Библиотека Интернет Индустрии I2R.ru

Эталонная модель OSI
Способы реализации физического уровня

Сегодня, в период стремительного взлета информационных технологий, одной из основных движущих сил прогресса является стремление к объединению, интеграции отдельных единиц оборудования и целых компьютерных систем. Корпоративные сети охватывают континенты, Всемирная паутина оплела весь земной шар. Главным орудием такой интеграции, бесспорно, являются сетевые технологии. Развитие сетевых технологий шло постепенно, по мере формирования микроэлектронной базы и решения других сопутствующих проблем. Некоторые из направлений уже успели умереть или близки к этому, другие — приспособились, трансформировались, третьи — бурно и успешно развиваются. Данный цикл статей предназначен для тех, кто хочет понять, КАК все это работает. Речь не о том, плохо или хорошо, быстро или медленно, а в том, что происходит внутри всех этих ящиков, коробок и коробочек. По аналогии с водителем, который умеет не только завести двигатель, но и предпринять меры для надежной работы (сменить масло, подрегулировать зазоры и т.д.), а также диагностировать простейшие неисправности (пересосал, провода подмокли). Можно, конечно, просто позвонить по сотовому на сервис, но одним не позволяет гордость, а другим — финансы.

Как и любое освоение того или иного предмета, изучение сетевых технологий начинается с базовых понятий, необходимых для дальнейших шагов. Как ребенок учит названия вещей и действий, с которыми он будет иметь дело в большом мире, так и мы должны знать названия и содержание тех понятий, которыми будем оперировать. «Теория суха», — сказал один классик, а другой добавил: «Нет ничего практичнее хорошей теории».

Эталонная модель OSI

В основе сетевых технологий лежит эталонная модель OSI (Open System Interconnection, взаимодействие открытых систем). Она подразделяет работающее оборудование и процессы, происходящие при объединении компьютерных сетей, согласно логике их работы. Каждый из уровней выполняет свою специфическую функцию, тем самым облегчая проектирование и понимание всей системы в целом. При сетевом обмене каждый из уровней на одном компьютере сообщается со своим «коллегой» на другом компьютере. Делается это не напрямую, а путем запроса на обслуживание у нижележащего. Уровни могут иметь одинаковую реализацию (пример — сеть на основе Windows) или разную (UNIX-хост и ПК с модемом и Web-браузером). Самое главное — они идентично работают, демонстрируя полное взаимопонимание. Самому нижнему уровню свалить работу не на кого, поэтому физическая реализация должна совпадать (по крайней мере, на уровне одного сегмента сети). В целом все напоминает сообщение по почте, когда отправитель и адресат обмениваются информацией, не вступая в непосредственный контакт друг с другом, а запрашивая услуги почты, которая, в свою очередь, запрашивает услуги у транспортных компаний.

Как принимающий запрос (оказывающий услугу) уровень понимает, что от него требуется? Для этого предназначена дополнительная

Заголовки и эталонная модель OSI

информация, называемая заголовком и помещаемая перед полезной информацией, которую следует передать. В некоторых случаях, но не всегда, добавляется еще и концевик. Служебные пакеты, например запрос о ближайшем сервере, могут состоять из одного заголовка (и, возможно, концевика). Например, уровень 4 добавляет к сообщению, полученному сверху, свой заголовок и передает все это вниз. Уровень 3 добавляет свой заголовок, и теперь данными уже является и то, что получил номер 4, и заголовок, который он добавил. Таким образом, короткое сообщение, пройдя все уровни сверху донизу, может вырасти во много раз (причем чем меньше сообщение, тем больше относительный рост). Компьютер-адресат разбирает сообщение, снимая заголовки и концевики, при этом каждый из уровней снимает свой заголовок и согласно содержащейся в нем информации передает данные выше.

Эталонная модель OSI и сетевые коммуникации

На каждом из уровней единицы информации называются по-разному. На физическом уровне мельчайшая единица — бит. На канальном уровне информация объединена во фреймы (или пакеты). На сетевом уровне мы говорим о дейтаграммах. На транспортном уровне единицей измерения является сегмент. Прикладные уровни обмениваются сообщениями. Прямая параллель с файловой системой на диске: локальные изменения намагниченности — биты объединены в сектора, имеющие заголовки, сектора объединяются в блоки, а те, в свою очередь, в файлы, тоже имеющие заголовки, содержащие служебную информацию.

