Обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля ошибок

Сетевой уровень

3-й уровень сетевой
модели OSI предназначен для определения
пути передачи данных. Отвечает за
трансляцию логических адресов и имён
в физические, определение кратчайших
маршрутов, коммутацию и маршрутизацию,
отслеживание неполадок и заторов в
сети. На этом уровне работает такое
сетевое устройство, как маршрутизатор.

Канальный уровень

Этот уровень
предназначен для обеспечения взаимодействия
сетей на физическом уровне и контроля
за ошибками, которые могут возникнуть.
Полученные с физического уровня данные
он упаковывает во фреймы, проверяет на
целостность, если нужно исправляет
ошибки (посылает повторный запрос
поврежденного кадра) и отправляет на
сетевой уровень. Канальный уровень
может взаимодействовать с одним или
несколькими физическими уровнями,
контролируя и управляя этим взаимодействием.
На этом уровне работают коммутаторы,
мосты.

Физический
уровень

Самый нижний
уровень модели предназначен непосредственно
для передачи потока данных. Осуществляет
передачу электрических или оптических
сигналов в кабель или в радиоэфир и,
соответственно, их приём и преобразование
в биты данных в соответствии с методами
кодирования цифровых сигналов. Другими
словами, осуществляет интерфейс между
сетевым носителем и сетевым устройством.
На этом уровне работают концентраторы
(хабы), повторители (ретрансляторы)
сигнала и медиаконверторы.

Функции физического
уровня реализуются на всех устройствах,
подключенных к сети. Со стороны компьютера
функции физического уровня выполняются
сетевым адаптером или последовательным
портом. К физическому уровню относятся
физические, электрические и механические
интерфейсы между двумя системами.
Физический уровень определяет такие
свойства среды сети передачи данных
как оптоволокно, витая пара, коаксиальный
кабель, спутниковый канал передач данных
и т. п. Стандартными типами сетевых
интерфейсов, относящимися к физическому
уровню, являются: V.35, RS-232C, RS-485, RJ-11, RJ-45,
разъемы AUI и BNC.

Cетевые технологии

В сетях применяются
различные сетевые
технологии, из
которых в локальных сетях наиболее
распространены Ethernet,
Token
Ring,
100VG-AnyLAN,
ARCnet,
FDDI.
Каждой технологии соответствуют свои
типы оборудования.

Ethernét
— пакетная технология компьютерных
сетей, преимущественно локальных.
Применяется полудуплексный канал
передачи: передачу и прием данных сетевой
адаптер выполняет попеременно.

Каждый узел сети
имеет сетевой
адаптер —
схему, реализующую метод CSMA/CD
на аппаратном (или микропрограммном)
уровне. Адаптер имеет приемопередатчик
— трансивер,
подключенный
к общей (разделяемой) среде передачи, в
оригинале —
к коаксиальному
кабелю. Адаптер узла (для краткости —
узел), нуждающийся в передаче информации,
прослушивает линию и дожидается «тишины»
— отсутствия сигнала. Далее он формирует
кадр (frame,
фрейм), начинающийся с синхронизирующей
преамбулы, за которой следует поток
двоичных данных в самосинхронизирующемся
(манчестерском) коде. Все остальные узлы
принимают этот сигнал, синхронизируются
по преамбуле и декодируют его в
последовательность бит, помещаемую в
свой приемный буфер. Окончание кадра
определяется по пропаданию несущей, и
по этому событию приемники анализируют
принятый кадр. Этот кадр контролируется
на отсутствие ошибок (с помощью контрольной
последовательности бит и по длине),
после чего в «хорошем» кадре проверяется
адресная информация. В каждом кадре
имеется заголовок с МАС-адресами
узла-источника и узла его назначения.
Если адрес назначения кадра соответствует
МАС-адресу данного узла, то кадр поступает
на дальнейшую обработку протоколами
вышестоящих уровней. Кадры, не адресованные
данному узлу, им игнорируются на
аппаратном уровне адаптера, не отвлекая
центральный процессор узла. Теперь
предположим, что два узла хотят передать
данные почти одновременно: оба дождались
«тишины» и стали передавать преамбулу.
Столкновение двух сигналов — коллизия
— приведет
к их искажению, которое обнаруживается
передатчиком. Передающие узлы, обнаружив
коллизию, прекращают передачу кадра,
после чего повторную попытку передачи
сделают через случайный интервал времени
(каждый через свой) после освобождения
линии. Если повторная попытка также не
удалась, делается следующая (и так до
16 раз), причем интервал увеличивается.
Приемник обнаруживает коллизию по
ненормально короткой длине (в «хорошем»
кадре она не может быть меньше 64 байт,
не считая преамбулы) и такие кадры
отбрасывает.

Коллизии являются
нормальным, хотя и нежелательным явлением
в сети Ethernet.
Метод CSMA/CD
хорошо работает лишь при общей загрузке
канала (среды передачи) до 30 %. При большей
загрузке коллизии приводят к прогрессирующей
деградации производительности, что
является слабым местом технологии
Ethernet.
Ethernet
допускает наличие в одном сегменте
сотен (даже тысяч) узлов, при их высокой
активности разумный размер домена
коллизий — группы
узлов, связанных общей средой (кабелями
и повторителями), — ограничен лишь
несколькими десятками узлов.

Стандарты Ethernet
определяют проводные соединения и
электрические сигналы на физическом
уровне, формат кадров и протоколы
управления доступом к среде — на
канальном уровне модели OSI. Ethernet стал
самой распространённой технологией
ЛВС в середине 90-х годов прошлого века,
вытеснив такие устаревшие технологии,
как Arcnet
и Token
Ring.

В 1995 году принят
стандарт IEEE 802.3u Fast
Ethernet со
скоростью 100 Мбит/с и появилась возможность
работы в режиме полный дуплекс. В 1997
году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit
Ethernet
со скоростью 1000 Мбит/с для передачи по
оптоволокну и еще через два года для
передачи по витой паре. В настоящее
время наибольшей популярностью пользуются
Ethernet-платы 100 Мбод (100-мегабитовая
Ethernet), а в некоторых случаях применяются
более новые платы 1000 Мбод (или гигабитовая
Ethernet). Разрабатываются также Ethernet-карты
10 Гбод.

Ethernet-сети различаются
не только по скорости обмена данными,
но и по типу кабеля. Для соединения
устройств применяются коаксиальные
кабели (в некоторых типах 10 мегабитовых
Ethernet-сетей), витые пары (во всех
100-мегабитовых Ethernet-сетях, а также в
некоторых типах 10-мегабитовых и
гигабитовых Ethernet-сетей) и волоконно-оптические
кабели (в некоторых типах гигабитовых
Ethernet-сетей). Витые пары обеспечивают
соединение на расстоянии до 100 метров
(обычно такое соединение устанавливается
между компьютером и концентратором
либо коммутатором). Волоконно-оптические
соединения допускают обмен данными на
расстоянии до 5 километров.

Технология Gigabit
Ethernet
со скоростью передачи данных 1000 Мбит/с
разработана для ускорения передачи
данных. Однако повышение скорости на
порядок при сохранении всех пропорций
предыдущих технологий привело бы к
сужению диаметра домена коллизии до
неприемлемого размера — 0,26 мкс задержки
соответствует примерно 50 м кабеля, а
еще задержку вносит и повторитель. По
этой причине минимально допустимый
размер кадра, определяющий максимально
допустимую задержку передачи, был
увеличен до 512 байт. С учетом задержек
в повторителе и адаптерах диаметр домена
коллизий может достигать 200 м, то есть
вписываться в стандартную концепцию
построения СКС.

Допустимые размеры
сети Ethernet
определяются рядом факторов:

• Ограничения на
  длину кабельного сегмента, связанные
  с затуханием и искажением формы сигнала:
  10Base5
  — 500 м, 10Base2
  — 185 (300) м, 10BaseT/100BaseTX/100BaseT4
  — 100 м.

• Ограничение на
  количество узлов в домене коллизий: не
  более 1024.

• Ограничение на
  количество повторителей между любой
  парой узлов: Ethernet
  — 4, Fast
  Ethernet
  — 1 или 2, Gigabit
  Ethernet
  — 1.

Преимущества:
относительная дешевизна оборудования,
большая пропускная способность сети,
легкость подключения новых узлов.

Недостатки:
при росте нагрузки полезная пропускная
способность сети резко падает (из-за
увеличения количества коллизий).

Token
Ring
(маркерное кольцо). В течение многих лет
технология Token Ring, разработанная IBM, была
главным конкурентом Ethernet, однако начиная
с 1990 г. преимущество Ethernet стало очевидным.
Большинство карт Token Ring поддерживают
скорость обмена до 16 Мбод, но в настоящее
время появились модели 100 Мбод. Максимальное
расстояние между устройствами в сети
Token Ring составляет 150-300 метров. Кольцевая
логическая топология, как правило,
реализуется на основе физической звезды,
в центре которой находится устройство
MSAU
(Multi-Station
Access
Unit
— многостанционное устройство доступа).
В любой момент време­ни передачу
данных может вести только одна станция,
захватившая маркер
доступа (token).
При передаче данных в заголовке маркера
делается отметка о занятости, и маркер
превращается в обрамление начала кадра.
Остальные станции побитно транслируют
кадр от предыдущей (upstream)
станции к последующей (downstream).
Станция, которой адресован текущий
кадр, сохраняет его копию в своем буфере
для последующей обработки и транслирует
его далее по кольцу, сделав отметку о
получении. Таким образом, кадр по кольцу
достигает передающей станции, которая
удаляет его из кольца (не транслирует
дальше). Когда станция заканчивает
передачу, она помечает маркер как
свободный и передает его дальше по
кольцу. Время, в течение которого станция
имеет право пользоваться маркером,
регламентировано. Захват маркера
осуществляется на основе приоритетов,
назначаемых станциям. За порядком в
кольце следит активный
монитор AM
(Active
Monitor)
— одна из станций в сети, взявшая на
себя эти функции. За активным монитором
слепят
резервные — остальные
станции сети, всегда готовые взять на
себя функции активного. Основное
преимущество Token
Ring
— заведомо ограниченное время ожидания
обслуживания узла (и отличие от Ethernet,
не возрастающее при увеличении трафика),
обусловленное детерминированным методом
доступа и возможностью управления
приоритетом. Топологические ограничения
гораздо мягче, чем в Ethernet,
— в одном кольце могут находиться
станции, удаленные друг от друга на
километры (медный кабель) и даже десятки
километров (оптика). Встроенные функции
управления и самовосстановления без
дополнительных средств придают сети
надежность более высокую, чем у обычных
сетей Ethernet.
Архитектура позволяет строить сети
произвольной конфигурации (ячеистые)
— с избыточными связями, используемыми
для повышения пропускной способности
и надежности — с применением обычных
коммутаторов второго уровня. Расплатой
за эти преимущества является сложность
реализации адаптеров сети, обусловливающая
высокую цепу оборудования. Кольцевая
сеть строится на основе концентраторов
(хабов) MSAU.

