Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-27

• IP-Internet Protocol (межсетевой протокол, протокол Internet), отно-

сящийся к сетевому (3-му) уровню по иерархии протоколов 7-уровневой модели

ISO/OSI. IP-протокол считается наиболее важным во всем семействе TCP/IP, по-

скольку этот протокол используют все остальные. Протокол IP содержит специ-

фикации, описывающие формат, адресацию и передачу IP-пакетов между сетя-

ми. Каждый IP-пакет, называемый дейтограммой, содержит информацию об

ад-

ресах отправителя и получателя, так называемые IP-адреса, которые использу-

ются для маршрутизации пакетов данных в сети. Принципы формирования IP-

адресов мы рассмотрим далее.

• ТСР – Transmission Control Protocol (коммуникационный протокол

транспортного уровня), давший название всему семейству протоколов TCP/IP.

Протокол ТСР гарантирует, что информационные пакеты, передаваемые с одно-

го узла на другой, прибудут в пункт

назначения в правильном порядке и содер-

жащиеся в них данные останутся неизменными. Восстановление порядка следо-

вания пакетов – очень важный вопрос, так как в процессе маршрутизации два

пакета, отправленные одним за другим, могут быть переданы, как мы покажем в

дальнейшем, по разным маршрутам. Один из этих маршрутов может оказаться

длиннее другого,

и это приведет к тому, что первый пакет достигнет узла назна-

чения позже второго. Если это произойдет, то ТСР восстановит исходный поря-

док следования пакетов. ТСР дополняет каждый передаваемый пакет контроль-

ной суммой, которая проверяется на узле назначения. Все поврежденные пакеты

аннулируются, и, так как с точки зрения передачи данных такая

ситуация анало-

гична утере пакета, ТСР обеспечивает повторную его передачу.

Рис. 4.14. Соответствие уровней стека TCP/IP семиуровневой модели OSI

• UDP – User Datagram Protocol (протокол пользовательских дейто-

грамм) – второй по распространенности транспортный протокол. Он предостав-

ляет прикладным процессам ограниченный набор транспортных услуг, обеспе-

чивая надежную доставку дейтограмм. В отличие от UDP, протокол ТСР обеспе-

чивает гарантированную доставку соединений в виде потоков байт.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-28

• Telnet является протоколом эмуляции терминала и позволяет рас-

сматривать все удаленные терминалы как стандартные «сетевые виртуальные

терминалы».

• FTP – File Transfer Protocol (протокол передачи файлов) позволяет

пользователю просмотреть каталог удаленного компьютера, скопировать один

или несколько файлов.

• SMTP – Simple Mail Transfer Protocol (простой протокол передачи

почты) поддерживает передачу электронной почты между произвольными узла-

ми сети Internet.

• ARP – Address Resolution Protokol

(протокол разрешения адресов).

Осуществляет преобразование (отображение) IP-адресов (числового составного

адреса) в МАС-адреса (аппаратные адреса). Обратное преобразование осуществ-

ляется с помощью протокола RARP.

• RARP – Reverse Address Resolution Protocol (обратный протокол раз-

решения адресов).

• DNS – Domain Name System (система доменных имен).

• RIP – Routing Information Protocol (протокол машрутизации).

• HTTP – Hypertext Transfer Protocol (протокол передачи гипертекстов)

применяется для передачи гипертекста в сети

Internet.

• SNMР – Simple Network Management Protocol (протокол управления

сетями).

• Gopher – распределенная система управления базами данных.

На характеристиках наиболее распространенных протоколов TCP/IP мы

остановимся позднее при рассмотрении сети Internet, а сейчас лишь отметим, что

стек протоколов TCP/IP – это самый популярный стек протоколов, широко ис-

пользуемый как в глобальных, так и в локальных сетях. Сегодня фактически

именно он является стандартом для межсетевого взаимодействия.

Стек протоколов IPX/SPX

Этот стек протоколов является оригинальным стеком протоколов фирмы

Novell, разработанным для сетевой операционной системы NetWare.

Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ранних

версий ОС NetWare на работу в локальных сетях небольшого размера, состоя-

щих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. Понятно, что для

таких компьютеров компании Novell нужны были протоколы, на реализацию ко-

торых требовалось бы минимальное количество оперативной памяти. В резуль-

тате протоколы стека IPX/SPX до недавнего времени хорошо работали в локаль-

ных сетях. Сейчас стек IPX/SPX реализован не только в NetWare, но и в не-

скольких других сетевых ОС, например Microsoft Windows NT, Sun Solaris, SCO

UNIX.

Чаще всего протоколы устанавливаются автоматически

при инсталляции

операционной системы. Например, в Microsoft Windows NT Server протоколом

по умолчанию является TCP/IP. Однако иногда надо установить новый прото-

кол, изменить порядок следования протоколов в списке привязки или удалить

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-29

протокол. Чтобы установить другие протоколы, обычно можно воспользоваться

специальными утилитами, встроенными в ОС.

4.3.4. Передача данных по сети

Для выяснения сущности передачи информации по сети рассмотрим

подробнее назначение и процедуру формирования кадров.

Функции пакетов

Данные обычно содержатся в больших по размерам файлах. Однако сети

не будут нормально работать, если

компьютер посылает этот блок данных цели-

ком. Существует две причины, замедляющие работу сети при передаче по кабе-

лю больших блоков данных.

1. Такой блок, посылаемый одним компьютером, заполняет кабель и

«связывает» работу всей сети.

2. Возникновение ошибок при передаче крупных блоков приведет к по-

вторной передаче всего блока. В случае

же повреждения небольшого блока дан-

ных требуется повторная передача именно этого небольшого блока, что значи-

тельно экономит время.

В связи с этим данные разбиваются на небольшие управляемые блоки.

Эти блоки и называются пакетами. Пакет – группа байтов, передаваемых або-

нентами сети друг другу.

Таким образом, пакет – это основная единица информации в

компьютер-

ных сетях. При этом скорость их передачи возрастает настолько, что каждый

компьютер в сети получает возможность принимать и передавать данные прак-

тически одновременно. В компьютере-получателе пакеты накапливаются и вы-

страиваются в необходимом порядке для восстановления исходного вида дан-

ных.

При разбиении данных на пакеты сетевая операционная система добав-

ляет

к каждому пакету специальную управляющую информацию, которая обес-

печивает:

• передачу исходных данных небольшими блоками;

• сбор данных при их получении в надлежащем порядке;

• после сборки проверку данных на наличие ошибок.

Структура пакетов локальных сетей

Структура пакета определяется прежде всего аппаратурными особенно-

стями данной сети, выбранной топологией и

типом среды передачи информации.

Типичный пакет может содержать в себе следующие основные поля:

• стартовая комбинация (не обязательная) обеспечивает настройку ап-

паратуры адаптера или другого сетевого устройства на прием и обработку паке-

та;

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-30

• сетевой адрес (идентификатор) принимающего абонента – индиви-

дуальный или групповой номер, присвоенный принимающему абоненту в сети,

позволяет приемнику распознать пакет, адресованный ему или всем абонентам

сети;

• сетевой адрес (идентификатор) передающего абонента – индивиду-

альный или групповой номер, присвоенный передающему абоненту в сети, ин-

формирует принимающего абонента, откуда пришел данный пакет;

•

служебная информация указывает тип пакета, его номер, а также то,

что с ним надо делать, и т.д.;

• данные – это информация, ради передачи которой используется дан-

ный пакет;

• коды коррекции ошибок (синонимы – остаток избыточной цикличе-

ской суммы, контрольная сумма, числовой код) – это информация, формируемая

передатчиком по определенным правилам

и содержащая в свернутом виде ин-

формацию обо всем пакете. Она используется для проверки правильности пере-

дачи пакета на приемном конце;

• стоповая комбинация (не обязательна) информирует принимающего

абонента об окончании пакета, обеспечивает выход аппаратуры приемника из

состояния запроса.

