Рівень фізичний

Нижнім рівнем моделі є фізичний рівень. Основною функцією цього рівня є фізичне кодування біта кадру в електричний сигнал і передає по лініях зв`язку.

Рівень відповідає за фізичні характеристики мережі: тип кабелю, що використовується для під`єднання пристроїв, тип з`єднувачів, довжина кабелю і т.д.

Крім цього фізичний рівень відповідає також за електричні характеристики сигналів, які використовуються системою для передачі даних від одного мережевого вузла до іншого. При цьому для позначення сигналу використовується звичайна бінарна система: 0,1. Значення бітам інформації приписуються уже на більш високих рівнях моделі OSI.

Отже, забезпечує механічні, електричні, функціональні і процедурні засоби організації фізичних з'єднань при передачі біт даних між фізичними об'єктами.

Забезпечує такі різновиди сервісу:

– налаштування постійних або тимчасових фізичних сполучень;

– ідентифікація фізичних сполучень;

– організація послідовного передавання;

– повідомлення про розриви, збої.

Є такі два види фізичних сполучень для передавання даних:

– двопунктове – це сполучення між двома станціями;

– багатопунктове – між трьома і більше станціями.

Протокол фізичного рівня:

• IEEE 802.5 – забезпечує фізичне підключення для Token Ring.

Чотири нижніх рівні утворюють транспортну службу комп'ютерної мережі, що забезпечує передачу ("транспортування") інформації між робочими станціями, звільняючи більш високі рівні від рішення цих задач.

В свою чергу, три верхніх рівні, що забезпечують логічну взаємодію прикладних процесів, функціонально поєднуються в абонентську службу.

1.3.3 Мережеві стандарти та специфікація

Організація ISO визначає стандарти як документовані угоди, які містять технічні специфікації чи інші точні критерії, які потрібно дотримуватися в якості правил, директив чи необхідних параметрів, які визначають відповідність матеріалів, продуктів, процесів чи послуг своєму призначенню. Організація ISO є визнаним органом стандартизації. Проте, це не єдина організація, яка розробляє і публікує стандартизовані специфікації на комп’ютери та мережеві компоненти. Існують: IEEE, IETF, ITU, IEC.

1.4 Методи мережевої комунікації

1.4.1 Сигнали

Існують багато способів фізичного створення і передачі сигналів: електричні імпульси можуть проходити по мідному проводу, імпульси світла – по скляному або пластмасовому волокну, радіосигнали передаються по повітрі, так само передаються і лазерні імпульси в інфрачервоному, або видимому діапазоні. Перетворення одиниць або нулів, що представляють дані в комп’ютері, в імпульси називається кодуванням (модуляцією).

Подібно класифікації комп’ютерних мереж, сигнали можна класифікувати на основі їх різноманітних характеристик. Сигнали бувають наступні:

• аналогові і цифрові;

• немодульовані і модульовані;

• синхронні і асинхронні;

• симплексні, полудуплексні, дуплексні і мультиплексні.

Важливою характеристикою методу передачі є пропускна здатність каналу.

1.4.2 Методи доступу до мережі

Розглянемо, яким чином мережа обробляє сигнали від багатьох комп’ютерів і як вони всі попадають в пункт призначення. Щоб сигнали не “налізали” один на одного, потрібні методи доступу до мережі.

Метод доступу – це комплекс правил, взаємодії комп`ютерів з провідним середовищем і між собою в мережі на апаратному рівні. Цю функцію виконує найнижчий рівень канального рівня протоколу – МАС – підрівень керування доступом до фізичного середовища.

Методи доступу до середовища передавання діляться на методи випадкового та детермінованого доступу. При випадковому методі доступу вузол, який бажає посилати кадр в мережу, прослуховує лінію. Якщо лінія зайнята або виявлена колізія (зіткнення сигналів двох передавачів), спроба передачі відкладається на деякий час.

Основні різновиди:

• CSMA/CA – множинний доступ з прослухуванням несучої ( носійної частоти) і уникненням колізій. Вузол попередньо прослуховує канал і при відсутності несучої він надсилає короткий сигнал запиту на передачу і певний час чекає відповіді від кінцевого пункту. При відсутності відповіді (можлива колізія) передача відкладається, при отриманні відповіді в лінію посилається кадр. Метод не дозволяє повністю уникнути колізії, але вони обробляються на вищих рівнях протоколу.