Эталонная модель OSI

Важно понимать, что эталонная модель не является чем-то реальным, обеспечивающим связь. Сама по себе она не заставляет коммуникации работать, но служит лишь для протоколов. Протоколом мы будем считать набор спецификаций, согласно которым происходит воплощение в жизнь одного или нескольких уровней OSI. Спецификации протоколов разрабатываются стандартизирующими организациями либо производителями оборудования. Многие разработанные производителями протоколы оказываются настолько успешными, что применяются не только разработчиками, но и другими фирмами, становясь стандартом де-факто. Впоследствии они часто утверждаются в качестве стандарта де-юре.

Физический уровень

Уровень 1 — физический, который, как следует из названия, определяет механические и электрические параметры среды передачи, интерфейсных плат, соединителей, а также способы помещения информации в среду передачи и извлечения ее оттуда. Спецификации физического уровня определяют тип разъема и назначение ножек, уровни сигналов, скорость передачи и т.д. Примеры спецификаций физического уровня — RS-232, RS-449.

Канальный уровень

Уровень 2 — канальный, формирующий последовательности пакетов или фреймов из битов, получаемых от физического уровня. Грубой аналогией может служить телеграфный аппарат, преобразующий последовательность точек и тире в буквы национального алфавита. Здесь также осуществляется управление доступом к передающей среде, разделяемой всеми сетевыми устройствами, обнаруживается и корректируется часть ошибок. Как и большинство других уровней, канальный добавляет заголовок к передаваемой информации. В заголовке обычно содержится адрес (физический) приемника, адрес источника и, возможно, другая информация.

Сетевой уровень

Уровень 3 — сетевой, заведует движением информации по сетям, состоящим из нескольких или многих сегментов. Для успешного решения этой задачи в протокол данного уровня вносится информация о логическом адресе источника и адресата пакета. При прохождении пакетов через узлы, соединяющие различные сети, эта информация анализируется и пакет пересылается к следующему узлу, принадлежащему уже к другому сегменту. Информация о том, куда пересылать пакет, может содержаться в таблицах устройства, выполняющего роль маршрутизатора, или вычисляться в реальном времени (что делается значительно реже). Таким образом, переходя от узла к узлу, пакеты путешествуют по сети. В функции сетевого уровня входят также идентификация и удаление «заблудившихся» пакетов, то есть таких, которые прошли через некоторое число узлов, но так и не попали к адресату.

Транспортный уровень

Уровень 4 — транспортный, находится в самом центре эталонной модели. Он отвечает за гарантированную доставку данных, компенсируя ошибки, которые могли возникнуть при работе нижележащих уровней. «Гарантированная доставка» не означает, что данные попадут к адресату в любом случае: оборванный кабель, отстыкованный разъем, сгоревшая сетевая плата — все это «гарантирует недоставку». Однако надежные реализации протоколов транспортного уровня обеспечивают подтверждение успеха или неуспеха доставки, информируя вышележащие уровни, которые передают сообщение программному приложению, потребовавшему обслуживания. Гарантированная доставка осуществляется при помощи различных механизмов, в числе которых установление и разрыв соединения, подтверждение, контроль скорости потока.

Сеансовый уровень

Уровень 5 — сеансовый, отвечает за вызовы удаленных процедур (Remote Procedure Calls, RPC). Это специальный интерфейс, поддерживаемый соответствующими протоколами, когда вызов программной процедуры производится на одном компьютере, а выполнение — на другом, затем результат возвращается вызвавшей программе так, словно процедура была выполнена локально. Такой интерфейс практически прозрачен для локального ПО. Сеансовый уровень также контролирует установление, течение и завершение сеанса связи между взаимодействующими программами, о чем и говорит его название.

Представительский уровень

Уровень 6 — представительский, занимается преобразованиями формата, упаковкой, распаковкой, шифрованием и дешифрованием. Здесь осуществляется преобразование лишь формата, а не логической структуры данных. То есть уровень 6 представляет данные в том виде и формате, какой необходим для последнего из вышележащих уровней.

Прикладной уровень

Последний уровень модели OSI называется прикладным. Он отвечает за интерфейс с пользователем и взаимодействие прикладных программ, выполняемых на взаимодействующих компьютерах. Предоставляемые услуги — электронная почта, идентификация пользователей, передача файлов и т.п.

Описанная очень кратко и упрощенно, эталонная модель, тем не менее, весьма полезна для лучшего понимания при дальнейшем изучении предмета.

