Тебекин В.В. Теоретические основы компьютерных информационных технологий

Подождите немного. Документ загружается.

работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей со-

общений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) ком-

мутации сообщений. Основное функциональное назначение центра комму-

тации сообщений – обеспечить автоматическую передачу информации от

абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и

требованиями к качеству и надежности связи.

Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы

отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность ис-

пользования каналов связи при передаче одного и того же объема инфор-

мации (которая в этом случае может достигать 80, 90% от максимального

значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание

несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно

реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется од-

новременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и

узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое

время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи

между абонентами сети.

Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования

возможно совместное применение перечисленных методов коммутации,

основой которого служат следующие условия:

– использование в одном и том же узле связи аппаратуры для комму-

тации каналов и для коммутации сообщений (тот или иной способ комму-

тации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);

– организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уров-

ней иерархии и коммутацией сообщений для нижних уровней.

Коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ ме-

тодов коммутацией каналов и коммутации сообщений. При коммутации паке-

тов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фик-

сированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения

эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их

длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагает-

ся, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В

этом отношении указанный метод близок к методу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эф-

фективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и

значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов

связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации,

т. е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при

методе коммутации сообщений.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи

между абонентами.

Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:

– в системах первого типа устройство коммутации анализирует ад-

рес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необ-

ходимый для передачи информации;

– в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и

терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав

адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет

прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.

Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных

сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип приме-

ним для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.

В. Технология выполнения сети (техническая реализация)

Механизмы передачи данных в локальных и глобальных сетях суще-

ственно отличаются. Глобальные сети ориентированы на соединение – до

начала передачи данных между абонентами устанавливается соединение. В

локальных сетях используются методы, не требующие предварительной

установки соединения, – пакет с данными посылается без подтверждения

готовности получателя к обмену.

В табл. 4.1 перечислены основные технологии, используемые в тех

или иных сетях и подробно рассматриваемые ниже [11].

Таблица 4.1

Технологии и сети

Технология

Масштаб сети

Технология

Масштаб сети

Arcnet

LAN

FDDI

MAN

AnyLAN

LAN

DQDB

MAN

Token

Ring

LAN

SMDS

MAN

.25

LAN

ATM

WAN

Ethernet

LAN

ISDN

WAN

Frame Relay

MAN

Кроме разницы в скорости передачи данных между этими категория-

ми сетей существуют и другие отличия. В локальных сетях каждый ком-

пьютер имеет сетевой адаптер, который соединяет его со средой передачи.

Городские сети содержат активные коммутирующие устройства, а гло-

бальные сети обычно состоят из групп мощных маршрутизаторов пакетов,

объединенных каналами связи.

Г. Структура построения (топология): а) радиальная (звездообраз-

ная), б) кольцевая, в) многосвязная («каждый с каждым»), г) «общая шина,

магистраль», д) иерархическая и др. (рис. 4.1), где символом «К» обозна-

чено устройство коммутации физических линий связи.

Д. Возможность использования

Частные сети (private) – ЛВС организации, корпорации, которые мо-

гут быть физически отделены от внешних пользователей;

Рис. 4.1

сети общего пользования (public) – сети телекоммуникаций, связы-

вающие ЛВС: АТС, узлы радио- и космической связи и т. п.

Ж. Совместимость

Однородные (гомогенные) сети – это сети, состоящие из программно-

совместимых ЭВМ;

неоднородные (гетерогенные) сети – это сети, состоящие из про-

граммно-несовместимых ЭВМ.

4.2. Принципы передачи информации в ЛВС

4.2.1. Эталонная модель OSI [11, 40]

Все устройства, работающие в одной сети, должны «общаться на од-

ном языке» – передавать данные в соответствии с общеизвестным алго-

ритмом в формате, который будет понят другим устройством. Однако в

некоторых случаях возникают ситуации, когда два устройства «не пони-

мают» друг друга. Различные компании, даже работающие в одной отрас-

ли, имеют различные приоритеты, подходы к построению сети и т. д. Раз-

личия во взглядах разработчиков на фундаментальные основы сети могут

привести к несовместимости устройств. Самые первые сети вообще были

работоспособны только при условии, что все их компоненты поставля-

лись одним производителем. Это приводило к тому, что заказчики груп-

пировались вокруг ведущих производителей, образовывая как бы клубы,

вход в которые был закрыт для приверженцев других фирм. При таком

положении вещей замена существующего сетевого оборудования продук-

тами других производителей означала серьезные денежные затраты.

