Физический уровень передачи данных

1.

Физический
уровень передачи
данных
1

2.

Физический уровень передачи
данных
Физический уровень отвечает за установление,
поддержание и деактивизацию канала между
конечными
системами,
выполняет
идентификацию каналов, оповещает о появлении
неисправностей и отказов, а также, в требуемых
случаях,
прослушивает
каналы
с
целью
определения в них активности.
2

3.

Спецификации физического уровня детально
описывают
механические,
оптические,
электрические, функциональные интерфейсы со
средой передачи: напряжения, частоты, длины
волн, разъемы, число и функциональность
контактов, схемы кодирования сигналов и т.д.
Также физический уровень рассматривает
вопросы, связанные с физической топологией
сетей.
3

4.

• Линия связи (transmission link) – это
физическая среда, по которой передаются
сигналы между двумя конечными системами;
• Среда передачи (transmission medium)
материальная субстанция, через которую
осуществляется распространение сигналов;
4

5.

5

6.

• Канал (channel, data link) представляет собой
совокупность одной или нескольких физических
сред передачи данных и каналообразующего
(сетевого) оборудования, которые обеспечивают
передачу данных между взаимодействующими
системами в виде сигналов, соответствующих типу
физической среды;
• Составной канал (circuit) образуется
отдельными каналами промежуточных звеньев и
внутренними соединениями в коммутаторах
6

7.

Состав линии связи
7

8.

Различают физические (physical
логические (logical link) каналы
link)
и
• Физический канал связи представляет собой
средство
передачи
сигналов
взаимодействующими системами
между
Физические каналы подразделяются на:
•электрические (витая пара, коаксиальный
кабель),
•оптические (волоконно-оптический кабель)
•беспроводные (радиоканалы, инфракрасные
каналы и т.д.)
8

9.

• Логические
каналы устанавливаются между
протоколами
любых
уровней
взаимодействующих систем и определяют путь,
по которому данные передаются от источника к
приемнику через один или последовательность
физических каналов
9

10.

Каналы
(линии)
классифицировать
на
признаков:
связи
можно
основе
следующих
• по типу физической среды;
• по
типу
информации;
представления
передаваемой
• по направлению передачи данных;
• по времени существования;
• по способу подключения;
• по ширине полосы пропускания
10

11.

В зависимости от типа представления
передаваемой информации каналы делятся
на аналоговые, предназначенные для
передачи
аналоговых
сигналов
и
дискретные, служащие для передачи
дискретных (цифровых) сигналов.
11

12.

В зависимости от направления передачи
данных различают каналы:
• симплексные (simplex), в которых передача
осуществляется только в одном направлении;
• полудуплексные
(half-duplex), в которых
передача ведется поочередно в прямом и
обратном направлении;
• дуплексные
(duplex), в которых передача
ведется одновременно в двух направлениях прямом и обратном.
12

13.

СИМПЛЕКСНЫЙ КАНАЛ
ПОЛУДУПЛЕКСНЫЙ
КАНАЛ
ДУПЛЕКСНЫЙ КАНАЛ
13

14.

По способу подключения каналы делятся на:
• «точка-точка» (point-to-point),
• «точка-многоточка» (point-to-multipoint),
• «многоточка» (multipoint).
Канал «точка-точка» связывает только два
узла или две взаимодействующих системы.
Канал
«точка-многоточка»
обеспечивает
соединение одной центральной системы (узла) с
группой
других
систем
(узлов).
Канал
«многоточка» обеспечивает подключение друг к
другу группы узлов или систем.
14

15.

Аппаратура
передачи данных
15

16.

Аппаратура передачи данных (Data
Circuit Equipment, DCE)
DCE в компьютерных сетях непосредственно
присоединяет компьютеры или коммутаторы к
линиям связи и является пограничным
оборудованием. Традиционно аппаратуру
передачи данных включают в состав линии
связи.
DCE отвечает за передачу информации в
физическую среду и прием из нее сигналов
нужной формы, мощности и частоты.
16

17.

Примерами DCE являются модемы (для
телефонных линий), терминальные адаптеры
сетей ISDN, устройства для подключения к
цифровым
каналам
первичных
сетей
DSU/CSU (Data Service Unit/Circuit Service
Unit).
17

18.

