto faktoru v gigabitovém ethernetovém adaptéru, je dovoleno určitým způsobem z nich určitým způsobem vytvořit jeden společný rámec „normální“ délky až 1518 bajtů, když je k přenosu připraveno několik krátkých rámců.
Kromě toho bylo navrženo povolit delší rámce než předchozí standardy ethernetu. Tento návrh byl implementován ve formě takzvaných „jumbo“ rámců do 9018 nebo ještě více bytů.
IEEE 802.3 definuje několik různých standardů fyzické vrstvy. Každý ze standardů protokolu fyzické vrstvy IEEE 802.3 má název.
|
Specifikace | |||||||
|
Rychlost, Mbps | |||||||
|
Max. délka segmentu, m | |||||||
|
Přenosové médium |
50 ohmů koaxiální (tlustý) |
WOC 1270 nm |
FOC, 830, 1270 nm | ||||
|
Topologie | |||||||
|
Typ přenosu |
poloviční duplex |
Z tabulky je patrné, že původní společná topologie sběrnice (silný ethernet, tenký ethernet) byla rychle nahrazena hvězdou.
TokenRing (IEEE 802.5)
Token Ring představila společnost IBM v roce 1984 jako součást navrhovaného způsobu propojení celé řady počítačů a počítačových systémů IBM. V roce 1985 výbor IEEE 802 založený na této technologii přijal standard IEEE 802.5. Zásadní rozdíl oproti ethernetu - deterministický pervitin Přístupový kód prostředí v předdefinovaném pořadí. Implementovaný přístup s předáváním tokenů (používá se také v sítích ARCnet a FDDI).
Kruhová topologie znamená řádný přenos informací z jedné stanice do druhé v jednom směru, přísně v pořadí zařazení. Prstencová logická topologie je implementována na základě fyzické hvězdy, v jejímž středu je přístupová jednotka pro více stanic (MSAU).
V daném okamžiku může data přenášet pouze jedna stanice, která zachytila značka nahoruminomet(žeton). Při přenosu dat se v záhlaví značky vytvoří zaneprázdněná značka a značka se na začátku rámce změní na rámec. Zbytek stanic vysílá snímek po kousku z předchozí (upstream) stanice na další (downstream). Stanice, na kterou je aktuální rámec adresován, uloží její kopii do vyrovnávací paměti pro další zpracování a vysílá ji dále po prstenu, čímž vytvoří značku příjmu. Rámec podél prstence se tedy dostane k vysílací stanici, která jej z prstenu odstraní (nevysílá dále). Když stanice dokončí vysílání, označí značku jako volnou a vysílá ji dále po kruhu. Čas, během kterého má stanice právo používat značku, je regulován. Zachycení značky se provádí na základě priorit přiřazených stanicím.
Jak se aktivita uzlů zvyšuje, šířka pásma přidělená každému z uzlů se zmenšuje, ale nedochází k výraznému zhoršení výkonu (jako u ethernetu). Mechanismus stanovení priorit a časové limity držení tokenu navíc umožňují privilegovaným hostitelům přidělit zaručenou šířku pásma bez ohledu na celkové zatížení sítě. Počet uzlů v jednom kruhu by neměl překročit 260 (segment Ethernet teoreticky umožňuje 1024 uzlů). Přenosová rychlost je 16 Mb / s, velikost rámečku může být až 18,2 kB.
Časový limit pro přenos paketů v Token-Ring 10 ms. Při maximálním počtu 260 odběratelů bude celý cyklus prstenu 260 x 10 ms = 2,6 s. Během této doby bude moci všech 260 předplatitelů přenést své balíčky (pokud ovšem mají co přenést). Během této doby se bezplatná značka jistě dostane ke každému předplatiteli. Stejný interval je horní hranicí přístupové doby Token-Ring
Alexander Goryachev, Alexey Niskovsky
Aby mohly servery a klienti sítě komunikovat, musí pracovat pomocí stejného komunikačního protokolu, to znamená, že musí „mluvit“ stejným jazykem. Protokol definuje sadu pravidel pro organizaci výměny informací na všech úrovních interakce mezi síťovými objekty.
Existuje referenční model interakce otevřené systémy(Open System Interconnection Reference Model), často označovaný jako model OSI. Tento model byl vyvinut Mezinárodní organizací pro normalizaci (ISO). Model OSI popisuje schéma interakce síťových objektů, definuje seznam úkolů a pravidla pro přenos dat. Obsahuje sedm úrovní: fyzický (fyzický - 1), kanál (Data -Link - 2), síť (síť - 3), transport (transport - 4), relace (relace - 5), prezentace dat (prezentace - 6) a aplikováno (Aplikace - 7). Předpokládá se, že dva počítače mohou navzájem komunikovat na určité vrstvě modelu OSI, pokud jejich software, který implementuje síťové funkce této vrstvy, interpretuje stejná data stejným způsobem. V tomto případě je mezi dvěma počítači navázána přímá komunikace, která se nazývá „point-to-point“.
Implementace modelu OSI protokoly se nazývají protokoly. Je nemožné implementovat všechny funkce modelu OSI v rámci jednoho konkrétního protokolu. Úkoly konkrétní vrstvy jsou obvykle implementovány jedním nebo více protokoly. Jeden počítač musí spouštět protokoly ze stejného zásobníku. V takovém případě může počítač současně používat několik zásobníků protokolů.
