Физический уровень модели OSI

Три нижних уровня модели OSI являются сетезависимыми, т. е. программные и аппаратные средства физического, канального и сетевого уровней зависят от сетевых технологий. Аппаратные средства физического уровня представлены медными и оптоволоконными кабелями, беспроводной средой передачи данных, разъемами, повторителями сигналов (repeater), многопортовыми повторителями или концентраторами ( hub ), преобразователями среды ( transceiver ), например, преобразователями электрических сигналов в оптические и наоборот. Отдельно следует отметить сетевые карты (Network Interface Card – NIC ), функционирование которых охватывает как канальный, так и физический уровни. В модели TCP/IP канальный и физический уровни представлены объединенным уровнем Network Access.

В качестве среды передачи в компьютерных сетях используют коаксиальный кабель ( coaxial cable ), неэкранированную ( UTP – Unshielded Twisted Pair) и экранированную витую пару ( STP – Shielded Twisted Pair), оптоволоконный кабель ( fiber optic ), беспроводные радиоканалы. Для каждой среды и технологии передачи данных определен свой стандарт.

3.1. Медные кабели

Локальные сети, как правило, строятся на основе неэкранированной витой пары UTP. Экранированная витая пара (STP) по сравнению с неэкранированной обеспечивает лучшую защиту передаваемого сигнала от помех. Однако UTP дешевле, поэтому применяется в наиболее популярных технологиях Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet. Такие кабели называют также симметричными в отличие от коаксиальных медных кабелей.

В кабеле UTP четыре пары скрученных медных проводов. Поэтому для подключения кабеля к компьютерам или другим сетевым устройствам используется разъем (коннектор) RJ-45, имеющий 8 контактов.

Основными характеристиками кабелей являются: максимальная частота передаваемого по кабелю сигнала, затухание, величина перекрестных наводок, сопротивление, емкость и др. Основные характеристики специфицированы международным стандартом ISO/IEC 11801. Стандарт ISO/IEC 11801 специфицирует кабели по категориям (таблица 3.1). Кабели категории 7 – экранированные.

Ранее использовавшийся в локальных сетях Ethernet кабель UTP категории 3 в сетях Fast Ethernet заменен кабелем категории 5. В настоящее время кабель UTP категории 5 заменяется кабелем категории 5е, по которому передаются данные со скоростью выше 125 Мбит/с. Симметричные кабели UTP обеспечивают передачу сигналов на расстояние до 100 м.

Для подключения конечного узла (host), например компьютера, к повторителю или коммутатору (3.1а) применяется прямой кабель (Straight-through Cable), схема подключения проводов которого к контактам разъемов приведена на 3.1б. Первая пара проводов (контакты 1, 2) используется для передачи, вторая пара (контакты 3, 6) – для приема. Оставшиеся 2 пары не задействованы.

Прямой кабель используется для соединений:

Для соединения коммутаторов (switch) или концентраторов (hub) между собой используется .

Кроссовый кабель задействует 4 провода, причем контакты 1 и 2 одного разъема RJ-45 соединяются с контактами 3 и 6 другого.

Кроссовый кабель используется для соединений:

Для конфигурирования коммутатора или маршрутизатора их соединяют с последовательным СОМ-портом (RS-232) персонального компьютера. При этом применяется консольный кабель, называемый также Rollover Cable (рис 3.3). Из рис 3.3 следует, что второй разъем кабеля имеет нумерацию контактов, обратную первому.

Интерфейс коммутатора или маршрутизатора для связи с терминалом называется консольным портом. При необходимости могут использоваться переходные адаптеры от разъема RJ-45 консольного кабеля к разъему DB-9 или DB-25 СОМ-порта терминала.

3.2. Волоконно-оптические кабели

В качестве среды передачи в сетях наряду с электрическими кабелями широко используется волоконно-оптический кабель (fiber optic). Достоинством волоконно-оптического кабеля является отсутствие необходимости скручивания волокон или их экранирования, т. к. отсутствуют проблемы перекрестных помех (crosstalk) и электромагнитных помех от внешних источников. Это позволяет передавать сигналы на большее расстояние по сравнению с симметричным медным кабелем.

Оптическое волокно представляет собой двухслойную цилиндрическую структуру в виде сердцевины (оптического световода) и оболочки. Причем сердцевина и оболочка имеют разную оптическую плотность или показатель преломления n. Чем больше оптическая плотность материала, тем больше замедляется свет по сравнению со скоростью в вакууме. Значение показателя преломления сердцевины n₁ выше показателя преломления n₂ оболочки (n₁ > n₂).

