PROTOKOLY FYZICKÉHO MODEMU

Telekomunikácie sú najrýchlejšie rastúcim odvetvím na svete. Význam tohto odvetvia špeciálne pre našu krajinu, vzhľadom na jeho veľkosť a tradičné problémy s udržateľnosťou a spravovateľnosťou, možno len ťažko preceňovať. Na druhej strane, nedostatočný rozvoj, žiaľ, moderných komunikačných kanálov neumožňuje naplno využiť svetové výdobytky v oblasti vysokorýchlostných digitálnych informačných systémov. Preto modemy pre dial-up telefónne komunikačné kanály zostávajú a myslím si, že ešte dlho zostanú najrozšírenejším prostriedkom informačnej komunikácie. Navyše, súdiac podľa entuziazmu, s akým sa poprední zahraniční výrobcovia telekomunikačných zariadení chopili vývoja a výroby modemov podľa nového štandardu V.34, záujem o modemové témy tak skoro nevyprchá v krajinách, ktoré sú prosperujúcejšie z hľadiska komunikačnej infraštruktúry.

Tento článok sa pokúša poskytnúť prehľad protokolov fyzickej vrstvy a ich parametrov pre modemy pracujúce cez dial-up a vyhradené hlasovo-frekvenčné komunikačné kanály (telefónne kanály). Pred začatím samotnej recenzie je vhodné uviesť niekoľko všeobecných poznámok týkajúcich sa prijatej terminológie a princípov fungovania modemu. Tým sa odstránia možné nedorozumenia spojené s nejasným chápaním širokej verejnosti o rozdiele medzi pojmami baud a bit/s medzi modulačnou rýchlosťou a informačnou rýchlosťou. Okrem toho budú užitočné informácie o možných typoch modulácie používaných v modemoch, ako aj o duplexnej komunikácii a spôsobe jej zabezpečenia.

Rýchlosť

Analógové hlasové kanály sa vyznačujú tým, že spektrum signálu prenášaného cez ne je obmedzené na rozsah od 300 Hz do 3400 Hz. Dôvody, prečo k takémuto obmedzeniu dochádza, nech zostanú mimo rámca tohto článku. Berme to ako samozrejmosť. Práve toto obmedzenie spektra je hlavnou prekážkou pri využívaní telefónnych kanálov na vysokorýchlostný prenos digitálnych informácií. Osoba oboznámená s dielami Nyquista nás nepochybne upozorní, že prenosová rýchlosť informácií kanálom s obmedzeným spektrom nemôže presiahnuť šírku tohto spektra, teda v našom prípade 3100 baudov. Ale čo potom s modemami, ktoré prenášajú informácie rýchlosťou 4800, 9600, 14400 bps a ešte viac? Odpoveď sa ponúka sama: v analógovej technológii nie sú prenosová rýchlosť a bit / s to isté. Na objasnenie tejto tézy stojí za to bližšie zvážiť fyzickú úroveň modemu.

Elektrický signál šíriaci sa kanálom je charakterizovaný tromi parametrami - amplitúdou, frekvenciou a fázou. Práve zmena jedného z týchto parametrov, alebo dokonca ich určitej množiny spolu, v závislosti od hodnôt informačných bitov, tvorí fyzikálnu podstatu modulačného procesu. Každému informačnému prvku zodpovedá pevný časový interval, v ktorom má elektrický signál určité hodnoty svojich parametrov, ktoré charakterizujú hodnotu tohto informačného prvku. Tento časový úsek sa nazýva prenosový interval. Ak kódovaný prvok zodpovedá jednému bitu informácie, ktorý môže mať hodnotu 0 alebo 1, potom v prenosovom intervale môžu parametre signálu nadobudnúť jednu z dvoch preddefinovaných sád hodnôt amplitúdy, frekvencie a fázy. V tomto prípade sa modulačná rýchlosť (nazývaná aj lineárna alebo prenosová rýchlosť) rovná informačnej rýchlosti, t.j. 1 baud = 1 bit/s. Kódovaný prvok však nemusí zodpovedať jednému, ale napríklad dvom bitom informácie. V tomto prípade bude informačná rýchlosť dvojnásobkom prenosovej rýchlosti a parametre signálu v prenosovom intervale môžu mať jednu zo štyroch sád hodnôt zodpovedajúcich 00, 01, 10 alebo 11.

Vo všeobecnom prípade, ak je v prenosovom intervale zakódovaných n bitov, potom informačná rýchlosť prekročí prenosovú rýchlosť n-krát. Ale počet možných stavov signálu v trojrozmernom (všeobecne) priestore - amplitúda, frekvencia, fáza - sa bude rovnať 2 ** n. To znamená, že modemový demodulátor, ktorý prijme určitý signál v prenosovom intervale, ho bude musieť porovnať s 2 **n referenčnými signálmi a presne vybrať jeden z nich na dekódovanie požadovaných n bitov. So zvýšením kódovacej kapacity a zvýšením informačnej rýchlosti vzhľadom na prenosovú rýchlosť sa teda vzdialenosť v signálovom priestore medzi dvoma susednými bodmi zmenšuje v postupnosti mocninnej. A to zase kladie čoraz prísnejšie požiadavky na „čistotu“ prenosového kanála. Teoreticky možná rýchlosť v reálnom kanáli je určená známym Shannonovým vzorcom:

V = F log (1 + S / N),

kde F je šírka pásma kanála, S/N je pomer signálu k šumu.

Druhý faktor určuje možnosti kanála z hľadiska jeho hlučnosti pre spoľahlivý prenos signálu, ktorý kóduje viac ako jeden bit informácie v prenosovom intervale. Takže napríklad, ak pomer signálu k šumu zodpovedá 20 dB, tj výkon signálu dosahujúci vzdialený modem je 100-násobok výkonu šumu a využíva sa celá šírka pásma tónového frekvenčného kanála (3100 Hz), maximálna Shannonova hranica je 20 640 bit/s.

Modulácia

Keď už hovoríme o typoch modulácie, obmedzíme sa len na tie, ktoré sa skutočne používajú v modemoch. A tie sú vlastne len tri: frekvencia, fázový rozdiel a viacpolohová amplitúdovo-fázová modulácia. Všetky ostatné nie sú nič iné ako variácie týchto troch.

Pri frekvenčnej modulácii (FSK, Frequency Shift Keying) hodnoty 0 a 1 informačného bitu zodpovedajú ich vlastným frekvenciám fyzický signál s nezmenenou amplitúdou. Frekvenčná modulácia je vysoko odolná voči šumu, pretože rušením je skreslená hlavne amplitúda signálu, nie frekvencia. V tomto prípade je spoľahlivosť demodulácie a tým aj odolnosť voči šumu tým vyššia, čím viac periód signálu spadá do prenosového intervalu. Ale zvýšenie prenosového intervalu zo zrejmých dôvodov znižuje rýchlosť prenosu informácií. Na druhej strane, šírka pásma signálu potrebná pre tento typ modulácie môže byť výrazne užšia ako celá šírka pásma kanála. Odtiaľ pochádza oblasť použitia FSK - nízkorýchlostné, ale vysoko spoľahlivé štandardy, ktoré umožňujú komunikáciu na kanáloch s veľkým skreslením amplitúdovo-frekvenčnej charakteristiky alebo dokonca so skrátenou šírkou pásma.

Pri modulácii fázového rozdielu (DPSK, Differential Phase Shift Keying) je premennou parametra v závislosti od hodnoty informačného prvku fáza signálu pri konštantnej amplitúde a frekvencii. V tomto prípade nie je každý informačný prvok spojený s absolútnou hodnotou fázy, ale s jej zmenou vzhľadom na predchádzajúcu hodnotu. Ak je informačný prvok debit, potom v závislosti od jeho hodnoty (00, 01, 10 alebo 11) sa fáza signálu môže zmeniť o 90, 180, 270 stupňov alebo sa nezmení vôbec. Z teórie informácie je známe, že fázová modulácia je najinformatívnejšia, ale zvýšenie počtu kódovaných bitov nad tri (8 polôh fázovej rotácie) vedie k prudkému zníženiu odolnosti voči šumu. Preto na vysoké rýchlosti používajú sa kombinované metódy amplitúdovo-fázovej modulácie.

Viacpolohová amplitúdovo-fázová modulácia sa tiež nazýva kvadratúrna amplitúdová modulácia (QAM). Tu sa okrem zmeny fázy signálu používa aj manipulácia s jeho amplitúdou, čo umožňuje zvýšiť počet kódovaných bitov. V súčasnosti sa používajú modulácie, pri ktorých počet informačných bitov zakódovaných na jednom baudovom intervale môže dosiahnuť 8 a podľa toho aj počet pozícií signálu v signálovom priestore - až 256. Avšak použitie viacbodovej QAM v čistej formečelí vážnym problémom spojeným s nedostatočnou odolnosťou proti kódovaciemu šumu. Preto všetky moderné vysokorýchlostné protokoly využívajú variáciu tohto typu modulácie, tzv. modulácia s mriežkovým kódovaním alebo mriežkovým kódovaním (TCM, Trellis Coded Modulation), ktorá umožňuje zvýšiť odolnosť voči šumu prenosu informácií - znížiť požiadavky na odstup signálu od šumu v kanáli o 3 až 6 dB. Podstatou tohto kódovania je zavedenie redundancie. Priestor signálu sa zdvojnásobí pridaním ďalšieho k informačným bitom, ktorý je tvorený konvolučným kódovaním časti informačných bitov a zavedením oneskorovacích prvkov. Takto rozšírená skupina je podrobená rovnakej viacpolohovej amplitúdovo-fázovej modulácii. V procese demodulácie prijímaného signálu je dekódovaný podľa veľmi sofistikovaného Vitterbeeho algoritmu, ktorý umožňuje vďaka zavedenej redundancii a znalosti histórie vybrať najspoľahlivejší bod z priestoru signálu podľa kritéria maximálnej pravdepodobnosti. a tým určiť hodnoty informačných bitov.

Duplexná prevádzka znamená schopnosť prenášať informácie oboma smermi súčasne. Bežná telefónna linka je typickým príkladom duplexnej linky. Umožňuje vám niečo povedať vášmu partnerovi v rovnakom čase, keď sa vám na oplátku snaží niečo povedať. Ďalšia otázka je, či si budete rozumieť, ale to sú vaše problémy. Analógiu možno plne pripísať modemovej komunikácii. Problém pre modem nebude v schopnosti kanála prenášať duplexné informácie, ale v schopnosti modemového demodulátora rozpoznať vstupný signál na pozadí vlastného výstupného signálu odrazeného od zariadenia PBX, čo sa v skutočnosti stáva šumom pre PBX. modem. Navyše jeho výkon môže byť nielen porovnateľný, ale vo väčšine prípadov výrazne prevyšuje výkon prijímaného užitočného signálu. Či môžu modemy prenášať informácie súčasne oboma smermi, je teda určené schopnosťami protokolu fyzickej vrstvy.

Aké sú spôsoby poskytovania duplexu? Zo spomínanej možnosti vyplýva najzrejmejší spôsob, ktorý si od vývojárov modemov nevyžaduje žiadnu špeciálnu predstavivosť, ale vyžaduje od telefónnej siete možnosť pripojenia na štvorvodičovú koncovku. Ak existuje takáto možnosť, potom sa v tomto prípade každý pár používa na prenos informácií iba jedným smerom.

Ak je potrebné zabezpečiť duplex pri práci na dvojvodičovom vedení, musíte použiť iné metódy. Jedným z nich je multiplexovanie s frekvenčným delením. Celá šírka pásma kanála je rozdelená na dva frekvenčné podkanály, z ktorých každý je prenášaný v jednom smere. Voľba prenosového subkanálu sa vykonáva vo fáze vytvárania spojenia a spravidla je jednoznačne spojená s úlohou modemu v komunikačnej relácii: volanie alebo odpovedanie. Je zrejmé, že táto metóda neumožňuje plné využitie možností kanála z dôvodu výrazného zúženia šírky pásma. Navyše, aby sa vylúčilo prenikanie bočných harmonických do susedného subkanálu, musia byť oddelené s výraznou "medzerou", v dôsledku čoho frekvenčné subkanály nezaberajú ani zďaleka polovicu celého spektra. Podľa toho (pozri Shannonov vzorec), túto metódu poskytovanie duplexnej komunikácie obmedzuje prenosovú rýchlosť informácií. Existujúce protokoly fyzickej vrstvy využívajúce multiplexovanie s frekvenčným delením poskytujú symetrickú duplexnú komunikáciu pri rýchlostiach nepresahujúcich 2400 bps.