Преимущества:
надежность и безопасность, гарантированная
доставка сообщений, при передачи данных
не возникает потери сигнала, не возникает
коллизий, простота коммуникационного
оборудования локальной сети.

Недостатки:
необходимы дорогостоящие устройства
доступа к сети, высокая сложность
технологии реализации сети, высокая
стоимость (160-200% от Ethernet), отказ одного
узла может привести к неработоспособности
всей сети, добавление/удаление узла
вынуждает разрывать сеть;

FDDI
и CDDI.
FDDI
(Fiber
Distributed
Data
Interface
— волоконно-оптический интерфейс
распределенных данных) и CDDI (Copper
Distributed Data Interface — «медный» интерфейс
распределенных данных) предназначены
для создания сетей со скоростью обмена
информацией порядка 100 Мбод. Преимущество
FDDI перед 10 мегабитовой Ethernet состоит в
том, что данная технология обеспечивает
связь на расстоянии до 2 километров.
Гигабитовая Ethernet с передачей данных по
волоконно-оптическому кабелю обеспечивает
дальность до 5 километров.
Логическая
топология — кольцо (двойное), метод
доступа — детерминированный, с передачей
маркера (token
passing).
Маркер доступа передается от станции
к станции по кольцу, правом на передачу
данных обладает станция, захватившая
маркер. При единственности маркера в
кольце может одновременно продвигаться
множество кадров. Технология обеспечивает
передачу синхронного и асинхронного
трафика. Для передачи синхронного
трафика на этапе инициализации кольца
определяется полоса пропускания,
отводимая каждой станции для передачи.
Для асинхронного трафика может отводиться
вся остающаяся полоса пропускания
кольца. Реальная пропускная способность
кольца может достигать 95 Мбит/с, но при
значительных задержках в обслуживании.
При минимизации задержек пропускная
способность может падать и до 20 Мбит/с.
Максимальное количество станций в сети
— до 500 с двойным кольцом и до 1000 с
одинарным, расстояние между станциями
до 2 км при многомодовом и до 45-60 км при
одномодовом кабеле, длина двойного
кольца до 100 км, одинарного — до 200 км.
Технологию FDDI
можно рассматривать как развитие Token
Ring,
направленное на повышение производительности,
отказоустойчивости и увеличения размеров
сети как по количеству узлов, так и по
расстоянию. Повышение отказоустойчивости
достигается за счет применения двух
колец — вторичное (резервное) кольцо
замыкает цепочку станций в случае обрыва
(отказа) пинии связи между парой соседних
станций или отказа станции. Технология
FDDI
относительно легко интегрируется с
Ethernet
и Token
Ring,
благодаря ему ее широко используют в
качестве высокоскоростной магистрали
для этих технологий. Цена оборудования
высокая, что не позволяет применять
данную технологию для рядовых рабочих
мест. Хотя FDDI
считается технологией локальных сетей,
в основном она применяется для
высокоскоростных магистралей (backbone)
кампусных и городских сетей. FDDI
используется и для объединения больших
и мини-компьютеров, мощных рабочих
станций, подключения периферии с
интенсивным обменом.

Преимущества:
высокая
отказоустойчивость,
очень высокая скорость передачи, большая
протяженность(кольцо может быть
окружностью до 200 км. и включать до 1000
устройств).

Недостатки:
высокая стоимость.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

---

Заметка по структуре модели OSI (Open Systems Interconnection ):

Layer 7 —  Application layer — Прикладной (Приложений) — Данные (доступ к сетевым службам).

Обеспечивает взаимодействие сети и пользователя. Уровень разрешает приложениям пользователя иметь доступ к сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке электронной почты.

Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления.

Пример: HTTP, POP3, SMTP, FTP.

Layer 6 -Presentation layer — Представительский (Уровень представления) — Данные (Представление и кодирование данных)

Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных.

Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Layer 5 — Session layer — Сеансовый уровень — Данные (управление сеансом связи)

Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.

Пример (протоколы): PPTP, SCP, PAP

Layer 4 — Transport layer — Транспортный уровень — Блоки (Безопасное и надежное соединение точка-точка)

Предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи.

Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Пример: TCP, UDP.

Layer 3 — Network layer — Сетевой уровень — Пакеты (Опредление пути и IP (логическая адресация))

Определение пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети.
На этом уровне работает маршрутизатор.

Пример (протоколы): ICMP, RIP, CLNP

Layer 2 — Data Link layer — Канальный уровень — Кадры (MAC и LLC (физическая адресация))

Предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. На этом уровне работают коммутаторы.

Пример: CDP, MPLS, PPP, LAPD, SLIP

Layer 1 — Physical layer — Физический уровень — Биты (кабель, сигналы, бинарная передача)

Предназначен для передачи потока данных. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами.

Пример (протоколы): IRDA, USB, Ethernet.

---

Размещено в разделе Networks

12.10.2009

Сетевая модель OSI (базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем, англ. Open Systems Interconnection Basic Reference Model) — абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Представляет уровневый подход к сети. Каждый уровень обслуживает свою часть процесса взаимодействия. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.

В настоящее время основным используемым семейством протоколов является TCP/IP, разработка которого не была связана с моделью OSI.

Уровни модели OSI

Модель состоит из 7-ми уровней, расположенных друг над другом. Уровни взаимодействуют друг с другом (по «вертикали») посредством интерфейсов, и могут взаимодействовать с параллельным уровнем другой системы (по «горизонтали») с помощью протоколов. Каждый уровень может взаимодействовать только со своими соседями и выполнять отведённые только ему функции. Подробнее можно посмотреть на рисунке.

Модель OSI
Тип данных	Уровень	Функции
Данные	7. Прикладной уровень	Доступ к сетевым службам
6. Уровень представления	Представление и кодирование данных
5. Сеансовый уровень	Управление сеансом связи
Сегменты	4. Транспортный	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
Пакеты	3. Сетевой	Определение маршрута и логическая адресация
Кадры	2. Канальный	Физическая адресация
Биты	1. Физический уровень	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

Прикладной (Приложений) уровень (англ. Application layer)

Верхний уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалённый доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Пример: HTTP, POP3, SMTP, FTP, XMPP, OSCAR, BitTorrent, MODBUS, SIP

Представительский (Уровень представления) (англ. Presentation layer)

Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, он преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой. Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы. Одна использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC, например, это может быть мэйнфрейм компании IBM, а другая — американский стандартный код обмена информацией ASCII (его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.

Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными получателями. Чтобы решить эту задачу, процессы и коды, находящиеся на уровне представлений, должны выполнить преобразование данных. На этом уровне существуют и другие подпрограммы, которые сжимают тексты и преобразовывают графические изображения в битовые потоки, так что они могут передаваться по сети.

Стандарты уровня представлений также определяют способы представления графических изображений. Для этих целей может использоваться формат PICT — формат изображений, применяемый для передачи графики QuickDraw между программами для компьютеров Macintosh и PowerPC. Другим форматом представлений является тэгированный формат файлов изображений TIFF, который обычно используется для растровых изображений с высоким разрешением. Следующим стандартом уровня представлений, который может использоваться для графических изображений, является стандарт, разработанный Объединенной экспертной группой по фотографии (Joint Photographic Expert Group); в повседневном пользовании этот стандарт называют просто JPEG.

Существует другая группа стандартов уровня представлений, которая определяет представление звука и кинофрагментов. Сюда входят интерфейс электронных музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital Interface) для цифрового представления музыки, разработанный Экспертной группой по кинематографии стандарт MPEG, используемый для сжатия и кодирования видеороликов на компакт-дисках, хранения в оцифрованном виде и передачи со скоростями до 1,5 Мбит/с, и QuickTime — стандарт, описывающий звуковые и видео элементы для программ, выполняемых на компьютерах Macintosh и PowerPC.

Пример: AFP – Apple Filing Protocol, ASCII – American Standard Code for Information Interchange, EBCDIC – Extended Binary Coded Decimal Interchange Code, ICA – Independent Computing Architecture, LPP – Lightweight Presentation Protocol, NCP – NetWare Core Protocol, NDR – Network Data Representation RDP – Remote Desktop Protocol, XDR – eXternal Data Representation, X.25 PAD – Packet Assembler/Disassembler Protocol

Сеансовый уровень (англ. Session layer)

5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.

