Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети

Подождите немного. Документ загружается.

Список основных сокращений

ОП - оперативная памятьОП - оперативная память

ОС - операционная система

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

ПК - персональный компьютер

ПО - программное обеспечение

РСОД - распределенная система обработки данных

СА - сетевой адаптер

СБДСР - системная база данных сетевых ресурсов

СВ - средние волны

СВЧ - диапазон сверхвысоких частот

СИ - связные интерфейсы

СКС - структурированная кабельная система

СПД - сеть передачи данных

ССПС - сеть сотовой подвижной связи

СУБД - система управлеьшя базой данных

ТЧ - канал тональной частоты

УКВ - ультракороткие волны

уде - управление доступом к передающей среде

УЛЗ - управление логическим звеном

ФМ - фазовая модуляция

ФС - подуровень физической сигнализации

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ЦКП - центр коммутации пакетов

ЦП - центральный процессор

ЦУКС - центр управления космическим сегментом

ЦУНС - центр управления наземным сегментом

ЦУПУ -

центр

управления поставщиков услуг

ЧМ - частотная модуляция

ЭП - электронная почта

ВВЕДЕНИЕ

Телекоммуникация и сетевые технологии являются в настоящее время той

движущей силой, которая обеспечивает развитие мировой

Щ1вилизащ1и.

Прак-

тически нет области производственных и общественных отношений, которая

не использовала бы возможности современных информацион1п>1Х технологий

на базе телекоммуникащ1Й.

Приступая к написанию данного учебного пособия, авторы исходили из того,

что

данной динамически развивающейся области знаний уже существует много

различных электронных публикащш на сайтах сети Интернет и печатных изда-

ний, в том числе учебно-методической литературы. Поэтому в книгу включен

только материал, который отработан на протяжении последних нескольких лет

в учебном процессе кафедры «Системы обработки информации и управления»

МГТУ им. Н.Э. Баумана при чтении курсов «Вычислительные комплексы и

сети», «Сети ЭВМ и телекоммуникации», «Сетевое программное обеспече-

ние».

Информация, которой оперируют компьютеры, называется данными, а тер-

риториально распределенные и соединенные линиями связи компьютеры, зани-

мающиеся обработкой данных, в общем случае представляют собой распре-

деленную систему обработки данных или сеть ЭВМ. Линия связи - это либо

телефонная линия, либо другая среда передачи

данных:

витая пара, волоконно-

оптическая линия связи, коаксиальный

кабель,

радиолиния и

т.п.

Совокупность

различных линий связи и каналообразующей аппаратуры представляется как

телекоммуникационная среда, обеспечивающая удаленное взаимодействие

компьютеров.

Основываясь на понятии архитектуры распределенных систем обработки

данных, авторами в пособии сделана попытка изложить описание базовой мо-

дели взаимодействия открытых систем с позиций объектно-ориентированного

подхода. Материал представлен в соответствии с уровнями эталонной модели,

начиная с форм представления сигналов физических каналов связи.

Вопросы достоверности передаваемой информации в системах телеком-

муникаций играют важную роль, поэтому им уделено значительное внимание.

Подробно рассмотрены и проиллюстрированы примерами математические

аспекты логического кодирования.

Введение

В качестве

технических

средств

телекоммуникаций в учебном пособии пред-

ставлены модемы, которые продолжают оставаться широко распространен-

ными

средствами удаленного взаимодействия и доступа к сети

Интернет.

Кроме

того,

модемы, пожалуй, единственные технические средства, которые доступ-

ны в

настоящее время большинству вузов в качестве оборудования, обеспечи-

вающего лабораторный практикум по соответствующим учебным курсам.

Рассмотрение сетевых технологий умьпплено построено

нарушением

хро-

нологического порядка развития сетей

ЭВМ.

Как известно, глобальные сети и

связаршые

ними технологии появились раньше, чем

локальные.

Однако бур-

ный рост локальных сетей и совершенствование их технологий за последние

несколько лет определили в значительной степени это решение. Кроме того,

авторы,

не

претендуя на оригинальность, посчитали методически правильным

рассмотреть сначала методы построения локальных сетей и их технологий,

тем более, что современные технологии, такие, как ATM и FDDI, стирают

грани между

понятиями «глобальный» и «локальный».

Представление о предмете бьшо бы неполным без рассмотрения сетевых

операщюнных

систем.

В связи с

этим

книге

даны

понятия,

определено назна-

чение

и рассмотрены основные характеристики

возможности сетевой опера-

щюнной системы NetWare

фирмы

Novell.

Авторы надеются, что читатель приобретет некоторые практические на-

выки

построения

сетей на

базе различных

технологий,

прочитав заключитель-

ную

главу настоящего учебного пособия.