Оконечное оборудование данных (Data
Terminal Equipment, DTE)
Аппаратура
пользователя
линии
связи,
вырабатывающая данные для передачи по линии
связи и подключаемая непосредственно к
аппаратуре передачи данных, носит обобщенное
название оконечное оборудование данных
(Data Terminal Equipment, DTE)
Примером DTE могут служить компьютеры,
коммутаторы и маршрутизаторы. Эту аппаратуру
не включают в состав линии связи.
18

19.

Для подключения DCE-устройств к DTEустройствам существует несколько стандартных
интерфейсов. Они работают на коротких
расстояниях друг от друга, как правило,
несколько метров
Промежуточная
аппаратура
используется на линиях связи
протяженности. Она решает две
задачи:
обычно
большой
основные
• улучшение качества сигнала;
• создание
постоянного составного канала связи
между двумя абонентами сети.
19

20.

• В локальных сетях промежуточная аппаратура
может
совсем
не
использоваться,
если
протяженность физической среды − кабелей
или радиоэфира − позволяет одному сетевому
адаптеру принимать сигналы непосредственно
от
другого
сетевого
адаптера
без
дополнительного усиления.
В
противном
случае
применяется
промежуточная аппаратура, роль которой здесь
играют устройства типа повторителей и
концентраторов.
20

21.

•В
глобальных сетях необходимо обеспечить
качественную передачу сигналов на расстояния в
сотни и тысячи километров.
Используются усилители (для повышения
мощности сигналов) и регенераторы (для
восстановления формы импульсных сигналов,
исказившихся
при
передаче
на
большое
расстояние).
21

22.

•В
первичных
сетях
необходима
промежуточная коммутационная аппаратура
−
мультиплексоры
(MUX),
демультиплексоры и коммутаторы. Эта
аппаратура создает между двумя абонентами
сети постоянный составной канал из
отрезков физической среды − кабелей с
усилителями.
22

23.

В зависимости от типа промежуточной
аппаратуры все линии связи делятся на
аналоговые и цифровые.
В аналоговых линиях промежуточная
аппаратура предназначена для усиления
аналоговых сигналов, то есть сигналов,
которые имеют непрерывный диапазон
значений.
23

24.

В цифровых линиях связи передаваемые
сигналы имеют конечное число состояний.
С помощью таких сигналов передаются как
компьютерные данные, так и оцифрованные
речь и изображение. В цифровых линиях
связи
используется
специальная
промежуточная
аппаратура
–
регенераторы, которые улучшают форму
импульсов и восстанавливают период их
следования.
24

25.

26.

Под
открытыми
спецификациями
понимаются опубликованные, общедоступные
спецификации, соответствующие стандартам
и принятые в результате достижения
согласия после всестороннего обсуждения
всеми заинтересованными сторонами.

27.

Открытой может быть названа любая система
(компьютер,
вычислительная
сеть,
ОС,
программный пакет, другие аппаратные и
программные продукты), которая построена в
соответствии с открытыми спецификациями.
Под
термином
«спецификация»
в
вычислительной
технике
понимают
формализованное описание аппаратных или
программных
компонентов,
способов
их
функционирования, взаимодействия с другими
компонентами, условий эксплуатации, особых
характеристик.

28.

Если две сети построены с соблюдением
принципов открытости, это дает следующие
преимущества:
• возможность построения сети из аппаратных и
программных
средств
различных
производителей, придерживающихся одного и
того же стандарта;
• безболезненная замена отдельных компонентов
сети другими, более совершенными, что
позволяет сети развиваться с минимальными
затратами;
• легкость сопряжения одной сети с другой.

29.

Источники стандартов
• стандарты отдельных фирм;
• стандарты
специальных
объединений
создаются
компаниями;
комитетов и
несколькими
• национальные стандарты;
• международные
стандарты, например
модель
и
стек
коммуникационных
протоколов Международной организации
по стандартизации (ISO),.

30.

Стандартные стеки
коммуникационных
протоколов

31.

Стек OSI
В отличие от других стеков протоколов,
стек OSI полностью соответствует
модели OSI, включая спецификации
протоколов для всех семи уровней
взаимодействия, определенных в этой
модели

32.

Стек IPX/SPX
Стек IPX/SPX является оригинальным
стеком протоколов фирмы Novell,
разработанным
для
сетевой
операционной системы NetWare еще в
начале 80-х годов

33.