Пример: ADSP (AppleTalk Data Stream Protocol), ASP (AppleTalk Session Protocol), H.245 (Call Control Protocol for Multimedia Communication), ISO-SP (OSI Session Layer Protocol (X.225, ISO 8327)), iSNS (Internet Storage Name Service), L2F (Layer 2 Forwarding Protocol), L2TP (Layer 2 Tunneling Protocol), NetBIOS (Network Basic Input Output System), PAP (Password Authentication Protocol), PPTP (Point-to-Point Tunneling Protocol), RPC (Remote Procedure Call Protocol), RTCP (Real-time Transport Control Protocol), SMPP (Short Message Peer-to-Peer), SCP (Secure Copy Protocol), ZIP (Zone Information Protocol), SDP (Sockets Direct Protocol).

Транспортный уровень (англ. Transport layer)

4-й уровень модели предназначен для доставки данных без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом не важно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола, короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Пример: TCP, UDP.

Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных.

Некоторые протоколы сетевого уровня, называемые протоколами без установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень. Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных (потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя системами. Механизм управления потоком данных — это механизм, позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.

Описать работу протоколов с установкой соединения можно на примере работы обычного телефона. Протоколы этого класса начинают передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу данных и затем по окончании передачи разрывают связь.

Протоколы без установки соединения, которые посылают данные, содержащие полную адресную информацию в каждом пакете, работают аналогично почтовой системе. Каждое письмо или пакет содержит адрес отправителя и получателя. Далее каждый промежуточный почтамт или сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют поступление информации получателю в том порядке, в котором она была отправлена. За установку данных в соответствующем порядке при использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают транспортные протоколы.

Пример: ATP (AppleTalk Transaction Protocol), CUDP (Cyclic UDP), DCCP (Datagram Congestion Control Protocol), FCP (Fiber Channel Protocol), IL (IL Protocol), NBF (NetBIOS Frames protocol), NCP (Netware Core Protocol), SCTP (Stream Control Transmission Protocol), SPX (Sequenced Packet Exchange), SST (Structured Stream Transport), TCP (Transmission Control Protocol), UDP (User Datagram Protocol).

Сетевой уровень (англ. Network layer)

3-й уровень сетевой модели OSI предназначен для определения пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические, определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю.

Пример: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2) CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security), ICMP (Internet Control Message Protocol), RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First).

Канальный уровень (англ. Data Link layer)

Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня — MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня.

На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

Протоколы: ARCnet, ATM, Cisco Discovery Protocol (CDP), Controller Area Network (CAN), Econet, Ethernet, Ethernet Automatic Protection Switching (EAPS), Fiber Distributed Data Interface (FDDI), Frame Relay, High-Level Data Link Control (HDLC), IEEE 802.2 (provides LLC functions to IEEE 802 MAC layers), IEEE 802.11 wireless LAN, Link Access Procedures, D channel (LAPD), LocalTalk, Multiprotocol Label Switching (MPLS), Point-to-Point Protocol (PPP), Serial Line Internet Protocol (SLIP) (obsolete), Spanning tree protocol, StarLan, Token ring, Unidirectional Link Detection (UDLD), x.25.

В программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов: ODI, NDIS

Физический уровень (англ. Physical layer)

Самый нижний уровень модели предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами, осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством.

На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы.

Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232C, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Протоколы: IRDA, USB, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, Ethernet (включая 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T, 1000BASE-T, 1000BASE-SX и другие), 802.11Wi-Fi, DSL, ISDN, SONET/SDH, GSM Um radio interface, IEEE 802.15, ITU и ITU-T, Firewire, TransferJet, Etherloop, ARINC 818, G.hn/G.9960.

Модель OSI и реальные протоколы

Семиуровневая модель OSI является теоретической, и содержит ряд недоработок. Были попытки строить сети в точном соответствии с моделью OSI, но созданные таким образом сети были дорогими, ненадёжными и неудобными в эксплуатации. Реальные сетевые протоколы, используемые в существующих сетях, вынуждены отклоняться от неё, обеспечивая непредусмотренные возможности, поэтому привязка некоторых из них к уровням OSI является несколько условной: некоторые протоколы занимают несколько уровней модели OSI, функции обеспечения надёжности реализованы на нескольких уровнях модели OSI.

Основная недоработка OSI — непродуманный транспортный уровень. На нём OSI позволяет осуществлять обмен данными между приложениями (вводя понятие порта — идентификатора приложения), однако, возможность обмена простыми датаграммами (по типу UDP) в OSI не предусмотрена — транспортный уровень должен образовывать соединения, обеспечивать доставку, управлять потоком и т. п. (по типу TCP). Реальные же протоколы реализуют такую возможность.

Семейство TCP/IP

Семейство TCP/IP имеет три транспортных протокола: TCP, полностью соответствующий OSI, обеспечивающий проверку получения данных, UDP, отвечающий транспортному уровню только наличием порта, обеспечивающий обмен датаграммами между приложениями, не гарантирующий получения данных и SCTP, разработанный для устранения некоторых недостатков TCP и в который добавлены некоторые новшества. (В семействе TCP/IP есть ещё около двухсот протоколов, самым известным из которых является служебный протокол ICMP, используемый для внутренних нужд обеспечения работы; остальные также не являются транспортными протоколами.)

Семейство IPX/SPX

В семействе IPX/SPX порты (называемые «сокеты» или «гнёзда») появляются в протоколе сетевого уровня IPX, обеспечивая обмен датаграммами между приложениями (операционная система резервирует часть сокетов для себя). Протокол SPX, в свою очередь, дополняет IPX всеми остальными возможностями транспортного уровня в полном соответствии с OSI.

В качестве адреса хоста IPX использует идентификатор, образованный из четырёхбайтного номера сети (назначаемого маршрутизаторами) и MAC-адреса сетевого адаптера.

Модель DOD

Стек протоколов TCP/IP, использующий упрощённую четырёхуровневую модель OSI.

Адресация в IPv6

Адреса назначения и источника в IPv6 имеют длину 128 бит или 16 байт. Версия 6 обобщает специальные типы адресов версии 4 в следующих типах адресов:

• Unicast – индивидуальный адрес. Определяет отдельный узел – компьютер или порт маршрутизатора. Пакет должен быть доставлен узлу по кратчайшему маршруту.
• Cluster – адрес кластера. Обозначает группу узлов, которые имеют общий адресный префикс (например, присоединенных к одной физической сети). Пакет должен быть маршрутизирован группе узлов по кратчайшему пути, а затем доставлен только одному из членов группы (например, ближайшему узлу).
• Multicast – адрес набора узлов, возможно в различных физических сетях. Копии пакета должны быть доставлены каждому узлу набора, используя аппаратные возможности групповой или широковещательной доставки, если это возможно.

Как и в версии IPv4, адреса в версии IPv6 делятся на классы, в зависимости от значения нескольких старших бит адреса.

Большая часть классов зарезервирована для будущего применения. Наиболее интересным для практического использования является класс, предназначенный для провайдеров услуг Internet, названный Provider-Assigned Unicast.

Адрес этого класса имеет следующую структуру:

010

Идентификатор провайдера

Идентификатор абонента

Идентификатор подсети

Идентификатор узла

Каждому провайдеру услуг Internet назначается уникальный идентификатор, которым помечаются все поддерживаемые им сети. Далее провайдер назначает своим абонентам уникальные идентификаторы, и использует оба идентификатора при назначении блока адресов абонента. Абонент сам назначает уникальные идентификаторы своим подсетям и узлам этих сетей.

Абонент может использовать технику подсетей, применяемую в версии IPv4, для дальнейшего деления поля идентификатора подсети на более мелкие поля.

Описанная схема приближает схему адресации IPv6 к схемам, используемым в территориальных сетях, таких как телефонные сети или сети Х.25. Иерархия адресных полей позволит магистральным маршрутизаторам работать только со старшими частями адреса, оставляя обработку менее значимых полей маршрутизаторам абонентов.

Под поле идентификатора узла требуется выделения не менее 6 байт, для того чтобы можно было использовать в IP-адресах МАС-адреса локальных сетей непосредственно.

Для обеспечения совместимости со схемой адресации версии IPv4, в версии IPv6 имеется класс адресов, имеющих 0000 0000 в старших битах адреса. Младшие 4 байта адреса этого класса должны содержать адрес IPv4. Маршрутизаторы, поддерживающие обе версии адресов, должны обеспечивать трансляцию при передаче пакета из сети, поддерживающей адресацию IPv4, в сеть, поддерживающую адресацию IPv6, и наоборот.

Критика

Семиуровневая модель OSI критиковалась некоторыми специалистами. В частности в классической книге «UNIX. Руководство системного администратора» Эви Немет и другие пишут:

… Пока комитеты ISO спорили о своих стандартах, за их спиной менялась вся концепция организации сетей и по всему миру внедрялся протокол TCP/IP. …
…
И вот, когда протоколы ISO были наконец реализованы,выявился целый ряд проблем:
• Эти протоколы основывались на концепциях, не имеющих в современных сетях никакого смысла.
• Их спецификации были в некоторых случаях неполными.
• По своим функциональным возможностям они уступали другим протоколам.
• Наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации.
…
… Сейчас даже самые рьяные сторонники этих протоколов признают, что OSI постепенно движется к тому, чтобы стать маленькой сноской на страницах истории компьютеров.

Напомню нашим читателям, что в предыдущих номерах мы коснулись краткого описания протоколов сетевого уровня сетевой модели OSI. Следующим уровнем, который следует рассмотреть, является канальный.

Второй уровень модели OSI предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля над ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает в кадры данных, проверяет на целостность, если нужно, исправляет ошибки и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием. Согласно спецификации IEEE 802 данный уровень подразделяется на 2 подуровня:

. MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде;
. LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты и сетевые адаптеры. К протоколам сетевого уровня относятся: ARCnet, ATM, DTM, SLIP, SMDS, Ethernet, FDDI, Frame Relay, LocalTalk, Token ring, PPP, PPPoE, StarLan, WiFi, PPTP, L2F, L2TP, PROFIBUS и др.