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ

ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Рассмотрены

основные понятия и полоэ/сенияраспределенной

обработки

данных.

Описана

архитектура

распределенных систем

как совокупность

логической,

физической и

программной

структур.

Взаимодействие открытых

систем рассмотрено с

точки зрения

объектно-ориентированного подхода. Достаточно подробно описаны принципы

построения

эталонной модели

взаимодействия открытых систем OSI и функциональное

назначение

уровней

этой модели. Кроме

модели

OSI

приведены сведения

об альтернативных

профилях

стандартов

открытых

систем.

1.1. Архитектура распределенных систем

Основные понятия распределенной обработки данных

Распределенная система обработки данных (РСОД) - любая система, по-

зволяющая организовать взаимодействие независимых, но связанных между

собой ЭВМ. Эти системы предназначены для автоматизации таких объектов,

которые характеризуются территориальной распределенностью пунктов воз-

никновения и потребления информации. Концептуально распределенная обра-

ботка подразумевает тот или иной вид организации сети связи и децентрали-

зацию трех категорий ресурсов:

• аппаратных вычислительных средств и собственно вычислительной мощ-

ности;

• баз данных;

• управление системой.

В распределенных системах обработки данных в той или иной степени осу-

ществляется реализация следующих основных функций:

• доступ к ресурсам (вычислительным мощностям, программам, данным и

т. п.) с терминалов и из пользовательских программ в режиме «файл-сервер»;

Распределенные системы обработки данных

• выполнение заданий и интерактивное общение пользователей с запущен-

ными по их требованию программами в режиме «клиент-сервер»;

• сбор статистики о функционировании системы;

• обеспечение надежности и живучести системы в целом.

В настоящее время применяют различные подходы к классификации рас-

пределенных систем обработки данных по разным критериям.

По степени однородности различают:

• полностью неоднородные РСОД;

• частично неоднородные РСОД;

• однородные РСОД.

Полностью неоднородные РСОД характеризуются тем, что в них объеди-

нены ЭВМ, построенные на основе различных архитектур и функционирующие

под управлением разных операционных систем

(ОС).

Как правило, РСОД этого

типа в качестве коммуникационной службы используют глобальные сети, ба-

зирующиеся на протоколах

Х.25,

Frame relay,

ATM,

Intemet-технология.

Частично неоднородные РСОД строят на базе однотипных ЭВМ, работаю-

щих под управлением различных ОС, либо они включают в себя компьютеры

различных типов, работающие под управлением одной

ОС.

Например, ЮМ PC

компьютеры управляются различными ОС: MS DOS, OS/2, Windows 95,

Windows NT.

Однородные распределенные системы строятся на однотипных вычисли-

тельных средствах, оснащенных одинаковыми операщюнными системами.

По архитектурным особенностям выделяют:

• РСОД на основе систем телеобработки;

• РСОД на основе сетевой технологии.

Под сетевой технологией понимается такая форма взаимодействия ЭВМ,

при которой любой из процессов одной из машин по своей инищ1ативе может

установить логическую связь с любым процессом в любой другой ЭВМ.

В отличие от таких систем РСОД на основе систем телеобработки не обес-

печивают полного, симметричного и независимого взаимодействия процессов.

По степени распределенности с позиций пользователя РСОД делятся на

2 группы: региональные и локальные.

К региональным РСОД будем относить распределенные конфигурации, ха-

рактеризующиеся следующими основными параметрами:

неограниченной географической распределенностью;

наличием тех или иных механизмов маршрутизации;

каждые два узла связаны собственным каналом, и отсутствует проблема

его разделения;

широким диапазоном скоростей передачи - 10\.. 10^ бит/с;

произвольной топологией.

В них можно вьщелить несколько способов организации взаимодействия

между ЭВМ:

коммутация каналов;

1.1.

Архитектура

распределенных систем

Информационно-вычислительная |

служба (ИВС)

Административная

служба

Рис. 1.1. Логическая

структура РСОД

коммутащм сообщений;

коммутащ1я пакетов;

коммутащ1я фреймов - Frame relay;

коммутащм ячеек - АТМ-технология.

Основу локальных РСОД составляют локальные сети со следующими ха-

рактеристиками:

небольшая географическая распределенность;

использование единой коммуникащюнной

среды и,

следовательно, физичес-

кая полносвязность всех узлов сети, приводящая

замене маршрутизации ад-

ресащ1ей;

высокие и очень высокие скорости обмена -

10^... 10^

бит/с;

применение спещ1альных методов и алгоритмов доступа

единой среде для

обеспечения высокой скорости передачи при одновременном использовании

среды всеми узлами коммуникащюнной службы;

ограниченность возможных топологий.

Под архитектурой РСОД будем понимать взаимосвязь ее логической, физи-

ческой и программной структур.