Взаимодействие устройств подразумевает, что все устройства следуют

общепризнанным правилам. Для одобрения этих правил были созданы

специальные комитеты и институты по стандартизации. Данные организа-

ции формируются из представителей фирм в определенной области про-

мышленности, которые добровольно предлагают свою помощь. Эти доб-

ровольцы занимаются разработкой и утверждением стандартов, которые

должны поддерживаться любым продуктом, претендующим на соответст-

вие стандарту. Продукты, не соответствующие стандартам, могут вызы-

вать проблемы в сети. Большинство производителей понимают важность

предоставления заказчикам стандартизованных продуктов для построения

гибких и открытых сетей.

В 1984 г. с целью упорядочения описания принципов взаимодейст-

вия устройств в сетях Международная организация по стандартизации

(International Organization of Standardization – ISO) предложила семи-

уровневую эталонную коммуникационную модель «Взаимодействие

открытых систем» (Open System Interconnection – OSI). Модель OSI

стала основой для разработки стандартов на взаимодействие систем.

Она определяет только схему выполнения необходимых задач, но не

дает конкретного описания их выполнения. Это осуществляется кон-

кретными протоколами или правилами, разработанными для опреде-

ленной технологии с учетом модели OSI. Уровни OSI могут реализовы-

ваться как аппаратно, так и программно.

Как правило, обмен данными между абонентами сети осуществляется

с помощью фиксированных блоков (фрагментов), которые называют паке-

тами. Любой пакет независимо от типа и структуры ЛВС включает в себя

следующие элементы, представленные на рис.4.2.

Адрес

получателя

Адрес

отправителя

Данные

Контрольная

сумма

Рис. 4.2

Существует семь основных уровней модели OSI (табл. 4.2). Они начи-

наются с физического уровня и заканчиваются прикладным. Каждый уро-

вень предоставляет услуги для более высокого уровня. Седьмой уровень

обслуживает непосредственно пользователей.

Таблица 4.2

Уровни модели OSI

№

п.п.

Уровень

Данные Функции уровня

7 Прикладной

(Application)

Сообщение

Предоставляет сетевой сервис

6 Представления

(Presentation)

Пакет

Трансляция данных и файлов;

шифрование данных,

сжатие данных

5 Сеансовый

(Session)

Пакет

Управление сессией,

диалог,

контроль за ошибками,

обработка транзакций,

поддержка вызовов удаленных

процедур RPC

4 Транспортный

(Transport)

Сегмент, дей-

таграмма, па-

кет

Надежность передачи,

гарантированная доставка, муль-

типлексирование сессий верхнего

уровня

3 Сетевой

(Network)

Дейтаграмма

Маршрутизация логических ад-

ресов,

создание и ведение таблиц мар-

шрутизации,

фрагментация и сборка данных.

Неориентированная на соедине-

ние и ненадежная доставка

2 Канальный

(Data Link)

Кадр, пакет

Окончательная доставка по физи-

ческому адресу устройства,

синхронизация кадров,

доступ к среде перед

чи

1 Физический

(Physical)

Биты

Синхронизация битов,

сигнализация, аналоговая или

цифровая,

электрическая и механические

спецификации

Следование стандартам позволяет достичь того, что оборудование ра-

ботает одинаково независимо от поставщика, т. е. оборудование является

совместимым. Помимо прочего, это избавляет от тягостной зависимости от

одного-единственного поставщика, появляется свобода выбора.

Модель OSI послужила основой для стандартизации всей сетевой ин-

дустрии. Кроме того, модель OSI является хорошей методологической ос-

новой для изучения сетевых технологий. Несмотря на то, что были разра-

ботаны и другие модели (в основном патентованные), большинство по-

ставщиков сетевого оборудования определяет свои продукты в терминах

эталонной модели OSI.

Она сводит передачу информации в сети к семи относительно простым

подзадачам. Два самых низких уровня модели OSI реализуются как аппаратно,

так и программно. Остальные пять уровней в основном программные.

Модель OSI описывает путь информации через сетевую среду от одной

прикладной программы на одном компьютере до другой программы на другом

компьютере (рис. 4.3). При этом пересылаемая информация проходит вниз че-

рез все уровни системы. Взаимодействие между разными системами реализу-

ется только на физическом уровне. По мере прохождения информации вниз

внутри системы она преобразуется в вид, удобный для передачи по физиче-

ским каналам связи. Для указания адресата к этой преобразованной информа-

ции добавляется заголовок с адресом. После получения адресатом этой ин-

формации она проходит через все уровни наверх. По мере прохождения ин-

формация преобразуется в первоначальный вид. Каждый уровень системы

использует услуги, предоставляемые ему смежными уровнями.