Ethernet

Ethernet (эзернет, от лат.: aether — эфир) — представляет собой пакетную технологию компьютерных сетей. Стандарты Ethernet регламентируют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, а также формат пакетов и протоколы управления доступом к среде на канальном уровне модели OSI. Не секрет, что именно Ethernet стал самой распространенной технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив Arcnet и Token ring. Технология Ethernet была разработана корпорацией Xerox PARC. Принято считать, что Ethernet был изобретен 22 мая 1973 г., когда Роберт Меткалф (Robert Metcalfe) представил свой отчет главе PARC о потенциале технологии Ethernet. Вскоре после своего появления Ethernet активно начал соперничество с двумя крупными уже запатентованными на то время технологиями token ring и ARCNET, которые вскоре были практически вытеснены Ethernet. В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать кабель витая пара и оптический кабель. Краткие технические характеристики Ethernet v1.0 следующие:

. множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений (CSMA/CD, Carrier Sense Multiply Access with Collision
Detection);
. скорость передачи данных 10 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт;
. количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочие станции (спецификации физического уровня могут устанавливать более жесткие ограничения — например, к сегменту тонкого коаксиала может подключаться не более 30 рабочих станций, а к сегменту толстого коаксиала — не более 100). Однако сеть, построенная на одном разделяемом сегменте, становится неэффективной задолго до достижения предельного значения количества узлов.

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а позже — стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Появилась возможность работы в режиме полного дуплекса. В стандарте первых версий (Ethernet v1.0 и Ethernet v2.0) указано, что в качестве передающей среды используется коаксиальный кабель:

В дальнейшем появилась возможность использовать витую пару и оптический кабель. Уже в 1995 году был принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, а позже — IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Мбит/с. Появилась возможность работы в режиме полного дуплекса.

Быстрый Ethernet (100 Мбит/с) (Fast Ethernet)

100BASE-T подразумевает один из трех стандартов 100 Мбит/с Ethernet и использует в качестве среды передачи данных витую пару. Длина сегмента ограничена 100 метрами. 100BASE-T включает в себя:
. 100BASE-TX
. 100BASE-T4
. 100BASE-T2

Рассмотрим каждый стандарт более подробно.
100BASE-TX подразумевается использование топологии типа звезда. При этом задействован кабель витая пара пятой категории (на кабеле обычно можно встретить маркировку 5Е), в котором фактически используются две пары проводников; максимальная скорость передачи данных — 100 Мбит/с.

100BASE-T4 подразумевает использование кабеля третьей категории. При передаче сигнала задействованы все 4 пары. Передача данных идет в полудуплексном режиме. В настоящее время практически не используется.

100BASE-T2 на сегодняшний день можно считать глубоким архаизмом. Используется только 2 пары. Поддерживается полнодуплексный режим передачи, при котором сигналы распространяются в противоположных направления по каждой паре. Скорость передачи в одном из направлений — 50 Mбит/с. Ну и, наконец, 100BASE-FX, который по праву можно считать самым надежным стандартом. Почему, догадаться нетрудно, ведь сигнал передается не с помощью электрических сигналов, подверженных ЭМ-наводкам, а с помощью света.

Передача сигнала в данном случае осуществляется с помощью оптоволоконного кабеля. Максимальная длина сегмента составляет:
. 400 метров в полудуплексном режиме (для гарантированного обнаружения коллизий);
. 2 километра в полнодуплексном режиме по многомодовому оптическому волокну;
. 32 километров по одномодовому.

Наверняка читателю станет интересно, чем же обусловлена такая разница расстояний между одно- и многомодовыми волокнами: традиционно для многомодового волокна в качестве излучающего элемента использовались светодиоды, а для одномодового — более дорогие лазеры.

Гигабитный Ethernet

Как и следует из названия, нижеописанные стандарты используются для передачи данных со скоростями, приближающимися к 1 Гбит/c.

Итак:
1000BASE-T — стандарт Ethernet 1 Гбит/с, подразумевающий использование витой пары пятой категории или категории 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных около 250 Мбит/с по одной паре.
1000BASE-TX — стандарт Ethernet 1 Гбит/с, использующий витую пару исключительно шестой категории . Практически не используется.

Для обозначения технологии, использующей в качестве среды передачи данных оптоволоконный кабель применяется 1000Base-X, который включает в себя следующие стандарты:
. 1000BASE-SX
. 1000BASE-LX
. 1000BASE-CX

1000BASE-SX (IEEE 802.3z) — 1 Гбит/с Ethernet-технология, использущая многомодовое волокно. При этом дальность прохождения сигнала без повторителя составляет до 550 метров.

1000BASE-LX — технология, подразумевающая использование многомодового волокна. Дальность прохождения сигнала без повторителя аналогична вышеописанному стандарту. Стандарт оптимизирован для дальних расстояний (при использовании одномодового волокна дальность передачи сигнала приближается к 10 км).

1000BASE-LH (Long Haul) технология использует одномодовый оптический кабель, при этом дальность прохождения сигнала без повторителя может достигать 100 км.

Дабы не утомлять читателя многочисленными стандартами 10 гигабит Ethernet, приведу лишь их краткое перечисление с указанием дальности передачи сигнала:
. 10GBASE-SR (300 м)
. 10GBASE-LX4 (10 км)
. 10GBASE-LR и 10GBASE (40 км)
. 10GBASE-SW, 10GBASE-LW и 10GBASE-EW (1 км)
. 10GBASE-T (100 м)

Заканчивая разговор о стандарте 10 гигабит Ethernet, уместно сказать, что данный стандарт только входит в обиход, и поэтому потребуется время, чтобы понять, какие из вышеперечисленных стандартов передающих сред окажутся оптимальными и будут реально востребованы на рынке.

Token Ring

Когда мы говорим о Token Ring, то подразумеваем такой тип сети, в которой все компьютеры схематически объединены в кольцо. Несомненно, что как некогда конкурировавший с Ethernet данный стандарт имеет свои плюсы и минусы. Минусы бросаются в глаза сразу — топология типа кольцо достаточно уязвима: стоит только одному из узлов выйти из строя, как система перестанет нормально работать. Плюсы такой системы — высокая производительность и стабильность, причины которых станут очевидны чуть ниже. По кольцу от компьютера к компьютеру (станции сети) передается специальный блок данных, называемый маркером (англ.: token). Когда какой-либо станции требуется передача данных, маркер ею модифицируется и больше не распознается другими станциями как спецблок, пока не дойдет до адресата. Адресат принимает данные и запускает новый маркер по кольцу. На случай потери маркера или хождения данных, адресат которых не находится, в сети присутствует машина со специальными полномочиями, умеющая удалять безадресные данные и запускать новый маркер.

Token ring был разработан компанией IBM в 1984 году. В 1985 комитет IEEE 802 на основе этой технологии принял стандарт IEEE 802.5. В последнее время даже в продукции IBM доминируют технологии семейства Ethernet, несмотря на то, что ранее в течение долгого времени компания использовала Token Ring в качестве основной технологии для построения локальных сетей.

FDDI

FDDI (англ.: Fiber-Distributed Data Interface — распределенный волоконный интерфейс данных) — стандарт передачи данных в локальной сети. Стандарт был разработан в середине 80-х годов Американским национальным институтом стандартов (ANSI) и получил номер ANSI X3T9.5. FDDI предусматривает передачу данных до 200 км. Стандарт основан на вышеупомянутом протоколе token ring. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей. В качестве среды передачи данных в FDDI используется оптоволоконный кабель, однако можно использовать и медный кабель — в таком случае применяется акроним CDDI (Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии используется схема двойного кольца, при этом данные в кольцах циркулируют в разных направлениях:

Одно кольцо считается основным — по нему передается информация в обычном состоянии; второе кольцо считается резервным — по нему передаются данные в случае обрыва на первом кольце. Для контроля состояния кольца используется сетевой маркер, подобный используемому в token ring. Поскольку такое дублирование повышает надежность системы, данный стандарт с успехом применяется в магистральных каналах связи.

ATM

ATM — Asynchronous Transfer Mode (асинхронный способ передачи данных) представляет собой сетевую технологию, основанную на передаче данных в виде ячеек (cell) или пакетов фиксированного размера (53 байта), из которых 5 байтов используется под заголовок, а 48 — под передаваемые данные:

Ячейки данных, используемые в ATM, меньше в сравнении с элементами данных, которые используются в других технологиях. За счет этого достигается существенный выигрыш. Почему? Небольшой постоянный размер ячейки, используемый в ATM, позволяет:

. передавать данные по одним и тем же физическим каналам, причем как при низких, так и при высоких скоростях;
. работать с постоянными и переменными потоками данных;
. интегрировать любые виды информации: тексты, речь, изображения, видеофильмы;
. поддерживать соединения типа точка-точка, точка-многоточка, многоточка-многоточка.

Для передачи данных от отправителя к получателю в сети ATM создаются виртуальные каналы — VC (англ. Virtual Circuit), которые бывают двух видов:
. постоянный виртуальный канал — PVC (Permanent Virtual Circuit), который создается между двумя точками и существует в течение
длительного времени, даже в отсутствие данных для передачи;
. коммутируемый виртуальный канал — SVC (Switched Virtual Circuit), который создается между двумя точками непосредственно перед
передачей данных и разрывается после окончания сеанса связи.

Наличием виртуальных каналов протокол ATM отличается от IP, в котором сообщение делится на пакеты, и каждый пакет может проходить от источника до адресата разными путями. Ячейки ATM в пределах одного виртуального канала всегда передаются по одному и тому же заданному маршруту.