Uvažujme úkoly vyřešené na každé z úrovní modelu OSI.
Fyzická vrstva
Na této úrovni modelu OSI jsou definovány následující charakteristiky síťových komponent: typy připojení komunikačních médií, topologie fyzické sítě, způsoby přenosu dat (s kódováním digitálního nebo analogového signálu), typy synchronizace přenášených dat, oddělení komunikačních kanálů pomocí frekvenčního a časového multiplexování.
Implementace protokolu fyzické vrstvy OSI koordinují pravidla přenosu bitů.
Fyzická vrstva neobsahuje popis přenosového média. Implementace protokolů fyzické vrstvy jsou však specifické pro konkrétní přenosové médium. Fyzická vrstva je obvykle spojena s připojením následujících síťových zařízení:
- koncentrátory, rozbočovače a zesilovače, které regenerují elektrické signály;
- spojovací konektory přenosového média poskytující mechanické rozhraní pro spojení zařízení s přenosovým médiem;
- modemy a různá převodní zařízení, která provádějí digitální a analogové převody.
Tato vrstva modelu definuje fyzické topologie v podnikové síti, které jsou vytvořeny pomocí základní sady standardních topologií.
První v základní sadě je topologie sběrnice. V tomto případě jsou všechna síťová zařízení a počítače připojena ke společné datové sběrnici, která je nejčastěji tvořena pomocí koaxiálního kabelu. Kabel, který tvoří společnou sběrnici, se nazývá páteř. Z každého ze zařízení připojených na sběrnici je signál přenášen v obou směrech. K odstranění signálu z kabelu je nutné použít speciální zakončovače na koncích sběrnice. Mechanické poškození vedení ovlivňuje provoz všech zařízení, která jsou k němu připojena.
Topologie vyzvánění zajišťuje připojení všech síťových zařízení a počítačů k fyzickému vyzvánění (ring). V této topologii se informace přenášejí vždy kolem prstence v jednom směru - od stanice ke stanici. Každé síťové zařízení musí mít na vstupním kabelu přijímač informací a na výstupu vysílač. Mechanické poškození médium přenosu informací v jednom kruhu ovlivní provoz všech zařízení, avšak sítě postavené pomocí dvojitého prstence mají zpravidla rezervu odolnosti vůči chybám a funkce samoléčení. V sítích postavených na dvojitém prstenci jsou stejné informace přenášeny podél prstence v obou směrech. V případě přerušení kabelu bude prsten nadále pracovat v režimu jednoho prstence s dvojnásobnou délkou (funkce samoléčení jsou určeny použitým hardwarem).
Další topologie je hvězdná topologie neboli hvězda. Zajišťuje přítomnost centrálního zařízení, ke kterému jsou ostatní síťová zařízení a počítače připojeny paprsky (samostatné kabely). Hvězdné sítě mají jediný bod selhání. Tento bod je centrálním zařízením. V případě selhání centrálního zařízení si všichni ostatní účastníci sítě nebudou moci vyměňovat informace mezi sebou, protože celá výměna proběhla pouze prostřednictvím centrálního zařízení. V závislosti na typu centrálního zařízení lze signál přijímaný z jednoho vstupu přenášet (s nebo bez zesílení) na všechny výstupy nebo na konkrétní výstup, ke kterému je připojeno zařízení - příjemce informací.
Topologie sítě je vysoce odolná. Při vytváření sítí s podobnou topologií je každé ze síťových zařízení nebo počítačů připojeno ke všem dalším komponentám sítě. Tato topologie je nadbytečná, a proto nepraktická. V malých sítích se tato topologie používá jen zřídka, ale ve velkých podnikových sítích lze k připojení nejdůležitějších uzlů použít plně připojenou topologii.
Uvažované topologie jsou nejčastěji vytvářeny pomocí kabelových připojení.
Další topologie, která využívá bezdrátová připojení, je mobilní. V něm jsou síťová zařízení a počítače kombinovány do zón - buněk (buněk), které interagují pouze s transceiverem buňky. Přenos informací mezi buňkami se provádí pomocí transceivačních zařízení.
Odkazová vrstva
Tato úroveň definuje logickou topologii sítě, pravidla pro získání přístupu k datovému přenosovému médiu, řeší problémy související s adresováním fyzických zařízení v rámci logické sítě a kontrolou přenosu informací (synchronizace přenosových a servisních připojení) mezi síťovými zařízeními.
Protokoly propojovací vrstvy definují:
- pravidla organizace bitů fyzické vrstvy ( binárních jednotek a nuly) do logických skupin informací nazývaných rámce nebo rámce. Rámec je datová jednotka odkazové vrstvy sestávající ze souvislé sekvence seskupených bitů se záhlavím a koncem;
- pravidla pro detekci (a někdy i opravu) chyb přenosu;
- pravidla řízení toku (pro zařízení pracující na této úrovni modelu OSI, například mosty);
- pravidla pro identifikaci počítačů v síti podle jejich fyzických adres.