Основная идея модели OSI в том, что одни и те же уровни в разных

системах, не имея возможности связываться непосредственно, должны ра-

ботать абсолютно одинаково.

Эталонная модель OSI не определяет реализацию сети, она только

описывает функции каждого уровня и общую схему передачи данных в се-

ти. Она служит основой сетевой стратегии в целом.

Рис. 4.3

4.2.2. Протоколы и интерфейсы

Чтобы упростить проектирование, анализ и реализацию обмена сооб-

щениями между компьютерами, эту процедуру разбивают на несколько

иерархически связанных между собой подзадач.

При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны сле-

довать множеству соглашений. Например, они должны согласовать уровни

и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений,

договориться о методах контроля и т. п. Соглашения должны быть едины-

ми для всех уровней, от самого низкого уровня передачи битов до самого

высокого уровня, определяющего интерпретацию информации.

Такие формализованные правила, определяющие последовательность

и формат сообщений на одном уровне, называются протоколами. Иерар-

хически организованная совокупность протоколов называется стеком

коммуникационных протоколов.

Протоколы соседних уровней на одном узле взаимодействуют друг с

другом также в соответствии с четко определенными правилами, описы-

вающими формат сообщений. Эти правила принято называть интерфей-

сом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень

предоставляет вышележащему.

В модели OSI различается два основных типа протоколов. В протоко-

лах с установлением соединения (Connection-Oriented Network Service –

CONS) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала

установить соединение и, возможно, выбрать протокол, который они будут

использовать. После завершения диалога они должны разорвать соедине-

ние.

Вторая группа протоколов – протоколы без предварительного уста-

новления соединения (Connectionless Network Service – CLNS). Они назы-

ваются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто переда-

ет сообщение, когда оно готово. В сетях используются как те, так и другие

протоколы.

4.2.3 Уровни модели OSI

Физический уровень

Физический уровень – самый низкий в модели OSI. На данном уровне

определяются электрические, механические, функциональные и иные па-

раметры реализации физической связи. Физический уровень описывает

процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми уст-

ройствами. Ею могут быть медный кабель (коаксиальный кабель, витая па-

ра и т. д.), оптоволокно, радиоканал. Поэтому к физическому уровню отно-

сятся характеристики сред передачи: полоса пропускания, помехозащи-

щенность, волновое сопротивление и др. На этом же уровне определяются

характеристики электрических сигналов: фронты импульсов, уровни на-

пряжения или тока передаваемого сигнала, типы кодирования, скорости

передачи сигналов. Кроме того, стандартизуются типы разъемов и опреде-

ляется назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, под-

ключенных к сети. В компьютере физический уровень поддерживается се-

тевым адаптером. Единственным типом оборудования, которое работает

только на физическом уровне, являются повторители.

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает надежную передачу данных через

физический канал. Канальный уровень оперирует блоками данных, назы-

ваемыми кадрами (frame). В локальных сетях используется разделяемая

среда передачи. Основным назначением канального уровня является прием

кадра из сети и отправка его в сеть. Функции канального уровня реализуют-

ся установленными в компьютерах сетевыми адаптерами и соответствую-

щими драйверами, а также различным коммуникационным оборудованием:

мостами, коммутаторами, маршрутизаторами. Эти устройства должны:

– формировать кадры. При этом происходят формирование заголов-

ка и размещение данных, поступивших с более высокого уровня. Кадры

могут быть информационными и служебными;

– анализировать и обрабатывать кадры;

– принимать кадры из сети и отправлять их в сеть.

– При выполнении этой задачи канальный уровень осуществляет:

– физическую адресацию передаваемых сообщений;

– соблюдение правил использования физического канала;

– выявление неисправностей;

– управление потоками информации.

Канальный уровень обеспечивает правильность передачи каждого

кадра, добавляя к кадру его контрольную сумму. Получатель кадра прове-

ряет достоверность полученных данных путем сравнения вычисленной и

переданной с кадром контрольных сумм. Тем не менее такая схема приме-

няется не всегда, например, в технологии ATM формирование поля про-

верки ошибок в заголовке ячейки на передающей стороне, а также обна-

ружение ошибок и их исправление на приемной стороне реализованы на

физическом уровне.

Сетевой уровень

На сетевом уровне решаются вопросы объединения сетей с разными

топологиями и принципами передачи данных между конечными узлами

для образования единой транспортной системы. Здесь сеть является не

просто объединением компьютеров, а соединением по одной из типовых

технологий, использующих для передачи данных один из протоколов ка-

нального уровня. На сетевом уровне решаются вопросы обмена данными

между сетями. Обмен данными осуществляется порциями, которые назы-

ваются пакетами. Каждый пакет кроме адреса компьютера снабжается ад-

ресом сети как получателя, так и отправителя.

