Курс лекций по дисциплине «Информационные сети»

Вид материала

Курс лекций

Содержание Глава 2 Физический и канальный уровни Физический уровень Среда передачи данных Неэкранированная витая пара Экранированная витая пара Оптоволоконный кабель Выбор типа среды передачи данных Канальный уровень Сетевые адаптеры

Подобный материал:

• Курс лекций для студентов очного и заочного отделений по специальности 210406 «Сети, 1072.35kb.
• Курс лекций по дисциплине «Компьютерные сети и телекоммуникации» для студентов факультета, 1959.57kb.
• А. С. Попова Факультет «Информационные сети» Кафедра «Сети связи» Конспект, 640.18kb.
• Программа дисциплины «информационные сети» Индекс дисциплины по учебному плану: опд., 123.28kb.
• Курс лекций по дисциплине «информационные и коммуникационные технологии в образовании», 1679.08kb.
• Курс лекций по дисциплине история экономических учений москва 2008, 5434.7kb.
• Курс лекций по дисциплине "Компьютерные науки", 19.41kb.
• Н. И. Вавилова утверждаю ректор фгоу впо сгау /Н. И. Кузнецов/ 2008 г. Рекламно-техническое, 59.06kb.
• Конспект лекций по дисциплине «Информационные системы в экономике», 1286.5kb.
• Полный курс лекций по Информационным системам информационные системы, 787.33kb.

Глава 2 Физический и канальный уровни

В этой главе:

• Описание уровня 1 (физического) эталонной модели OSI
  
• Кодирование
  
• Название и определение четырех сред передачи данных
  
• Критерии для оценки качественных характеристик среды передачи данных
  
• Описание уровня 2 (канального) эталонной модели OSI
  
• Описание и назначение МАС-адреса
  
• Описание и назначение сетевого адаптера.
  

Введение

В главе 1, "Организация сети и эталонная модель OSI", были рассмотрены два различных типа сетей локальные и глобальные, которые используются предприятиями для реализации коллективного пользования компьютерами, файлами и устройствами. Было также указано, что эталонная модель OSI стала основной архитектурной моделью процесса обмена информацией в сети. Несмотря на то, что были разработаны и другие архитектурные модели, на сегодня большинство поставщиков сетевых решений, рассказывая пользователям о возможностях своих сетевых продуктов, связывают их с эталонной моделью OSI. Кроме того, в этой главе говорилось, что данные всегда движутся по направлению от отправителя к получателю. В данной главе будут рассмотрены основные функции физического и канального уровней эталонной модели OSI. Будет рассказано о различных средах передачи данных, используемых физическим уровнем, включая экранированную и неэкранированную витую пару, коаксиальный и оптоволоконный кабели. Также будет рассмотрена зависимость величины и скорости информационного потока от типа используемой среды передачи данных. Наконец, будет показано, что доступ к среде передачи данных осуществляется на канальном уровне эталонной модели OSI. В частности, будет рассказано, за счет чего данные имеют возможность определять местонахождение своего пункта назначения в сети.

Физический уровень

Термин "физический уровень" используется для того, чтобы показать, как сетевые функции привязаны к эталонной модели OSI. Как здание нуждается в фундаменте, так и сеть должна иметь основание, на котором она будет строиться. В эталонной модели OSI таким фундаментом служит физический уровень (рис. 2.1).

Физический уровень определяет электрические, механические, процедурные и Функциональные спецификации для активизации, поддержания и деактивизации физической связи между конечными системами.

Назначением физического уровня является передача данных. Данные, которыми является любой тип информации (рисунки, тексты и звуки), представлены в виде импульсов: либо электрических, называемых напряжением — при передаче по медному кабелю, либо световых — при передаче по оптоволоконному кабелю. Процесс передачи, называемый кодированием, выполняется с помощью среды передачи данных — кабелей и разъемов.

Среда передачи данных

Средой передачи данных называется физическая среда, пригодная для прохождения сигнала. Чтобы компьютеры могли обмениваться кодированной информацией, среда должна обеспечить их физическое соединение друг с другом. Существует несколько видов сред, применяемых для соединения компьютеров (рис. 2.2):

• коаксиальный кабель;
  
• неэкранированная витая пара;
  
• экранированная витая пара;
  
• оптоволоконный кабель.
  