Логическая структура РСОД отражает состав сетевых служб и связи

между ними (рис. 1.1). В данной структуре информационно-вычислительная

служба предназначена для решения задач пользователей сети. Терминальная

служба обеспечивает взаимодействие терминалов с сетью. Сюда входит пре-

образование форматов

кодов,

управление разнотипными терминалами, обра-

ботка процедур обмена информацией между терминалами

сетью

и т.

д. Транс-

портная служба предназначена

для

решения всех задач, связанных с передачей

сообщений

сети.

Она

управляет маршрутами, потоками

данными,

декомпо-

зицией сообщений на пакеты и рядом других функций. Интерфейсная служба

решает

задачи

обеспечения взаимодействий разнотипных ЭВМ, функциониру-

ющих под управлением различных ОС, имеющих разную архитектуру, длину

слова, форматы представления данных и др. Кроме того, служба управления

Распределенные системы обработки данных

интерфейсами осуществляет взаимодействие ЭВМ, входящих в состав раз-

личных сетей. Административная служба управляет сетью, реализует проце-

дуры реконфигурации и восстановления, собирает статистику о функциониро-

вании сети, осуществляет ее тестирование. Разумеется, приведенный полный

состав элементов логической структуры не является обязательным для всех

реальных систем. Так, в однородных сетях отпадает необходимость в интер-

фейсной службе, в простейших сетях может отсутствовать административная

служба и

т.

д. Информационно-вычислительная и терминальная службы обра-

зуют абонентскую слуэ/сбу, а интерфейсная и транспортная - коммуникаци-

онную. Из этого следует, что административная служба не осуществляет не-

посредственно какие-либо функции, связанные с сетевым обслуживанием

пользователей, и может рассматриваться как механизм обслуживания самой

сети. Распределение элементов логической структуры по различным ЭВМ за-

дает физическую структуру РСОД (рис. 1.2).

Элементами такой структуры являются ЭВМ, связанные между собой и с

терминалами. В зависимости от реализации в ЭВМ той или иной сетевой служ-

бы в физической структуре можно вьщелить:

главные ЭВМ;

коммуникационные ЭВМ;

интерфейсные ЭВМ;

терминальные ЭВМ;

административные ЭВМ.

В одной ЭВМ могут реализовываться несколько служб.

Программная структура РСОД отражает состав компонентов сетевого

программного обеспечения (ПО) и связи между ними. Очевидно, что состав

сетевого ПО определяется логической структурой,

т.

е. функциями, выполняе-

мыми ее службами. В то же время связи между компонентами ПО во многом

зависят от физической структуры.

Рис.

1.2. Физическая структура

РСОД

1.2. Концепция открытых систем

Сетевое ПО имеет многоуровневую иерархическую организацию. Что обус-

ловлено двумя факторами:

• необходимостью минимизации затрат на модификацию сетевого ПО при

изменении состава используемого оборудования;

• любые осуществляемые в сети изменения не должны отражаться на поль-

зовательских программах, использующих сетевые возможности.

Для иерархической организации необходимы правила взаимодействия про-

грамм, вьшолняемых в одной ЭВМ и находящихся на различных уровнях, и

программ, находящихся на одном

уровне,

но расположенных в различных ЭВМ,

т. е. четкое описание интерфейсов и протоколов.

Стремление создать единую, универсальную и открытую к изменениям ло-

гической и физической структур сетевую архитектуру обусловило стандарти-

зацию уровней иерархии ПО сетей ЭВМ. Международная организация по стан-

дартизации (ISO - International Standard Organization) предложила концепцию

архитектуры открытых систем, в которой определена эталонная модель, ис-

пользуемая как базовая при разработке международных стандартов.

1.2. Концепция открытых систем

В соответствии с эталонной моделью вычислительная сеть представляет-

ся как распределенная информационно-вычислительная среда, реализуемая

больышм числом разнообразных аппаратных и программных

средств.

Эта среда

по вертикали делится на ряд логических уровней, каждый из которых выполня-

ет одну из основных задач информационно-вычислительной среды. По гори-

зонтали она делится на локальные части , называемые открытыми системами,

каждая из которых удовлетворяет требованиям и стандартам архитектуры от-

крытых систем ISO (рис. 1.3). Термин «взаимодействие открытых систем»

вое (OSI - Open System Interconnection) относится к процедурам передачи

данных между системами, которые «открыты» друг другу благодаря совмест-

тному использованию ими соответствующих стандартов.

Открытые системы

В К

Объект

Уровень

прикладные

--> процессы

Область

взаимо-

V действия

открытых

систем

Соединение

Физические

средства

соединения

Рис. 1.3.