Передача оптического излучения по световоду реализуется за счет свойства внутреннего отражения, которое обеспечивается неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n₁ > n₂, при этом сердцевина с большим показателем преломления является оптически более плотной средой.

Когда луч света 1 (рис 3.4) падает на границу раздела двух прозрачных материалов с коэффициентами преломления n₁ и n₂, причем n₁ > n₂, свет делится на две части.

Часть светового луча отражается назад в исходную среду (сердцевину) с углом отражения $$\vartheta$$ ₃, равным углу падения $$\vartheta$$ ₁. Другая часть энергии светового луча пересекает границу раздела двух сред и вступает во второе вещество (оболочку) под углом $$\vartheta$$ ₂. Эта часть энергии, попавшая в оболочку, характеризует потери энергии, которая должна была распространяться по сердцевине. При увеличении угла падения $$\vartheta$$ ₁ возрастает угол преломления $$\vartheta$$ ₂. При некотором значении угла $$\vartheta$$ ₁, называемом критическим $$\vartheta$$ _кр, луч 2 (рис 3.4) не преломляется; часть его отражается, а часть скользит вдоль границы раздела, т. е. угол преломления равен 90 $$\deg$$. При условии, что угол падения будет больше критического $$\vartheta$$ ₁ > $$\vartheta$$ _кр и n₁ > n₂, наступает эффект полного внутреннего отражения, когда вся энергия светового луча остается внутри сердцевины, т. е. луч света распространяется по световоду без потерь на большое расстояние.

Диапазон углов падения лучей света, входящих в волокно, при котором реализуется первое условие полного внутреннего отражения, называется числовой апертурой волокна. Лучи света должны входить в сердцевину только под углом, находящимся внутри числовой апертуры волокна. Поскольку лучи входят под разными углами, они отражаются от границы раздела сердцевины и оболочки под разными углами и проходят разное расстояние до устройства назначения (рис 3.5,3.5а, 3.5б).

Эти составляющие лучей света называются модами. Возникновение мод в оптическом волокне возможно, если диаметр сердцевины сравнительно большой. Такое волокно называется многомодовым (multimode).

В стандартном многомодовом оптическом кабеле используется сердцевина диаметром 62,5 или 50 микрон и оболочка диаметром 125 микрон. Такие кабели обозначаются 62,5/125 или 50/125. Наличие многих мод приводит к появлению межмодовой дисперсии (размыву) передаваемого импульсного сигнала. Из-за дисперсии снижается скорость передачи данных, т. к. размытые импульсы накладываются друг на друга и уменьшается расстояние, на которое можно передать данные. Для снижения влияния многих мод на величину дисперсии при большом диаметре сердцевины разработано специальное многомодовое волокно с градиентным показателем преломления.

Одномодовое волокно (singlemode) имеет меньший диаметр сердцевины, что позволяет только одной моде луча света распространяться по сердцевине вдоль оси волокна. Диаметр сердцевины одномодового волокна уменьшен до значения восемь-десять микрон. Обычно одномодовое волокно маркируют следующим образом – 9/125. Это означает, что диаметр сердцевины составляет 9 микрон, а оболочки – 125 микрон. Одномодовое волокно более дорогое по сравнению с многомодовым. Однако в одномодовых кабелях выше скорость передачи данных и больше расстояние, на которое могут быть переданы данные. Поэтому одномодовые кабели используется в локальных сетях для соединений между зданиями, а в технологиях линий SDH – для междугородней связи.

В одномодовом волокне межмодовая дисперсия отсутствует. Однако хроматическая дисперсия характерна как для многомодового, так и для одномодового волокна. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что волны света разной длины проходят через оптическое волокно с несколько различными скоростями. В идеале источник света (светодиод или лазер) должен генерировать свет только одной частоты, тогда хроматической дисперсии не было бы. Однако лазеры и особенно светодиоды генерируют целый спектр частот (длин волн). Поэтому расстояние и скорость передачи данных ограничиваются дисперсией и затуханием сигнала в волокне.

В качестве источников света для оптических кабелей применяются:

Расстояние передачи сигналов в локальных сетях, определенное стандартом Gigabit Ethernet, составляет до 5 км, а определенное стандартом 10Gigabit Ethernet – до 40 км.