• CSMA/CD – множинний доступ з прослуховуванням несучої і виявленням колізій. Колізії виникають тому, що є тимчасова затримка сигналу під час проходження по каналу: сигнал було передано, але він не дійшов до вузла, що прослуховує канал, тому вузол починає передачу даних, вважаючи канал вільним. Вузол попередньо прослуховує лінію. При відсутності несучої, він починає передачу кадру, одночасно контролюючи стан каналу. При виявленні колізії передача зупиняється, і повторна спроба відкладається на деякий час. Час визначається за допомогою спеціальних алгоритмів, направлених на зниження ймовірності повторної колізії. Колізії – нормальне, але не часте явище для CSMA/CD. Їх частота пов`язана з кількістю і активністю підключених вузлів. В випадку одночасної передачі декількома станціями відбувається зіткнення і спотворення інформації. Наявність колізій визначається шляхом порівняння інформації, що передається з інформацією в каналі. Цей метод ефективніший, ніж CSMA/CA, але потребує складних та дорогих схем ланок доступу; ефективна, якщо навантаження мале,з його збільшенням вплив колізії збільшується.

Загальним недоліком випадкових методів доступу – є невизначений час проходження кадру, що різко зростає при збільшенні навантаження на мережу, що обмежує їх використання в системах реального часу. Прикладом мережі CSMA/CA є мережа Ethernet.

При детермінованому методі вузли отримують доступ до середовища в певному порядку. Послідовність визначається контролером мережі, який може бути централізованим (його функції може виконувати, наприклад сервер) або/і розподіленим (функції виконуються обладнанням всіх вузлів).

Основні типи:

• доступ з передачею маркера (використовується в мережах TokenRing, ARCnet);

• метод опитування.

Основна перевага методу – обмежений час проходження кадру, що мало залежить від навантаження.

Широко використовується метод маркерного доступу (множинний доступ з передачею повноважень), який полягає в тому, що в мережу вводять спеціальний кадр – маркер, який переходить від станції до станції почергово. Як звичайно, це залежить від адреси станції (за зростанням або спаданням її номера). Остання станція передає маркер першій і так виникає логічне кільце. Станція, яка в конкретний момент часу містить маркер, отримує право на передавання.

Маркерний метод доступу означено для мереж шинної, кільцевої, зіркоподібних конфігурацій. Його використовують в мережах Arcnet, Domein, Token Ring. Стандартизовано маркерні методи доступу в ІЕЕЕ-802.4-5.

Маркерний доступ у шинній мережі

Станція, що є в логічному кільці, постійно прослуховує шину і приймає адресовані їй кадри. Якщо цей кадр маркерний, то станція у випадку наявності інформації спочатку передає інформаційний кадр, а потім – маркерний, якщо ж інформації на передавання немає, то лише маркерний.

Маркерний доступ у кільцевій мережі

У кільцевій мережі маркер немає адреси. Натомість він може бути у двох станах – вільному або зайнятому. Якщо станції мережі не мають інформаційного кадру, то по мережі проходить вільний маркер. Станція, яка має інформацію для передавання, чекає вільного маркера. Коли цей маркер приходить до неї, станція змінює його стан на зайнятий і додає ще інформаційний кадр. Зайнятий кадр переміщується кільцем. Змінити його стан на вільний може тільки станція, яка його зайняла. Інформаційний кадр має у заголовку адресу призначення, яку станції, приймаючи та передаючи кадр, аналізують. Станція, якій цей кадр адресовано, передає його на вищий рівень і повторює дальше по мережі. Таким чином, маркер з інформаційним кадром через деякий час знову потрапляє на станцію, яка його зайняла. У цьому випадку станція забирає кадр з мережі і звільнює маркер.

Метод маркерного доступу має ряд переваг:

• забезпечується достатньо ефективне використання каналу передачі даних;

• надає можливість реалізації режиму роботи в режимі реального часу;

• виключає зіткнення повідомлень;

• дозволяє достатньо просто реалізувати приоритетний доступ.

До недоліків методу слід віднести залежність роботи мережі від фізичних характеристик передавального середовища, зокрема втрата маркера або його роздвоєння призводить до неправильності роботи мережі. Тому необхідно за допомогою спеціальних процедур відслідковувати втрату маркера чи появу декількох маркерів.

Метод опитування (централізоване передавання) використовується в шинних мережах. Контролер керує передаванням. Найпростіший варіант централізованого керування реалізується на базі циклічного опитування. Контролер по черзі опитує (посилає кадри) приєднані пристрої. Вони відповідають, надсилаючи в мережу інформацію або кадр, якщо інформації немає. Контролер після отримання кадру опитує наступний пристрій і т.д.

Мережі з опитуванням невеликі. Іх використовують в лабораторному, аерокосмічному, побутовому, військовому обладнанні.

Недоліки:

• наявність великого потоку керування;

• надійність мережі визначається надійністю контролера;

• мережа обмежена щодо кількості абонентів.

Чим більше абонентів, тим більше часу треба на опитування, тим менша пропускна здатність. Прикладом мережі з опитуванням є мережа стандарту MIL 1553В (стандарт цієї мережі розроблено для ВПС США, як основу передавання даних у військових літальних апаратах).