Стек NetBIOS/SMB
Стек NetBIOS/SMB является совместной
разработкой компаний IBM и Microsof

34.

Стек TCP/IP
Стек TCP/IP был разработан более 25 лет назад для
связи экспериментальной сети ARPAnet с другими
сетями как набор общих протоколов для
разнородной вычислительной среды
Популярность операционной системы Unix привела
к широкому распространению протоколов TCP, IP
и других протоколов стека
Сегодня этот стек используется для связи
компьютеров в Интернете, а также в огромном
числе корпоративных сетей.

35.

Соответствие популярных стеков
протоколов модели OSI

36.

Сетевые
характеристики

37.

Понятие
качества
обслуживания
можно
трактовать очень широко, включая в него все
возможные и желательные для пользователя
свойства
сети
и
поставщика
услуг,
поддерживающего работу этой сети
Для того чтобы пользователь и поставщик услуг
могли более конкретно обсуждать проблемы
обслуживания и строить свои отношения на
формальной
основе,
существует
ряд
общепринятых
характеристик
качества
предоставляемых сетью услуг.

38.

Типы характеристик
Все множество характеристик качества
транспортных услуг сети можно отнести
к одной из следующих групп:
• производительность;
• надежность;
• безопасность;
• характеристики,
имеющие
только для поставщика услуг.
значение

39.

• Долговременные
характеристики
определяются на промежутках времени от
нескольких месяцев до нескольких лет. Эти
параметры
сети
прямо
влияют
на
характеристики качества услуг сети

40.

• Среднесрочные
характеристики
определяются на интервалах времени от
нескольких секунд до нескольких дней, как
правило, включающих обслуживание большого
количества пакетов

41.

• Краткосрочные
характеристики относятся
к темпу обработки отдельных пакетов и
измеряются
в
микросекундном
и
миллисекундном диапазонах

42.

Для анализа и обеспечения требуемого
уровня
краткосрочных
характеристик
разработано большое количество методов,
получивших название методов контроля и
предотвращения перегрузок

43.

Производительность

44.

Передача пакетов идеальной сетью

45.

Передача пакетов реальной сетью

46.

Существуют
различные
характеристики
производительности сети (называемые также
метриками производительности сети)
Нельзя в общем случае говорить, что одни из
этих характеристик более, а другие − менее
важные.
Относительная
важность
характеристик зависит от типа приложения,
трафик которого переносит сеть.

47.

Схема активных измерений

48.

Основные
характеристики
кабелей
48

49.

Основными
параметрами
электрических
кабелей,
представляющими
практический
интерес
и
нормируемыми
действующими
редакциями стандартов, являются:
• затухание (коэффициент затухания);
• перекрестные
наводки на ближнем
(NEXT) и дальнем конце (FEXT);
конце
• импеданс (волновое сопротивление);
• активное сопротивление;
• емкость;
• диаметр или площадь сечения проводника.
49

50.

Затухание сигнала – уменьшение мощности
(амплитуды) сигнала при передаче между двумя
точками.
Является одним из основных параметров,
учитываемых при проектировании канала связи
и расчета максимальной длины кабеля.
50

51.

Перекрестные наводки на ближнем конце
(NEXT) и дальнем конце (FEXT) являются
результатом
интерференции
сигналов,
передаваемых по соседним парам проводников.
Значения NEXT и FEXT зависят от частоты
сигнала.
51

52.

Импеданс – это полное (активное и
реактивное) сопротивление в электрической
цепи, измеряется в Омах и является
относительно
постоянной
величиной
для
кабельных систем (в области высоких частот
(свыше 100 МГц) импеданс зависит от частоты).
52

53.

Активное
сопротивление
–
это
сопротивление
постоянному
току
в
электрической цепи. В отличие от импеданса
активное сопротивление не зависит от частоты
и возрастает с увеличением длины кабеля.
53

54.

Емкость – это свойство
проводников
накапливать
энергию.
металлических
электрическую
Этот параметр является нежелательным.
Чем меньше значение емкости в кабеле, тем
лучше, т.к. высокое значение приводит к
искажению сигнала и ограничивает полосу
пропускания канала связи.
54

55.