Для приема оптических сигналов применяют фотодиоды, которые преобразуют принятые оптические импульсы в электрические. Фотодиоды производятся для работы на длинах волн 850, 1310 или 1550 нм.

3.3. Беспроводная среда

Беспроводная среда образуется совокупностью радиоканалов, сгруппированных в несколько частотных диапазонов. Три частотных диапазона: 900 МГц, 2,4 ГГц и 5 ГГц рекомендованы ITU для использования в промышленности, науке и медицине (Industrial, Scientific, Medical – ISM) и не требуют лицензирования. В указанных частотных диапазонах и строится большинство беспроводных локальных и глобальных сетей связи. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий. Однако число каналов и, следовательно, пользователей при этом снижается.

Техника модуляции широкополосных сигналов позволяет повысить помехозащищенность при сосредоточенных помехах высокого уровня и низком уровне сигнала. На практике широко применяют технологии Прямое последовательное расширение спектра (Direct Sequence Spread Spectrum – DSSS ) и Ортогональное частотное мультиплексирование (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM ). Устройства, использующие OFDM, имеют более высокую скорость передачи данных. Однако устройства с модуляцией DSSS – проще и дешевле. Мультиплексирование каналов производится на основе техники, называемой Множественным доступом с кодовым разделением (Code Division Multiple Access – CDMA ).

В настоящее время широко применяются беспроводные сети, которые реализуют соединения абонентов через беспроводные точки доступа (Wireless Access Point – WAP ). При этом абоненты (хосты) должны комплектоваться беспроводными сетевыми картами. В свою очередь, беспроводные точки доступа могут соединяться с другими сетевыми устройствами, например с коммутаторами или маршрутизаторами, посредством кабелей, образуя достаточно разветвленную сеть.

Беспроводная ( wireless ) среда регламентируется набором стандартов, которые различаются частотным диапазоном, скоростью передачи данных и расстоянием.

Стандарт IEEE 802.11 (Wi-Fi) является основным стандартом беспроводных локальных сетей (Wireless LAN – WLAN ). Параметры беспроводных сетей в значительной мере определяются используемой техникой модуляции. Основные параметры технологий стандарта 802.11 (Wi-Fi) приведены в таблице 3.2.

Стандарт IEEE 802.11a регламентирует работу WLAN-устройств в частотном диапазоне 5 ГГц. Скорость передачи – до 54 Мбит/с, а в некоторых случаях – до 108 Мбит/с. В производственных технологических сетях скорость передачи обычно оценивается в 20-26 Мбит/с. Использование высокочастотного диапазона 5 ГГц стандарта 802.11a ограничивает расстояние передачи и распространение радиоволн внутри зданий. Применяемый вид модуляции – OFDM. Устройства стандарта 802.11a не могут взаимодействовать с устройствами стандарта 802.11b и 802.11g, поскольку последние работают в диапазоне 2,4 ГГц.

В настоящее время устройства стандарта 802.11b и 802.11g получили широкое распространение. Устройства стандарта 802.11b функционируют в частотном диапазоне 2,4 ГГц и характеризуются скоростью передачи до 11 Мбит/с; вид модуляции – DSSS.

Устройства стандарта 802.11g являются совместимыми с устройствами 802.11b, поскольку работают в том же частотном диапазоне 2,4 ГГц. В устройствах этого стандарта может использоваться как техника модуляции OFDM, так и DSSS. При технике модуляции OFDM скорость передачи данных такая же, как в устройствах стандарта 802.11a (до 54 Мбит/с). При технике модуляции DSSS скорость передачи данных – до 11 Мбит/с. В настоящее время разработаны точки доступа, которые позволяют устройствам стандартов 802.11b и 802.11a сосуществовать в одной беспроводной сети WLAN. Точка доступа предоставляет услуги шлюза ( gateway ) для связи устройств двух разных стандартов. Более низкий частотный диапазон увеличивает расстояние передачи и улучшает распространение радиоволн внутри зданий по сравнению с 802.11a.

Достоинства частотного диапазона 2,4 ГГц обусловили большое количество пользователей, что приводит к его перегрузке и взаимному влиянию устройств.

Новые устройства стандарта 802.11n способны работать в частотном диапазоне как 5 ГГц, так и 2,4 ГГц. Значение скорости передачи – от 100 до 210 Мбит/с.

