Понятие сети ЭВМ

Под сетью ЭВМ понимают соединение двух и более ЭВМ с целью совместного использования их ресурсов (процессоров, устройств памяти, устройств ввода/вывода, данных). По степени охвата территории различают сети:

· локальные (местные) - в пределах одного учреждения, помещения (или при максимальном удалении ЭВМ не более 1км.)

· региональные - внутри населенного пункта, района

· национальные - внутри государства

· глобальные

По степени доступности различают корпоративные и общедоступные сети.

По топологии (способу объединения ЭВМ) различают:

· звездообразную топологию

При таком способе обмен данными между ЭВМ осуществляется через более мощную ЭВМ - сервер. Недостатком такого соединения является низкая живучесть сети - выход из строя сервера означает прекращение функционирование сети. Однако, простота и дешевизна реализации сделала эту структуру популярной в локальных сетях.

· топологию с общей шиной

При этом способе обмен данными происходит через общую шину, которую используя механизм прерывания может "захватывать" тот или иной компьютер. Характерной особенностью здесь является отсутствие сервера. Очень часто используется в локальных сетях, а уж в "домашних" повсеместно.

· кольцевая топология

В этой структуре каждая ЭВМ используя механизм прерывания работает в качестве ретранслятора. Обратите внимание, живучесть сети повышена - при одиночном обрыве связи между соседними ЭВМ сеть продолжает функционировать.

· полная топология

Соединение ЭВМ "каждая с каждой" позволяют получить сеть самую дорогую, но и обладающую максимальной живучестью.

Характеристики сетей ЭВМ

Операционные возможности - это перечень основных услуг предоставляемых сетью пользователю по обработке, хранению и передачи данных.

Время реакции сетей - Это интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо услуге сети и моментом получения ответа на данный запрос.

Время реакции сети (Т) состоит:

· Время подготовки запроса пользователя

· Время доступа запроса к средствам передачи данных

· Время передачи запроса до адресата через промежуточные средства телекоммуникации

· Время обработки запроса и подготовки ответа

· Время передачи ответа

· Время обработки ответа источником запроса

Пропускная способность - это объем данных (бит/с) передаваемых сетью в единицу времени и является наряду с задержкой передачи характеристикой, показывающей непосредственно качество передачи данных.

Надежность – эта характеристика складывается из:

· Коэффициент готовности сети – это доля времени в течении которого сеть выполняет возложенные на нее функции

· Вероятность доставки данных без искажений (вероятность потери данных)

· Безопасность – защита данных от несанкционированного доступа

· Отказоустойчивость – способность сети работать при отказе отдельных структурных функциональных элементов сети

Расширяемость и маштабируемость сети.

Расширяемость – характеризует степень легкости замены или добавления / удаления отдельных элементов сети.

Маштабируемость – возможность расширения сети в широких пределах без заметного ухудшения качества функционирования сети.

Производительность сети - Это суммарная производительность всех вычислительных систем, входящих в сеть, характеризует вычислительную мощность всей сети.

Прозрачность, управляемость и совместимость.

Прозрачность – характеризует степень простоты работы пользователя в сети

Управляемость – это возможность контроля состояния сети и ее отдельных компонентов, возможность разрешения возникающих в сети проблем, возможность анализа качества функционирования сети.

Совместимость – возможность сети включать в себя разнообразное программное, техническое обеспечение, произведенное самыми разными производителями (интегрируемость). Она достигается соблюдением разными производителями единых правил производства продукции (стандартов).

Стоимость обработки данных - Характеризует эффект и целесообразность построения и использования сети. Определяется из стоимости средств используемых для обработки, передачи и хранения данных с учетом их объема.

Модель ISO OSI

В 1984 году Международной Организацией по Стандартизации (International Standard Organization, ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI).

Модель представляет собой международный стандарт для проектирования сетевых коммуникаций и предполагает уровневый подход к построению сетей. Каждый уровень модели обслуживает различные этапы процесса взаимодействия. Посредством деления на уровни сетевая модель OSI упрощает совместную работу оборудования и программного обеспечения.

Модель OSI разделяет сетевые функции на семь уровней: прикладной, уровень представления, сессионный, транспортный, сетевой, канальный и физический.