Symetrická duplexná klauzula nie je náhodná. Faktom je, že množstvo protokolov tiež poskytuje rýchlejšiu komunikáciu, ale v jednom smere, zatiaľ čo spätný kanál je oveľa pomalší. Frekvenčné delenie sa v tomto prípade vykonáva na subkanály s nerovnakou šírkou pásma. Tento typ duplexnej komunikácie sa nazýva asymetrický.

Ďalším spôsobom poskytovania symetrického duplexu, ktorý sa používa vo všetkých vysokorýchlostných protokoloch, je technológia potlačenia ozveny (echo cancelation). Jeho podstata spočíva v tom, že modemy, disponujúce informáciami o vlastnom výstupnom signáli, dokážu tieto poznatky využiť na odfiltrovanie vlastného „umelo vytvoreného“ šumu z prijatého signálu. Vo fáze vstupu do komunikácie každý modem, vysielajúci určitý testovací signál, určuje parametre odrazu ozveny: čas oneskorenia a výkon odrazeného signálu. A počas komunikačnej relácie modemový potláčač ozveny „odčíta“ od prijatého vstupného signálu svoj vlastný výstupný signál, korigovaný v súlade s prijatými parametrami odrazu ozveny. Táto technológia umožňuje využiť celú šírku pásma kanála na duplexný prenos informácií, pri jej implementácii si však vyžaduje veľmi náročné výpočtové zdroje na spracovanie signálu.

Nakoniec stojí za zmienku, že mnohé protokoly sa nepokúšajú poskytovať plne duplexnú komunikáciu. Ide o takzvané polovičné duplexné protokoly. Najmä všetky protokoly určené na faxovú komunikáciu sú poloduplexné. V tomto prípade sa informácie prenášajú súčasne iba jedným smerom. Na konci príjmu / prenosu určitej časti informácií oba modemy (fax) synchrónne prepnú smer prenosu dát (ping-pong). Vzhľadom na absenciu problémov so vzájomnou penetráciou prenosových subkanálov, ako aj s odrazom ozveny, sa poloduplexné protokoly vo všeobecnosti vyznačujú vyššou odolnosťou voči šumu a schopnosťou využiť celú šírku pásma kanála. Efektívnosť využitia kanála na prenos dát je však nižšia v porovnaní s duplexnými protokolmi. Je to spôsobené predovšetkým skutočnosťou, že takmer všetky protokoly prenosu dát, ako vrstva dátového spojenia (MNP, V.42), tak aj vrstva prenosu súborov (X, Y, Zmodem, nehovoriac o protokoloch BiDirectional), vyžadujú dva- spôsob výmeny, aspoň potvrdiť prijaté informácie. A akékoľvek prepnutie smeru prenosu, okrem momentálnej nemožnosti preniesť ďalšiu časť užívateľských informácií, si vyžaduje dodatočné režijné náklady v čase na vzájomnú resynchronizáciu prijímacej a vysielacej strany.

Bežne používané modemové protokoly ITU-T

Je to plne duplexný, frekvenčne multiplexovaný, FSK protokol. Na spodnom kanáli (ktorý sa zvyčajne používa na prenos volajúcim modemom) sa "1" vysiela pri 980 Hz a "0" sa vysiela pri 1180 Hz. Na hornom kanáli (vysielajúci odpovedač) sa „1“ vysiela pri 1650 Hz a „0“ sa vysiela pri 1850 Hz. Modulácia a rýchlosť prenosu dát sú rovnaké - 300 baudov, 300 bit/s. Napriek nízkej rýchlosti, tento protokol nachádza uplatnenie predovšetkým ako "núdzové", ak nie je možné kvôli vysoký stupeň interferencie použiť iné protokoly fyzickej vrstvy. Okrem toho sa pre svoju nenáročnosť a odolnosť voči šumu používa v špeciálnych aplikáciách na vysokej úrovni vyžadujúcich vysokú spoľahlivosť prenosu. Napríklad pri nadväzovaní spojenia medzi modemami podľa nového odporúčania V.8 alebo pri prenose riadiacich príkazov pri faxovej komunikácii (horný kanál).

Ide o duplexný, frekvenčne delený multiplexný protokol s moduláciou DPSK. Nosná frekvencia spodného kanála (vysiela volajúci Hz, horný (vysiela odpovedajúci Hz. Modulačná rýchlosť je 600 baudov. rýchlosť môže byť 600 alebo 1200 bps). Tento protokol je v skutočnosti absorbovaný protokolom V.22bis.

Ide o plne duplexný, frekvenčne delený, modulačný protokol QAM. Nosná frekvencia dolného kanála (vysiela volajúci Hz, horná - 2400 Hz. Rýchlosť modulácie - 600 baudov. Má štvorpolohový (kódovaný dibit) a šestnásťpolohový (kódovaný kvadratúrne) režim kvadratúrnej amplitúdovej modulácie. rýchlosť môže byť 1200 alebo 2400 bit/s. Režim 1200 bit/s je plne kompatibilný s V.22, napriek rôznym typom modulácie.Faktom je, že prvé dva bity v režime 16-QAM (quadbit) určujú zmenu vo fázovom kvadrante vzhľadom na predchádzajúci signálový prvok, a preto nie sú zodpovedné za amplitúdu, a posledné dva bity definujú polohu signálového prvku v kvadrante so zmenou amplitúdy. QAM, kde posledné dva bity nemenia svoje hodnoty. Výsledkom je, že štyri zo šestnástich pozícií sa vyberú v rôznych kvadrantoch, ale s rovnakou pozíciou v kvadrante, dokonca s rovnakou amplitúdou. Protokol V.22bis je de facto štandardom pre všetky modemy strednej rýchlosti.

Ide o duplexný protokol s potlačením ozveny a kvadratúrnou amplitúdovou moduláciou alebo mriežkovou moduláciou. Nosná frekvencia - 1800 Hz, rýchlosť modulácie - 2400 baud. Používa sa teda spektrum so šírkou 600 až 3000 Hz. Má dvojpolohový (bitový), štvorpolohový (dibit) a šestnásťpolohový (kvadbitový) režim QAM. V súlade s tým môže byť informačná rýchlosť 2400, 4800 a 9600 bps. Navyše pre 9600 bps existuje alternatívna modulácia – 32-polohová TCM.

Ide o duplexný protokol s potlačením ozveny a moduláciou TCM. Používa to isté ako V.32, s nosnou frekvenciou 1800 Hz a modulačnou rýchlosťou 2400 baudov. Má režimy 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM a 128-TCM. V súlade s tým môže byť informačná rýchlosť 7200, 9600, 12000 a 14400 bps. Režim 32-TCM je plne kompatibilný s príslušným režimom V.32. Protokol V.32bis je de facto štandardom pre všetky vysokorýchlostné modemy.

Exotické modemové protokoly ITU-T

Ide o poloduplexný protokol FSK. Má dva rýchlostné režimy: 600 bps a 1200 bps. Modulácia a rýchlosť prenosu dát sú rovnaké: 600 a 1200 baudov. V oboch režimoch sa „1“ vysiela s frekvenciou 1300 Hz. V režime 600 bps sa "0" prenáša pri 1700 Hz a v režime 1200 bps pri 2100 Hz. Implementácia protokolu môže voliteľne zahŕňať spätné spojenie pracujúce pri 75 bps, čím sa protokol zmení na asymetrický duplex. Prenosová frekvencia "1" v spätnom kanáli je 390 Hz, "0" - 450 Hz. Tento protokol sa ako štandardný intermodemový komunikačný protokol prakticky prestal používať a nie každý štandardný modem je ním vybavený. Slúžil a stále zostáva základom pre implementáciu u nás rozšírených neštandardných modemov (napríklad LEXAND). Vraj kvôli jednoduchosti, vysokej odolnosti voči šumu a slušnej (v porovnaní s V.21) rýchlosti. Okrem toho sa v mnohých európskych krajinách tento protokol používa v informačnom systéme Videotex.

V.26, V.26bis, V.26ter

Tieto tri protokoly kombinujú typ modulácie - DPSK, nosnú frekvenciu - 1800 Hz a rýchlosť modulácie - 1200 baud. Rozdiel medzi nimi spočíva v možnosti a spôsoboch zabezpečenia duplexnej komunikácie a v informačnej rýchlosti. V.26 poskytuje plný duplex iba cez štvorvodičovú vyhradenú linku, V.26bis je polovičný duplexný protokol určený pre dvojdrôtové vytáčané linky a V.26ter poskytuje plný duplex pomocou technológie potlačenia ozveny. Okrem toho prvé dva protokoly môžu byť asymetrické duplexné, voliteľne zahŕňajúce spätné spojenie pracujúce pri 75 bps v súlade s V.23. Všetky tri protokoly poskytujú rýchlosť prenosu dát 2400 bps cez štvorpolohový (dibit) DPSK. V.26bis a V.26ter sú vybavené aj dvojpolohovým (bitovým) DPSK, ktorý poskytuje 1200 bps.

Tento protokol používa moduláciu TCM s kódovaním v mriežke. Je navrhnutý tak, aby poskytoval plne duplexnú komunikáciu na štvorvodičových vyhradených kanáloch. Má nosnú frekvenciu 1800 Hz a modulačnú rýchlosť 2400 baudov. Pracuje v režimoch 64-TCM a 128-TCM. V súlade s tým môže byť informačná rýchlosť 12 000 a 14 400 bps. Tento protokol je veľmi podobný protokolu V.32bis bez potlačenia ozveny. Navyše, ak je modem s protokolom V.33 nainštalovaný na štvorvodičovej koncovke pred diferenciálnym systémom PBX, potom bude schopný komunikovať so vzdialeným modemom V.32bis nainštalovaným na dvojvodičovej linke.

Bežne používané faxové protokoly ITU-T

Tento protokol využíva moduláciu fázového rozdielu s nosnou frekvenciou 1800 Hz. Je možné použiť dva režimy s rôznymi rýchlosťami informácií: 2400 a 4800 bps. Informačná rýchlosť 2400 bit/s sa dosahuje s modulačnou rýchlosťou 1200 baudov a kódovacím dibitom (4-polohový DPSK) a 4800 bps - s rýchlosťou 1600 baudov a kódovaním prítoku (8-polohový DPSK). Treba poznamenať, že stále existujú málo používané modemové protokoly tejto rodiny - V.27 a V.27bis, ktoré sa líšia od V.27ter najmä typom kanála (vyhradený štvorvodičový), pre ktorý sú určené.

Tento protokol používa kvadratúrnu amplitúdovú moduláciu. Nosná frekvencia - 1700 Hz, rýchlosť modulácie - 2400 baud. Má 8-polohový (prítokový) a 16-polohový (kvadbitový) režim QAM. V súlade s tým môže byť informačná rýchlosť 7200 a 9600 bps.

Tento protokol je svojimi parametrami veľmi podobný V.32bis. Používa moduláciu kódovanú mriežkou. Nosná frekvencia je 1800 Hz a modulačná rýchlosť je 2400 baudov. Má režimy 16-TCM, 32-TCM, 64-TCM a 128-TCM. V súlade s tým môže byť informačná rýchlosť 7200, 9600, 12000 a 14400 bps.