Диаметр
или
площадь
сечения
проводника в европейских и международных
стандартах указывается в миллиметрах.
В современных компьютерных сетях для
медных проводников принято использовать
американскую систему маркирования AWG
(American Wire Gauge, американский калибр
проводов), которая вводит некоторые условные
типы
проводников,
например:
наиболее
употребительные 22AWG, 24AWG, 26AWG.
55

56.

Коаксиальный
кабель
Coaxial cable
56

57.

Коаксиальный кабель (Coaxial cable) –
электрический кабель, состоящий из сооснорасположенных центрального проводника и
экрана,
и
служащий
для
передачи
высокочастотных сигналов. Он характеризуется
высокой помехозащищенностью и малым
затуханием сигналов
57

58.

Конструкция:
58

59.

Твинаксиальный
кабель
Twinaxial cable
59

60.

Твинаксиальный
кабель
–
это
высококачественный электрический кабель,
похожий по конструкции на коаксиальный
кабель, но содержащий два внутренних
проводника.
Диаметр проводников кабеля лежит в
диапазоне от 30 AWG до 24 AWG. Его волновое
сопротивление 100 Ом
60

61.

Кабель на основе
«витой пары»
Twisted pair
61

62.

Витая пара – изолированные проводники,
попарно
скрученные
между
собой
с
необходимым числом раз на единицу длины и
заключенные в пластиковую оболочку
62

63.

Попарное скручивание проводов позволяет
уменьшить воздействие перекрестных помех, так
как электромагнитные волны, излучаемые
каждым проводом, взаимно гасятся. Шаг скрутки
для разных пар различен и определен в
стандартах.
63

64.

Кабель, как правило, содержит несколько витых
пар: обычно в пучке 2, 4, 6, 8, 25, 50 или 100 пар.
Для локальных сетей чаще всего используются
кабели с четырьмя парами.
Проводники в парах изготавливаются из меди.
Они могут быть цельными (из одного провода) или
скрученными (из множества тесно прилегающих
друг к другу тонких проводков).
64

65.

Толщина проводников составляет от 0,4 до 0,6
мм в метрической системе и от 26 до 22 AWG в
американской системе AWG соответственно. В
стандартных 4-х парных кабелях в основном
используются проводники диаметром 0,51 мм
(24 AWG)
65

66.

Конструкция:
Проводники помещены в оболочку из
поливинилхлорида (PVC), полипропилена (PP)
или полиэтилена (PE). Особенно качественные
кабели имеют изоляцию из вспененного
(ячеистого) полиэтилена, который обеспечивает
низкие диэлектрические потери, или тефлона,
обеспечивающего широкий рабочий диапазон
температур.
66

67.

Неэкранированная витая пара UTP
Неэкранированный
кабель
не
имеет
дополнительного
экрана,
обеспечивающего
защиту от электромагнитных наводок и
несанкционированного прослушивания.
67

68.

Экранированная витая пара STP
Экранированные
кабели
имеют
дополнительную защиту. Существует несколько
разновидностей
кабелей
на
основе
экранированной витой пары:
• экранированная
Twisted Pair);
витая
пара
(STP,
Shielded
• защищенная витая пара (ScTP, Screened Twisted
Pair);
• защищенная экранированная витая пара (SSTP,
Screened Shielded Twisted Pair).
68

69.

Фольгированная витая пара F/UTP
В защищенной
неэкранированных
внешний экран.
витой паре
пар имеется
вокруг всех
один общий
Существует несколько разновидностей кабеля.
• В кабеле F/UTP экран сделан из фольги.
• В кабеле S/UTP экран сделан в виде проволочной
оплетки.
• В кабеле SF/UTP имеется два внешних экрана из
фольги и медной оплетки.
69

70.

Защищенная экранированная
витая пара S/FTP
Защищенная экранированная витая пара
является полностью экранированной. Имеется как
отдельный экран вокруг каждой пары проводов,
так и общий вокруг всех пар.
Существует две разновидности этого кабеля:
• В кабеле F/FTP экраны вокруг пар и общий экран
сделаны из фольги.
•В
кабеле S/FTP экраны вокруг пар сделаны из
фольги, общий экран – медная оплетка.
70

71.