Лекция 1.Введение в дисциплину Характеристики сетей ЭВМ

Сети ЭВМ могут характеризоваться совокупностью показателей качества , к основным из которых относятся следующие:

1. функциональные возможности сети –– перечень основных информационно вычислительных услуг, предоставляемых пользователям сети;

2. производительность сети –– среднее количество запросов пользователей сети, обслуживаемых за единицу времени;

3. пропускная способность сети (канала) – максимально возможное количество информации, которое может быть передано по сети (по каналу) за единицу времени. Пропускная способность измеряется в битах в секунду (бит/с), в килобитах в секунду (Кбит/с), в мегабитах в секунду (Мбит/с), в гигабитах в секунду (Гбит/с) и т. д.

4. надежность сети –– среднее время наработки на отказ основных компонентов сети;

§ вычислительные сети;

§ информационно-вычислительные сети.

Информационные сети предоставляют пользователям в основном информационные услуги. К таким сетям относятся сети научно-технической и справочной информации, резервирования и продажи билетов на транспорте, сети оперативной информации служб специального назначения и т. д.

Вычислительные сети отличаются наличием в своем составе более мощных вычислительных средств, запоминающих устройств повышенной емкости для хранения прикладных программ, банков данных и знаний, доступных для пользователей, возможностью оперативного перераспределения ресурсов между задачами.

На практике наибольшее распространение получили смешанные информационно-вычислительные сети , в которых осуществляются хранение и передача данных, а также решение различных задач по обработке информации.

По размещению основных информационных массивов (банков данных) сети подразделяются на следующие типы:

§ сети с централизованным размещением информационных массивов;

§ сети с локальным (абонентским) размещением информационных массивов.

В сетях с централизованным размещением информационные массивы формируются и хранятся на главном файловом сервере сети. В сетях с локальным размещением информационные массивы могут находиться на различных файловых серверах.

По степени территориальной рассредоточенности компонентов сети различают:

§ глобальные сети, охватывающие территорию страны или нескольких стран с расстояниями между отдельными узлами сети в несколько тысяч километров;

§ региональные сети, расположенные в пределах определенного территориального региона (города, района, области и т. п.);

§ локальные вычислительные сети, охватывающие сравнительно небольшую территорию (в радиусе до 10 км).

По типу используемых вычислительных средств сети могут быть:

§ однородными (ЭВМ всех абонентских систем сети аппаратно и программно совместимы);

неоднородными (ЭВМ абонентских систем сети аппаратно и программно несовместимы).

Локальные сети ЭВМ обычно являются однородными, а региональные и глобальные – неоднородными.

По методу передачи данных различают сети:

§ с коммутацией каналов;

§ с коммутацией сообщений;

§ с коммутацией пакетов;

со смешанной коммутацией.

Важным признаком классификации сетей ЭВМ является их топология, т. е. структура связей между элементами сети. Топология оказывает существенное влияние на пропускную способность, на устойчивость сети к отказам ее оборудования, на качество обслуживания запросов пользователей, на логические возможности и стоимость сети.

Для построения сетей ЭВМ используются следующие топологические структуры (рис. 2):

§ радиальная (звездообразная);

§ кольцевая;

§ шинная;

§ полносвязная;

§ древовидная (иерархическая);

смешанная.

Рис. 2. Топологические структуры сетей ЭВМ

Основу сетей с радиальной (звездообразной) топологией (рис. 2.а) составляет главный центр, который может быть как активным (выполняется обработка информации), так и пассивным (выполняется только ретрансляция информации). Такие сети довольно просты по своей структуре и организации управления . К недостаткам сетей с радиальной топологией можно отнести: нарушение связи при выходе из строя центрального узла коммутации, отсутствиесвободы выбора различных маршрутов для установления связи между АС, увеличение задержек в обслуживании запросов при перегрузке центра обработки, значительное возрастание общей протяженности линий связи при размещенииАС на большой территории.

В сетях с кольцевой топологией (рис. 2.б) информация между абонентскими станциями передается только в одном направлении. Кольцевая структураобеспечивает широкие функциональные возможности сети при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости, простоте методовуправления, возможности контроля работоспособности моноканала. К недостаткам сетей с кольцевой топологией можно отнести: нарушение связи при выходе из строя хотя бы одного сегмента канала передачи данных.

В сетях с шинной топологией (рис. 2.в) используется моноканал передачи данных, к которому подсоединяются абонентские системы. Данные от передающей АС распространяются по каналу в обе стороны. Информация поступает на все АС, но принимает сообщение только та АС, которой оно адресовано.