Neštandardné modemové protokoly

Tento protokol vyvinutý spoločnosťou AT&T je otvorený pre implementáciu vývojármi modemov. Najmä okrem LSI od AT&T je tento protokol implementovaný v niektorých modemoch od U. S. Robotics. Protokol je vlastne mechanickým vývojom technológie V.32bis: duplex s potlačením ozveny, modulácia mriežkového kódovania, rýchlosť modulácie - 2400 baudov, nosná - 1800 Hz, rozšírenie informačných rýchlostí o hodnoty 16800 a 19200 bit/s. na 256-TCM a 512-TCM. Dôsledkom tohto prístupu sú veľmi prísne požiadavky tohto protokolu na linku. Takže napríklad pre stabilnú prevádzku pri rýchlosti 19200 bit/s musí byť pomer signálu k šumu aspoň 30 dB.

Protokol bol vyvinutý spoločnosťou ZyXEL Communications Corporation a implementovaný vo vlastných modemoch. Tento protokol, podobne ako V.32terbo, rozširuje V.32bis o rýchlosť prenosu dát 16 800 a 19 200 bps, pričom zachováva technológiu potlačenia ozveny, moduláciu v kódovaní mriežky a nosnú frekvenciu 1 800 Hz. Modulačná rýchlosť 2400 baudov je zachovaná len pre 16800 bps. 19200 bps sa dosiahne zvýšením modulačnej rýchlosti na 2743 baudov pri zachovaní modulačného režimu 256-TCM pre obe rýchlosti. Toto riešenie umožňuje znížiť požiadavku na odstup signálu od šumu na linke o 2,4 dB, avšak rozšírenie šírky pásma môže pri veľkých skresleniach nepriaznivo ovplyvniť frekvenčnú charakteristiku kanálu.

Protokol HST (High Speed ​​​​Technology) bol vyvinutý spoločnosťou U. S. Robotics a implementovaný do modemov série Courier. Ide o asymetrický duplexný protokol s frekvenčným delením. Spätný kanál má režimy 300 a 450 bps. Hlavný kanál je 4800, 7200, 9600, 12000, 14400 a 16800 bps. Používa sa modulácia Trellis s modulačnou rýchlosťou 2400 baudov. Vyznačuje sa porovnateľnou jednoduchosťou a vysokou odolnosťou voči šumu v dôsledku absencie potreby kompenzácie ozveny a absencie vzájomného ovplyvňovania kanálov.

Half-duplex protokoly z rodiny PEP (Packetized Ensemble Protocol) boli vyvinuté spoločnosťou Telebit a implementované v modemoch TrailBlazer (PEP) a WorldBlazer (TurboPEP). Tieto protokoly využívajú celú šírku pásma hlasového kanála zásadne odlišným spôsobom na vysokorýchlostný prenos dát. Celý kanál je rozdelený do mnohých úzkopásmových frekvenčných subkanálov, z ktorých každý nezávisle vysiela svoju vlastnú časť bitov z prúdu všeobecných informácií. Tieto typy protokolov sa nazývajú viackanálové alebo paralelné protokoly alebo protokoly s viacerými nosnými. V protokole PEP je kanál rozdelený na 511 podkanálov. Každý subkanál, široký asi 6 Hz, s modulačnou rýchlosťou 2 až 6 baud, je QAM kódovaný od 2 do 6 bitov na baud. Existuje niekoľko stupňov voľnosti na zabezpečenie maximálnej priepustnosti každého konkrétneho kanála, ktorý má svoje vlastné charakteristiky z hľadiska skreslenia a rušenia. V procese vytvárania spojenia sa každý frekvenčný subkanál nezávisle testuje a zisťuje sa možnosť jeho využitia, ako aj parametre: rýchlosť modulácie subkanálu a počet modulačných pozícií. Maximálna prenosová rýchlosť pre protokol PEP môže byť až 19200 bps. V priebehu relácie, keď sa situácia rušenia zhorší, sa parametre subkanálov môžu zmeniť a niektoré subkanály sa môžu vypnúť. V tomto prípade pokles zníženia rýchlosti nepresiahne 100 bit/s. Protokol TurboPEP zvýšením počtu subkanálov, ako aj počtu bitov zakódovaných v jednom baudovom intervale, môže dosiahnuť rýchlosť 23 000 bps. Okrem toho protokol TurboPEP využíva moduláciu v kódovaní mriežky, ktorá zvyšuje odolnosť protokolu voči šumu.

Hlavnými výhodami týchto protokolov je nízka citlivosť na skreslenie frekvenčnej odozvy kanála a výrazne nižšia citlivosť na impulzný šum v porovnaní s tradičnými protokolmi. Ak prvý nevyvoláva žiadne otázky, potom sú potrebné niektoré komentáre týkajúce sa impulzného šumu. Faktom je, že hoci impulzný šum „zasiahne“ takmer celú šírku spektra, teda naprieč všetkými subkanálmi, vzhľadom na výrazne dlhšie trvanie signálu v porovnaní s tradičnými protokolmi (6 baudov oproti 2400), signál skreslený šumom je oveľa menej, čo umožňuje v niektorých prípadoch ho normálne demodulovať. A posledná vec, ktorá stojí za zmienku, je, že v mnohých krajinách je používanie protokolov tohto typu na vytáčaných telefónnych okruhoch zakázané. Možno preto, že viackanálové protokoly umožňujú úspešnú prácu aj na linkách, na ktorých sú inštalované zárezové filtre horlivými kanalizátormi (zjavne s cieľom zbaviť zákazníkov niečoho z chyby v možnosti používať telefónne kanály na prenos dát pomocou štandardných modemov) ...

A nakoniec

Takmer úplná absencia zmienky o najnovších pokrokoch v ultra-vysokorýchlostnom prenose dát cez telefónne kanály - projekty V. fast od rôznych spoločností, V. FC od Rockwell International a nakoniec odporúčanie ITU-T V.34 - v r. preskúmanie modemových protokolov fyzickej vrstvy sa môže zdať náročné... Ak sa však len mierne dotknete témy V.34, ukáže sa, že nejde len o ďalší krok k zvýšeniu rýchlosti modemovej komunikácie, ale o obrovský revolučný prelom v túžbe vybrať všetky rezervy tónového frekvenčného kanála. . Svojím spôsobom prelom v svetonázore, demonštrujúci celosystémový prístup k problému a založený na prudkom technologickom skoku v nástrojoch, ktorý vám umožňuje priblížiť sa čo najbližšie k teoretickej hranici Shannona. A preto si táto téma zaslúži samostatný článok ...

Alexander Paskovaty, Analyst-TelecomSystems

Protokol RS-232.

Existuje niekoľko protokolov fyzickej vrstvy, ktoré sú zamerané na prácu s portami, ako je UART. Jedným z týchto protokolov je RS-232.

Skratka RS znamená Odporúčaný štandard (to znamená, že nejde o štandard de jure). Protokol RS-232 definuje fyzickú vrstvu protokolu, ktorá sa často používa v spojení s UART (to znamená, že na prenos používa asynchrónny režim štart-stop, metódu fyzického kódovania NRZ). Hlavné charakteristiky RS-232:

· Médium na prenos dát - medený drôt. Signál je nevyvážený (potenciálny). V tomto prípade je signál prenášaný po jednom samostatnom vodiči kábla, vysielač a prijímač majú na rozdiel od diferenciálneho signálu jeden výstup (každý signál sa prenáša po samostatnom páre). Druhý vodič je spoločný (zem), ktorý používajú všetky signály naraz a je pripojený k spoločnému napájaciemu výstupu prijímača a vysielača. Tento spôsob znižuje náklady na prepojovací kábel, ale tiež znižuje odolnosť systému voči rušeniu.

· Počet uzlov - vždy 2. Vysielač prvého uzla je pripojený k prijímaču druhého a naopak. V súlade s tým sa vždy používa plne duplexná prevádzka - dáta sa prenášajú v oboch smeroch súčasne a nezávisle.

· Maximálna dĺžka drôty - 15,25 m pre prenosovú rýchlosť 19,2 Kbps.

· Úrovne napätia signálu na výstupe vysielača: signál je bipolárny, logická „1“ zodpovedá napätiu -5 ¸ -15 V., logická „0“ - +5 ¸ +15 V.

Minimálne úrovne napätia na vstupe prijímača ± 3 V.

· Linkový prúd - 500 ma (v skutočnosti vyrábané budiče RS-232 umožňujú prúd do 10 ma).

V súčasnosti existuje veľké množstvo ovládačov, ktoré konvertujú signály z digitálnych úrovní (unipolárny signál, obmedzený digitálnou úrovňou výkonu) na úroveň RS-232.

Protokol RS-485.

Poskytuje zjednodušené peer-to-peer (na fyzickej úrovni) pripojenie ľubovoľného počtu zariadení k linke na prenos dát.

Hlavné charakteristiky:

· Médium na prenos dát - vždy krútená dvojlinka. Typicky sa používa 1 pár (polovičný duplex), možné sú 2 páry (plný duplex, nie štandard). Párové vedenia sú tiež označené A a B. Odporúča sa použiť tienený krútený pár;

· Spôsob prenosu - polovičný duplex (pomocou jedného páru) alebo plne duplexný (pomocou dvoch párov). V druhom prípade je komunikačný režim podobný režimu RS-422.

· Maximálna prenosová vzdialenosť - 1220 m pri rýchlosti 100 kbps;

· Maximálna prenosová rýchlosť - 10 Mbit / s na vzdialenosť až 15 m;

· Signál vysielača je bipolárny. Potenciálne pomery čiar A a B: stav 0 - A> B, stav 1 - B> A. Potenciálny rozdiel medzi A a B by mal byť 1,5 - 5 V, úroveň prúdu vo vedení je do 250 ma.

Pôvodne protokol umožňoval pripojenie až 32 zariadení k jednej linke, ale výrobcovia ovládačov linky zvýšili tento počet na 128-256.

1.3.3. Sieťové vrstvy Fyzická vrstva

Fyzická vrstva prenáša bity cez fyzické komunikačné kanály, napr.

Koaxiálny kábel alebo krútená dvojlinka. To znamená, že je to táto úroveň, ktorá priamo prenáša údaje. Na tejto úrovni sa určujú charakteristiky elektrických signálov, ktoré prenášajú diskrétne informácie, napríklad: typ kódovania, rýchlosť sna, čo to je. Táto úroveň zahŕňa aj charakteristiky fyzických médií na prenos údajov: šírka pásma, vlnová impedancia, odolnosť proti hluku. Funkcie fyzickej vrstvy sú implementované sieťovým adaptérom alebo sériovým portom. Príkladom protokolu fyzickej vrstvy je špecifikácia 100Base-TX(technológia Ethernet).

Linková vrstva ( Vrstva dátového spojenia)

Linková vrstva je zodpovedná za prenos dát medzi uzlami v rámci tej istej lokálnej siete. V tomto prípade sa uzlom rozumie akékoľvek zariadenie pripojené k sieti. Táto vrstva adresuje fyzické adresy ( MAC-adresy), "všité" do sieťových adaptérov výrobcom. Každý sieťový adaptér má svoj vlastný unikát MAC-adresa, to znamená, že nenájdete dve sieťové karty s rovnakým MAC Linková vrstva konvertuje informácie prijaté z hornej vrstvy na bity, ktoré potom fyzická vrstva prenesie cez sieť. Rozdeľuje prenášané informácie na časti dát - rámce (rámčeky)... Práve na tejto úrovni si otvorené systémy vymieňajú personál. Proces preposielania vyzerá takto: linková vrstva odošle rámec fyzickej vrstve, ktorá odošle rámec do siete. Tento rámec prijíma každý hostiteľ v sieti a kontroluje, či sa cieľová adresa zhoduje s adresou hostiteľa. Ak sa adresy zhodujú, linková vrstva prijme rámec a odovzdá ho vyšším vrstvám. Ak sa adresy nezhodujú, rám jednoducho ignoruje. Sieť na spojovacej vrstve je teda vysielaná. Protokoly spojovej vrstvy používané v lokálnych sieťach majú určitú topológiu. Topológia sa týka spôsobu, akým sú fyzické prepojenia organizované a ako sú adresované. Linková vrstva zabezpečuje doručovanie dát medzi uzlami v sieti s určitou topológiou, teda pre ktorú je určená. Medzi hlavné topológie (pozri obr. 1.4) patria:

Obr. 1.4.