IEEE 802.11

IEEE 802.11 (Wi-Fi) — стандарт, описывающий локальные компьютерные сети, построенные на основе высокочастотного радиоканала. Получил широкое распространение благодаря развитию мобильных компьютеров: КПК и ноутбуков. Наверное, многие из читателей не раз сталкивались с сухими обозначениями стандарта Wi-Fi. Вот, собственно, и момент истины — расшифровка (только основные стандарты):

. IEEE 802.11 — изначальный 1 Mbit/s и 2 Mbit/s, 2,4 GHz и IR-стандарт (принят в 1997 году);
. IEEE 802.11a — 54 Mbit/s, 5 GHz стандарт (принят в 1999 году, выход продуктов в 2001);
. IEEE 802.11b — улучшенный стандарт для поддержки 5.5 и 11 Mbit/s (принят в 1999 году);
. IEEE 802.11h — распределенный по спектру 802.11a (5 GHz) для совместимости в Европе (принят в 2004 году);
. IEEE 802.11i — стандарт с улучшенными характеристиками безопасности (принят в 2004 году);
. IEEE 802.11j — расширения для Японии (2004);
. IEEE 802.11n — стандарт, характеризующийся большим увеличением производительности (300 Mbps);
. IEEE 802.11p — WAVE — Wireless Access for the Vehicular Environment — Беспроводной доступ для транспортной среды (такой, как машины скорой помощи или пассажирский транспорт);
. IEEE 802.11q — зарезервирован (иногда его путают с 802.1q VLAN trunking);
. IEEE 802.11u — взаимодействие с не-802-сетями (например, сотовые сети);
. IEEE 802.11v — управление беспроводными сетями;
. IEEE 802.11w — Protected Management Frames — Защищенные управляющие фреймы.

PPP

PPP (англ.: Point-to-Point Protocol) представляет собой протокол передачи данных типа «точка-точка». Это механизм для создания и запуска IP (Internet Protocol) и других сетевых протоколов на последовательных линиях связи, будь то прямая последовательная связь (по нуль-модемному кабелю), связь поверх Telnet или модемная связь по телефонным линиям. Используя PPP, можно подключить компьютер к PPP-серверу и получить доступ к ресурсам сети, к которой подключен сервер (почти) так, как будто вы подключены непосредственно к этой сети. Протокол РРР является основой для всех протоколов второго уровня. Связь по протоколу РРР состоит из четырех стадий:

. установление связи (осуществляется выбор протоколов аутентификации, шифрования, сжатия и устанавливаются параметры соединения);
. установление подлинности пользователя (реализуются алгоритмы аутентификации на основе протоколов РАР, СНАР или MS-CHAP);
. контроль повторного вызова РРР (необязательная стадия, в которой подтверждается подлинность удаленного клиента), вызов протокола
сетевого уровня (реализация протоколов, установленных в первой стадии). PPP включает IP-, IPX- и NetBEUI-пакеты внутри PPP-кадров.
PPP обычно используется для установки прямых соединений между двумя узлами. Он широко применяется для соединения компьютеров с помощью телефонной линии и также используется поверх широкополосных соединений. Многие интернет-провайдеры используют PPP для предоставления коммутируемого доступа в Интернет.

Продолжение следует.

Boysout, Boyscout_zone@mail.ru

11.1. Общая характеристика протоколов канального уровня

11.2. Понятие топологии сети

11.3. Сети Х.25

11.4. Сети Frame Relay

11.5. Сети Token Ring

11.6. Сети FDDI

11.7. Сети Ethernet

11.7.1. Общий обзор технологии Ethernet

11.7.2. Технология случайного множественного доступа CSMA

11.7.3. Стандарты технологии Ethernet

11.8. Беспроводные сети

11.8.1. Технология WiFi

11.8.2. Технология WiMax

11.1. Общая характеристика протоколов канального уровня

Канальный уровень предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями (обеспечивая передачу по нескольким различным физическим следам), контролируя и управляя этим взаимодействием.

Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня:

—       MAC (Media Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде,

—       LLC (Logical Link Control) обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты.

В программировании канальный уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС.

Так, как канальный уровень позволяет передавать данные в рамках одной топологии, необходимо ввести данное понятие. Термин «топология сети» относится к пути, по которому данные перемещаются  по  сети.

11.2. Понятие топологии сети

Для описания связей абонентов в сети используется понятие топология,  под которой принято  считать совокупность элементов и связей между ними, «очищенных» от всех свойств, кроме свойств существования и связности.

Обычно топология задается графом G(A, N), где А — множество вершин графа, т.е. элементов сети (пользователи, узлы, центры коммутации и т. п.), а N − множество его ребер, соответствующих линиям связи. Каждое ребро имеет длину, которая эквивалентна некоторым параметрам его использования, например, ее геометрической длине, пропускной способности, общей загрузке и т.п. в случае, когда учитываются направления ребер задается ориентированный граф (орграф).

Пример геометрического представления орграфа показан на рис. 11.1.

Рисунок 11.1 — Орграф

Существуют три основных вида структур (топологий) сетей передачи данных (СПД).

1. Полносвязная сеть — узлы соединены линиями (каналами) по принципу «каждый с каждым» (рис. 11.2).

Полносвязная топология на практике при большом количестве абонентских терминалов практически не используется из-за необходимости организации значительного числа каналов и низкой эффективности их использования, так как большую часть времени каналы простаивают. Тем не мене следует отметить, что такая сеть проста в управлении, обладает высокой живучестью, своевременностью, пропускной способностью.

2. Древовидная сеть — узлы соединяются между собой минимальным числом линий (каналов) без образования замкнутых путей. Между любыми двумя узлами только один путь (рис. 11.3).

Рисунок 11.2 — Полносвязная структура сети	Рисунок 11.3 — Древовидная структура сети

В большинстве случаев сетью управляет узел на самом высоком уровне иерархии. Однако практический интерес, представляет распределенный подход к иерархической сети, при котором в системе подчиненных узлов определяются такие, которые обеспечивают непосредственное управление устройствами, находящимися ниже в иерархии.

Древовидная структура может иметь ряд частных случаев (рис. 11.4):

а) линейная,

б) звездообразная,

в) радиальная,

г) радиально-узловая.

а) линейная	б) звездообразная
в) радиальная	г) радиально-узловая
Рисунок 11.4 — Частные случаи древовидной структуры сети

Топология «звезда» — одна из наиболее распространенных. В сетях с такой топологией вся информационная нагрузка исходит из центрального узла, который полностью управляет устройствами, подсоединенными к нему. Центральный узел отвечает за маршрутизацию трафика через себя в другие компоненты. Он также отвечает за локализацию неисправности, которая является относительно простой в звездообразной сети, поскольку решение проблемы обусловлено возможностью локализации линии. Подобно иерархической структуре, звездообразная сеть также подвержена проблемам, связанным с наличием одного центрального узла.

3. Структура типа «сетка» — каждый узел соединен с несколькими ближайшими узлами так, что образуются замкнутые пути (рис. 11.5).

Рисунок 11.5 — Структура сети типа «сетка»

Топология типа «сетка» нашла широкое применение. Ее привлекательность заключается в высокой надежности и относительной устойчивости к перегрузкам. Благодаря множественности путей трафик может быть направлен в обход отказавших или занятых узлов. Это достигается большей сложностью и дороговизной сети.

Частным случаем структуры типа «сетка» является:

а) кольцевая структура (рис. 11.6). При кольцевой топологии в большинстве случаев данные распространяются только в одном направлении, причем только одна станция принимает сигнал, а затем при необходимости передает его следующей станции в кольце.

Кольцевая топология привлекательна, т. к. перегрузки характерные для иерархической и звездообразной конфигураций, здесь достаточно редки. Так же следует отметить простоту организации кольцевой сети. Недостатком является то, что имеется только один канал, соединяющий все компоненты в кольцо. Если отказывает канал между двумя узлами, наступает отказ всей сети.

б) многоточечное подключение типа «общая шина»  — все абонентские терминалы подключаются к одному каналу связи. При этом канал связи используется поочередно одной из пар абонентских терминалов для обмена информацией между собой (рис. 11.7).

Данная структура нашла широкое распространение в локальных сетях. Это обусловлено относительно простым для управления трафиком, поскольку шина допускает, чтобы каждое сообщение принималось всеми станциями (одна единственная станция работает в широковещательном режиме на несколько станций).

Рассмотрим различные типовые архитектуры канального уровня OSI соответствующие основным видам топологий.

11.3. Сети Х.25

X.25 — семейство протоколов канального уровня сетевой модели OSI. Оно предназначалось для организации глобальных сетей на основе телефонных сетей с линиями с достаточно высокой частотой ошибок, поэтому содержит развитые механизмы коррекции ошибок и ориентировано на работу с установлением соединений.

X.25 обеспечивает множество независимых виртуальных каналов (Permanent Virtual Circuits, PVC и Switched Virtual Circuits, SVC) в одной линии связи, идентифицируемых в X.25-сети по идентификаторам подключения к соединению идентификаторы логического канала (Logical Channel Identifyer, LCI) или номера логического канала (Logical Channel Number, LCN).

Сети Х.25 являются на сегодняшний день самыми распространенными сетями с коммутацией пакетов, используемыми для построения корпоративных сетей. Основная причина такой ситуации состоит в том, что долгое время сети Х.25 были единственными доступными сетями с коммутацией пакетов коммерческого типа, в которых давались гарантии коэффициента готовности сети. Сеть Internet также имеет долгую историю существования, но как коммерческая сеть она начала эксплуатироваться совсем недавно, поэтому для корпоративных пользователей выбора не было. Кроме того, сети Х.25 хорошо работают на ненадежных линиях благодаря протоколам с установлением соединения и коррекцией ошибок на двух уровнях — канальном и сетевом.

Технология сетей Х.25 имеет несколько существенных признаков, отличающих ее от других технологий.

—       Наличие в структуре сети специального устройства — PAD (Packet Assembler Disassembler), предназначенного для выполнения операции сборки нескольких низкоскоростных потоков байт от алфавитно-цифровых терминалов в пакеты, передаваемые по сети и направляемые компьютерам для обработки. Эти устройства имеют также русскоязычное название «Сборщик-разборщик пакетов», СРП.