Несмотря на то, что экранирование повышает
помехозащищенность, оно делает экранированные
кабели дороже и тяжелее по сравнению с
неэкранированными. Помимо этого они требуют
правильного заземления.
Поэтому в локальных сетях, работающих на
скоростях 100 или 1000 Мбит/с, применяются в
основном неэкранированные кабели. Однако стоит
отметить, что для высокоскоростных сетей 10
Гбит/с, 40 Гбит/с, 100 Гбит/с стандарты определяют
использование только экранированных кабелей.
71

72.

Кабели на основе витой пары подразделяются
на категории в зависимости от своей полосы
пропускания. При этом, чем выше категория, тем
большую полосу пропускания имеет кабель и тем
лучше его характеристики.
Максимальное расстояние передачи по кабелю
на основе витой пары равно 100 м, если не
существует
каких-либо
ограничений
соответствующего стандарта
72

73.

Полос
Назван
Название
а
Скорость
ие
Прилож Дополнения и
EIA/TIAпропу
передачи
ISO/IEC
ения
комментарии
568
скани
данных
11801
я
10BASEдо 100Мбит/с
T,
4-х парный
при
100BASE кабель UTP.
Category
использовании 2
до 125
-TX
Наиболее
5e
пар
МГц (2 пары ) распространен в
(Cat. 5е)
до 1Гбит/с при
1000BAS современных
использовании 4
E-T
сетях.
пар
(4 пары )
73

74.

Волоконнооптический
(оптоволоконный)
кабель
Optical Fiber
74

75.

Волоконно-оптический кабель, в медных
кабелей, передает не электрические, а световые
сигналы. Особенности оптоволокна делают его
идеальной средой для передачи значительного
объема информации при больших скоростях на
длинные расстояния.
75

76.

Преимущества оптического кабеля заключаются
в высокой пропускной способности, высокой
помехозащищенности,
хорошей
защите
от
несанкционированного доступа, малом диаметре,
небольшом весе, отсутствии необходимости в
заземлении и большой дальности передачи.
К недостаткам оптических кабелей можно
отнести сложность монтажа и высокую стоимость
оптических сетевых устройств.
76

77.

Конструкция:
Волоконно-оптический кабель – это среда
передачи, состоящая из оптических волокон,
заключенных в защитную внешнюю оболочку.
Для обеспечения необходимой механической
прочности и предотвращения больших механических
напряжений
в
волоконно-оптическом
кабеле
вводятся специальные силовые элементы. Силовые
элементы размещаются в центре (для большей
гибкости) и на периферии (для большей стойкости к
ударам и растягивающим нагрузкам).
77

78.

Оптические волокна
основные группы:
делятся
на
две
• многомодовые (Multi-Mode optical Fiber, MMF)
• одномодовые (Single-Mode optical Fiber, SMF)
78

79.

Многомодовые
двух видов:
волокна
изготавливают
• со ступенчатым изменением показателя
преломления;
• с плавным изменением показателя
преломления.
79

80.

Волокно со ступенчатым профилем состоит из
сердечника
с
постоянным
показателем
преломления на всем сечении, окруженного
оболочкой с другим постоянным на всем сечении
показателем преломления. Из-за скачкообразного
изменения
показателя
преломления
свет
отражается от поверхности сердечник/оболочка и
проходит внутри сердечника.
У
волокон
со
ступенчатым
профилем
значительная дисперсия, что сильно ограничивает
полосу пропускания.
80

81.

У многомодового волокна с плавным профилем
показатель преломления сердечника постепенно
меняется на протяжении его сечения. В центре
сердечника
показатель
преломления
максимальный; он постепенно снижается к краям
сердечника.
Из-за
плавного
изменения
показателя преломления световые лучи по мере
продвижения по сердечнику искривляются и
образуют в волокне набор синусоидальных
световых волн.
81

82.

Одномодовое волокно представляет собой
волокно со ступенчатым профилем показателя
преломления. По сравнению с многомодовым
одномодовое волокно имеет очень маленький
диаметр сердечника (5-10 мкм, диаметр
оболочки одномодового волокна 125 мкм),
который сравним с длиной световой волны. В
таком волокне распространяется только одна
мода.
Это устраняет межмодовую дисперсию и
увеличивает
пропускную
способность
одномодового волокна. Пропускная способность
одномодового волокна превышает 10 Гбит/с.
82