1. Spoločný autobus
2. Zazvoniť
3. Hviezda.

Protokoly spojovej vrstvy používajú počítače, mosty, smerovače. Globálne siete (vrátane internetu) majú len zriedka pravidelnú topológiu, preto spojová vrstva zabezpečuje komunikáciu iba medzi počítačmi spojenými individuálnou komunikačnou linkou. Na poskytovanie údajov v rámci celku globálnej siete využívajú sa prostriedky sieťovej vrstvy (protokoly point-to-point). Príklady protokolov point-to-point sú PPP, LAP-B... Budeme o nich hovoriť ďalej.

Sieťová vrstva (Vrstva siete)

Táto úroveň slúži na vytvorenie jedného dopravného systému, ktorý spája niekoľko sietí. Inými slovami, sieťová vrstva zabezpečuje prácu v sieti. Protokoly spojovej vrstvy prenášajú rámce medzi uzlami iba v rámci siete s príslušnou topológiou. Jednoducho povedané – v rámci tej istej siete. Rámec spojovacej vrstvy nemôžete poslať do uzla v inej sieti. Toto obmedzenie neumožňuje budovanie sietí s rozvinutou štruktúrou alebo sietí s redundantnými pripojeniami, konkrétne internet je takouto sieťou. Postavte si jeden veľká sieť na vrstve dátového spojenia je to tiež nemožné z dôvodu fyzických obmedzení. A hoci vám napríklad špecifikácia lOBase-T umožňuje použiť 1 024 uzlov v jednom segmente, výkon tejto siete vás nepoteší, keďže na linkovej vrstve je sieť vysielaná. To znamená, že dátový paket (rámec) sa odošle na všetky počítače v sieti naraz. Ak je v sieti málo počítačov a rýchly kanál pripojenie, potom to nie je strašidelné, zaťaženie nebude kritické. A ak je v sieti veľa počítačov (1024), zaťaženie siete bude veľmi vysoké, čo zase ovplyvní rýchlosť sieťovej interakcie. To všetko vedie k potrebe iného riešenia pre veľké siete. Práve toto riešenie má sieťová vrstva implementovať. Na úrovni siete treba pojem „sieť“ chápať ako súbor počítačov, ktoré sú prepojené v súlade s jednou zo základných topológií a na prenos údajov používajú jeden z protokolov spojovej vrstvy. Siete sú prepojené špeciálnymi zariadeniami - smerovačmi. Smerovač zhromažďuje informácie o topológii prepojenia a na základe týchto informácií posiela pakety sieťovej vrstvy do cieľovej siete. Ak chcete odoslať správu z odosielajúceho počítača do cieľového počítača, ktorý sa nachádza v inej sieti, musíte medzi sieťami vykonať určitý počet tranzitných prenosov. Niekedy sa im hovorí aj hoplmi (z angličtiny hop – skok). V tomto prípade sa zakaždým vyberie vhodná trasa. Príspevky AHOJ"sieťová vrstva sa nazýva pakety. Na sieťovej vrstve zároveň funguje niekoľko typov protokolov. V prvom rade sú to sieťové protokoly, ktoré zabezpečujú pohyb paketov po sieti, vrátane do inej siete. Preto pomerne často sieťová vrstva sa označuje ako smerovacie protokoly (smerovacie protokoly) - RIP a OSPF... Ďalším druhom protokolov, ktoré fungujú na sieťovej vrstve, sú protokoly na rozlíšenie adries - Address Resolution Protocol (ARP)... Aj keď sa tieto protokoly niekedy označujú ako spojovacia vrstva. Klasické príklady protokolov sieťovej vrstvy: IP (zásobník TCP / IP), IPX (zásobník Novell).

Transportná vrstva (Dopravná vrstva)

Na ceste od odosielateľa k príjemcovi môžu byť pakety skomolené alebo stratené. Niektoré aplikácie samy zvládajú chyby prenosu údajov, ale väčšina stále uprednostňuje spoľahlivé pripojenie, čo je presne to, čo má transportná vrstva poskytovať. Táto vrstva poskytuje požadovanú spoľahlivosť doručovania paketov pre aplikáciu alebo vyššiu vrstvu (reláciu alebo aplikáciu). Na transportnej vrstve je definovaných päť tried služieb:

1. Naliehavosť;
2. Obnovenie prerušeného spojenia
3. Dostupnosť zariadení multiplexovania pre viacnásobné spojenia;
4. Detekcia chýb;
5. Oprava chyby.

Typicky sú vrstvy modelu OSI, počnúc transportnou vrstvou a vyššie, implementované na softvérovej úrovni zodpovedajúcimi komponentmi operačných systémov. Príklady protokolov transportnej vrstvy: TCP a UDP (zásobník TCP / IP), SPX (zásobník Novell).

Vrstva relácie

Vrstva relácie vytvára a prerušuje spojenia medzi počítačmi, riadi dialóg medzi nimi a tiež poskytuje nástroje na synchronizáciu. Synchronizačné možnosti umožňujú vloženie špecifických riadiacich informácií do dlhých prenosov (bodiek). Vďaka tomu sa v prípade prerušenia komunikácie môžete vrátiť (do posledného bodu) a pokračovať v presune z miesta prestávky. Relácia je logické spojenie medzi počítačmi. Každá relácia má tri fázy:

1. Nadviazanie spojenia. Tu si uzly medzi sebou „vyjednávajú“ o protokoloch a komunikačných parametroch.
2. Prenos informácií.
3. Prerušte spojenie.

Nezamieňajte si reláciu sieťovej vrstvy s komunikačnou reláciou. Používateľ môže nadviazať pripojenie k internetu, ale nemôže nadviazať logické spojenie s nikým, to znamená, že nebude prijímať ani odosielať údaje.

Prezentačná vrstva

Reprezentatívna úroveň mení formu prenášanej informácie, ale nemení jej obsah. Prostriedky tejto úrovne možno napríklad použiť na konverziu informácií z jedného kódovania do druhého. Aj na tejto úrovni sa vykonáva šifrovanie a dešifrovanie údajov. výmena údajov.

Aplikačná vrstva

Táto vrstva je súborom rôznych protokolov, prostredníctvom ktorých používatelia siete získavajú prístup k zdieľaným zdrojom. Jednotka údajov sa nazýva správa. Príklady protokolov: HTTP, FTP, TFTP, SMTP, POP, SMB, NFS.

Lokálne siete boli budované pomocou niekoľkých typov protokolov fyzickej vrstvy, líšiacich sa typom prenosového média, frekvenčným rozsahom signálov, úrovňami signálu a metódami kódovania.

Prvé technológie LAN, ktoré získali komerčné uznanie, boli patentované riešenia ARCNET (Priložené Zdroj Počítač NETwork) a Žetónový prsteň(marker ring), no začiatkom 90. rokov minulého storočia ich postupne takmer všade nahradili siete založené na rodine protokolov Ethernet.

Tento protokol vyvinulo Xerox's Palo Alto Research Center (PARC) v roku 1973. V roku 1980 Digital Equipment Corporation, Intel Corporation a Xerox Corporation spoločne vyvinuli a prijali špecifikáciu Ethernetu (verzia 2.0). Zároveň bol v IEEE (Inštitút elektrotechnických a elektronických inžinierov) zorganizovaný výbor pre štandardizáciu lokálnej siete 802, v dôsledku čoho bola prijatá rodina noriem IEEE 802.x, ktorá obsahuje odporúčania pre návrh tzv. nižších vrstiev lokálnych sietí. Táto rodina zahŕňa niekoľko skupín noriem:

802.1 - sieťovanie.

802.2 - Správa logických odkazov.

802.3 - LAN s viacnásobným prístupom, rozpoznávaním nosiča a detekciou kolízií (Ethernet).

802.4 - Zbernicová topológia LAN s odovzdávaním tokenov.

802.5 - "prsteň" topológie LAN s odovzdávaním tokenov.

802.6 je metropolitná sieť (MAN).

802.7 - Vysielanie Technical Advisory Group.

802.8 - Technická poradenská skupina pre optické vlákna.

802.9 - Integrované hlasové / dátové siete.

802.10 - Zabezpečenie siete.

802.11 - Bezdrôtová sieť.

802.12 – LAN s prioritným prístupom dopytu,

lOObaseVG-AnyLan).

802.13 - číslo nebolo použité !!!

802.14 – Prenos dát cez siete káblovej televízie (neaktívne od roku 2000)

802.15 – Bezdrôtové osobné siete (WPAN), napr. Bluetooth, ZigBee, 6loWPAN

802.16 – bezdrôtové siete WiMAX ( Wpo celom svete jainteroperabilita pre Mmikrovlnná rúra Access, číta sa v ruštine wimax)

802.17 sa nazýva RPR (Resilient Packet Ring). Vyvíja sa od roku 2000 ako moderná mestská chrbticová sieť.

Každá skupina má svoj vlastný podvýbor, ktorý vyvíja a prijíma aktualizácie. Štandardy série IEEE 802 pokrývajú dve vrstvy modelu OSI, zatiaľ nás zaujímajú len tie z nich a časť, ktorá popisuje fyzickú vrstvu.

Ethernet (802 .3) - LAN s viacnásobným prístupom, rozpoznávaním nosiča a detekciou kolízií.

Ethernet je dnes najpoužívanejší protokol LAN. Okrem toho špecifikácia IEEE 802.3 dnes popisuje niekoľko možností fyzickej implementácie LAN s rôznymi prenosovými médiami a rýchlosťami dát.

Základnou vlastnosťou, ktorú majú všetky tieto špecifikácie spoločnú, je metóda kontroly prístupu na médium na prenos údajov. Pre Ethernet je to tak viacnásobný prístup s detekciou nosiča a detekciou kolízie(CSMA / CD, Carrier Sense Multiple Access s detekciou kolízie). V sieti Ethernet sú všetky uzly rovnaké, neexistuje žiadny centralizované riadenie ich činnosť alebo diferenciáciu právomocí (ako napr. v Token ringu). Každý uzol nepretržite počúva prenosové médium a analyzuje obsah všetkých dátových paketov, ak paket nie je určený pre tento uzol, nie je preň zaujímavý a neprenáša sa do vyšších úrovní. Problémy väčšinou vznikajú pri prenose, pretože nikto nezaručí, že sa dva uzly nepokúsia vysielať súčasne (následkom toho sa v kábli objaví nepostrehnuteľná superpozícia dvoch signálov). Aby sa predišlo takýmto situáciám ( kolízie) každý uzol sa pred spustením prenosu uistí, že v kábli nie sú žiadne signály z iných sieťových zariadení ( ovládanie nosiča). To ale nestačí na zabránenie kolíziám z dôvodu obmedzenej rýchlosti šírenia signálu v prenosovom médiu. Je možné, že nejaký iný uzol už začal vysielať, len sa signál z neho ešte nedostal k zariadeniu, o ktorom uvažujeme. To znamená, že v ethernetovej sieti sú možné a normálne situácie, keď sa dva alebo viac uzlov súčasne pokúša prenášať údaje, ktoré si navzájom interferujú. Postup pri riešení takejto kolízie spočíva v tom, že pri zistení prítomnosti cudzieho signálu v kábli počas prenosu všetky uzly v takejto situácii zastavia prenos a pokúsia sa ho obnoviť cez rôznečasových intervaloch.

Nevýhodou metódy pravdepodobnostného prístupu je neurčitý čas prenosu rámca, ktorý sa prudko zvyšuje so zvyšujúcim sa zaťažením siete, čo obmedzuje jeho použitie v systémoch reálneho času.

Pozrime sa podrobnejšie na postup detekcie kolízií a vzájomnú závislosť povolených veľkostí siete od rýchlosti prenosu dát a dĺžky informačných paketov prenášaných cez sieť. Budeme analyzovať obsah a vnútornú štruktúru ethernetových rámcov na úrovni linky. Zatiaľ jednoducho vezmeme do úvahy, že keď je rýchlosť šírenia signálu vo vodiči počas prevádzky asi 200 000 000 m/s sieťový adaptér Ethernet IEEE 802.3 s rýchlosťou prenosu dát 10 Mbps, odoslanie jedného bajtu trvá 0,8 μs a ide o vlnový paket s dĺžkou cca 150 m.