Нередко выделяют:

• начальное управляющее поле пакета, то есть поле, включающее в

се-

бя стартовую комбинацию, сетевые адреса приемника и передатчика, а также

служебную информацию. Начальное управляющее поле часто называют заго-

ловком пакета;

• поле данных – непосредственно передаваемые данные;

• конечное управляющее поле, включающее в себя контрольную сумму

и стоповую комбинацию.

Пакеты делятся на два основных типа: управляющие (не содержат поля

данных

) и информационные (поле данных присутствует). Управляющие пакеты

служат для решения вспомогательных задач по обмену в сети, например для ус-

тановления соединения между абонентами, для завершения соединения после

прекращения сеанса обмена, для подтверждения приема информационного паке-

та.

Передающий абонент сначала запрашивает с помощью управляющего

пакета принимающего абонента о готовности принять данные.

Принимающий

абонент отвечает управляющим пакетом о своей готовности. Затем следует соб-

ственно передача данных, причем на каждый информационный пакет от пере-

датчика приемник отвечает соответствующим пакетом о подтверждении приема.

После окончания передачи данных передающий абонент заканчивает сеанс связи

управляющим пакетом.

Процедура формирования пакета представлена на рис. 4.15. Процесс

формирования пакета начинается

на прикладном уровне, т.е. там, где рождаются

данные. Информация, которую надо переслать по сети, проходит сверху вниз все

семь уровней, начиная с прикладного, при этом на каждом уровне к блоку дан-

ных добавляется заголовок, т.е. информация, предназначенная для соответст-

вующего уровня компьютера-получателя. Отметим еще раз, что заголовок –

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-31

служебная информация, которая необходима для адресации сообщений и для

некоторых контрольных функций.

Прикладной уровень

Данные

Представительный уровень

Сеансовый уровень

Транспортный уровень

Сетевой уровень

Канальный уровень

Физический уровень

Данные

Рис. 4.15. Формирование пакета

Транспортный уровень разбивает исходный блок данных на пакеты, при

этом к каждому пакету добавляется информация, которая поможет компьютеру-

получателю восстановить исходные данные из последовательности пакетов. Ка-

нальный уровень кроме заголовка добавляет еще и концевик, формируя кадр

данных.

Типы

синхронизации данных

Синхронизация данных – это согласование различных процессов во вре-

мени. При обмене данными на физическом уровне единицей информации явля-

ется бит, поэтому средства физического уровня поддерживают побитовую син-

хронизацию между приемником и передатчиком. Канальный уровень оперирует

кадрами данных и обеспечивает синхронизацию между приемником и передат-

чиком на уровне кадров.

В обязанности приемника входят распознавание начала

первого байта кадра, распознавание границ полей кадра и распознавание при-

знака окончания кадра. Процессы передачи или приема информации в вычисли-

тельных сетях могут быть привязаны к определенным временным отметкам, т.е.

один из процессов может начаться только после того, как получит полностью

данные от другого

процесса. Такие процессы называются синхронными.

В то же время существуют процессы, в которых нет такой привязки, и

они могут выполнятся независимо от степени полноты переданных данных. Та-

кие процессы называются асинхронными.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-32

