Transmisja danych w sieciach komputerowych - Model OSI, kable przewodowe - kable miedziane

1. Model OSI:

2. Warstwa łącza danych - protokoły tej warstwy służą do przemieszczania datagramy pojedynczym łączem. Definiuje ona:

a) format ramek

b) sposoby nadawania i odbierania ramek 

Podwarstwy łącza danych:

• LLC - Logical Link Control (sterowanie łączem logicznym) - 802.11
• MAC - Media Access Control (sterowanie dostępem do nośnika)

Warstwa MAC to interfejs pomiędzy warstwą fizyczną, a warstwą LLC. Jest ona zależna od typu protokołu Ethernet, Token Ring, WiFi. Jest odpowiedzialna za:

• Dzielenie pakietów na ramki i kontrolę poprawności transmisji (rozmiar i format ramki)
• Adresację komputerów w segmencie i przekazywanie informacji adresowych (różne rodzaje adresów dla różnych technologii)
• Kontrolę dostępu do medium transmisji (sygnały sterujące)
• Symulację kanału działającego w trybie full-duplex w sieci multi-point (w przeciwieństwie do point-to-point). 

Warstwa LLC jest identyczna dla różnych mediów fizycznych. Jest odpowiedzialna za:

• Nadawanie / Odbieranie danych transmitowanych przez podwarstwę MAC
• Retransmisje pakietów
• Sterowanie przepływem (przekierowanie do odpowiedniego stosu pakietów warstwy 3
• Detekcję błędów

Opisuje trzy typy komunikacji

• unacknowledged connectionless - mode (brak potwierdzeń dostarczenia ramki, brak kontroli przepływu, dostarcza funkcje służące do inicjacji trasy pomiędzy źródłem a celem)
• connection-mode (logiczne połączenie wykorzystywane do wymiany ramek, sekwencyjna transmisja, kontrola przepływu oraz korekcji błędów)
• acknowledged connectionless-mode (wymiana danych bez ustanawiania połączenia, potwierdzanie ramek występuje w celu korekcji ewentualnych błędów)

3. Urządzenia aktywne w sieci Ethernet:

• Karta sieciowa
• Repeater (działa w warstwie fizycznej sieci; regeneruje sygnał w sieci, kopiując dane z portu na port; nie wzmacnia sygnału; umożliwia wydłużyć dystans między dwoma urządzeniami)
• Koncentrator (hub) (wieloportowy repeater; sygnał na jeden z portów jest przesyłany na pozostałe)
• Most (bridge)
• Przełącznik (switch)
• Router
• Modem

4. Kolizje w sieciach komputerowych to sytuacje, kiedy dwa lub więcej urządzeń sieciowych próbują wysłać dane przez to samo łącze w tym samym czasie. Kolizje powodują zakłócenia i utratę danych, ponieważ sygnały się nakładają i stają się nieczytelne. Kolizje występują głównie w sieciach Ethernet, które używają wspólnego medium transmisyjnego, takiego jak kabel lub falę radiową. Aby zapobiegać kolizjom lub je rozwiązywać, stosuje się różne metody i protokoły, takie jak:

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) - metoda polegająca na sprawdzaniu dostępności medium przed wysłaniem danych i wykrywaniu kolizji podczas transmisji. W przypadku wykrycia kolizji urządzenie przerywa wysyłanie danych i czeka losowy czas przed ponowną próbą.
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) - metoda polegająca na unikaniu kolizji poprzez uzyskanie zgody na transmisję od innych urządzeń w sieci. W przypadku braku zgody urządzenie czeka losowy czas przed ponowną próbą.

CSMA/CD (a także CSMA/CA) polega ona na następujących zasadach:

• Carrier Sense - oznacza, że urządzenie sieciowe sprawdza, czy kanał jest wolny przed wysłaniem danych. Jeśli kanał jest zajęty przez inne urządzenie, urządzenie oczekuje na zwolnienie kanału.
• Multiple Access - oznacza, że wiele urządzeń sieciowych może korzystać z tego samego kanału transmisyjnego i konkurować o dostęp do niego. Nie ma centralnego sterowania ani przydziału czasu dla urządzeń.
• Collision Detection - oznacza, że urządzenie sieciowe monitoruje kanał podczas wysyłania danych i wykrywa kolizje z innymi urządzeniami. Kolizja występuje, gdy dwa lub więcej urządzeń próbuje wysłać dane przez ten sam kanał w tym samym czasie. W przypadku wykrycia kolizji, urządzenie przerywa wysyłanie danych i wysyła sygnał zagłuszający (JAM), aby poinformować inne urządzenia o kolizji.