Jako většina ostatních vrstev, vrstva datového odkazu přidává na začátek datového paketu své vlastní řídicí informace. Tyto informace mohou zahrnovat zdrojovou a cílovou adresu (fyzickou nebo hardwarovou), informace o délce rámce a indikaci aktivních protokolů horní vrstvy.
K vrstvě datového spojení jsou obvykle přidruženy následující síťové konektory:
- mosty;
- inteligentní rozbočovače;
- přepínače;
- karty síťového rozhraní (karty síťového rozhraní, adaptéry atd.).
Funkce odkazové vrstvy jsou rozděleny do dvou podúrovní (tabulka 1):
- řízení přístupu k médiím (MAC);
- Logical Link Control (LLC)
Podvrstva MAC definuje takové prvky vrstvy datového spoje, jako je logická topologie sítě, způsob přístupu k přenosovému médiu a pravidla pro fyzické adresování mezi síťovými entitami.
Zkratka MAC se také používá k určení fyzické adresy síťového zařízení: fyzická adresa Zařízení (které je během výroby definováno uvnitř síťového zařízení nebo síťové karty) je často označováno jako MAC adresa tohoto zařízení. U velkého počtu síťových zařízení, zejména síťových karet, je možné MAC adresu programově změnit. Je třeba mít na paměti, že vrstva datového spojení modelu OSI ukládá omezení používání adres MAC: v jedné fyzické síti (segment větší sítě) nemohou být dvě nebo více zařízení používajících stejné adresy MAC. K určení fyzické adresy síťového objektu lze použít koncept „adresy uzlu“. Adresa uzlu je nejčastěji stejná jako adresa MAC nebo je určena logicky změnou přiřazení adresy softwaru.
Podvrstva LLC definuje pravidla synchronizace přenosu a služeb pro připojení. Tato podvrstva vrstvy datového spojení úzce spolupracuje se síťovou vrstvou modelu OSI a je zodpovědná za spolehlivost fyzických (pomocí MAC adres) připojení. Logická topologie (logická topologie) sítě určuje způsob a pravidla (posloupnost) přenosu dat mezi počítači v síti. Síťové objekty přenášejí data v závislosti na logické topologii sítě. Fyzická topologie definuje fyzickou cestu dat; v některých případech však fyzická topologie neodráží způsob fungování sítě. Skutečná datová cesta je určena logickou topologií. K přenosu dat po logické cestě, která se může lišit od cesty na fyzickém médiu, se používají zařízení pro připojení k síti a přístupová schémata na přenosové médium. Dobrým příkladem rozdílu mezi fyzickou a logickou topologií je síť Token Ring společnosti IBM. Sítě Token Ring LAN často používají měděný kabel, který je veden v hvězdicové konfiguraci s centrálním rozbočovačem (rozbočovačem). Na rozdíl od normální hvězdicové topologie rozbočovač nepředává příchozí signály všem ostatním připojeným zařízením. Vnitřní obvody rozbočovače posílají postupně každý příchozí signál na další zařízení v předem definovaném logickém kruhu, to znamená v kruhovém vzoru. Fyzická topologie této sítě je hvězda a logická topologie je prsten.
Dalším příkladem rozdílu mezi fyzickou a logickou topologií je ethernet. Fyzickou síť lze vybudovat pomocí měděných kabelů a centrálního rozbočovače. Je vytvořena fyzická síť vytvořená podle topologie hvězdy. ale Ethernetová technologie zajišťuje přenos informací z jednoho počítače do všech ostatních v síti. Rozbočovač musí přenášet signál přijatý z jednoho z jeho portů do všech ostatních portů. Je vytvořena logická síť se sběrnicovou topologií.
Chcete -li určit logickou topologii sítě, musíte pochopit, jak jsou v ní přijímány signály:
- v topologiích logických sběrnic je každý signál přijímán všemi zařízeními;
- v topologiích logických kruhů každé zařízení přijímá pouze ty signály, které mu byly zaslány konkrétně.
Je také důležité vědět, jak síťová zařízení získávají přístup k přenosovému médiu.
Přístup k přenosovému médiu
Logické topologie používají speciální pravidla pro řízení oprávnění k přenosu informací do jiných síťových objektů. Proces řízení řídí přístup k médiu pro přenos dat. Zvažte síť, ve které mohou všechna zařízení fungovat bez jakýchkoli pravidel pro získání přístupu k přenosovému médiu. Všechna zařízení v takové síti přenášejí informace, jakmile jsou data připravena; tyto přenosy se někdy mohou časově překrývat. V důsledku překrývání jsou signály zkreslené a přenášená data jsou ztracena. Tato situace se nazývá kolize. Kolize vám neumožňují organizovat spolehlivý a efektivní přenos informací mezi síťovými objekty.
Kolize v síti se rozšiřují na fyzické segmenty sítě, ke kterým jsou připojeny síťové objekty. Taková spojení tvoří jeden kolizní prostor, ve kterém se vliv kolizí vztahuje na všechny. Chcete -li zmenšit velikost kolizních prostorů segmentací fyzické sítě, můžete použít mosty a další síťová zařízení, která mají funkce filtrování provozu linkové vrstvy.
Síť nemůže fungovat normálně, dokud všechny síťové objekty nebudou moci řídit, spravovat nebo odstraňovat kolize. V sítích je potřeba určitá metoda ke snížení počtu kolizí, interference (překrývání) simultánních signálů.