Асинхронная связь (старт-стоп связь). Обычно достаточно обеспечить

синхронизацию на указанных двух уровнях – битовом и кадровом, чтобы пере-

датчик и приемник смогли обеспечить устойчивый обмен информацией. Однако

при плохом качестве линий связи для удешевления аппаратуры и повышения

надежности передачи данных вводят дополнительные средства синхронизации

на уровне байт. Этот метод связи

используется обычно стандартными телефон-

ными линиями. Каждый символ – буква, число или знак – раскладываются в по-

следовательность битов. Каждая из этих последовательностей отделяется от дру-

гих стартовым битом и стоповым битом, которые позволяют произвести вы-

деление их из потока передачи (рис. 4.16, а). Передающие и принимающие уст-

ройства должны согласовывать комбинацию стартовых

и стоповых битов. При-

нимающий компьютер для управления синхронизацией использует стартовые

биты, готовясь тем самым к приему следующего байта данных. Связь этого типа

не синхронизируется, т.е. отсутствует синхронизирующее устройство. Пере-

дающий компьютер – просто шлет, а принимающий – просто их получает. За-

тем принимающий компьютер проверяет данные, чтобы убедиться в том,

что

они приняты без ошибок. При асинхронной связи используется специальный бит

– бит четности. Бит четности используется для контроля правильности переда-

чи данных и принимает такое значение, чтобы в передаваемом символе общее

число единиц (или нулей) всегда было четное или нечетное в зависимости от на-

0 1 0 1 1 0 1 0

Стартовый бит Стоповый бит

Бит четности Передаваемый символ

Биты синхронизации

Символ

конца передачи

Контрольная

последовательность

Передаваемые

символы

Поле данных

Байт 1

Байт N

Рис. 4.16. Асинхронная (а) и синхронная (б) передача данных

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-33

чальной установки регистров устройства оконечного оборудования данных.

Приемное устройство заново вычисляет четность поступаемых данных и срав-

нивает полученный результат с принятым значением бита четности. При несов-

падении четности считается, что произошла ошибка в передаче данных. Заме-

тим, что 25 % трафика данных состоит из управляющей и координирующей ин-

формации. Максимальная скорость передачи в

этом случае – 115 тыс. бит/с.

Синхронная связь (рис. 4.16, б) основана на схеме синхронизации, согла-

сованной между двумя устройствами. При этом выделяются биты из группы при

передаче их кадрами. Для установки синхронизации и периодической проверки

ее правильности используются специальные символы. Передача завершается в

конце одного кадра и начинается вновь на следующем

кадре. Этот метод более

эффективен, чем асинхронная передача. В случае ошибки синхронная схема рас-

познавания и коррекции ошибок просто повторяет передачу кадров. Таким обра-

зом, при синхронной передаче информация передается блоками, которые обрам-

ляются специальными управляющими символами. В состав блока включаются

также специальные синхросимволы, обеспечивающие контроль состояния физи-

ческой передающей среды

, и символы, позволяющие обнаружить ошибки при

обмене информацией. В конце блока данных при синхронной передаче в канал

связи выдается контрольная последовательность, сформированная по специаль-

ному алгоритму. По этому же алгоритму формируется контрольная последова-

тельность при приеме информации из канала связи. Если обе последовательно-

сти совпадают, то ошибок нет. Если повторные

передачи не дают положительно-

го результата, то фиксируется состояние аварии. Синхронная связь используется

практически во всех цифровых системах связи.

4.3.5. Методы доступа в сетях

Для рассмотрения процедуры передачи данных по кабелю предваритель-

но рассмотрим методы доступа в сетях. В сети несколько компьютеров должны

иметь совместный доступ к кабелю. Однако если

два или более компьютеров

попытаются одновременно передавать данные, то их пакеты столкнутся друг с

другом и будут испорчены, т.е. наступает коллизия. Методы доступа служат для

предотвращения одновременного доступа к кабелю нескольких компьютеров,

упорядочивания передачи и приема данных по сети, гарантируя, что в каждый

момент времени только один компьютер может работать

на передачу.

Таким образом, метод доступа – это набор правил, которые определя-

ют, как компьютер должен отправлять данные по сетевому кабелю.

Основные методы доступа в компьютерных сетях.

Управление обменом в сети "звезда"

Чаще всего центральный абонент может производить обмен только с од-

ним из периферийных абонентов. Поэтому в любой

момент надо выделить толь-

ко одного абонента, ведущего передачу. Здесь возможны два решения.