CSMA/CD realizuje transmisję w trybie półdupleksowym, co oznacza, że urządzenie sieciowe może albo wysyłać albo odbierać dane w danym momencie. Nie może robić obu tych rzeczy jednocześnie. Tryb półdupleksowy ogranicza przepustowość sieci i zwiększa ryzyko kolizji.

Zalety:

• Prostota i niski koszt implementacji
• Sprawiedliwość i elastyczność dostępu do kanału
• Możliwość adaptacji do zmian ruchu w sieci

Wady:

• Niska wydajność i duża liczba retransmisji przy dużym obciążeniu sieci
• Ograniczona długość i liczba segmentów sieci
• Zależność od fizycznego medium transmisyjnego

CSMA/CA realizuje transmisję w trybie półdupleksowym lub dupleksowym, w zależności od medium transmisyjnego i protokołu warstwy fizycznej. W trybie półdupleksowym urządzenie sieciowe może albo wysyłać albo odbierać dane w danym momencie. W trybie dupleksowym urządzenie sieciowe może robić obie te rzeczy jednocześnie.

Zalety:

• Możliwość pracy w sieciach bezprzewodowych, gdzie wykrywanie kolizji jest trudne lub niemożliwe
• Zmniejszenie liczby kolizji i retransmisji
• Zwiększenie przepustowości i wydajności sieci

Wady: 

• Zwiększenie opóźnień i złożoności protokołu
• Zależność od fizycznego medium transmisyjnego i warunków otoczenia
• Problem ukrytych stacji i narażenia na ataki

Domena kolizyjna to logiczny obszar sieci komputerowej, w którym może dojść do kolizji pakietów danych nadawanych współbieżnie przez różne urządzenia. Kolizja występuje, gdy dwa lub więcej urządzeń próbuje wysłać dane przez to samo medium transmisyjne w tym samym czasie. Kolizje powodują zakłócenia i utratę danych, ponieważ sygnały się nakładają i stają się nieczytelne. Im więcej kolizji, tym mniejsza efektywność sieci.

Granice domeny kolizyjnej stanowią porty urządzeń sieciowych, które łączą segmenty sieci i kierują dane do odpowiedniego odbiorcy. Takimi urządzeniami mogą być mosty (bridges), przełączniki (switches) lub routery. Wszystkie urządzenia podłączone do tego samego medium transmisyjnego, takiego jak kabel lub fala radiowa, tworzą jedną domenę kolizyjną. W celu wykrywania i rozwiązywania kolizji stosuje się różne metody i protokoły, takie jak CSMA/CD lub CSMA/CA.

Domena kolizyjna jest związana z domeną rozgłoszeniową, która jest logicznym obszarem sieci komputerowej, w którym wszystkie urządzenia otrzymują pakiety rozgłoszeniowe (broadcast) wysyłane przez inne urządzenia. Granice domeny rozgłoszeniowej stanowią porty routerów, które blokują pakiety rozgłoszeniowe i zapobiegają ich rozprzestrzenianiu się po całej sieci. Domena rozgłoszeniowa może zawierać wiele domen kolizyjnych lub być z nimi zbieżna.

Kabel koncentryczny:

Skrętka:

Parametry techniczne:

• tłumienie sygnału - zmniejszanie się amplitudy sygnału wzdłuż drogi przesyłowej (lub jej elementu składowego) z powodu strat energii lub rozpraszania sygnału przez przeszkody. Miarą tłumienia sygnału jest tłumienność, która określa spadek mocy sygnału na jednostkę długości drogi przesyłowej.
• propagacja sygnału - rozchodzenie się sygnału przez medium transmisyjne (takie jak kabel, światłowód lub powietrze) od nadajnika do odbiornika. Sposób propagacji sygnału zależy od rodzaju medium, częstotliwości sygnału, odległości między nadajnikiem a odbiornikiem oraz warunków otoczenia.
• rezystancja - opór elektryczny, który stawia przepływowi prądu elektrycznego przez ośrodek lub element obwodu elektrycznego. Rezystancja zależy od materiału, kształtu i temperatury ośrodka lub elementu oraz częstotliwości prądu. Rezystancja jest mierzona w omach.
• przesłuch zbliżny - zakłócenie sygnału w jednym kablu spowodowane przez sygnał w innym kablu znajdującym się w bliskiej odległości. Przesłuch zbliżny występuje na początku kabla i jest związany z indukcją elektromagnetyczną między sąsiadującymi parami przewodów. Przesłuch zbliżny zmniejsza jakość sygnału i może prowadzić do błędów transmisji.