—       Наличие трехуровневого стека протоколов с использованием на канальном и сетевом уровнях протоколов с установлением соединения, управляющих потоками данных и исправляющих ошибки.

—       Ориентация на однородные стеки транспортных протоколов во всех узлах сети — сетевой уровень рассчитан на работу только с одним протоколом канального уровня и не может подобно протоколу IP объединять разнородные сети. Сеть Х.25 состоит из коммутаторов (Switches, S), называемых также центрами коммутации пакетов (ЦКП), расположенных в различных географических точках и соединенных высокоскоростными выделенными каналами. Выделенные каналы могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

11.4. Сети Frame Relay

Frame relay (англ. «ретрансляция кадров», FR) — протокол канального уровня сетевой модели OSI. Служба коммутации пакетов Frame Relay в настоящее время широко распространена во всём мире. Максимальная скорость, допускаемая протоколом FR — 34.368 Мб/с (каналы E3). Коммутация: точка-точка. Топология: звезда.

Frame Relay был создан в начале 1990-х в качестве замены протоколу X.25 для быстрых надёжных каналов связи. В отличие от X.25, рассчитанного на линии с достаточно высокой частотой ошибок, FR изначально ориентировался на физические линии с низкой частотой ошибок.

Frame relay обеспечивает множество независимых виртуальных каналов (Virtual Circuits, VC) в одной линии связи, идентифицируемых в FR-сети по идентификаторам подключения к соединению (Data Link Connection Identifier, DLCI), но не имеет средств коррекции и восстановления. Вместо средств управления потоком включает функции извещения о перегрузках в сети. Возможно назначение минимальной гарантированной скорости для каждого виртуального канала.

Рисунок 11.8 — ARPA Fame Relay — сеть послужившая прототипом Internet

11.5. Сети Token Ring

Token ring — «маркерное кольцо», архитектура кольцевой сети с маркерным доступом. Тип сети, в которой все абоненты схематически объединены в кольцо. По кольцу от абонента к абоненту сети передается специальный блок данных, называемый маркером (от англ. token).

Сети с передачей маркера перемещают вдоль сети небольшой блок данных, называемый маркером. Владение этим маркером гарантирует право передачи. Если узел, принимающий маркер, не имеет информации для отправки, он просто переправляет маркер к следующей конечной станции. Каждая станция может удерживать маркер в течение определенного максимального времени. Информационный блок циркулирует по кольцу, пока не достигнет предполагаемой станции назначения, которая копирует информацию для дальнейшей обработки. Информационный блок продолжает циркулировать по кольцу; он окончательно удаляется после достижения станции, отославшей этот блок. Станция отправки может проверить вернувшийся блок, чтобы убедиться, что он был просмотрен и затем скопирован станцией назначения.

Рисунок 11.9 – Структура сети с маркерным доступом

Данная технология предлагает вариант решения проблемы коллизий, которая возникает при работе локальной сети. В технологии Ethernet, такие коллизии возникают при одновременной передаче информации несколькими рабочими станциями, находящимися в пределах одного сегмента, то есть использующих общий физический канал данных. Однако, в настоящее время по надежности Ethernet не уступает Token Ring и существенно выше по производительности.

11.6. Сети FDDI

FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface — распределённый волоконный интерфейс данных) — стандарт передачи данных в локальной сети, протянутой на расстоянии до 200 км. Стандарт основан на протоколе Token Ring. Кроме большой территории, сеть FDDI способна поддерживать несколько тысяч пользователей.

Рисунок 11.10 – Структура сети FDDI

В качестве среды передачи данных в FDDI рекомендуется использовать оптоволоконный кабель, однако можно использовать и медный кабель, в таком случае используется сокращение CDDI (Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии используется схема двойного кольца, при этом данные в кольцах циркулируют в разных направлениях. Одно кольцо считается основным, по нему передаётся информация в обычном состоянии; второе — вспомогательным, по нему данные передаются в случае обрыва на первом кольце. Для контроля за состоянием кольца используется сетевой маркёр, как и в технологии Token Ring.

Поскольку дублирование повышает надёжность системы, данный стандарт с успехом применяется в магистральных каналах связи.

а.) Нормальный режим функционирования сети FDDI	б.) Функционирования сети FDDI при обрыве канала связи
Рисунок 11.11 — Функционирование сети FDDI при отказе

11.7. Сети Ethernet

11.7.1. Общий обзор технологии Ethernet

Ethernét (от лат. aether — эфир) — пакетная технология компьютерных сетей, преимущественно локальных. Технология Ethernet является классической реализацией топологии «общая шина».

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат кадров и протоколы управления доступом к среде — на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией построения сетей.

В стандарте первых версий Ethernet в качестве передающей среды использовался коаксиальный кабель, в дальнейшем появилась возможность использовать витую пару, оптический кабель и радиоканал.

Метод управления доступом — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), скорость передачи данных 100 Мбит/с, размер пакета от 72 до 1526 байт, описаны методы кодирования данных. Количество узлов в одном разделяемом сегменте сети ограничено предельным значением в 1024 рабочих станции.

Для адресации абонента в Ethernet сети используется MAC адрес. Это уникальный шестнадцатеричный серийный номер, назначаемый каждому сетевому устройству Ethernet, для идентификации его в сети. MAC адреса имеют длину 6 байт и обычно записываются шестнадцатеричным числом в виде 12:34:56:78:90:AB (двоеточия могут отсутствовать, но их наличие делает адрес более читабельным).

11.7.2. Технология случайного множественного доступа CSMA

CSMA/CD (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий) — технология множественного доступа к общей передающей среде в локальной сети с контролем коллизий. Если во время передачи фрейма рабочая станция обнаруживает другой сигнал, занимающий передающую среду, она останавливает передачу, посылает jam signal и ждет в течение случайного промежутка времени (известного как «backoff delay» и находимого с помощью алгоритма truncated binary exponential backoff), перед тем как снова отправить фрейм.

В радиосетях используется модификация случайного множественного доступа CSMA/CA.

Рисунок 11.12 — Пример работы технологии CSMA/CD

Технология передачи CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) решает следующие задачи:

—          Контроль среды передачи (радиосреды либо кабеля). Когда абонент собирается передавать данные в сеть методом CSMA/CD, он должен сначала проверить, передает ли в это же время по этому же кабелю свои данные другой абонент. Другими словами проверить состояние носителя: занят ли он передачей других данных.

—          Множественный доступ. Это означает, что несколько абонентов могут начать передачу данных в сеть одновременно.

—          Обнаружение конфликтов. Это главная задача метода CSMA/CD. Когда абонент готов передавать данные, он проверяет состояние носителя. Если кабель занят, абонент не посылает сигналы, а ожидает когда освободится носитель. Если же абонент не слышит передаваемых данных в носителе, то он начинает передавать данные сам. Так же может случиться, что прослушивают носитель сразу два абонента готовые к передаче. И когда носитель освобождается, оба узла начинают передавать данные одновременно. В этом случае в носителе происходит смешение сигналов, из-за чего теряются данные. Такая ситуация называется конфликтом или коллизией (рисунок 11.12).

Во время коллизии прием данных невозможен, поэтому оба абонента ожидают в течении случайного промежутка времени, после которого посылают сигналы заново. Случайные промежутки времени для разных абонентов создаются автоматически, для того чтобы не повторить коллизию. Абонент, у которого промежуток времени меньше, начнет передавать данные раньше. Таким образом, происходит «захват» носителя для передачи данных.

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи. Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal («пробка»), что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки (рисунок 11.13).

Рисунок 11.13 — Алгоритм CSMA/CD

Обнаружение коллизий используется для улучшения производительности CSMA с помощью прерывания передачи сразу после обнаружения коллизии и снижения вероятности второй коллизии во время повторной передачи. Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal («пробка»), что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки (рисунок 11.13).

Методы обнаружения коллизий зависят от используемого оборудования, но на электрических шинах, таких как Ethernet, коллизии могут быть обнаружены сравнением передаваемой и получаемой информации. Если она различается, то другая передача накладывается на текущую (возникла коллизия) и передача прерывается немедленно. Посылается jam signal, что вызывает задержку передачи всех передатчиков на произвольный интервал времени, снижая вероятность коллизии во время повторной попытки.

11.7.3. Стандарты технологии Ethernet

В 1995 году принят стандарт IEEE 802.3u Fast Ethernet со скоростью 100 Мб/с и появилась возможность работы в режиме полный дуплекс. В 1997 году был принят стандарт IEEE 802.3z Gigabit Ethernet со скоростью 1000 Гб/с для передачи по оптоволокну и по витой паре.

В зависимости от скорости передачи данных и передающей среды существует несколько вариантов технологии. Независимо от способа передачи стек сетевого протокола и программы работают одинаково практически во всех ниже перечисленных вариантах.

Большинство Ethernet-карт и других устройств имеет поддержку нескольких скоростей передачи данных, используя авто определение скорости и дуплексности, для достижения наилучшего соединения между двумя устройствами. Если авто определение не срабатывает, скорость подстраивается под партнёра, и включается режим полудуплексной передачи. Например, наличие в устройстве порта Ethernet 10/100 говорит о том, что через него можно работать по технологиям 10BASE-T и 100BASE ‑TX, а порт Ethernet 10/100/1000 — поддерживает стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T.

Наиболее распространенными на сегодняшний день являются следующие стандарты Ehternet:

—       10BASE-T, IEEE 802.3i — для передачи данных используется 4 провода кабеля витой пары (две скрученные пары) категории UTP-3 или UTP-5. Максимальная длина сегмента 100 м. Скорость передачи до 10 Мбит/с.