Помимо сетей вышеприведенных стандартов создаются и эксплуатируются сети стандарта IEEE 802.15 (Wireless Personal Area Network – WPAN), или Bluetooth, которые являются примером персональных сетей (Personal Area Network – PAN). Кроме того, существуют сети стандарта IEEE 802.16 (Worldwide Interoperability for Microwave Access – WiMAX), которые обеспечивают широкополосную связь на значительно большее расстояние по сравнению с вышеприведенными технологиями.

3.4. Топология сетей

Объединение сетевых узлов и станций в сеть связи реализуется на основе различных топологий. Топологии локальных и глобальных сетей различаются.

Следует различать физическую и логическую топологии сети. Физическая топология представляет собой наиболее общую структуру сети и отображает схему соединения сетевых элементов кабелями связи. Логическая топология показывает, как по сети передаются определенные единицы информации.

В локальных сетях наибольшее распространение получили следующие физические топологии (рис 3.6): шина (bus), звезда (star), расширенная звезда (extended star), кольцо (ring), а также полносвязная топология, где все узлы связаны между собой (mesh topology) индивидуальными линиями.

Разделяемая (shared) линия, или среда передачи данных, когда пользователи делят линии связи между собой, снижает стоимость сети. Но в каждый момент времени линией может пользоваться только одна пара абонентов, из-за чего могут возникнуть очереди, а также коллизии.

Топология на основе шины (bus) характеризуется тем, что передачу данных в данный момент времени может вести только один узел. Ожидание своей очереди на передачу данных является недостатком этой топологии. При выходе какого-то узла из строя вся остальная сеть будет функционировать без изменений. Другими достоинствами топологии являются экономное расходование кабеля, простота, надежность и легкость расширения сети.

Топология "звезда" (star) требует применения центрального устройства. Выход из строя одного узла не повлияет на работоспособность остальной сети. Сеть легко модифицируется путем подключения новых узлов. Из недостатков можно отметить уязвимость центра и увеличенный расход кабеля по сравнению с шинной топологией.

При использовании топологии "кольцо" (ring) сигналы передаются в одном направлении от узла к узлу. При выходе из строя любого узла прекращается функционирование всей сети, если не предусмотрен обход вышедшего из строя узла.

Логическая топология сети определяет, как узлы общаются через среду, т. е. как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: "точка-точка" (point-to-point), множественного доступа (multi access), широковещательная (broadcast) и маркерная (token passing).

Логическая топология "точка-точка" обеспечивает передачу данных от одного узла до другого независимо от промежуточных устройств между ними. Протокол управления передачей данных при такой топологии может быть очень простым, поскольку другие адресаты отсутствуют. Следовательно, при использовании этой топологии не требуются физические адреса.

Топология множественного доступа характерна для Ethernet-сетей, реализованных на многопортовых повторителях (hub). Доступ к разделяемой общей шине имеют все узлы, но в каждый момент времени передавать данные может только один узел. При этом остальные узлы могут только "слушать".

Использование широковещательной топологии определяет, что каждый узел посылает свои данные всем другим узлам сетевой среды. При этом неизвестно, какие станции функционируют.

Маркерная логическая топология, так же как топология множественного доступа реализует разделение общей среды. Однако если в топологии multi access Ethernet-сетей доступ к среде случайный (не детерминированный), то в маркерной топологии доступ к среде детерминированный. Электронный маркер (token) последовательно передается каждому узлу, обычно по кольцу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть. Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Топологию token passing используют сети Token Ring и Fiber Distributed Data Interface (FDDI).

Физическая и логическая топологии сети могут быть одинаковыми или разными. Например, широко известная сетевая технология Ethernet может использовать концентраторы ( ).(рис 3.7) Топология: физическая – "звезда", логическая – "шина" представляет собой "звезду", поскольку все компьютеры подключены к центральному устройству – концентратору (hub). Логическая же топология – "шину", поскольку внутри концентратора все компьютеры подсоединены к общей магистрали.

На практике широко используется комбинация топологий. Например, (рис 3.8) ядро сети содержит узлы коммутации (УК1,…УК5), объединенные для повышения надежности и отказоустойчивости по полносвязной топологии. В целом топология сети представляет собой расширенную звезду или радиально-узловой способ построения сети, когда оконечные пункты (ОП) подключены к узлам У, которые, в свою очередь, соединены с узлами коммутации УК ядра сети.

Краткие итоги

Вопросы

Упражнения