Existuje standardní metody přístup k přenosovému médiu, která popisují pravidla, kterými se řídí oprávnění k přenosu informací pro síťová zařízení: rasa, přenos tokenů a hlasování.
Před výběrem protokolu, který implementuje jednu z těchto metod přístupu k médiu pro přenos dat, byste měli věnovat zvláštní pozornost následujícím faktorům:
- povaha přenosů - kontinuální nebo impulzní;
- počet přenosů dat;
- nutnost přenosu dat v přesně definovaných intervalech;
- počet aktivních zařízení v síti.
Každý z těchto faktorů v kombinaci s výhodami a nevýhodami pomůže určit, která metoda přístupu k médiím je nejvhodnější.
Soutěž. Systémy založené na souborech předpokládají, že k médiím se přistupuje podle zásady „kdo dřív přijde, ten dřív mele“. Jinými slovy, každé síťové zařízení bojuje o kontrolu nad přenosovým médiem. Závodní systémy jsou navrženy tak, aby všechna zařízení v síti mohla přenášet data pouze podle potřeby. Tato praxe nakonec vede k částečné nebo úplné ztrátě dat, protože ve skutečnosti dochází ke kolizím. Jak je každé nové zařízení přidáváno do sítě, počet kolizí se může exponenciálně zvyšovat. Nárůst počtu kolizí snižuje výkon sítě a v případě úplného nasycení média pro přenos informací snižuje výkon sítě na nulu.
Aby se snížil počet kolizí, byly vyvinuty speciální protokoly, ve kterých je funkce poslechu média pro přenos informací implementována dříve, než stanice začne vysílat data. Pokud poslechová stanice detekuje přenos signálu (z jiné stanice), pak se zdrží přenosu informací a pokusí se to zopakovat později. Tyto protokoly se nazývají protokoly CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Protokoly CSMA výrazně snižují počet kolizí, ale ne je zcela eliminují. Ke srážkám však dochází, když dvě stanice vyzvednou kabel: nedetekují žádné signály, rozhodnou se, že médium pro přenos dat je volné, a poté současně zahájí přenos dat.
Příklady takových protichůdných protokolů jsou:
- Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA / CD);
- Carrier Sense Multiple Access / Collision vyhýbání (CSMA / CA).
Protokoly CSMA / CD. Protokoly CSMA / CD nejen poslouchají na kabelu před přenosem, ale také detekují kolize a zahajují opakované přenosy. Když je detekována kolize, stanice vysílající data inicializují speciální interní časovače s náhodnými hodnotami. Časovače začnou odpočítávat a při dosažení nuly by se stanice měly pokusit data znovu vyslat. Vzhledem k tomu, že časovače byly inicializovány s náhodnými hodnotami, jedna ze stanic se pokusí zopakovat přenos dat před druhou. Podle toho druhá stanice určí, že médium pro přenos dat je již zaneprázdněno, a počká, až se uvolní.
Příklady protokolů CSMA / CD jsou Ethernet verze 2 (Ethernet II od DEC Corporation) a IEEE802.3.
Protokoly CSMA / CA. CSMA / CA používá schémata, jako je časově omezený přístup nebo odeslání požadavku na přístup k médiím. Při použití časového krájení může každá stanice vysílat informace pouze v časech striktně definovaných pro tuto stanici. V tomto případě musí síť implementovat mechanismus pro správu časových úseků. Každá nová stanice připojená k síti oznámí svůj vzhled, čímž zahájí proces realokace časových úseků pro přenos informací. V případě použití centralizovaného řízení přístupu na přenosové médium generuje každá stanice speciální požadavek na přenos, který je adresován řídicí stanici. Centrální stanice reguluje přístup k přenosovému médiu pro všechny síťové objekty.
Příkladem CSMA / CA je protokol LocalTalk společnosti Apple Computer.
Rasy založené systémy jsou nejvhodnější pro nárůst provozu (velké přenosy souborů) v sítích s relativně malé množství uživatelé.
Přenosové systémy značek. V systémech pro předávání tokenů je malý rámec (token) předáván v určitém pořadí z jednoho zařízení do druhého. Token je speciální zpráva, která přenáší dočasnou kontrolu média na zařízení, které token vlastní. Tokenový přenos distribuuje řízení přístupu mezi síťová zařízení.
Každé zařízení ví, ze kterého zařízení token obdrží a do kterého zařízení ho má odeslat. Tato zařízení jsou obvykle nejbližšími sousedi vlastníka tokenu. Každé zařízení pravidelně přebírá kontrolu nad tokenem, provádí své akce (přenáší informace) a poté token předá k použití na další zařízení. Protokoly omezují dobu, po kterou je token monitorován každým zařízením.
Existuje několik protokolů pro přenos tokenů. Dva síťové standardy, které používají předávání tokenů, jsou IEEE 802.4 Token Bus a IEEE 802.5 Token Ring. Token Bus využívá řízení přístupu předávání tokenů a fyzickou nebo logickou topologii sběrnice, zatímco Token Ring používá řízení přístupu předávání tokenů a topologii fyzického nebo logického kruhu.