Рисунок 2.1. В эталонной модели OSI фундаментом является физический уровень



Рисунок 2.2. Обычно в качестве среды передачи данные используются коаксиальный кабель, витая пара и оптоволоконный кабель

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель состоит из внешнего цилиндрического пустотелого проводника, окружающего один внутренний провод (рис. 2.3).

Коаксиальный кабель состоит из двух проводящих элементов. Один из них — медный провод, находящийся в центре кабеля и окруженный слоем гибкой изоляции. Поверх изоляционного материала расположен экран из тонких переплетающихся медных проводов или из металлической фольги, который в электрической цепи играет роль второго провода. Как следует из названия, внешняя оплетка служит для экранирования центрального провода от влияния помех. Снаружи экран покрыт оболочкой



Рисунок 2.3. Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода, окруженного пустотелым цилиндрическим проводником

Для локальных сетей применение коаксиального кабеля дает несколько преимуществ. Коаксиальный кабель может использоваться без усиления сигнала на больших расстояниях, чем экранированная или неэкранированная витая пара. Это означает, что сигнал может проходить более длинные расстояния между сетевыми узлами, не нуждаясь в повторителе для усиления сигнала, как в витой паре Коаксиальный кабель дешевле, чем оптоволоконный. Наконец, в течение долгого времени коаксиальный кабель использовался во всех типах обмена данными, что позволило хорошо изучить эту технологию.

Коаксиальный кабель бывает разной толщины. Как правило, с более толстым кабелем работать менее удобно. Об этом следует помнить, особенно если кабель надо будет протягивать по уже существующим коробам и желобам с ограниченным размером Такой кабель так и называют — толстым (thicknet). Он достаточно жесткий из-за экрана и имеет оболочку желтого цвета. В некоторых ситуациях прокладка толстого кабеля весьма затруднительна, поэтому необходимо помнить, что чем сложнее среда передачи данных в установке, тем дороже сама установка.

Неэкранированная витая пара

Кабель на основе неэкранированной витой пары (unshielded twisted-pair, UTP) используется во многих сетях и представляет собой четыре пары скрученных между собой проводов, при этом каждая пара изолирована от других (рис. 2.4).



Рисунок 2.4. Многие сети используют кабель UTP, который состоит из четырех пар проводов

Кабель UTP, применяемый в сетях передачи данных, имеет четыре пары медных проводов сортамента 22 или 24 и наружный диаметр около 0,17 дюйма (4,35 мм). Небольшой диаметр кабеля UTP дает определенные преимущества при прокладке. Поскольку неэкранированная витая пара может использоваться в большинстве сетевых архитектур, популярность ее продолжает расти.

Кабель UTP проще в установке и дешевле других типов сред передачи данных. Фактически удельная стоимость UTP на единицу длины меньше, чем у любого другого типа кабелей, использующихся в локальных сетях. Однако реальным преимуществом витой пары остается ее размер. Так как этот кабель имеет небольшой внешний диаметр, то он будет не так быстро заполнять сечение коробов, как другие виды кабелей. Этот фактор становится особенно важным, когда речь идет о прокладке сети в старых зданиях. Кроме того, на концах кабеля UTP, как

Первоначально RJ-коннектор применялся для подключения к телефонной линии, а сейчас используется в сетевых соединениях и гарантирует хорошее и надежное подключение. Следовательно, может быть существенно снижено количество потенциальных источников шума в сети.

Вообще говоря, кабель UTP более подвержен электрическим шумам и помехам, чем другие типы носителей. Одно время можно было сказать, что кабель UTP уступает в скорости передачи данных другим видам кабелей. Но сейчас это уже не так. Фактически, сегодня UTP является самой быстрой средой передачи данных на основе медных проводников. Однако, в случае использования кабеля UTP, расстояние между усилителями сигнала меньше, чем при использовании коаксиального кабеля.

Экранированная витая пара

Кабель на основе экранированной витой пары (shielded twisted-pair, STP) объединяет в себе методы экранирования и скручивания проводов. Предназначенный для использования в сетях передачи данных и правильно установленный STP-кабель по сравнению с UTP-кабелем имеет большую устойчивость к электромагнитным и радиочастотным помехам без существенного увеличения веса или размера кабеля.