Первое из них можно назвать "активный центр". В этом случае цен-

тральный абонент посылает запросы (управляющие пакеты) по очереди всем пе-

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-34

риферийным абонентам. Периферийный абонент, который хочет передавать

(первый из опрошенных), посылает ответ или же сразу начинает передачу. Сеанс

обмена проводится именно с ним. После окончания этого сеанса центральный

абонент продолжает опрос по кругу. Периферийные абоненты имеют в данном

случае так называемые географические приоритеты: максимальный приоритет у

того из них, кто

ближе расположен к последнему абоненту, закончившему об-

мен. Если же хочет передать центральный абонент, он передает без всякой оче-

реди.

Второе возможное решение – "пассивный центр". В этом случае цен-

тральный абонент по очереди не опрашивает, а слушает всех периферийных

абонентов (т.е. принимает пакеты только от одного из них). Те периферийные

абоненты, которые хотят передать, периодически посылают запросы и ждут на

них ответа. Когда центр принимает запрос, он отвечает запросившему абоненту

(разрешает ему передачу), и тот передает. Приоритеты здесь такие же, как и в

первом случае.

Преимущества централизованного управления достаточно очевидны:

принципиальная невозможность любых конфликтов (коллизий) между абонен-

тами, т.к

. все решения принимаются в одном месте. В этом случае гарантировано

время доступа, то есть время, проходящее от момента возникновения желания

передавать до момента начала передачи. Если интенсивность обмена (нагрузки

сети) большая, т.е. все абоненты очень активны, то передача будет осуществ-

ляться строго по очереди, и время доступа не превысит

заранее известной вели-

чины – суммарного времени передачи своих пакетов всем периферийным або-

нентам.

Недостатки централизованного управления связаны:

• с низкой устойчивостью этого метода к отказам, т.к. если центр выхо-

дит из строя, то обмен невозможен;

• с недостаточной гибкостью (центр работает по жесткому заданному

алгоритму);

• с низкой скоростью управления

(даже если все время передает только

один периферийный абонент, ему приходится ждать, пока центр опросит всех).

Управление обменом в сети типа "шина"

В этой топологии возможно точно такое же централизованное управле-

ние, как и в "звезде" (т.е. физическая сеть – "шина", но логическая – "звезда").

При этом один из абонентов

"центральный" посылает всем остальным "перифе-

рийным" запросы, выясняя, кто хочет передать, затем разрешает передачу одно-

му из них. После окончания передачи абонент сообщает "центру", что он закон-

чил, и "центр" снова начинает опрос. Все преимущества и недостатки такого

управления – те же, что и в случае "звезды". Единственное отличие состоит в

том, что центр здесь не перекачивает информацию от одного абонента к друго-

му, как в "звезде", а только управляет доступом.

Однако гораздо чаще в "шине" реализуется децентрализованное управ-

ление, так как аппаратные средства абонентов одинаковы, т.е. осуществляется

пассивная технология. При этом все абоненты также имеют равный доступ к се-

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-35

ти, и решение, когда можно передавать, принимает каждый абонент на месте,

исходя из анализа состояния сети. Возникает конкуренция между абонентами за

захват сети, и, следовательно, возможны конфликты между ними.

Существует множество алгоритмов доступа или, как еще говорят, сцена-

риев доступа, часто очень сложных. Их выбор зависит от скорости передачи в

сети

, от длины шины, загруженности сети (интенсивности обмена или трафика

сети).

Рассмотрим некоторые методы доступа.

1. Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением

коллизий (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection, CSMA/CD,

состязательный метод)

Вдумайтесь в название этого метода доступа. Компьютеры как бы «про-

слушивают» кабель, отсюда – контроль несущей. Чаще всего сразу несколько

компьютеров в сети «хотят» передать данные,

отсюда – множественный доступ.

Передавая данные, компьютеры «прослушивают» кабель, чтобы, обнаружив

коллизии, некоторое время переждать, а затем возобновить передачу; отсюда

термин – обнаружение коллизий.