Sítě procházející tokeny by měly být použity tam, kde je prioritní provoz závislý na čase, jako jsou digitální audio nebo video data, nebo tam, kde je velmi velký počet uživatelů.
Průzkum. Polling je přístupová metoda, která přiděluje jediné zařízení (nazývané řadič, primární nebo „hlavní“ zařízení) jako arbitr přístupu k médiím. Toto zařízení dotazuje všechna ostatní zařízení (sekundární) v nějakém předdefinovaném pořadí, aby zjistil, zda mají informace k přenosu. Chcete -li přijímat data ze sekundárního zařízení, primární zařízení mu pošle požadavek a poté přijme data ze sekundárního zařízení a předá je přijímajícímu zařízení. Poté primární zařízení provede dotazování druhého sekundárního zařízení, přijme z něj data atd. Protokol omezuje množství dat, která může každé sekundární zařízení přenášet po hlasování. Volební systémy jsou ideální pro časově citlivá síťová zařízení, jako je automatizace zařízení.
Tato vrstva také poskytuje službu připojení. Existují tři typy služby připojení:
- nepotvrzená služba bez připojení - odesílá a přijímá rámce bez řízení toku a bez řízení chyb nebo sekvence paketů;
- služba orientovaná na připojení - poskytuje řízení toku, řízení chyb a řízení posloupnosti paketů vydáváním potvrzení (potvrzení);
- uznávaná služba bez připojení - používá potvrzení pro řízení toku a řízení chyb mezi dvěma síťovými uzly.
Podvrstva LLC propojovací vrstvy poskytuje možnost současně používat několik síťových protokolů (z různých zásobníků protokolů) při práci přes jeden síťové rozhraní... Jinými slovy, pokud má počítač pouze jednu síťovou kartu, ale existuje potřeba pracovat s různými síťovými službami od různých výrobců, pak možnost takové práce poskytuje software klientské sítě přesně na podúrovni LLC.
Síťová vrstva
Síťová vrstva definuje pravidla pro přenos dat mezi logickými sítěmi, vytváření logických adres síťových zařízení, definici, výběr a údržbu směrovacích informací, fungování bran.
Hlavním cílem síťové vrstvy je vyřešit problém s přesunem (doručením) dat do určených bodů v síti. Doručování dat na síťové vrstvě je obecně podobné doručování dat na vrstvě datového spojení modelu OSI, kde se k přenosu dat používá fyzické adresování zařízení. Adresování na linkové vrstvě však odkazuje pouze na jednu logickou síť, platí pouze v rámci této sítě. Síťová vrstva popisuje metody a prostředky přenosu informací mezi mnoha nezávislými (a často heterogenními) logickými sítěmi, které po vzájemném propojení tvoří jednu velkou síť. Taková síť se nazývá internetworking a přenos informací mezi sítěmi se nazývá internetworking.
S pomocí fyzického adresování na linkové vrstvě jsou data dodávána do všech zařízení zahrnutých ve stejné logické síti. Každé síťové zařízení, každý počítač určuje účel přijatých dat. Pokud jsou data určena pro počítač, pak je zpracuje; pokud ne, ignoruje je.
Na rozdíl od datového spojení si síťová vrstva může vybrat konkrétní trasu v internetovém připojení a vyhnout se odesílání dat do těch logických sítí, do kterých nejsou data adresována. Síťová vrstva to dělá přepínáním, adresováním na síťové vrstvě a používáním směrovacích algoritmů. Síťová vrstva je také zodpovědná za poskytování správných tras pro data v propojené síti heterogenních sítí.
Prvky a metody implementace síťové vrstvy jsou definovány následovně:
- všechny logicky oddělené sítě musí mít jedinečné síťové adresy;
- přepínání určuje, jak se navazují spojení přes internetovou síť;
- schopnost implementovat směrování tak, aby počítače a směrovače určovaly nejlepší cestu pro data procházející propojenou sítí;
- síť bude provádět různé úrovně služby připojení v závislosti na očekávaném počtu chyb v propojené síti.
Na této úrovni modelu OSI fungují směrovače a některé přepínače.
Síťová vrstva definuje pravidla pro vytváření logických síťových adres pro síťové objekty. V rámci velké propojené sítě musí mít každá síťová entita jedinečnou logickou adresu. Na tvorbě logické adresy se podílejí dvě složky: adresa logické sítě, která je společná pro všechny síťové objekty, a logická adresa síťového objektu, která je pro tento objekt jedinečná. Při vytváření logické adresy síťového objektu lze použít buď fyzickou adresu objektu, nebo lze určit libovolnou logickou adresu. Použití logického adresování vám umožňuje organizovat přenos dat mezi různými logickými sítěmi.
Každý síťový objekt, každý počítač může provádět mnoho síťových funkcí současně a zajistit tak práci různé služby... Pro přístup ke službám se používá speciální identifikátor služby, který se nazývá port nebo soket. Při přístupu ke službě identifikátor služby okamžitě následuje logickou adresu počítače poskytujícího službu.
V mnoha sítích jsou skupiny logických adres a identifikátorů služeb vyhrazeny pro provádění konkrétních předdefinovaných a dobře známých akcí. Pokud je například nutné odeslat data do všech síťových objektů, budou odeslána na speciální adresu vysílání.