Для соединения сетей используется маршрутизатор, который собирает

информацию о топологии межсетевых соединений. На пути передачи пакета

между конечными узлами, находящимися в разных сетях, возможно, находят-

ся другие промежуточные сети, через которые необходимо сделать транзит-

ные передачи. Таким образом, пакет проходит через несколько маршрутизато-

ров, которые образуют маршрут. Таких маршрутов может быть несколько.

Проблема выбора наилучшего маршрута является главной задачей на сетевом

уровне, решение которой возлагается на маршрутизатор. Критерии выбора мо-

гут быть следующими – время передачи пакета, надежность передачи.

На данном уровне решаются вопросы согласования разных техноло-

гий, оптимизации информационных потоков между сетями.

На сетевом уровне выделяются два вида протоколов – это сетевые

протоколы, с помощью которых осуществляется продвижение пакетов че-

рез сеть. К ним можно отнести и так называемые протоколы маршрутиза-

ции, с помощью которых маршрутизаторы обмениваются маршрутной ин-

формацией. Второй вид протокола – протокол разрешения адресов, кото-

рый отвечает за преобразование адреса узла, используемого на сетевом

уровне, в локальный адрес сети.

Транспортный уровень

На транспортном уровне решаются вопросы обеспечения надежности пе-

редачи данных, обнаружения и исправления ошибок передачи (искажение, по-

теря и дублирование пакетов). Модель OSI предполагает пять классов сервиса,

которые определяются качеством предоставляемых услуг по надежности. За-

дача выбора класса сервиса не только решается приложениями и протоколами

более высоких уровней, но и зависит от уровня надежности, который обеспе-

чивается более низкими уровнями (сетевым, канальным, физическим). Если

качество каналов связи, например, отечественных телефонных линий оставля-

ет желать лучшего, то разумно использовать более развитый сервис транс-

портного уровня по обеспечению надежности передачи данных.

Протоколы транспортного уровня и выше реализуются программны-

ми средствами узлов сети, компонентами сетевых систем.

Сеансовый уровень

На сеансовом уровне реализуются средства синхронизации, при по-

мощи которых в длинных передачах устанавливаются специальные кон-

трольные точки для возможного отката в случае сбоя не в начало, а на по-

следнюю контрольную точку. Сеансовый уровень обеспечивает управле-

ние диалогом между конечными узлами.

Отдельные протоколы сеансового уровня обычно не используются.

Его функции реализуются в протоколах прикладного уровня.

Представительский уровень

Функции уровня представления заключаются в преобразовании фор-

мы представления данных, полученных от прикладного уровня одной сис-

темы, в форму, необходимую для восприятия прикладным уровнем другой

системы. На этом уровне преодолеваются синтаксические различия в

представлении и кодировке данных и также обеспечивается секретность

обмена данными для всех служб прикладного уровня.

Прикладной уровень

Протоколы прикладного уровня обеспечивают доступ пользователей к

разделяемым ресурсам сети (файлы, принтеры, факсы, сканеры, гипертек-

стовые страницы). К ним относятся протоколы электронной почты и дру-

гие протоколы совместной работы. В качестве единицы информации про-

токолы этого уровня используют сообщение.

4.3. Программные и аппаратные компоненты вычислительной сети

Программные компоненты состоят из операционных систем и сетевых

приложений. Для эффективной работы сетей используются специальные

операционные системы (ОС), которые в отличие от персональных опера-

ционных систем предназначены для решения специальных задач по управ-

лению работой сети компьютеров, – это сетевые операционные системы.

Они устанавливаются на специально выделенные компьютеры, которые

называют серверы (Server).

Сетевые приложения – это прикладные программные комплексы, ко-

торые расширяют возможности сетевых ОС. Среди них можно выделить

почтовые программы, системы коллективной работы, сетевые базы данных

и др. В процессе развития сетевых ОС некоторые функции сетевых прило-

жений становятся обычными функциями ОС.

Среди аппаратных средств можно выделить компьютеры и коммуни-

кационное оборудование.

В настоящее время в сети используются компьютеры разных типов и

классов с различными характеристиками – это основа любой вычислитель-

ной сети. Компьютеры, их характеристики определяют возможности вы-

числительной сети. Но в последнее время и коммуникационное оборудова-

ние (кабельные системы, повторители, мосты, маршрутизаторы и др.) ста-