Способы реализации физического уровня

Физический уровень состоит из кабелей и соединительных разъемов. Наиболее дешевым и, пожалуй, самым распространенным сегодня кабелем является неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair, UTP). Такой кабель состоит из четырех пар одножильных изолированных проводов, заключенных в оболочку из гибкого пластика. Провода каждой пары свиты между собой для повышения помехоустойчивости. С целью снижения взаимных наводок шаг скрутки у всех пар разный. Провода пар различаются цветом изоляции (оранжевый, зеленый, коричневый, голубой), причем один из них окрашен целиком, а другой — белого цвета, с нанесенной полоской цвета пары. Достаточно часто наносятся поперечные колечки, но при работе с кабелем они менее удобны (колечко пришлось обкусить, а следующее спрятано под оболочкой) и, кроме того, легко стираются. Цвета, шаг скрутки и диаметр проводов жестко нормированы. Для соединения применяются разъем RJ-

Контейнер RJ45

45, похожий на телефонный, но с восемью контактами. Кабель разделывается соответствующим образом и вставляется в разъем, который обжимается специальными щипцами. Надежный контакт достигается за счет того, что позолоченные контактные пластины врезаются в медные жилы проводов. Механическая прочность обеспечивается тем, что оболочка кабеля также обжимается. В большинстве случаев, а именно в сетях, реализованных по стандартам 10Base-T, 100Base-TX и 1000Base-T, используются только две пары из четырех — одна пара для приема и одна для передачи. Тем не менее для обеспечения совместимости рекомендуется разводить все четыре пары, то есть полностью выполнять все требования

Кабель категории 5

Категории 5. Поскольку тип разъема во всех сетях, использующих кабель с витой парой, одинаков, при замене оборудования не понадобится проводить наиболее трудоемкую операцию — замену кабельной системы.

Кроме того, встречается и другой тип кабеля — так называемый тонкий коаксиальный кабель (Thin Coaxial Cable). Почему его называют тонким? Да просто потому, что тот кабель, с которого начиналась

Тонкий кабель Ethernet

история Ethernet, был гораздо толще, весьма неудобен при прокладке, стоил дороже, требовал специальных адаптеров для присоединения к плате, но позволял иметь большую длину сегмента. В настоящее время подобный кабель (толстый, Thick Ethernet) не используется. Так что в дальнейшем речь будет идти только о тонком кабеле, соответствующем спецификации RG58 A/U (это именно спецификация, определяющая волновое сопротивление, затухание и другие параметры, а не тип кабеля). Волновое сопротивление кабеля (параметр, показывающий отношение между амплитудами падающих волн напряжения и тока, определяется конструктивными характеристиками) составляет 50 Ом, что исключает его использование для присоединения домашнего телевизора к антенне. Вполне допустимо применение кабеля РК50 российского производства. Для соединения отрезков кабеля между собой используются BNC-разъемы, центральный контакт которых позолочен. Использование разъемов типа СР75 российского производства не рекомендуется, так как у них центральный контакт покрыт слоем серебра, которое имеет свойство со временем покрываться прочной черной пленкой сульфида серебра. Для присоединения к сетевым платам и другим устройствам используются T-коннекторы. Во избежание возникновения стоячих волн к обоим концам каждого из сегментов присоединяется терминатор, представляющий собой BNC-разъем, не имеющий отверстия для подключения кабеля и с помещенным внутри резистором сопротивлением 50 Ом. Для соединения отдельных отрезков кабеля между собой с целью удлинения без соединения с сетевым оборудованием используются специальные соединители, напоминающие T-коннекторы, но без гнезда для подключения к сетевой плате.

Следующим важным и активно развивающимся типом среды передачи является оптоволокно. При этой технологии передача информации происходит посредством световых импульсов. Для обеспечения приемлемой дальности при разумной мощности сигнала свет излучается внутрь световода, который направляет его к точке доставки. Световод изготовляется из оптически прозрачного материала (пластик, стекло, кварц) и представляет собой тонкое волокно, у которого коэффициент преломления изменяется по диаметру таким образом, чтобы отклонившийся к краю луч возвращался обратно к центру. Достоинства: большая дальность (до 40 км), устойчивость к электромагнитным помехам. Недостатки: высокая стоимость и сложность монтажа, особенно соединения кабеля. Для достижения приемлемых потерь размеры оптических разъемов выдерживаются с прецизионной точностью, а для сращивания кабеля используется специальная, также прецизионная аппаратура. В настоящее время оптоволоконная технология для локальных сетей все еще остается экзотикой, применяемой для связи высокопроизводительных серверов, тем более что наличие стандарта 1000Base-T позволяет получить приемлемые характеристики при меньших затратах. Широкое применение оптоволоконные технологии нашли в коммуникационной сфере, но это уже другая тема.

Другие типы кабеля в России применяются редко, так как в основном используются в сетях IBM Token Ring и FDDI, не получивших в России широкого распространения.

Продолжение следует