Teraz sa opäť vráťme k obrázku. Aby pracovná stanica A vedela, že počas prenosu došlo ku kolízii, superpozícia kolidujúcich signálov ju musí dosiahnuť pred dokončením prenosu. To kladie obmedzenia na možnú minimálnu dĺžku odosielaných paketov. Ak totiž používate pakety kratšie ako je dĺžka kábla medzi pracovnými stanicami „A“ a „B“, môže nastať situácia, keď je paket úplne odoslaný prvou stanicou (a tá už rozhodla, že prenos bol úspešný), ale nedosiahla ani druhú.a má plné právo kedykoľvek začať s prenosom svojich údajov. Dá sa ľahko uistiť, že takýmto nedorozumeniam sa dá predísť len používaním paketov takej dĺžky, že pri ich prenose signál stihne doraziť aj najvzdialenejšiu stanicu a vrátiť sa späť.

Pri rýchlosti prenosu dát 10 Mbps tento problém nehral podstatnú rolu a minimálna dĺžka rámca bola obmedzená na 64 bajtov. Pri ich prenose prvé bity stihnú nabehnúť cca 10 km a pre siete s maximálnou dĺžkou segmentu 500 m sú splnené všetky potrebné podmienky.

Pri prechode na 100 Mbps sa dĺžka minimálneho rámca skráti 10-krát. Tým sa výrazne sprísnili parametre siete a maximálna vzdialenosť medzi stanicami bola znížená na 100 m.

Pri rýchlosti 1000 Mbps sa 64 bajtov prenesie len za 0,512 μs, a preto sme v gigabitových sieťach museli zväčšiť minimálnu dĺžku rámca 8-krát na 512 bajtov. Ak nie je dostatok údajov na vyplnenie rámca, sieťový adaptér ho jednoducho doplní špeciálnou sekvenciou znakov na túto dĺžku. Táto technika sa nazýva „rozširovanie médií“.

Vyriešením problému detekcie kolízií, rozširovanie médií plytvá šírkou pásma pri prenose malých paketov. Aby sa znížil vplyv tohto faktora v gigabitovom ethernetovom adaptéri, je možné z nich určitým spôsobom vytvoriť jeden spoločný rámec "normálnej" dĺžky až 1518 bajtov za prítomnosti niekoľkých krátkych rámcov pripravených na prenos.

Okrem toho bolo navrhnuté povoliť dlhšie rámce ako predchádzajúce štandardy Ethernet. Tento návrh bol implementovaný vo forme takzvaného "jumbo" - rámcov do 9018 alebo aj viac bajtov.

IEEE 802.3 definuje niekoľko rôznych štandardov fyzickej vrstvy. Každý zo štandardov protokolu fyzickej vrstvy IEEE 802.3 má svoj názov.

technické údaje
Rýchlosť, Mbps
Max. dĺžka segmentu, m
Prenosové médium	50-ohmový koaxiálny (hrubý)		WOC 1270 nm			FOC, 830, 1270 nm
Topológia
Typ prevodu	polovičný duplex

Z tabuľky je vidieť, že pôvodnú topológiu spoločnej zbernice (hrubý Ethernet, tenký Ethernet) rýchlo nahradila hviezda.

TokenRing (IEEE 802.5)

Token Ring predstavila spoločnosť IBM v roku 1984 ako súčasť navrhovaného spôsobu prepojenia celého radu počítačov a počítačových systémov IBM. V roku 1985 výbor IEEE 802 založený na tejto technológii prijal štandard IEEE 802.5. Zásadný rozdiel oproti Ethernetu - deterministický pervitín Prístupový kód prostredia v preddefinovanom poradí. Implementovaný prístup s odovzdávaním tokenov (používaný aj v sieťach ARCnet a FDDI).

Kruhová topológia znamená riadený prenos informácií z jednej stanice na druhú v jednom smere, presne v poradí zaradenia. Prstencová logická topológia je implementovaná na základe fyzickej hviezdy, v strede ktorej je Multi-Station Access Unit (MSAU).

V každom danom čase môže prenos údajov vykonávať iba jedna stanica, ktorá zachytila značka horemalta(token). Pri prenose údajov sa v hlavičke značky vytvorí značka obsadenosti a značka sa zmení na snímku na začiatku snímky. Ostatné stanice vysielajú rámec bit po bite z predchádzajúcej (upstream) stanice do nasledujúcej (downstream). Stanica, ktorej je aktuálny rámec adresovaný, uloží jeho kópiu do svojej vyrovnávacej pamäte na ďalšie spracovanie a vysiela ju ďalej v kruhu, pričom vytvorí značku príjmu. Rámec pozdĺž kruhu sa tak dostane k vysielacej stanici, ktorá ho z kruhu odstráni (nevysiela ďalej). Keď stanica skončí s vysielaním, označí značku ako voľnú a odovzdá ju po kruhu. Reguluje sa čas, počas ktorého má stanica právo používať označník. Zachytenie markera sa vykonáva na základe priorít priradených staniciam.

So zvyšujúcou sa aktivitou uzlov sa šírka pásma pridelená každému z uzlov zmenšuje, ale nedochádza k výraznému poklesu výkonu (ako v Ethernete). Mechanizmus stanovenia priorít a časové limity držania tokenov navyše umožňujú privilegovaným hostiteľom prideľovať garantovanú šírku pásma bez ohľadu na celkové zaťaženie siete. Počet uzlov v jednom kruhu by nemal presiahnuť 260 (segment Ethernet teoreticky umožňuje 1024 uzlov). Prenosová rýchlosť je 16 Mbps, veľkosť rámca môže byť až 18,2 KB.

Časový limit pre prenos paketov v Token-Ring 10 ms. Pri maximálnom počte 260 účastníkov bude celý cyklus zvonenia 260 x 10 ms = 2,6 s. Počas tejto doby bude môcť všetkých 260 predplatiteľov preniesť svoje balíčky (ak samozrejme budú mať čo preniesť). Počas tejto doby sa ku každému predplatiteľovi určite dostane bezplatný fix. Rovnaký interval je horná hranica času prístupu Token-Ring

Alexander Goryachev, Alexey Niskovsky

Aby mohli servery a klienti siete komunikovať, musia pracovať pomocou rovnakého komunikačného protokolu, to znamená, že musia „hovoriť“ rovnakým jazykom. Protokol definuje súbor pravidiel pre organizáciu výmeny informácií na všetkých úrovniach interakcie sieťových objektov.

Existuje referenčný model interakcie otvorené systémy(Open System Interconnection Reference Model), často označovaný ako model OSI. Tento model vyvinula Medzinárodná organizácia pre normalizáciu (ISO). OSI model popisuje schému interakcie medzi sieťovými objektmi, definuje zoznam úloh a pravidiel pre prenos dát. Zahŕňa sedem úrovní: fyzická (fyzická - 1), kanál (Dátové prepojenie - 2), sieť (Sieť - 3), prenos (Doprava - 4), relácia (relácia - 5), prezentácia údajov (Prezentácia - 6) a aplikované (Aplikácia - 7). Predpokladá sa, že dva počítače môžu navzájom komunikovať na určitej vrstve modelu OSI, ak ich softvér, ktorý implementuje sieťové funkcie tejto vrstvy, interpretuje rovnaké údaje rovnakým spôsobom. V tomto prípade sa medzi dvoma počítačmi vytvorí priama komunikácia, ktorá sa nazýva „bod-bod“.

Implementácie modelu OSI protokolmi sa nazývajú zásobníky protokolov. Nie je možné implementovať všetky funkcie modelu OSI v rámci jedného špecifického protokolu. Typicky sú úlohy určitej vrstvy implementované jedným alebo viacerými protokolmi. Jeden počítač musí spúšťať protokoly z rovnakého zásobníka. V tomto prípade môže počítač súčasne používať niekoľko zásobníkov protokolov.

Uvažujme o úlohách vyriešených na každej z úrovní modelu OSI.

Fyzická vrstva

Na tejto úrovni modelu OSI sú definované nasledujúce charakteristiky sieťových komponentov: typy mediálnych spojení, topológie fyzických sietí, metódy prenosu dát (s digitálnym alebo analógovým kódovaním signálu), typy synchronizácie prenášaných dát, oddelenie komunikačných kanálov pomocou frekvenčný a časový multiplex.

Implementácie protokolu fyzickej vrstvy OSI koordinujú pravidlá prenosu bitov.

Fyzická vrstva neobsahuje popis prenosového média. Avšak implementácie protokolov fyzickej vrstvy sú špecifické pre konkrétne prenosové médium. Fyzická vrstva je zvyčajne spojená s pripojením nasledujúcich sieťových zariadení:

• koncentrátory, rozbočovače a zosilňovače, ktoré regenerujú elektrické signály;
• spojovacie konektory prenosového média poskytujúce mechanické rozhranie na spojenie zariadenia s prenosovým médiom;
• modemy a rôzne konvertovacie zariadenia, ktoré vykonávajú digitálne a analógové konverzie.

Táto vrstva modelu definuje fyzické topológie v podnikovej sieti, ktoré sú vybudované pomocou základnej sady štandardných topológií.

Prvou v základnej zostave je topológia zbernice. V tomto prípade sú všetky sieťové zariadenia a počítače pripojené na spoločnú dátovú zbernicu, ktorá je najčastejšie tvorená pomocou koaxiálneho kábla. Kábel, ktorý tvorí spoločnú zbernicu, sa nazýva chrbtica. Z každého zo zariadení pripojených na zbernicu sa signál prenáša oboma smermi. Na odstránenie signálu z kábla na koncoch zbernice je potrebné použiť špeciálne terminátory. Mechanické poškodenie linky ovplyvňuje činnosť všetkých zariadení, ktoré sú k nej pripojené.

Kruhová topológia zabezpečuje spojenie všetkých sieťových zariadení a počítačov vo fyzickom kruhu (ring). V tejto topológii sa informácie po kruhu prenášajú vždy jedným smerom – od stanice k stanici. Každé sieťové zariadenie musí mať na vstupnom kábli informačný prijímač a na výstupe vysielač. Mechanické poškodenie médium prenosu informácií v jedinom kruhu ovplyvní činnosť všetkých zariadení, avšak siete vybudované pomocou dvojitého kruhu majú spravidla určitú toleranciu voči chybám a funkcie samoopravy. V sieťach postavených na dvojitom kruhu sa rovnaké informácie prenášajú pozdĺž kruhu v oboch smeroch. V prípade prerušenia kábla bude krúžok pokračovať v prevádzke v režime jednoduchého krúžku s dvojitou dĺžkou (samoopravovacie funkcie sú určené použitým hardvérom).

Ďalšou topológiou je hviezdicová topológia alebo hviezda (hviezda). Zabezpečuje prítomnosť centrálneho zariadenia, ku ktorému sú pripojené ďalšie sieťové zariadenia a počítače pomocou lúčov (samostatné káble). Hviezdne siete majú jediný bod zlyhania. Tento bod je centrálnym zariadením. V prípade zlyhania centrálneho zariadenia si všetci ostatní účastníci siete nebudú môcť navzájom vymieňať informácie, keďže celá výmena prebiehala iba cez centrálne zariadenie. V závislosti od typu centrálneho zariadenia môže byť signál prijatý z jedného vstupu prenášaný (so zosilnením alebo bez neho) na všetky výstupy alebo na konkrétny výstup, na ktorý je zariadenie - príjemca informácie pripojené.

Topológia siete je vysoko odolná. Pri budovaní sietí s podobnou topológiou je každé zo sieťových zariadení alebo počítačov prepojené s každým ďalším komponentom siete. Táto topológia je nadbytočná a teda nepraktická. V malých sieťach sa táto topológia skutočne používa zriedkavo, ale vo veľkých podnikových sieťach možno na prepojenie najdôležitejších uzlov použiť plne prepojenú topológiu.