Кабель STP имеет все преимущества и недостатки кабеля UTP, но он лучше защищает от всех типов внешних помех. Но кабель на основе экранированной витой пары дороже, чем на основе неэкранированной.

В отличие от коаксиального кабеля, в кабеле STP экран не является частью цепи передачи данных. Поэтому у кабеля должен быть заземлен только один конец. Обычно установщики заземляют кабель в концентраторе или в коммутационном шкафу, однако это не всегда легко сделать, особенно, если приходится использовать старые модели концентраторов, не приспособленные для кабеля STP. Неправильное заземление кабеля может стать основной причиной проблем в сети, поскольку в этом случае экран начинает работать как антенна, принимающая электрические сигналы от других проводов в кабеле и от внешних источников электрических шумов. И наконец, длина отрезков кабеля на основе экранированной витой пары без установки усилителей сигналов не может быть такой же большой, как при использовании других сред передачи данных.

Оптоволоконный кабель

Оптоволоконный кабель является средой передачи данных, которая способна проводить модулированный световой сигнал (рис. 2.6).



Рисунок 2.6. Оптоволоконный кабель способен передавать модулированный световой сигнал

Оптоволоконный кабель невосприимчив к электромагнитным помехам и способен обеспечивать более высокую скорость передачи данных, чем кабели UTP, STP и коаксиальный кабель. В отличие от других сред передачи данных, имеющих в основе медные проводящие элементы, оптоволоконный кабель не проводит электрические сигналы. Вместо этого в оптоволоконном кабеле соответствующие битам сигналы заменяются световыми импульсами. Своими корнями оптоволоконная связь уходит в изобретениях, сделанных еще в XIX веке. Но только в 1960-х годах с появлением твердотельных лазерных источников света и высококачественного беспримесного стекла она начала активно применяться на практике. Широкое распространение оптоволоконный кабель получил благодаря телефонным компаниям, которые увидели его преимущества в междугородней связи.

Оптоволоконный кабель, использующийся в сетях передачи данных, состоит из двух стекловолокон, заключенных в отдельные оболочки. Если посмотреть на кабель в поперечном сечении, то можно увидеть, что каждое стекловолокно окружено слоем отражающего покрытия, затем следует слой из пластмассы, имеющей название кевлар (Kevlar) (защитный материал, обычно использующийся в пуленепробиваемых жилетах), и дальше идет внешняя оболочка. Внешняя оболочка обычно делается из пластика и служит для защиты всего кабеля. Она отвечает требованиям соответствующих противопожарных и строительных норм.

Назначение кевлара состоит в том, чтобы придать кабелю дополнительные упругие свойства и предохранить от механического повреждения хрупкие толщиной в человеческий волос стекловолокна. Если требуется прокладка кабеля под землей, то иногда для придания дополнительной жесткости в его конструкцию вводят провод из нержавеющей стали.

Светопроводящими элементами оптоволоконного кабеля являются центральная жила и светоотражающее покрытие. Центральная жила — это обычно очень чистое стекло с высоким коэффициентом преломления. Если центральную жилу окружить покрытием из стекла или пластмассы с низким коэффициентом преломления, то свет может, как бы захватываться центральной жилой кабеля. Этот процесс называется полным внутренним отражением и позволяет оптопроводящему волокну играть роль световода и проводить свет на огромные расстояния, даже при наличии изгибов.

Кроме того, что оптоволоконный кабель устойчив к электромагнитным помехам, он также не подвержен влиянию и радиочастотных помех. Благодаря отсутствию внутренних и внешних шумов сигнал может проходить по оптоволоконному кабелю большее расстояние, чем в любых других средах передачи данных. Поскольку электрические сигналы не используются, оптоволоконный кабель является идеальным решением для соединения зданий, имеющих разное электрическое заземление. Принимая во внимание, что длинные пролеты медного кабеля между зданиями могут быть местом попадания ударов молнии, использование оптоволокна в этой ситуации также более удобно.