Область

взаимодействия открытых систем

Распределенные системы

обработки

данных

Сложность функций области взаимодействия привела к тому, что они в со-

ответствии с базовой эталонной моделью взаимодействия открытых систем

поделены на семь расположенных друг над другом слоев, называемых уров-

нями. Их иерархия в зависимости от вьшолняемых функций делится на две

части - прикладную и транспортную платформы.

Часть открытой системы, реализующая некоторую функцию и входящая в

состав того или иного уровня, называется объектом. Набор правил взаимо-

действия объектов одного и того же Л^-го уровня называется Л^-протоко-

лом. Связь между объектами соседних уровней определяется интерфейсом

(например, связь между объектами

N-H(N-

1)-ГО уровней определяется (N

- 1)-м интерфейсом.

Общие свойства открытых систем обычно формируются следующим об-

разом:

• расширяемость/масштабируемость - extensibility/scalability,

• мобильность (переносимость) -portalility,

• интероперабельность (способность к взаимодействию с другими систе-

мами) - interoperability,

• дружественность к пользователю, в том числе легкая управляемость -

driveability.

Эти свойства, взятые по отдельности, были характерны и предыдущим по-

колениям информационных систем и средств вычислительной техники. Новый

взгляд на открытые системы определяется тем, что эти свойства рассматри-

ваются в совокупности, как взаимосвязанные, и реализуются в комплексе.

Взаимодействие открытых систем стало основной концепцией архитектуры

информационных сетей.

Понятие «система» носит двойствеьшый характер. С одной стороны, по об-

щему определершю, система - это совокупность взаимодействующих элемен-

тов (компонентов), аппаратных

и/или

программных. С другой стороны, систе-

ма может выступать в качестве компонента другой, более сложной системы,

которая, в свою очередь, может быть компонентом системы следующего уров-

ня.

В связи с этим нужно уточнить представление об архитектуре систем и

средств как внешнем их описании (reference model) с точки зрения того, кто

ими пользуется. Архитектура открытой системы, таким образом, оказывается

иерархическим описанием ее внешнего облика и каждого компонента с точки

зрения:

• пользователя (пользовательский интерфейс);

• проектировщика системы (среда проектирования);

• прикладного программиста (системы и инструментальные средства /сре-

ды программирования);

• системного программиста (архитектура ЭВМ);

• разработчика аппаратуры (интерфейсы оборудования).

1.2.

Концепция открытых

систем

Для примера рассмотрим архитектурное представлеьше системы обработ-

ки данных, состоящей из четырех компонентов: пользовательского интерфейса

(соответственно точкам зрения всех указанных выше групп), средств обра-

ботки данных, средств представления и хранения данных, средств коммуника-

иуж.

Для этого представления необходимо три уровня описаний: среды, которая

представляется системой, операционной среды (системы), на которую опира-

ются прикладные компоненты, и оборудования. Каждый из этих уровней для

удобства разделен на два подуровня (табл. 1.1).

Уровень среды для конечного пользователя (user environment) характеризу-

ется входными и выходными описаниями (генераторы форм и отчетов), языка-

ми проектирования информационной модели предметной области (язьпси 4GL),

функциями утилит и библиотечных программ и прикладным уровнем среды

коммуникаций, когда необходимы услуги дистанционного обмена информаци-

ей.

На этом же уровне определена среда (инструментарий) прикладного про-

граммирования (application environment): языки и системы программирования,

командные языки (оболочки ОС), язьпси запросов систем управления базами

данных (СУБД), уровни сессий и представительный среды коммуникаций.

Таблица

1.1.

Уровни архитектуры системы обработки данных

1 уровень

архитектуры

системы

обработки

данных

Среда для

конечного

пользователя и

инструментарий

прикладного

программиста

Операционная

система

Оборудование

Компонеты системы обработки данных

Интерфейсы

Генераторы форм

и отчетов

Языки програм-

мные и комацц-

ные (оболочки)

Средства оконно-

го интерфейса

Драйверы

Системные ингер-

фейсы (в том чис-

ле организация

ввода-вывода)

Периферийные

устройства

Средства

обработки

данных

Утилиты и

библиотеки

Прикладные

программы

Верхний уро-

вень ОС (орга-

низация про-

цесса обработ-

ки)

Ядро операци-

онной системы

Процессоры

(система ко-

мацц)

Системная

шина

Представление

и хранение

данных

Языки програм-

мирования 4GL

Языки запросов

СУБД

Средства досту-

па

среде хране-

ния

Файловая систе-

ма

Организация

памяти

Шины (ингер-

фейс) массовой

памяти

Коммуникации

в модели OSI

Прикладной

уровень

Уровни сессий и

представительный

Транспортный

уровень

Сетевой уровень 1

Уровень переда- 1

чи данных

Физический уро- 1

вень