Uvažované topológie sú najčastejšie postavené pomocou káblových spojení.

Ďalšou topológiou, ktorá využíva bezdrôtové pripojenie, je bunková. V ňom sú sieťové zariadenia a počítače spojené do zón - buniek (buniek), ktoré interagujú iba s vysielačom a prijímačom bunky. Prenos informácií medzi bunkami sa uskutočňuje pomocou vysielacích zariadení.

Linková vrstva

Táto úroveň určuje logickú topológiu siete, pravidlá pre získanie prístupu k médiu na prenos dát, rieši problémy súvisiace s adresovaním fyzických zariadení v rámci logickej siete a riadením prenosu informácií (synchronizácia prenosových a servisných spojení) medzi sieťou. zariadení.

Protokoly spojovej vrstvy definujú:

• pravidlá bitovej organizácie fyzickej vrstvy ( binárne jednotky a nuly) do logických skupín informácií nazývaných rámce alebo rámce. Rámec je dátová jednotka spojovej vrstvy pozostávajúca zo súvislej sekvencie zoskupených bitov so záhlavím a koncom;
• pravidlá zisťovania (a niekedy aj opravy) chýb prenosu;
• pravidlá riadenia toku (pre zariadenia pracujúce na tejto úrovni modelu OSI, napríklad mosty);
• pravidlá na identifikáciu počítačov v sieti podľa ich fyzických adries.

Rovnako ako väčšina ostatných vrstiev, aj vrstva dátového spojenia pridáva na začiatok dátového paketu svoje vlastné riadiace informácie. Tieto informácie môžu zahŕňať zdrojové a cieľové adresy (fyzické alebo hardvérové), informácie o dĺžke rámca a indikáciu aktívnych protokolov hornej vrstvy.

Nasledujúce sieťové konektory sú zvyčajne spojené s vrstvou dátového spojenia:

• mosty;
• inteligentné rozbočovače;
• spínače;
• karty sieťového rozhrania (karty sieťového rozhrania, adaptéry atď.).

Funkcie spojovej vrstvy sú rozdelené do dvoch podúrovní (tabuľka 1):

• kontrola prístupu k médiám (MAC);
• Logical Link Control (LLC)

Podvrstva MAC definuje prvky vrstvy dátového spojenia, ako je topológia logickej siete, spôsob prístupu k prenosovému médiu a pravidlá. fyzické adresovanie medzi sieťovými objektmi.

Skratka MAC sa používa aj na určenie fyzickej adresy sieťového zariadenia: fyzická adresa Zariadenie (ktoré je definované vo vnútri sieťového zariadenia alebo sieťovej karty počas výroby) sa často označuje ako MAC adresa tohto zariadenia. Pre veľké množstvo sieťových zariadení, najmä sieťových kariet, je možné programovo zmeniť MAC adresu. Malo by sa pamätať na to, že vrstva dátového spojenia modelu OSI ukladá obmedzenia na používanie MAC adries: v jednej fyzickej sieti (segment väčšej siete) nemôžu byť dve alebo viac zariadení používajúcich rovnaké MAC adresy. Na určenie fyzickej adresy sieťového objektu možno použiť koncept „adresy uzla“. Adresa uzla je najčastejšie totožná s MAC adresou alebo je určená logicky zmenou softvérovej adresy.

Podvrstva LLC definuje pravidlá prenosu a synchronizácie služieb pre pripojenia. Táto podvrstva vrstvy dátového spojenia úzko spolupracuje so sieťovou vrstvou modelu OSI a je zodpovedná za spoľahlivosť fyzických (pomocou MAC adries) pripojení. Logická topológia (logická topológia) siete určuje spôsob a pravidlá (postupnosť) prenosu dát medzi počítačmi v sieti. Sieťové objekty prenášajú dáta v závislosti od logickej topológie siete. Fyzická topológia definuje fyzickú cestu dát; v niektorých prípadoch však fyzická topológia neodráža spôsob fungovania siete. Aktuálna dátová cesta je určená logickou topológiou. Na prenos dát po logickej ceste, ktorá sa môže líšiť od cesty na fyzickom médiu, sa používajú zariadenia na pripojenie siete a prístupové schémy k prenosovému médiu. Dobrý príklad rozdiel medzi fyzickou a logickou topológiou je sieť IBM Token Ring. Token Ring LAN často používajú medené káble v hviezdicovej konfigurácii s centrálnym rozbočovačom. Na rozdiel od normálnej hviezdicovej topológie hub neposiela prichádzajúce signály do všetkých ostatných pripojených zariadení. Vnútorné obvody rozbočovača sekvenčne posielajú každý prichádzajúci signál do ďalšieho zariadenia vo vopred definovanom logickom kruhu, to znamená v kruhovom vzore. Fyzická topológia tejto siete je hviezda a logická topológia je kruh.

Ďalším príkladom rozdielu medzi fyzickou a logickou topológiou je Ethernetová sieť... Fyzickú sieť je možné vybudovať pomocou medených káblov a centrálneho rozbočovača. Fyzická sieť je vytvorená v hviezdicovej topológii. ale Technológia Ethernet zabezpečuje prenos informácií z jedného počítača do všetkých ostatných v sieti. Hub musí prenášať signál prijatý z jedného z jeho portov na všetky ostatné porty. Vytvorí sa logická sieť so zbernicovou topológiou.

Ak chcete určiť logickú topológiu siete, musíte pochopiť, ako sa v nej prijímajú signály:

• v topológiách logických zberníc je každý signál prijímaný všetkými zariadeniami;
• v logických kruhových topológiách každé zariadenie prijíma iba tie signály, ktoré mu boli konkrétne odoslané.

Dôležité je tiež vedieť, akým spôsobom získavajú sieťové zariadenia prístup k prenosovému médiu.

Prístup k prenosovému médiu

Logické topológie používajú špeciálne pravidlá na riadenie povolenia na prenos informácií do iných sieťových objektov. Riadiaci proces riadi prístup k médiu na prenos údajov. Predstavte si sieť, v ktorej môžu všetky zariadenia fungovať bez akýchkoľvek pravidiel na získanie prístupu k prenosovému médiu. Všetky zariadenia v takejto sieti prenášajú informácie hneď, ako sú dáta pripravené; tieto prenosy sa niekedy môžu časovo prekrývať. V dôsledku prekrývania sú signály skreslené a prenášané dáta sa strácajú. Táto situácia sa nazýva kolízia. Kolízie vám neumožňujú organizovať spoľahlivý a efektívny prenos informácií medzi sieťovými objektmi.

Kolízie v sieti ovplyvňujú fyzické segmenty siete, ku ktorým sú pripojené sieťové objekty. Takéto spojenia tvoria jeden kolízny priestor, v ktorom sa vplyv kolízií rozširuje na každého. Na zmenšenie veľkosti kolíznych priestorov segmentovaním fyzickej siete možno použiť mosty a iné sieťové zariadenia, ktoré majú funkcie filtrovania spojovej vrstvy.

Sieť nemôže normálne fungovať, kým všetky sieťové objekty nedokážu kontrolovať, spravovať alebo eliminovať kolízie. V sieťach je potrebná nejaká metóda na zníženie počtu kolízií, rušení (prekrývania) simultánnych signálov.

existuje štandardné metódy prístup k prenosovému médiu, popisujúci pravidlá, ktorými sa riadi oprávnenie na prenos informácií pre sieťové zariadenia: závod, prenos tokenov a hlasovanie.

Pred výberom protokolu, ktorý implementuje jeden z týchto spôsobov prístupu k médiu na prenos údajov, by ste mali venovať osobitnú pozornosť nasledujúcim faktorom:

• charakter prenosov - nepretržitý alebo impulzný;
• počet prenosov údajov;
• potreba prenášať údaje v presne stanovených intervaloch;
• počet aktívnych zariadení v sieti.

Každý z týchto faktorov v kombinácii s výhodami a nevýhodami pomôže určiť, ktorá metóda prístupu k médiám je najvhodnejšia.

konkurencia. Systémy založené na súperení predpokladajú, že k médiám sa pristupuje podľa zásady „kto prv príde, ten prv melie“. Inými slovami, každé sieťové zariadenie bojuje o kontrolu nad prenosovým médiom. Závodné systémy sú navrhnuté tak, aby všetky zariadenia v sieti mohli prenášať dáta len podľa potreby. Táto prax v konečnom dôsledku vedie k čiastočnej alebo úplnej strate údajov, pretože ku kolíziám skutočne dochádza. Pri pridávaní každého nového zariadenia do siete sa počet kolízií môže exponenciálne zvyšovať. Nárast počtu kolízií znižuje výkon siete a v prípade úplného nasýtenia média na prenos informácií znižuje výkon siete na nulu.

Na zníženie počtu kolízií boli vyvinuté špeciálne protokoly, v ktorých je implementovaná funkcia počúvania média prenosu informácií predtým, ako stanica začne vysielať dáta. Ak počúvajúca stanica zaznamená prenos signálu (z inej stanice), potom sa zdrží vysielania informácií a pokúsi sa ich zopakovať neskôr. Tieto protokoly sa nazývajú protokoly Carrier Sense Multiple Access (CSMA). Protokoly CSMA výrazne znižujú počet kolízií, ale neodstraňujú ich úplne. Napriek tomu dochádza ku kolízii, keď dve stanice volajú po kábli: nedetekujú žiadne signály, rozhodnú sa, že médium na prenos dát je voľné, a potom súčasne začnú dáta prenášať.

Príklady takýchto kontradiktórnych protokolov sú:

• Carrier Sense viacnásobný prístup / detekcia kolízie (CSMA / CD);
• Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance (CSMA / CA).

CSMA / CD protokoly. Protokoly CSMA / CD nielen počúvajú na kábli pred prenosom, ale zisťujú aj kolízie a iniciujú opakované prenosy. Keď je zistená kolízia, stanice vysielajúce dáta inicializujú špeciálne interné časovače s náhodnými hodnotami. Časovače začnú odpočítavať a po dosiahnutí nuly by sa stanice mali pokúsiť dáta znova preniesť. Keďže časovače boli inicializované náhodnými hodnotami, jedna zo staníc sa pokúsi zopakovať prenos dát pred druhou. Podľa toho druhá stanica určí, že médium na prenos dát je už obsadené a počká, kým sa neuvoľní.

Príklady protokolov CSMA / CD sú Ethernet verzie 2 (Ethernet II od DEC Corporation) a IEEE802.3.

Protokoly CSMA / CA. CSMA / CA používa schémy, ako je časový členený prístup alebo odoslanie žiadosti o prístup k médiu. Pri použití časového segmentovania môže každá stanica vysielať informácie iba v časoch presne definovaných pre túto stanicu. V tomto prípade by sieť mala implementovať mechanizmus na riadenie časových úsekov. Každá nová stanica pripojená k sieti oznámi svoj vzhľad, čím sa spustí proces prerozdelenia časových úsekov na prenos informácií. V prípade použitia centralizovaného riadenia prístupu k prenosovému médiu generuje každá stanica špeciálnu požiadavku na prenos, ktorá je adresovaná riadiacej stanici. Centrálna stanica reguluje prístup k prenosovému médiu pre všetky objekty siete.

Príkladom CSMA / CA je protokol LocalTalk spoločnosti Apple Computer.

Systémy založené na rasách sú najvhodnejšie pre nárazovú prevádzku (prenosy veľkých súborov) v sieťach s relatívne malé množstvo používateľov.

Systémy prenosu značiek. V systémoch odovzdávania tokenov sa malý rámec (token) odovzdáva v určitom poradí z jedného zariadenia do druhého. Token je špeciálna správa, ktorá prenáša dočasnú kontrolu nad médiom na zariadenie, ktoré vlastní token. Odovzdávanie tokenov rozdeľuje riadenie prístupu medzi sieťové zariadenia.