—       100BASE-T (основной, используемый в настоящий момент) — общий термин для обозначения стандартов, использующих в качестве среды передачи данных витую пару. При этом витая пара UTP-5 является самым распространенным физическим стандартом Ethernet сети. Расположение контактов при использовании витой пары UTP-5 и разъёма RJ-45 приведен на рис. 11.14. Длина сегмента до 100 м. Включает в себя стандарты 100BASE-TX, 100BASE-T4 и 100BASE-T2. Задействована витая пара категории 5. Скорость передачи до 100 Мбит/с.

—       1000BASE-T, IEEE 802.3ab — стандарт, использующий витую пару UTP категорий 5e или 6. В передаче данных участвуют все 4 пары. Скорость передачи данных — 250 Мбит/с по одной паре (всего до 1000 Мбит/с).

Перспективные развития стандарта Ethernet:

—       10GBASE-T, IEEE 802.3an-2006 — принят в июне 2006 года. Использует экранированную витую пару STP. Расстояние передачи — до 100 м.

—       10GBASE-SR — Технология 10 Гигабит Ethernet для коротких расстояний (до 26 или 82 м в, в зависимости от типа кабеля), используется многомодовое оптоволокно. Он также поддерживает расстояния до 300 м с использованием нового многомодового оптоволокна (2000 МГц/км).

—       10GBASE-LX4 — использует уплотнение по длине волны в оптических каналах (технология WDM) для поддержки расстояний от 240 до 300 м по многомодовому оптоволокну. Также поддерживает расстояния до 10 км при использовании одномодового оптоволокна.

Рисунок 11.14 — Расположение контактов при использовании витой пары UTP-5 и разъема RJ-45

В 100-мегагерцным Ethernet (T4, TX и FX) используется 8-контактный разъем (RJ-45) для скрученных пар UTP и STP или специальный оптоволоконный соединитель. Сравнительный анализ характеристик различных стандартов 100 BASE приведен в таблицах 11.1 — 11.3.

Таблица 11.1 — Максимальные размеры логического кабельного сегмента

Тип повторителя	Скрученные пары	Оптическое волокно
Один сегмент ЭВМ-ЭВМ	100 м	412 м
Один повторитель класса I	200 м	272 м
Один повторитель класса II	200 м	320 м
Два повторителя класса II	205 м	228 м

Таблица 11.2 — Типовые задержки для различных устройств Fast Ethernet

Сетевое устройство	Задержка [нс]
Повторитель класса I	700
Повторитель класса II (порты T4 и TX/FX)	460
Повторитель класса II (все порты T4)	340
Сетевая карта T4	345
Сетевая карта ТХ или FX	250

За счет использования повторителей и мостов возможна организация сетей Ethernet сложной конфигурации. Типовой вариант использования мостов и повторителей приведен на рис. 11.15, а требования к параметрам отдельных сегментов (на рис. 11.15) приведены в таблице 11.3.

Рисунок 11.15 — Типовой вариант использования мостов и повторителей в сети Ethernet

Таблица 11.3 — Требования к параметрам отдельных сегментов на рис. 11.15

Тип кабеля А (категория)	Тип кабеля В (категория)	Класс повтори-теля	Макс. длина кабеля А	Макс. длина кабеля В	Макс. диаметр сети
5,4,3 (TX, FX)	5,4,3 (TX, FX)	I или II	100 м	100 м	200 м
5 (TX)	Оптоволокно	I	100 м	160,8 м	260,8 м
3 или 4 (T4)	Оптоволокно	I	100 м	131 м	231 м
Оптоволокно	Оптоволокно	I	136 м	136 м	272 м
5 (TX)	Оптоволокно	II	100 м	208,8 м	308,8 м
3 или 4 (T4)	Оптоволокно	II	100 м	204 м	304 м
Оптоволокно	Оптоволокно	II	160 м	160 м	320 м

11.8. Беспроводные сети

Беспроводные технологии — подкласс информационных технологий, служат для передачи информации на расстояние между двумя и более точками, не требуя связи их проводами. Для передачи информации может использоваться инфракрасное излучение, радиоволны или лазерное излучение.

В настоящее время существует множество беспроводных технологий, наиболее часто известных пользователям по их маркетинговым названиям, таким как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth. Каждая технология обладает определёнными характеристиками, которые определяют её область применения (рис. 11.16).

Рисунок 11.16 – Сравнение дальности и скорости передачи различных беспроводных стандартов

К наиболее распространенным стандартам беспроводных сетей относятся IEEE 802.11 (WiFi) и технология IEEE 802.16 (WiMax) – сравнительный анализ приведен в таблице 11.4.

Сравнение технологий WiFi и WiMAX показало следующее.

—       WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного до фиксированного.

—       Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

—       WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Таблица 11.8 — Сравнительный анализ технологий беспроводной связи

11.8.1. Технология WiFi

IEEE 802.11 — стандарт связи, описывающий локальные компьютерные сети, построенные на основе беспроводных технологий. Пользователям этот стандарт более известен по имени Wi-Fi, фактически являющимся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Стандарт Wi-Fi использует технологии коллизионного доступа CSMA/CD или CSMA/CA, передавая данные по радиоканалу с использованием кодирования псевдо-шумовым сигналом (ПШС).

В настоящее время IЕЕЕ 802.11b/g — самые распространённые стандарты, на базе которых построено большинство беспроводных локальных сетей.

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с.

Принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b предусматривает использование не лицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи до 11 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость передачи 54 Мбит/с.

В данное время ведется разработка стандарта 802.11n, который в обозримом будущем сможет обеспечить скорости до 320 Мбит/c.

Установка Wireless LAN рекомендуется там, где развёртывание кабельной системы было невозможно или экономически нецелесообразно. В нынешнее время во многих организациях используется Wi-Fi, так как при определенных условиях скорость работы сети уже превышает 100 Мбит/с. Пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети Wi-Fi.

Таблица 11.5 — Сравнение протоколов 802.11g,  802.11n,  802.11b, Ethernet 10/100, Gigabit Ethernet

Технология	Скорость	Беспро-водная связь	Стоимость
Ethernet 10/100	100 Мбит/с	Нет	Низкая
Gigabit Ethernet	1000 Мбит/с	Нет	Очень высокая
802.11b	11 Мбит/с	Да	Низкая
802.11g	54 Мбит/с	Да	Средняя
802.11n	до 150 Мбит/с на 1 антенну	Да	Высокая

Wi-Fi был создан в 1991 NCR Corporation/AT&T (впоследствии — Lucent и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Вик Хейз (Vic Hayes) — создатель Wi-Fi — был назван «отцом Wi-Fi» и находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g. В 2003 Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то, что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. Чипсет 802.11abg all-in-one (кодовое имя: WARP) от Agere плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа (подключаемой как правило к существующей проводной инфраструктуре) и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Mбит/с каждые 100 мс. Так что 0.1 Mбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт абонентам полную свободу при выборе критериев для соединения и роуминга.

Рисунок 11.16 – Сравнение дальности и скорости передачи различных беспроводных стандартов

К наиболее распространенным стандартам беспроводных сетей относятся IEEE 802.11 (WiFi) и технология IEEE 802.16 (WiMax) – сравнительный анализ приведен в таблице 11.4.

Сравнение технологий WiFi и WiMAX показало следующее.

—       WiMAX это система дальнего действия, покрывающая километры пространства, которая обычно использует лицензированные спектры частот для предоставления соединения с интернетом типа точка-точка провайдером конечному пользователю. Разные стандарты семейства 802.16 обеспечивают разные виды доступа, от мобильного до фиксированного.

—       Wi-Fi это система более короткого действия, обычно покрывающая десятки метров, которая использует нелицензированные диапазоны частот для обеспечения доступа к сети. Обычно Wi-Fi используется пользователями для доступа к их собственной локальной сети, которая может быть и не подключена к Интернету. Если WiMAX можно сравнить с мобильной связью, то Wi-Fi скорее похож на стационарный беспроводной телефон.

—       WiMAX и Wi-Fi имеют совершенно разный механизм Quality of Service (QoS). WiMAX использует механизм, основанный на установлении соединения между базовой станцией и устройством пользователя. Каждое соединение основано на специальном алгоритме планирования, который может гарантировать параметр QoS для каждого соединения. Wi-Fi, в свою очередь, использует механизм QoS подобный тому, что используется в Ethernet, при котором пакеты получают различный приоритет. Такой подход не гарантирует одинаковый QoS для каждого соединения.

Таблица 11.8 — Сравнительный анализ технологий беспроводной связи

11.8.1. Технология WiFi

IEEE 802.11 — стандарт связи, описывающий локальные компьютерные сети, построенные на основе беспроводных технологий. Пользователям этот стандарт более известен по имени Wi-Fi, фактически являющимся брендом, предложенным и продвигаемым организацией Wi-Fi Alliance. Стандарт Wi-Fi использует технологии коллизионного доступа CSMA/CD или CSMA/CA, передавая данные по радиоканалу с использованием кодирования псевдо-шумовым сигналом (ПШС).

В настоящее время IЕЕЕ 802.11b/g — самые распространённые стандарты, на базе которых построено большинство беспроводных локальных сетей.

Изначально стандарт IEEE 802.11 предполагал возможность передачи данных по радиоканалу на скорости не более 1 Мбит/с и опционально на скорости 2 Мбит/с.

Принятый в 1999 году стандарт IEEE 802.11b предусматривает использование не лицензируемого диапазона частот 2,4 ГГц. Скорость передачи до 11 Мбит/с.

Стандарт IEEE 802.11g был утверждён в октябре 2002 г. Этот стандарт предусматривает использование диапазона частот 2,4 ГГц, обеспечивая скорость передачи 54 Мбит/с.

В данное время ведется разработка стандарта 802.11n, который в обозримом будущем сможет обеспечить скорости до 320 Мбит/c.

Установка Wireless LAN рекомендуется там, где развёртывание кабельной системы было невозможно или экономически нецелесообразно. В нынешнее время во многих организациях используется Wi-Fi, так как при определенных условиях скорость работы сети уже превышает 100 Мбит/с. Пользователи могут перемещаться между точками доступа по территории покрытия сети Wi-Fi.