Кроме того, подобно кабелю UTP, оптоволоконный кабель имеет небольшой диаметр, и он относительно плоский и похож на шнур от лампы. Поэтому в один желоб легко помещается несколько оптоволоконных кабелей. Таким образом, этот носитель является идеальным решением для старых зданий с ограниченным пространством.

Оптоволоконный кабель дороже и сложнее в установке, чем другие носители. Так как разъемы для этого кабеля представляют собой оптические интерфейсы, то они должны быть идеально плоско отполированными и не иметь царапин. Таким образом, установка может оказаться достаточно сложной. Обычно даже тренированному монтажнику для создания одного соединения требуется несколько минут. Все это может существенно повысить почасовую стоимость работы, и при создании крупных сетей стоимость работ может стать неприемлемо высокой.

Выбор типа среды передачи данных

Различные критерии, такие как скорость передачи данных и стоимость, помогают определить наиболее подходящую среду передачи данных. Тип материала, используемого в сети для обеспечения соединений, определяет такие параметры, как скорость передачи данных и их объем. Другим фактором, влияющим на выбор типа среды передачи данных, является ее стоимость.

Для достижения оптимальной производительности необходимо добиться, чтобы сигнал при движении от одного устройства к другому как можно меньше затухал. Причиной затухания сигнала может быть несколько факторов. Как будет показано далее, во многих носителях используется экранирование и применяются технические решения, предотвращающие ослабление сигнала. Однако использование экранирования становится причиной увеличения стоимости и диаметра кабеля, а также приводит к усложнению его прокладки.

Кроме того, в сетевых средах передачи данных могут использоваться различные типы оболочек. Оболочка, являясь внешним покрытием кабеля, обычно изготавливается из пластика, не липкого покрытия или композитного материала. При проектировании локальной сети следует помнить, что кабель, проложенный между стенами, в шахте лифта или проходящий по воздуховоду системы вентиляции, может стать факелом, способствующим распространению огня из одной части здания в другую. Кроме того, пластиковая оболочка в случае ее возгорания может стать причиной возникновения токсичного дыма. Для исключения подобных ситуаций существуют соответствующие строительные нормы, нормы пожарной безопасности и нормы техники безопасности, которые определяют типы оболочек кабелей, которые могут использоваться. Поэтому при определении типа среды передачи данных для использования при создании локальной сети следует (наряду с такими факторами, как диаметр кабеля, его стоимость и сложность прокладки) также учитывать и эти нормы.

Для лучшего понимания концепции выбора носителя можно представить два города, расположенных в нескольких милях друг от друга и соединенных двумя дорогами. Одна дорога имеет небольшую ширину и дешевое покрытие. Для примера можно взять однополосную дорогу с гравийным покрытием. Другая дорога — значительно шире и покрыта дорогостоящим материалом, например четырехполосная автострада с покрытием из армированного бетона.

Если планируется совершить утреннюю экскурсию из города А в город В, то скорее всего будет выбрана однополосная гравиевая дорога; с другой стороны, если необходимо доставить критического больного из города А в больницу города В, то использовать эту дорогу было бы безрассудством. Ведь более быстрая, гладкая и широкая автострада значительно лучше приспособлена для потребностей скорой помощи.

Эти города напоминают два соединенных компьютера, а дороги — сетевые носители, работающие на физическом уровне. Как в примере с городами и дорогами, тип соединительных материалов, используемых при создании сети, определяет объем и скорость передачи данных.

Канальный уровень

Как было сказано в главе 1, "Организация сети и эталонная модель OSI", все данные в сети отправляются источником и движутся в направлении получателя. К тому же, было определено, что функцией физического уровня является передача данных. После того как данные отправлены, канальный уровень эталонной модели OSI обеспечивает доступ к сетевым среде передачи данных и физическую передачу в среде, позволяющей данным определять местоположение адресата в сети. Также канальный уровень отвечает за выдачу сообщений об ошибках, учет топологии сети и управление потоком данных.