Každé zariadenie vie, z ktorého zariadenia token prijíma a na ktoré zariadenie ho má poslať. Zvyčajne sú tieto zariadenia najbližšími susedmi vlastníka tokenu. Každé zariadenie pravidelne preberá kontrolu nad tokenom, vykonáva svoje akcie (prenáša informácie) a potom odovzdáva token na použitie ďalšiemu zariadeniu. Protokoly obmedzujú čas, počas ktorého je token monitorovaný každým zariadením.

Existuje niekoľko protokolov prenosu tokenov. Dva sieťové štandardy, ktoré používajú odovzdávanie tokenov, sú IEEE 802.4 Token Bus a IEEE 802.5 Token Ring. Token Bus používa riadenie prístupu s odovzdávaním tokenov a fyzickú alebo logickú topológiu zbernice, zatiaľ čo Token Ring používa riadenie prístupu s odovzdávaním tokenov a topológiu fyzického alebo logického kruhu.

Siete na odovzdávanie tokenov by sa mali používať vtedy, keď je prioritná prevádzka závislá od času, ako sú digitálne audio alebo video dáta, alebo ak existuje veľký počet používateľov.

Prieskum. Polling je metóda prístupu, ktorá prideľuje jedno zariadenie (nazývané radič, primárne alebo „hlavné“ zariadenie) ako rozhodcu pre prístup k médiám. Toto zariadenie sa pýta na všetky ostatné zariadenia (sekundárne) v určitom vopred určenom poradí, aby zistilo, či majú informácie na prenos. Ak chcete prijať údaje zo sekundárneho zariadenia, primárne zariadenie doň odošle požiadavku a potom prijme údaje zo sekundárneho zariadenia a odošle ich prijímajúcemu zariadeniu. Potom sa primárne zariadenie pýta na druhé sekundárne zariadenie, prijíma z neho údaje atď. Protokol obmedzuje množstvo údajov, ktoré môže každé sekundárne zariadenie preniesť po pollingu. Systémy hlasovania sú ideálne pre sieťové zariadenia citlivé na čas, ako je automatizácia zariadení.

Táto vrstva tiež poskytuje službu pripojenia. Existujú tri typy služieb pripojenia:

• nepotvrdená služba bez spojenia - odosiela a prijíma rámce bez riadenia toku a bez riadenia chýb alebo sekvencie paketov;
• služba orientovaná na spojenie - poskytuje riadenie toku, kontrolu chýb a kontrolu sekvencie paketov vydávaním potvrdení (potvrdení);
• služba s potvrdenou nespojovanou (acknowledged connectionless) - používa potvrdenky na riadenie toku a kontrolu chýb počas prenosov medzi dvoma uzlami siete.

Linková vrstva LLC poskytuje možnosť súčasne používať niekoľko sieťových protokolov (z rôznych zásobníkov protokolov) pri práci cez jeden sieťové rozhranie... Inými slovami, ak má počítač iba jednu sieťovú kartu, ale je potrebné pracovať s rôznymi sieťovými službami od rôznych výrobcov, potom klientsky sieťový softvér presne na podúrovni LLC poskytuje možnosť takejto práce.

Sieťová vrstva

Sieťová vrstva definuje pravidlá pre doručovanie dát medzi logickými sieťami, vytváranie logických adries sieťových zariadení, definíciu, výber a údržbu smerovacích informácií, fungovanie brán.

Hlavným cieľom sieťovej vrstvy je vyriešiť problém presúvania (doručovania) údajov do stanovené body siete. Doručovanie údajov na sieťovej vrstve je vo všeobecnosti podobné doručovaniu údajov na vrstve dátového spojenia modelu OSI, kde sa na prenos údajov používa fyzické adresovanie zariadení. Adresovanie na linkovej vrstve sa však vzťahuje len na jednu logickú sieť, je platné len v rámci tejto siete. Sieťová vrstva popisuje metódy a prostriedky prenosu informácií medzi mnohými nezávislými (a často heterogénnymi) logickými sieťami, ktoré po prepojení tvoria jednu veľkú sieť. Takáto sieť sa nazýva sieť a prenos informácií medzi sieťami sa nazýva sieťová práca.

Pomocou fyzického adresovania na vrstve dátového spojenia sa dáta doručujú do všetkých zariadení v rovnakej logickej sieti. Každé sieťové zariadenie, každý počítač určuje účel prijatých údajov. Ak sú dáta určené pre počítač, tak ich spracuje, ak nie, ignoruje ich.

Na rozdiel od vrstvy dátového spojenia si sieťová vrstva môže zvoliť špecifickú cestu v sieti a vyhnúť sa odosielaniu údajov do tých logických sietí, ktorým údaje nie sú adresované. Sieťová vrstva to robí pomocou prepínania, adresovania sieťovej vrstvy a smerovacích algoritmov. Sieťová vrstva je tiež zodpovedná za poskytovanie správnych trás pre dáta cez prepojenú sieť heterogénnych sietí.

Prvky a spôsoby implementácie sieťovej vrstvy sú definované takto:

• všetky logicky oddelené siete musia mať jedinečné sieťové adresy;
• prepínanie určuje, ako sa vytvárajú spojenia v rámci siete;
• schopnosť implementovať smerovanie tak, aby počítače a smerovače určovali najlepšiu cestu pre dáta cez prepojenú sieť;
• sieť bude vykonávať rôzne úrovne služby pripojenia v závislosti od očakávaného počtu chýb v rámci prepojenej siete.

Na tejto úrovni modelu OSI fungujú smerovače a niektoré prepínače.

Sieťová vrstva definuje pravidlá pre tvorbu logických sieťových adries pre sieťové objekty. V rámci veľkej vzájomne prepojenej siete musí mať každá sieťová entita jedinečnú logickú adresu. Na tvorbe logickej adresy sa podieľajú dva komponenty: logická sieťová adresa, ktorá je spoločná pre všetky sieťové objekty, a logická adresa sieťového objektu, ktorá je pre tento objekt jedinečná. Pri vytváraní logickej adresy sieťového objektu je možné použiť buď fyzickú adresu objektu, alebo je možné určiť ľubovoľnú logickú adresu. Použitie logického adresovania vám umožňuje organizovať prenos údajov medzi rôznymi logickými sieťami.

Každý sieťový objekt, každý počítač môže vykonávať mnoho sieťových funkcií súčasne, čím zabezpečuje prácu rôzne služby... Na prístup k službám sa používa špeciálny identifikátor služby, ktorý sa nazýva port (port) alebo zásuvka (socket). Pri prístupe k službe identifikátor služby bezprostredne nasleduje za logickou adresou počítača, ktorý službu poskytuje.

V mnohých sieťach sú skupiny logických adries a identifikátory služieb vyhradené na účely vykonávania špecifických preddefinovaných a dobre známych akcií. Napríklad, ak je potrebné poslať dáta do všetkých sieťových objektov, budú odoslané na špeciálnu broadcast adresu.

Sieťová vrstva definuje pravidlá pre prenos dát medzi dvoma sieťovými objektmi. Tento prenos je možné vykonať pomocou prepínania alebo smerovania.

Existujú tri spôsoby prepínania prenosu dát: prepínanie okruhov, prepínanie správ a prepínanie paketov.

Pri použití prepínania okruhov sa medzi odosielateľom a prijímačom vytvorí kanál na prenos údajov. Tento kanál bude aktívny počas celej komunikačnej relácie. Pri použití tejto metódy sú možné veľké oneskorenia pri prideľovaní kanálov v dôsledku nedostatku dostatočnej šírky pásma, preťaženia spínacieho zariadenia alebo zaneprázdnenosti príjemcu.

Prepínanie správ vám umožňuje preniesť celú (neprerušenú) správu na základe uloženia a preposlania. Každé sprostredkujúce zariadenie prijme správu, uloží ju lokálne a keď sa uvoľní komunikačný kanál, cez ktorý má byť táto správa odoslaná, odošle ju. Táto metóda je vhodná na odosielanie e-mailových správ a organizáciu správy elektronických dokumentov.

Prepínanie paketov spája výhody dvoch predchádzajúcich metód. Každá veľká správa je rozdelená na malé pakety, z ktorých každý je postupne odoslaný príjemcovi. Pri prechode prepojenou sieťou sa pre každý z paketov určí najlepšia cesta v danom okamihu. Ukazuje sa, že časti jednej správy môžu príjemcovi prísť v rôznom čase a až po zložení všetkých častí bude môcť príjemca pracovať s prijatými dátami.

Zakaždým, keď určíte ďalšiu cestu pre dáta, musíte zvoliť najlepšiu trasu. Úloha určiť najlepšiu cestu sa nazýva smerovanie. Túto úlohu vykonávajú smerovače. Úlohou smerovačov je určiť možné cesty pre prenos dát, udržiavať smerovacie informácie a zvoliť najlepšie cesty. Smerovanie je možné vykonať statickým alebo dynamickým spôsobom. Pri špecifikovaní statického smerovania musia byť špecifikované všetky vzťahy medzi logickými sieťami a musia zostať nezmenené. Dynamické smerovanie predpokladá, že smerovač môže sám definovať nové cesty alebo upravovať informácie o starých. Dynamické smerovanie používa špeciálne smerovacie algoritmy, z ktorých najbežnejšie sú vektor vzdialenosti a stav spojenia. V prvom prípade router využíva informácie z druhej ruky o štruktúre siete zo susedných routerov. V druhom prípade router pracuje s informáciami o svojich vlastných komunikačných kanáloch a spolupracuje so špeciálnym reprezentatívnym routerom, aby vytvoril kompletnú sieťovú mapu.

Voľba najlepšej trasy je najčastejšie ovplyvnená faktormi, ako je počet skokov cez smerovače (počet skokov) a počet tikov (časové jednotky), ktoré sú potrebné na dosiahnutie cieľovej siete (počet skokov).

Služba pripojenia sieťovej vrstvy funguje, keď sa nepoužíva služba pripojenia podvrstvy LLC spojovacej vrstvy OSI.

Pri budovaní vzájomne prepojenej siete je potrebné spájať logické siete budované rôznymi technológiami a poskytujúce rôznorodé služby. Aby sieť fungovala, logické siete musia byť schopné správne interpretovať údaje a riadiť informácie. Táto úloha sa vykonáva pomocou brány, čo je zariadenie alebo aplikačný program, ktorý prekladá a interpretuje pravidlá jednej logickej siete do pravidiel inej. Vo všeobecnosti môžu byť brány implementované na akejkoľvek úrovni modelu OSI, najčastejšie sú však implementované na vyšších úrovniach modelu.

Transportná vrstva

Transportná vrstva umožňuje skryť fyzické a logické štruktúry siete pred aplikáciami vyšších vrstiev modelu OSI. Aplikácie pracujú iba so servisnými funkciami, ktoré sú celkom univerzálne a nezávisia od fyzických a logických topológií siete. Vlastnosti logických a fyzických sietí sú implementované na predchádzajúcich vrstvách, kde transportná vrstva prenáša dáta.

Transportná vrstva často kompenzuje nedostatok spoľahlivej alebo na spojenie orientovanej spojovacej služby v nižších vrstvách. Pojem „spoľahlivý“ neznamená, že vo všetkých prípadoch budú doručené všetky údaje. Spoľahlivé implementácie protokolov transportnej vrstvy však zvyčajne môžu potvrdiť alebo zamietnuť doručenie údajov. Ak dáta nie sú doručené do prijímacieho zariadenia správne, transportná vrstva môže preposlať alebo informovať vyššie vrstvy, že ich nemožno doručiť. Vyššie úrovne potom môžu vykonať potrebné nápravné opatrenia alebo poskytnúť používateľovi možnosť voľby.

Mnohé protokoly v počítačových sieťach poskytujú používateľom možnosť pracovať s jednoduchými názvami v prirodzenom jazyku namiesto zložitých a ťažko zapamätateľných alfanumerických adries. Address / Name Resolution je funkcia identifikácie alebo mapovania mien a alfanumerických adries navzájom. Túto funkciu môže vykonávať každá entita v sieti alebo poskytovatelia špeciálnych služieb nazývaní adresárové servery, menné servery atď. Nasledujúce definície klasifikujú metódy prekladu adresy/mena:

• iniciácia spotrebiteľov služieb;
• zo strany poskytovateľa služieb.