Шинная топология – одна из наиболее простых. Она позволяет легко наращивать и управлять сетью ЭВМ, является наиболее устойчивой к возможным неисправностям отдельных абонентских систем. Недостатком шинной топологии является полный выход из стоя сети при нарушении целостности моноканала.

В полносвязной сети (рис. 2.г) информация может передаваться между всеми АС по собственным каналам связи. Такое построение сети требует больного числа соединительных линий связи. Оно эффективно для малых сетей с небольшим количеством центров обработки, работающих с полной загрузкой каналов связи.

В сетях с древовидной топологией (рис. 2.д) реализуется объединение нескольких более простых сетей с шинной топологией. Каждая ветвь дерева представляет собой сегмент. Отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных сегментов.

Топология крупных сетей обычно представляет собой комбинации нескольких топологических решений. Примером такой сети может служить сеть со смешанной радиально – кольцевой топологией, представленная на рис. 2.е.

Правильный и рациональный выбор основных функциональных, технических и программных компонентов сетей ЭВМ, их топологической структуры оказывают непосредственное влияние на все технические характеристики и общую эффективность функционирования сетей ЭВМ в целом. Это особенно важно для вычислительных сетей военного назначения, предназначенных для обработки и передачи больших информационных массивов данных в условиях жесткого лимита времени и высоких требований к достоверности информации.

Лекция 3. Методы структуризации сетей ЭВМ

Физическая структуризация

Построение сетей ЭВМ с небольшим (10-30) количеством абонентских систем чаще всего осуществляется на основе одной из типовых топологий - общая шина, кольцо, звезда или полносвязная сеть. Все перечисленные топологии обладают свойством однородности, то есть все компьютеры абонентских систем в такой сети имеют одинаковые права в отношении информационного взаимодействия друг с другом (за исключением центрального компьютера при соединении звезда). Такая однородность структуры значительно упрощает процедуру наращивания общего числа абонентских систем, облегчает обслуживание и эксплуатацию сети ЭВМ

Построение больших сетей ЭВМ, объединяющих более 30 – ти абонентских систем, на основе унифицированных типовых топологических структур порождает различные ограничения, наиболее существенными из которых являются:

ü ограничения на длину связи между узлами;

ü ограничения на количество узлов в сети;

ü ограничения на интенсивность трафика, порождаемого узлами сети.

Например, технология Ethernet на тонком коаксиальном кабеле позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров, к которому можно подключить не более 30 сетевых ЭВМ (рис.3.1). Однако, если абонентские системы интенсивно обмениваются информацией между собой, то приходится снижать число подключенных к каналу компьютеров до 10 - 20, чтобы каждой абонентской системе доставалась приемлемая доля общей пропускной способности сети.

Для снятия этих ограничений используются специальные методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование – повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы. Такое оборудование также называют коммуникационным .

Простейшим из коммуникационных устройств является повторитель (repeater).

Повторители используются для физического соединения различных сегментов кабеля локальной сети ЭВМ с целью увеличения общей длины сети.

Повторитель передает сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие ее сегменты (рис.Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала - восстановления его мощности и амплитуды, улучшения фронтов и т. п.

Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называется концентратором или хабом . В данном устройстве сосредоточиваются все связи между сегментами сети.

Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей - Ethernet, ArcNet, Token Ring, FDDI и т. п.

В работе концентраторов различных типов и технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 3.2, а). А концентратор Token Ring (рис. 3.2, б) повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту - на том, к которому подключена следующая в кольце АС.

Концентратор всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменения ее логическую топологию.

Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической - конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают (рис. 3.3а). Однако это выполняется не всегда. Сеть на рис. 3.3б, демонстрирует пример несовпадения физической и логической топологии. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина, а логически – по кольцевой топологии.

Физическая структуризация сети с помощью концентраторов целесообразна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения ее надежности. Например, если какая-либо абонентская система сети Ethernet с физической общей шиной из-за сбоя начинает непрерывно передавать данные по общему кабелю, то вся сеть выходит из строя, и для решения этой проблемы остается только один выход - вручную отсоединить сетевой адаптер этой абонентской системы от кабеля. В сети Ethernet, построенной с использованием концентратора, эта проблема может быть решена - концентратор отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединенный к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть. Концентратор может блокировать некорректно работающий узел и в других случаях, выполняя роль некоторого управляющего узла.

Лекция 4. Логическая структуризация сети.