В эталонной модели OSI канальный и физический уровни являются смежными. Как было сказано в главе 1, "Организация сети и эталонная модель OSI", канальный уровень обеспечивает надежный транзит данных через физический уровень. Этот уровень использует адрес управления доступом к среде передачи данных (Media Access Control, MAC). Как было сказано ранее, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, дисциплины линий связи (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки кадров и управления потоком информации. Кроме того, канальный уровень использует МАС-адрес в качестве средства задания аппаратного или канального адреса, позволяющего нескольким станциям коллективно использовать одну и ту же среду передачи данных и одновременно уникальным образом идентифицировать друг друга. Для того чтобы мог осуществляться обмен пакетами данных между физически соединенными устройствами, относящимися к одной локальной сети, каждое устройство-отправитель должно иметь МАС-адрес, который оно может использовать в качестве адреса пункта назначения.

МАС-адреса

Каждый компьютер, независимо от того, подключен он к сети или нет, имеет уникальный физический адрес. Не существует двух одинаковых физических адресов. Физический адрес (или МАС-адрес) зашит на плате сетевого адаптера (рис. 2.7).



Рисунок 2.7. Плата сетевого адаптера

Таким образом, в сети именно плата сетевого адаптера подключает устройство к среде передачи данных. Каждая плата сетевого адаптера, который работает на канальном уровне эталонной модели OSI, имеет свой уникальный МАС-адрес.

В сети, когда одно устройство хочет переслать данные другому устройству, оно может установить канал связи с этим другим устройством, воспользовавшись его МАС-адресом. Отправляемые источником данные содержат МАС-адрес пункта назначения. По мере продвижения пакета в среде передачи данных сетевые адаптеры каждого из устройств в сети сравнивают МАС-адрес пункта назначения, имеющийся в пакете данных, со своим собственным физическим адресом. Если адреса не совпадают, сетевой адаптер игнорирует этот пакет, и данные продолжают движение к следующему устройству.

Если же адреса совпадают, то сетевой адаптер делает копию пакета данных и размешает ее на канальном уровне компьютера. После этого исходный пакет данных продолжает движение по сети, и каждый следующий сетевой адаптер проводит аналогичную процедуру сравнения.

Сетевые адаптеры

Сетевые адаптеры преобразуют пакеты данных в сигналы для передачи по сети. В ходе изготовления фирмой-производителем каждому сетевому адаптеру присваивается физический адрес, который заносится в специальную микросхему, устанавливаемую на плате адаптера. В большинстве сетевых адаптеров МАС-адрес зашивается в ПЗУ. Когда адаптер инициализируется, этот адрес копируется в оперативную память компьютера. Поскольку МАС-адрес определяется сетевым адаптером, то при замене адаптера изменится и физический адрес компьютера; он будет соответствовать МАС-адресу нового сетевого адаптера.

Для примера можно представить себе гостиницу. Предположим далее, что комната 207 имеет замок, открывающийся ключом А, а комната 410 — замок, открывающийся ключом F. Принято решение поменять замки в комнатах 207 и 410. После замены ключ А будет открывать комнату 410, а ключ F — комнату 207. В этом примере замки играют роль сетевых адаптеров, а ключи — роль МАС-адресов. Если адаптеры поменять местами, то изменятся и МАС-адреса.

Резюме

• Функцией физического уровня является передача данных.
  
  • Для соединения компьютеров может использоваться несколько типов сред передачи данных. -Коаксиальный кабель, состоящий из внешнего цилиндрического пустотелого проводника, окружающего единственный внутренний провод. -Неэкранированная витая пара, использующаяся во многих сетях и представляющая собой четыре пары скрученных между собой проводов. -Экранированная витая пара, которая объединяет методы экранирования, подавления помех и скручивания проводов.
    
  • Оптоволоконный кабель, являющийся носителем, который способен проводить модулированный световой сигнал.
    
• Для определения наиболее подходящего типа среды передачи данных могут использоваться различные критерии, например скорость передачи данных и стоимость.
  
  • Канальный уровень эталонной модели OSI обеспечивает доступ к среде передачи данных и саму физическую передачу данных, при которой данные имеют возможность определять
    
  • местоположение получателя в сети.
    
• Канальный уровень обеспечивает надежный транзит данных через физический канал связи. Этот уровень использует МАС-адрес — физический адрес, информация о котором находится на плате сетевого адаптера.
  
• Сетевые адаптеры преобразуют пакеты данных в сигналы, которые и посылают в сеть. Каждому адаптеру физический адрес присваивается фирмой-производителем.