V prvom prípade používateľ siete odkazuje na službu jej logickým názvom bez toho, aby poznal presné umiestnenie služby. Používateľ nevie, či je táto služba momentálne dostupná. Pri prístupe sa logický názov zhoduje s fyzickým názvom a pracovná stanica používateľa iniciuje hovor priamo na službu. V druhom prípade každá služba o sebe pravidelne informuje všetkých klientov siete. Každý z klientov v danom čase vie, či je služba dostupná a vie, ako službu priamo kontaktovať.

Metódy adresovania

Adresy služieb identifikujú špecifické softvérové ​​procesy bežiace na sieťových zariadeniach. Okrem týchto adries poskytovatelia služieb sledujú rôzne konverzácie, ktoré vedú so zariadeniami požadujúcimi služby. Dve rôzne metódy dialógu používajú nasledujúce adresy:

• identifikátor pripojenia;
• identifikátor transakcie.

Identifikátor pripojenia, nazývaný aj identifikátor pripojenia, port alebo zásuvka, identifikuje každú konverzáciu. Poskytovateľ pripojenia môže komunikovať s viac ako jedným klientom pomocou identifikátora pripojenia. Poskytovateľ služby odkazuje na každú prepínaciu entitu jej číslom a spolieha sa na transportnú vrstvu, aby koordinovala ďalšie adresy nižšej vrstvy. Identifikátor pripojenia je spojený s konkrétnou konverzáciou.

ID transakcií sú podobné ID pripojení, ale fungujú v menších jednotkách ako dialógové okno. Transakcia sa skladá z požiadavky a odpovede. Poskytovatelia služieb a spotrebitelia sledujú odchod a príchod každej transakcie, nie celú konverzáciu.

Úroveň relácie

Vrstva relácie uľahčuje komunikáciu medzi zariadeniami, ktoré požadujú a poskytujú služby. Komunikačné relácie sú riadené mechanizmami, ktoré vytvárajú, udržiavajú, synchronizujú a riadia dialóg medzi komunikujúcimi entitami. Táto úroveň tiež pomáha horné úrovne identifikovať dostupnú sieťovú službu a pripojiť sa k nej.

Vrstva relácie používa informácie o logickej adrese dodané spodnými vrstvami na identifikáciu názvov serverov a adries požadovaných hornými vrstvami.

Vrstva relácie tiež iniciuje dialógy medzi poskytovateľom služieb a spotrebiteľskými zariadeniami. Pri vykonávaní tejto funkcie vrstva relácie často vynucuje alebo identifikuje každý objekt a koordinuje prístupové práva k nemu.

Vrstva relácie implementuje riadenie dialógu pomocou jednej z troch komunikačných metód – simplex, polovičný duplex a plný duplex.

Simplexná komunikácia zahŕňa iba jednosmerný prenos od zdroja k príjemcovi informácií. Tento spôsob komunikácie neposkytuje žiadnu spätnú väzbu (od prijímača k zdroju). Half-duplex umožňuje použitie jedného dátového prenosového média na obojsmerný prenos informácií, avšak informácie je možné prenášať súčasne len jedným smerom. Full duplex poskytuje súčasný prenos informácií v oboch smeroch cez médium na prenos dát.

Na tejto úrovni modelu OSI sa vykonáva aj správa komunikačnej relácie medzi dvoma sieťovými objektmi, ktorá pozostáva z nadviazania spojenia, prenosu dát, ukončenia spojenia. Po vytvorení relácie softvér, ktorý implementuje funkcie túto úroveň, môže skontrolovať stav (udržať) pripojenie až do jeho ukončenia.

Prezentačná vrstva

Hlavnou úlohou dátovej prezentačnej vrstvy je transformovať dáta do vzájomne dohodnutých formátov (exchange syntax), ktoré sú zrozumiteľné pre všetky sieťové aplikácie a počítače, na ktorých aplikácie bežia. Na tejto úrovni sa rieši aj problematika kompresie a dekompresie dát a ich šifrovania.

Konverzia sa týka zmeny poradia bitov v bajtoch, poradia bajtov v slove, kódov znakov a syntaxe názvov súborov.

Potreba zmeniť poradie bitov a bajtov je spôsobená prítomnosťou veľkého počtu rôznych procesorov, počítačov, komplexov a systémov. Procesory od rôznych výrobcov môžu interpretovať nulový a siedmy bit v byte odlišne (buď nulový bit je najvýznamnejší, alebo siedmy). Podobným spôsobom sa zaobchádza s bajtmi, ktoré tvoria veľké jednotky informácií – slová.

Aby používatelia rôznych operačných systémov dostávali informácie vo forme súborov so správnymi názvami a obsahom, táto úroveň zabezpečuje správnu konverziu syntaxe súborov. Rôzne operačné systémy pracujú so svojimi súborovými systémami odlišne a implementujú rôzne spôsoby generovania názvov súborov. Informácie v súboroch sú tiež uložené v špecifickom kódovaní znakov. Pri interakcii dvoch sieťových objektov je dôležité, aby každý z nich mohol interpretovať informácie o súbore vlastným spôsobom, ale význam informácií by sa nemal meniť.

Prezentačná vrstva konvertuje dáta do vzájomne konzistentného formátu (exchange syntax), ktorý je zrozumiteľný pre všetky sieťové aplikácie a počítače, na ktorých sú aplikácie spustené. Dokáže tiež komprimovať a rozširovať, ako aj šifrovať a dešifrovať údaje.

Počítače používajú rôzne pravidlá na reprezentáciu údajov pomocou binárnych núl a jednotiek. Zatiaľ čo sa všetky tieto pravidlá snažia dosiahnuť spoločný cieľ, ktorým je prezentovanie údajov čitateľných pre človeka, výrobcovia počítačov a štandardizačné organizácie vytvorili protichodné pravidlá. Keď sa dva počítače používajúce rôzne sady pravidiel pokúšajú navzájom komunikovať, často potrebujú vykonať nejaké transformácie.

Lokálne a sieťové operačné systémy často šifrujú údaje, aby ich chránili pred neoprávneným použitím. Šifrovanie je všeobecný pojem, ktorý popisuje niekoľko metód ochrany údajov. Ochrana sa často vykonáva pomocou kódovania údajov, ktoré využíva jednu alebo viacero z troch metód: permutáciu, substitúciu, algebraickú metódu.

Každá z týchto metód je jednoducho špeciálnym spôsobom ochrany údajov takým spôsobom, aby jej porozumeli iba tí, ktorí poznajú šifrovací algoritmus. Šifrovanie dát je možné vykonať hardvérovo aj softvérovo. Šifrovanie údajov typu end-to-end sa však zvyčajne vykonáva v softvéri a považuje sa za súčasť funkčnosti prezentačnej vrstvy. Na upovedomenie objektov o použitej metóde šifrovania sa zvyčajne používajú 2 metódy – súkromné ​​kľúče a verejné kľúče.

Metódy šifrovania tajným kľúčom používajú jeden kľúč. Sieťové entity, ktoré vlastnia kľúč, môžu zašifrovať a dešifrovať každú správu. Preto musí byť kľúč utajený. Kľúč môže byť zabudovaný v hardvérových čipoch alebo nainštalovaný správcom siete. Pri každej zmene kľúča je potrebné upraviť všetky zariadenia (odporúča sa nepoužívať sieť na prenos hodnoty nového kľúča).

Sieťové entity využívajúce techniky šifrovania verejného kľúča sú podporované tajným kľúčom a nejakou známou hodnotou. Objekt vytvára verejný kľúč manipuláciou známej hodnoty s tajným kľúčom. Entita iniciujúca komunikáciu odošle svoj verejný kľúč príjemcovi. Druhá entita potom matematicky skombinuje svoj vlastný súkromný kľúč s verejným kľúčom, ktorý jej bol odovzdaný, aby sa nastavila vzájomne prijateľná hodnota šifrovania.

Mať iba verejný kľúč je pre neautorizovaných používateľov málo užitočné. Zložitosť výsledného šifrovacieho kľúča je dostatočne veľká na to, aby sa dala vypočítať za primeraný čas. Ani znalosť vlastného súkromného kľúča a cudzieho verejného kľúča veľmi nepomôže určiť ďalšie tajomstvo - kvôli zložitosti logaritmických výpočtov pre veľké čísla.

Aplikačná úroveň

Aplikačná vrstva obsahuje všetky prvky a funkcie špecifické pre každý typ sieťovej služby. Šesť nižších vrstiev kombinuje úlohy a technológie, ktoré poskytujú všeobecnú podporu sieťových služieb, zatiaľ čo aplikačná vrstva poskytuje protokoly potrebné na vykonávanie špecifických funkcií sieťových služieb.

Servery prezentujú klientom v sieti informácie o typoch služieb, ktoré poskytujú. Základné mechanizmy na identifikáciu ponúkaných služieb poskytujú prvky ako adresy služieb. Okrem toho servery používajú metódy na reprezentáciu svojich služieb, ako sú aktívne a pasívne reprezentácie služieb.

Pri implementácii aktívnej reklamy na službu každý server pravidelne posiela správy (vrátane adries služby) oznamujúce svoju dostupnosť. Klienti môžu tiež vyhľadávať sieťové zariadenia, ktoré hľadajú konkrétny typ služby. Klienti v sieti zhromažďujú zobrazenia vytvorené servermi a generujú tabuľky aktuálne dostupných služieb. Väčšina sietí, ktoré používajú metódu aktívnej prezentácie, tiež definuje špecifické obdobie platnosti pre reprezentácie služieb. Napríklad ak sieťový protokol určuje, že odoslanie služieb by sa malo odosielať každých päť minút, potom klientom vyprší časový limit pre odoslania služieb, ktoré neboli odoslané za posledných päť minút. Keď uplynie časový limit, klient odstráni službu zo svojich tabuliek.

Servery implementujú reklamu pasívnej služby registráciou svojej služby a adresy v adresári. Keď chcú zákazníci určiť dostupné typy služieb, jednoducho sa v adresári spýtajú na umiestnenie požadovanej služby a jej adresu.

Pred použitím sieťovej služby musí byť sprístupnená pre lokálny operačný systém počítača. Existuje niekoľko metód na riešenie tohto problému, ale každá takáto metóda môže byť určená pozíciou alebo úrovňou, na ktorej je lokálna operačný systém rozpozná sieťový operačný systém. Poskytovanú službu možno rozdeliť do troch kategórií:

• zachytenie hovorov do operačného systému;
• vzdialený režim;
• spoločné spracovanie údajov.

Pri používaní OC Call Interception lokálny operačný systém vôbec nevie o existencii sieťovej služby. Napríklad, keď sa aplikácia DOS pokúsi čítať súbor zo sieťového súborového servera, myslí si to tento súbor umiestnené na miestnom úložisku. Vlastne zvláštny úryvok softvér zachytí požiadavku na prečítanie súboru predtým, ako sa dostane do lokálneho operačného systému (DOS) a nasmeruje požiadavku na sieťovú súborovú službu.

V druhom extréme, pri vzdialenej prevádzke, lokálny operačný systém pozná sieť a je zodpovedný za odosielanie požiadaviek sieťovej službe. Server však o klientovi nič nevie. Pre operačný systém servera vyzerajú všetky servisné požiadavky rovnako, či už sú interné alebo odoslané cez sieť.

Nakoniec existujú operačné systémy, ktoré si uvedomujú existenciu siete. Spotrebiteľ služby aj poskytovateľ služby si navzájom uvedomujú svoju existenciu a spolupracujú na koordinácii používania služby. Tento typ používania služby sa zvyčajne vyžaduje pri kolaboratívnom spracovaní typu peer-to-peer. Kolaboratívne spracovanie údajov znamená oddelenie možností spracovania údajov na vykonanie jednej úlohy. To znamená, že operačný systém si musí byť vedomý existencie a schopností iných a vedieť s nimi spolupracovať na splnení želanej úlohy.

ComputerPress 6 "1999