Síťová vrstva definuje pravidla pro přenos dat mezi dvěma síťovými objekty. Tento přenos lze provést pomocí přepínání nebo směrování.
Existují tři způsoby přepínání přenosu dat: přepínání obvodů, přepínání zpráv a přepínání paketů.
Při použití přepínání obvodů se mezi odesílatelem a přijímačem vytvoří kanál pro přenos dat. Tento kanál bude použit během celé relace komunikace. Při použití této metody jsou možná velká zpoždění v přidělování kanálů kvůli nedostatku dostatečné šířky pásma, přetížení spínacího zařízení nebo zaneprázdněnosti příjemce.
Přepínání zpráv vám umožňuje přenášet celou (nepřerušenou) zprávu na základě ukládání a přeposílání. Každé zprostředkující zařízení obdrží zprávu, uloží ji místně a po uvolnění komunikačního kanálu, přes který má být tato zpráva odeslána, ji odešle. Tato metoda je vhodná pro odesílání e-mailových zpráv a organizaci správy elektronických dokumentů.
Přepínání paketů kombinuje výhody obou předchozích metod. Každá velká zpráva je rozdělena do malých paketů, z nichž každý je postupně odeslán příjemci. Při průchodu propojenou sítí je pro každý z paketů určena nejlepší cesta v tomto okamžiku. Ukazuje se, že části jedné zprávy mohou přijít k příjemci v různých časech a až poté, co jsou všechny části poskládány dohromady, bude příjemce moci s přijatými daty pracovat.
Pokaždé, když určujete další cestu pro data, musíte vybrat nejlepší trasu. Úkol určit nejlepší cestu se nazývá směrování. Tuto úlohu provádějí směrovače. Úkolem směrovačů je určit možné cesty pro přenos dat, udržovat informace o směrování a vybrat nejlepší trasy. Směrování lze provést statickým nebo dynamickým způsobem. Při zadávání statického směrování musí být zadány všechny vztahy mezi logickými sítěmi a zůstat nezměněny. Dynamické směrování předpokládá, že samotný router může definovat nové cesty nebo upravovat informace o starých. Dynamické směrování využívá speciální směrovací algoritmy, z nichž nejběžnější jsou vektor vzdálenosti a stav spojení. V prvním případě router používá informace z druhé ruky o struktuře sítě od sousedních routerů. V druhém případě router pracuje s informacemi o svých vlastních komunikačních kanálech a interaguje se speciálním reprezentativním routerem za účelem vytvoření kompletní mapy sítě.
Výběr nejlepší trasy je nejčastěji ovlivněn faktory, jako je počet skoků přes routery (počet skoků) a počet ticků (časové jednotky) potřebný k dosažení cílové sítě (počet ticků).
Služba připojení k síťové vrstvě funguje, pokud není použita služba připojení podvrstvy vrstvy OSI Link Layer LLC.
Při budování propojené sítě je nutné propojovat logické sítě postavené pomocí různých technologií a poskytujících nejrůznější služby. Aby síť fungovala, musí být logické sítě schopné správně interpretovat data a řídit informace. Tento úkol se provádí pomocí brány, což je zařízení, popř aplikační program který překládá a interpretuje pravidla jedné logické sítě do pravidel jiné. Obecně lze brány implementovat na jakékoli úrovni modelu OSI, ale nejčastěji jsou implementovány na vyšších úrovních modelu.
Transportní vrstva
Transportní vrstva umožňuje skrýt fyzické a logická struktura sítě z aplikací vyšších vrstev modelu OSI. Aplikace fungují pouze se servisními funkcemi, které jsou celkem univerzální a nezávisí na fyzické a logické topologii sítě. Vlastnosti logických a fyzických sítí jsou implementovány v předchozích vrstvách, kde transportní vrstva přenáší data.
Transportní vrstva často kompenzuje nedostatek spolehlivé nebo na připojení orientované služby připojení ve spodních vrstvách. Termín „spolehlivý“ neznamená, že budou ve všech případech doručena všechna data. Spolehlivé implementace protokolů transportní vrstvy však obvykle mohou potvrdit nebo odmítnout doručení dat. Pokud data nejsou správně doručena do přijímacího zařízení, transportní vrstva může znovu vyslat nebo informovat vyšší vrstvy, že je nelze doručit. Horní úrovně pak mohou provést nezbytná nápravná opatření nebo poskytnout uživateli možnost volby.
Mnoho protokolů v počítačových sítích poskytuje uživatelům možnost pracovat s jednoduchými jmény v přirozeném jazyce namísto složitých a těžko zapamatovatelných alfanumerických adres. Rozlišení adresy / jména je funkce vzájemné identifikace nebo mapování jmen a alfanumerických adres. Tuto funkci může provádět každá entita v síti nebo speciální poskytovatelé služeb, nazývaní adresářové servery, jmenné servery atd. Následující definice klasifikují metody překladu adres / jmen:
- zahájení služby spotřebiteli;
- zahájení poskytovatelem služeb.