Остановимся более подробно на этом вопросе. На рис. 4.17 представлен

процесс столкновения пакетов. В начальный момент времени Т

абонентская

система В начала передавать информацию. В этот же момент абонентская систе-

ма А прослушивает передающую среду, однако из-за конечного времени распре-

деления сигнала ей не удается обнаружить сообщение, посылаемое абонентской

системой В. В следующий момент времени Т

абонентская система А начинает

передавать информацию, в результате чего в момент времени Т

сообщения

сталкиваются. Дальнейшая передача сообщений теряет смысл. С целью своевре-

менного обнаружения конфликтов абонентская система в процессе передачи ин-

формации постоянно контролирует передающую среду и при появлении столк-

новения прекращает передачу. Так, абонентская система А прекращает передачу

в момент времени Т

, а абонентская система В – в момент Т

. Через некоторый

промежуток времени после прекращения передачи конфликтующие абонентские

Рис. 4.17. Столкновение сообщений (коллизия)

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-36

системы осуществляют повторную попытку передачи информации. Этот метод

известен как состязательный метод, поскольку сетевые компьютеры «состязают-

ся», конкурируют между собой за право передавать данные.

В силу ослабления сигнала при расстояниях свыше 2500 м механизм об-

наружения коллизий CSMA/CD не эффективен. Коллизию можно не услышать и

начать передавать данные, что приведет к разрушению пакетов

данных. Однако

заметим, что современные CSMA/CD настолько быстры, что пользователи даже

не задумываются над тем, что применяется состязательный метод. В то же время

сеть с методом доступа CSMA/CD, обслуживающая многих пользователей, ко-

торые работают с несколькими системами управления базами данных, может

практически зависнуть из-за чрезмерного сетевого трафика.

2. Множественный доступ с контролем

несущей и предотвращением

коллизий (Carrier Sense Multiply Access with Collision Avoidance, CSMA/CA,

избежание конфликтов)

Он не так популярен, как CSMA/CD или передача маркера. Метод состо-

ит в том, что после освобождения сети всеми желающими передавать абонента-

ми передается не пакет, а специальный сигнал, контролируя который они обна-

руживают конфликты. В этом случае сталкиваются только эти сигналы, а не

па-

кеты. Следовательно, каждый компьютер перед передачей данных в сеть сигна-

лизирует о своем намерении, поэтому остальные компьютеры «узнают» о гото-

вящейся передаче и могут избежать коллизии. Однако этот метод доступа рабо-

тает медленнее и имеет меньшую пропускную способность.

Управление обменом в сети типа "кольцо"

Кольцевая топология имеет свои

особенности при выборе метода управ-

ления обменом. Важным фактором является то, что любой пакет, посланный по

кольцу, последовательно пройдя всех абонентов, через некоторое время возвра-

тится в ту же точку (топология замкнута). Отметим, что сети типа "кольцо" бы-

вают однонаправленными и двунаправленными. Мы будем рассматривать толь-

ко однонаправленные как более распространенные

Маркерный метод управления (с передачей полномочий). Суть дос-

тупа с передачей маркера заключается в следующем. Пакет особого типа, мар-

кер, циркулирует по кольцу от компьютера к компьютеру (рис. 4.18). Чтобы по-

слать данные в сеть, любой из компьютеров сначала должен дождаться прихода

свободного маркера и захватить его. Когда какой-либо

компьютер «наполнит»

маркер своей информацией и пошлет его по сетевому кабелю, другие компьюте-

ры уже не смогут передавать данные. Так как в каждый момент времени только

один компьютер будет использовать маркер, то в сети не возникнет ни состяза-

ния, ни коллизий. Таким образом, в данном случае происходит одномоментное

использование маркера только

одним компьютером.

В сети длиной 200 м маркер циркулирует с огромной частотой, равной

10 тыс. оборотов в секунду, поэтому пользователь визуально не наблюдает за-

держек в его передаче.

Данный метод похож на метод опроса (централизованный), хотя явно

выделенного центра здесь не существует. Однако некий центр все-таки должен