Таблица 11.5 — Сравнение протоколов 802.11g,  802.11n,  802.11b, Ethernet 10/100, Gigabit Ethernet

Технология	Скорость	Беспро-водная связь	Стоимость
Ethernet 10/100	100 Мбит/с	Нет	Низкая
Gigabit Ethernet	1000 Мбит/с	Нет	Очень высокая
802.11b	11 Мбит/с	Да	Низкая
802.11g	54 Мбит/с	Да	Средняя
802.11n	до 150 Мбит/с на 1 антенну	Да	Высокая

Wi-Fi был создан в 1991 NCR Corporation/AT&T (впоследствии — Lucent и Agere Systems) в Ньивегейн, Нидерланды. Продукты, предназначавшиеся изначально для систем кассового обслуживания, были выведены на рынок под маркой WaveLAN и обеспечивали скорость передачи данных от 1 до 2 Мбит/с. Вик Хейз (Vic Hayes) — создатель Wi-Fi — был назван «отцом Wi-Fi» и находился в команде, участвовавшей в разработке таких стандартов, как IEEE 802.11b, 802.11a и 802.11g. В 2003 Вик ушёл из Agere Systems. Agere Systems не смогла конкурировать на равных в тяжёлых рыночных условиях, несмотря на то, что её продукция занимала нишу дешёвых Wi-Fi решений. Чипсет 802.11abg all-in-one (кодовое имя: WARP) от Agere плохо продавался, и Agere Systems решила уйти с рынка Wi-Fi в конце 2004 года.

Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа (подключаемой как правило к существующей проводной инфраструктуре) и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Mбит/с каждые 100 мс. Так что 0.1 Mбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт абонентам полную свободу при выборе критериев для соединения и роуминга.

Рисунок 11.17 – Схема доступа абонентов к WiFi сети

Преимущества Wi-Fi:

—       Позволяет развернуть сеть без прокладки кабеля, может уменьшить стоимость развёртывания и расширения сети. Места, где нельзя проложить кабель, например, вне помещений и в зданиях, имеющих историческую ценность, могут обслуживаться беспроводными сетями.

—       Wi-Fi-устройства широко распространены на рынке. А устройства разных производителей могут взаимодействовать на базовом уровне сервисов.

—       Wi-Fi сети поддерживают роуминг, поэтому клиентская станция может перемещаться в пространстве, переходя от одной точки доступа к другой.

—       Wi-Fi — это набор глобальных стандартов. В отличие от сотовых телефонов, Wi-Fi оборудование может работать в разных странах по всему миру.

Недостатки Wi-Fi

—       Частотный диапазон и эксплуатационные ограничения в различных странах неодинаковы; во многих европейских странах разрешены два дополнительных канала, которые запрещены в США.

—       Довольно высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, что уменьшает время жизни батарей и повышает температуру устройства.

—       Самый популярный стандарт шифрования WEP может быть относительно легко взломан даже при правильной конфигурации (из-за слабой стойкости ключа). Несмотря на то, что новые устройства поддерживают более совершенный протокол шифрования данных WPA, многие старые точки доступа не поддерживают его и требуют замены. Принятие стандарта IEEE 802.11i (WPA2) в июне 2004 года сделало доступной более безопасную схему, которая доступна в новом оборудовании. Обе схемы требуют более стойкий пароль, чем те, которые обычно назначаются пользователями.

—       Wi-Fi имеют ограниченный радиус действия. Типичный домашний Wi-Fi маршрутизатор стандарта 802.11b или 802.11g имеет радиус действия 45 м в помещении и 90 м снаружи. Микроволновая печь или зеркало, расположенные между устройствами Wi-Fi, ослабляют уровень сигнала. Расстояние зависит также от частоты.

—       Наложение сигналов закрытой или использующей шифрование точки доступа и открытой точки доступа, работающих на одном или соседних каналах может помешать доступу к открытой точке доступа. Эта проблема может возникнуть при большой плотности точек доступа, например, в больших многоквартирных домах, где многие жильцы ставят свои точки доступа Wi-Fi.

—       Неполная совместимость между устройствами разных производителей или неполное соответствие стандарту может привести к ограничению возможностей соединения или уменьшению скорости.

—       Во время дождя работает плохо.

В России использование Wi-Fi без разрешения на использование частот от Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) возможно для организации сети внутри зданий, закрытых складских помещений и производственных территорий. Для легального использования вне офисной беспроводной сети Wi-Fi (например, радиоканала между двумя соседними домами) необходимо получение разрешения на использование частот. Действует упрощенный порядок выдачи разрешений на использование радиочастот в полосе 2400 ‑ 2483,5 МГц (стандарты 802.11b и 802.11g), для получения такого разрешения не требуется частное решение ГКРЧ. Для использования радиочастот в других диапазонах, в частности 5 ГГц (стандарт 802.11a), необходимо предварительно получить частное решение ГКРЧ.

В 2007 году ситуация изменилась с выходом документа: «Постановление от 25 июля 2007 г. N 476 О внесении изменений в постановление Правительства Российской Федерации от 12 октября 2004 г. № 539 «О порядке регистрации радиоэлектронных средств и высокочастотных устройств», где из списка оборудования, подлежащего регистрации шестнадцатым пунктом исключено: «Пользовательское (оконечное) оборудование радиодоступа (беспроводного доступа) в полосе радиочастот 2400—2483,5 МГц с мощностью излучения передающих устройств до 100 мВт включительно».

Но, манипулируя неявным определением «оконечное оборудование» (так как оконечным оборудованием так же может считаться и сетевой концентратор конечной магистральной точки) некоторые представители региональных ГКРЧ, являясь одновременно и провайдерами услуг связи в отдельных регионах РФ, обращают изменения Постановления N 476 в удобную себе сторону.

За нарушение порядка использования радиоэлектронных средств предусматривается ответственность по статьям 13.3 и 13.4 Кодекса Российской Федерации об административных правонарушениях (КоАП РФ). Так, в июле 2006 года несколько компаний в Ростове-на-Дону были оштрафованы за эксплуатацию открытых сетей Wi-Fi (хот-спотов). Совсем недавно Федеральная служба по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия издало новое разъяснение использования и регистрации всех устройств, использующих Wi-Fi. Позднее оказалось, что существует комментарий Россвязьохранкультуры, который частично опровергает недоразумения, развитые сетевыми СМИ.

11.8.2. Технология WiMax

WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) — телекоммуникационная технология, разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи на больших расстояниях для широкого спектра устройств (от рабочих станций и портативных компьютеров до мобильных телефонов). Основана на стандарте IEEE 802.16, который также называют Wireless MAN (WiMAX следует считать жаргонным названием, так как это не технология, а название форума, на котором Wireless MAN и был согласован).

Название «WiMAX» было создано WiMAX Forum — организацией, которая была основана в июне 2001 года с целью продвижения и развития технологии WiMAX. Форум описывает WiMAX как «основанную на стандарте технологию, предоставляющую высокоскоростной беспроводной доступ к сети, альтернативный выделенным линиям и DSL».

Максимальная скорость — до 1 Гбит/сек на базовую ячейку.

WiMAX подходит для решения следующих задач.

—       Соединения точек доступа Wi-Fi друг с другом и другими сегментами Интернета.

—       Обеспечения беспроводного широкополосного доступа как альтернативы выделенным линиям и DSL.

—       Предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных и телекоммуникационных услуг.

—       Создания точек доступа, не привязанных к географическому положению.

—       Создания систем удалённого мониторинга (monitoring системы).

Место систем WiMAX среди других технологий при оценке скорости информационного обмена и поддержки мобильных пользователей приведено на рис. 11.18.

Рисунок 11.18 — Место систем WiMAX среди других технологий при оценке скорости информационного обмена и поддержки мобильных пользователей

Версии WiMAX существенно отличаются друг от друга. Хотя ряд базовых требований совпадает, нацеленность технологий на разные ниши привела к созданию двух отдельных версий стандарта. Поэтому WiMAX-системы, основанные на версиях e и d стандарта IEEE 802.16, практически несовместимы.

802.16-2004 (известен также как 802.16d и фиксированный WiMAX). Используется ортогональное частотное мультиплексирование (OFDM), поддерживается фиксированный доступ в зонах с наличием либо отсутствием прямой видимости. Пользовательские устройства представляют собой стационарные модемы для установки вне и внутри помещений. Под эту технологию отведены диапазоны 3,5 и 5 ГГц. Данная технология будет конкурировать или дополнять технологию проводного широкополосного доступа.

802.16-2005 (известен также как 802.16e и мобильный WiMAX). Оптимизированная для поддержки мобильных пользователей. Применяется масштабируемый OFDM-доступ (SOFDMA), возможна работа при наличии либо отсутствии прямой видимости. Планируемые частотные диапазоны для сетей мобильного WiMAX таковы: 2,3-2,5; 2,5-2,7; 3,4-3,8 ГГц. Конкурентами 802.16e являются все мобильные технологии третьего поколения 3G (например, EV-DO, HSDPA).

В России сеть WiMAX 802.16e-2005 развернута «Скартелом» под брендом Yota.

Фиксированный WiMAX позволяет обслуживать только «статичных» абонентов, а мобильный ориентирован на работу с пользователями, передвигающимися со скоростью до 150 км/ч. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как происходит в сетях сотовой связи). В частном случае, мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Технология WiMAX позволяет осуществлять доступ к сети на высоких скоростях, с гораздо большим покрытием, чем у WiFi-сетей. Это позволяет использовать технологию в качестве «магистральных каналов», продолжением которых выступают традиционные DSL- и выделенные линии, а также локальные сети. В результате подобный подход позволяет создавать масштабируемые высокоскоростные сети в рамках городов.