V prvním případě uživatel sítě odkazuje na službu svým logickým názvem, aniž by věděl přesné umístění služby. Uživatel neví, zda je tato služba aktuálně k dispozici. Při přístupu je logický název namapován na fyzické jméno a pracovní stanice uživatele zahájí volání přímo do služby. V druhém případě každá služba pravidelně upozorní všechny klienty sítě. Každý z klientů kdykoli ví, zda je služba k dispozici, a ví, jak ji přímo kontaktovat.
Způsoby adresování
Adresy služeb identifikují konkrétní softwarové procesy běžící na síťových zařízeních. Kromě těchto adres sledují poskytovatelé služeb různé konverzace, které vedou se zařízeními požadujícími služby. Dvě různé metody dialogu používají následující adresy:
- identifikátor připojení;
- identifikátor transakce.
Identifikátor připojení, nazývaný také ID připojení, port nebo soket, identifikuje každou konverzaci. Poskytovatel připojení může komunikovat s více než jedním klientem pomocí identifikátoru připojení. Poskytovatel služeb odkazuje na každou přepínací entitu svým číslem a spoléhá na transportní vrstvu, aby koordinoval další adresy nižší vrstvy. Identifikátor připojení je přidružen ke konkrétní konverzaci.
ID transakcí jsou podobná ID připojení, ale fungují v jednotkách méně než v dialogu. Transakce se skládá z požadavku a odpovědi. Poskytovatelé služeb a spotřebitelé sledují odchod a příchod každé transakce, nikoli celé konverzace.
Úroveň relace
Vrstva relace usnadňuje komunikaci mezi zařízeními požadujícími a poskytujícími služby. Komunikační relace jsou řízeny mechanismy, které vytvářejí, udržují, synchronizují a řídí dialog mezi komunikujícími entitami. Tato úroveň také pomáhá vyšší úrovně identifikovat dostupnou síťovou službu a připojit se k ní.
Vrstva relace používá informace o logické adrese poskytnuté nižšími vrstvami k identifikaci názvů serverů a adres požadovaných vyššími vrstvami.
Vrstva relace také zahajuje dialogy mezi poskytovatelem služeb a spotřebitelskými zařízeními. Při provádění této funkce vrstva relace často vynucuje nebo identifikuje každý objekt a koordinuje přístupová práva k němu.
Vrstva relace implementuje řízení dialogu pomocí jedné ze tří komunikačních metod - simplex, poloviční duplex a plný duplex.
Jednostranná komunikace zahrnuje pouze jednosměrný přenos ze zdroje do přijímače informací. Tento způsob komunikace neposkytuje žádnou zpětnou vazbu (od příjemce ke zdroji). Half-duplex umožňuje použití jednoho datového přenosového média pro obousměrný přenos informací, ale informace lze současně přenášet pouze v jednom směru. Plný duplex zajišťuje simultánní přenos informací v obou směrech přes médium pro přenos dat.
Na této úrovni modelu OSI je také prováděna správa komunikační relace mezi dvěma síťovými objekty, skládající se z navázání spojení, přenosu dat, ukončení připojení. Po vytvoření relace software, který implementuje funkce tuto úroveň, může kontrolovat stav (udržovat) připojení, dokud není ukončeno.
Prezentační vrstva
Hlavním úkolem vrstvy prezentace dat je převést data do vzájemně dohodnutých formátů (syntaxe výměny), které jsou srozumitelné všem síťovým aplikacím a počítačům, na kterých aplikace běží. Na této úrovni jsou také řešeny problémy komprese a dekomprese dat a jejich šifrování.
Převod znamená změnu pořadí bitů v bajtech, pořadí bytů ve slově, kódy znaků a syntaxi názvů souborů.
Potřeba změnit pořadí bitů a bytů je dána přítomností velkého počtu různých procesorů, počítačů, komplexů a systémů. Procesory od různých výrobců mohou interpretovat nulový a sedmý bit v bajtu odlišně (buď nulový bit je nejvýznamnější, nebo sedmý). Podobně se zachází s bajty, které tvoří velké jednotky informací - slova.
Aby uživatelé různých operačních systémů mohli přijímat informace ve formě souborů se správnými názvy a obsahem, zajišťuje tato úroveň správnou konverzi syntaxe souborů. Různé operační systémy fungují odlišně se svými systémy souborů a implementují různé způsoby generování názvů souborů. Informace v souborech jsou také uloženy v konkrétním kódování znaků. Když interagují dva síťové objekty, je důležité, aby každý z nich dokázal interpretovat informace o souboru svým vlastním způsobem, ale význam informací by se neměl měnit.
Prezentační vrstva převádí data do vzájemně konzistentního formátu (syntaxe výměny), který je srozumitelný všem síťovým aplikacím a počítačům, na kterých jsou aplikace spuštěny. Může navíc komprimovat a rozšiřovat, stejně jako šifrovat a dešifrovat data.
Počítače používají různá pravidla pro reprezentaci dat pomocí binárních nul a jedniček. Přestože se všechna tato pravidla snaží dosáhnout společného cíle prezentace dat čitelných pro člověka, výrobci počítačů a normalizační organizace vytvořily protichůdná pravidla. Když se dva počítače využívající různé sady pravidel pokoušejí komunikovat mezi sebou navzájem, často potřebují provést nějaké transformace.
Místní a síťové operační systémy často šifrují data, aby je chránili před neoprávněným použitím. Šifrování je obecný termín, který popisuje některé metody ochrany dat. Ochrana se často provádí pomocí šifrování dat, které používá jednu nebo více ze tří metod: permutace, substituce, algebraická metoda.
Každá z těchto metod je prostě speciální způsob, jak chránit data takovým způsobem, aby jim porozuměli pouze ti, kteří znají šifrovací algoritmus. Šifrování dat lze provádět jak v hardwaru, tak v softwaru. End-to-end šifrování dat se však obvykle provádí v softwaru a je považováno za součást funkce prezentační vrstvy. K upozornění objektů na použitou metodu šifrování se obvykle používají 2 metody - soukromé klíče a veřejné klíče.
Metody šifrování tajným klíčem používají jeden klíč. Síťové entity, které vlastní klíč, mohou šifrovat a dešifrovat každou zprávu. Klíč proto musí být utajen. Klíč může být zabudován do hardwarových čipů nebo nainstalován správcem sítě. Při každé změně klíče je nutné upravit všechna zařízení (je vhodné nepoužívat síť k přenosu hodnoty nového klíče).
Síťové entity využívající techniky šifrování veřejného klíče jsou podpořeny tajným klíčem a nějakou známou hodnotou. Objekt vytvoří veřejný klíč manipulací se známou hodnotou pomocí tajného klíče. Subjekt zahajující komunikaci odešle svůj veřejný klíč příjemci. Druhá entita pak matematicky zkombinuje svůj vlastní soukromý klíč s veřejným klíčem, který mu byl předán, aby nastavil vzájemně přijatelnou hodnotu šifrování.
Mít pouze veřejný klíč je neautorizovaným uživatelům k ničemu. Složitost výsledného šifrovacího klíče je dostatečně velká, aby se dala vypočítat v rozumném čase. Ani znalost vlastního soukromého klíče a veřejného klíče někoho jiného příliš nepomůže určit další tajemství - kvůli složitosti logaritmických výpočtů pro velká čísla.
Úroveň aplikace
Aplikační vrstva obsahuje všechny prvky a funkce specifické pro každý typ síťové služby. Šest spodních vrstev kombinuje úkoly a technologie, které poskytují obecnou podporu síťových služeb, zatímco aplikační vrstva poskytuje protokoly potřebné k provádění konkrétních funkcí síťových služeb.
Servery prezentují klientům v síti informace o typech služeb, které poskytují. Základní mechanismy pro identifikaci nabízených služeb poskytují prvky, jako jsou adresy služeb. Servery navíc používají metody k reprezentaci své služby, jako jsou aktivní a pasivní reprezentace služeb.
Při implementaci reklamy na aktivní službu každý server pravidelně odesílá zprávy (včetně adres služeb) oznamující její dostupnost. Klienti mohou také hlasovat o síťových zařízeních hledajících konkrétní typ služby. Klienti v síti shromažďují pohledy provedené servery a generují tabulky aktuálně dostupných služeb. Většina sítí, které používají metodu aktivní prezentace, také definuje konkrétní dobu platnosti pro reprezentace služby. Pokud například síťový protokol určuje, že reprezentace služeb by měla být odesílána každých pět minut, pak klientům vyprší časový limit těch služeb, které nebyly za posledních pět minut prezentovány. Po vypršení časového limitu klient odebere službu ze svých tabulek.
Servery implementují reklamu na pasivní službu registrací své služby a adresy v adresáři. Když zákazníci chtějí určit dostupné typy služeb, jednoduše požádají adresář o umístění požadované služby a její adresu.
Než bude možné síťovou službu použít, musí být zpřístupněna místnímu operačnímu systému počítače. Existuje několik způsobů řešení tohoto problému, ale každá taková metoda může být určena polohou nebo úrovní, na které místní operační systém rozpoznává síťový operační systém. Poskytovanou službu lze rozdělit do tří kategorií:
- zachycení hovorů do operačního systému;
- vzdálený režim;
- společné zpracování dat.
Při používání OC Call Interception si místní operační systém vůbec neuvědomuje existenci síťové služby. Když se například aplikace DOS pokusí přečíst soubor ze síťového souborového serveru, předpokládá, že je soubor v místním úložišti. Ve skutečnosti speciální software zachytí požadavek na přečtení souboru, než se dostane do místního operačního systému (DOS), a předá požadavek síťové souborové službě.
Na druhou stranu, u vzdáleného provozu si místní operační systém uvědomuje síť a je zodpovědný za odesílání požadavků na síťovou službu. Server však o klientovi nic neví. V operačním systému serveru vypadají všechny požadavky na služby stejně, ať už jsou interní nebo odeslané prostřednictvím sítě.
Nakonec existují operační systémy, které si existenci sítě uvědomují. Spotřebitel služby i poskytovatel služeb si navzájem uznávají existenci a spolupracují na koordinaci používání služby. Tento typ využití služby je obvykle vyžadován pro kolaborativní zpracování peer-to-peer. Společné zpracování dat znamená oddělení schopností zpracování dat pro provedení jednoho úkolu. To znamená, že operační systém si musí být vědom existence a schopností ostatních a musí s nimi spolupracovat při plnění požadovaného úkolu.
ComputerPress 6 "1999