Физическая структуризация полезна во многих отношениях, однако в сетях большого и среднего размера, без логической структуризации обойтись невозможно. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, является проблема передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети.

В большой сети возникает неоднородность информационных потоков: сеть состоит из множества подсетей, отделов, рабочих групп и др. Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары ПК занимает сеть на все время обмена, поэтому при увеличении числа ПК в сети шина становится узким местом. ПК одного отдела вынуждены ждать, пока завершит обмен пара ПК другого отдела. (Рис.1)

https://pandia.ru/text/78/378/images/image007_101.gif" width="14" height="14">

Рис. 1 Физическая структуризация на основе концентраторов

На рисунке показана сеть, построенная на основе концентраторов. Пусть ПК А, находящийся в одной подсети с ПК В, посылает ему данные. Т. к. концентраторы распространяют любой кадр по всем сегментам сети, то кадр посылаемый ПК А, хотя он и не нужен ПК других сегментов поступит на эти сегменты тоже (на рисунке кадр – заштрихованный кружок). И до тех пор пока ПК В не получит адресованный ему кадр, ни один из ПК этой сети не сможет передавать данные.

Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура данной сети осталась однородной, она не учитывает возможность локальной обработки трафика внутри отдела и предоставляет всем ПК равные возможности по обмену информацией (рис. 2).

Рис. 2. Противоречие между физической структуризацией сети и информационными потоками

Для решения проблемы нужно отказаться от единой разделяемой среды. Например, на примере рисунка 2 желательно сделать так, чтобы кадры выходили за пределы сегмента 1, только в том случае, если эти кадры направлены какому-либо ПК другого сегмента. При такой организации производительность сет существенно повысится, т. к. ПК одного отдела не будут постаивать, пока обмениваются данными ПК других отделов.

Распространение трафика, предназначенного для ПК некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента, называется локализацией трафика. Логическая структуризация сети – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком. Для логической структуризации используются: мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы.

Мост ( Bridge) делит среду передачи сети на логические сегменты, передавая информацию только в том случае, если адрес ПК-получателя принадлежит другой подсети. Таким образом, мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой (рис. 2)

https://pandia.ru/text/78/378/images/image025_22.jpg" width="40" height="28">

Рис. 3. Логическая структуризация сети с помощью моста

Таким образом, если ПК А пошлет данные ПК В, то эти данные будут повторены только на тех сетевых интерфейсах, которые отмечены на рисунке заштрихованными кружками.

Коммутатор (Switch) по принципу обработки информационных кадров полностью аналогичен мосту. Основное его отличие от моста состоит в том, что он способен осуществлять информационный обмен одновременно между несколькими парами логических сегментов сети, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутатора обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что мосты – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме.

Маршрутизатор (Router) – коммуникационное устройство с расширенными интеллектуальными возможностями по сравнению с мостами и коммутаторами. Маршрутизаторы реализуют более эффективные методы разграничения трафика отдельных логических сегментов сети. Маршрутизаторы реализуют более эффективные методы разграничения трафика отдельных логических сегментов сети. Это достигается за счет использования составных числовых адресов и явной адресации логических сегментов сети (рис. 3.6).

№ сегмента сети № абонентской системы

Рис.3 Структура составного адреса

Кроме локализации трафика, маршрутизаторы способны выполнять еще ряд задач, наиболее важными из которых являются выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных. Другой важной возможностью маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные на основе разных сетевых технологий (рис 4). Особенностью данной сети является наличие дополнительной связи между сегментами 1 и 2, которая может благодаря наличию маршрутизаторов использоваться как для повышения производительности сети, так и дляповышения ее надежности. В данной сети информационный обмен осуществляется одновременно между двумя парами абонентских систем А и В, С и D.

Кроме перчисленных устройств, отдельные части сети может соединять шлюз ( gateway ). Обычно основной особенностью шлюза явяется необходимость объединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения , а не желание локализовать трафик. Тем не менее, шлюз обеспечивает и локализацию трафика в качестве некоторого побочного эффекта. Крупные сети практически никогда не строятся без физической и логической структуризации. Для отдельных сегментов и подсетей характерны типовые однородные топологии базовых технологий, и для их объединения всегда используется оборудование, обеспечивающее локализацию трафика, - мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, шлюзы и т. п.

Лекция 5. Архитектура и принципы построения сетей. Эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи:

ü Распознать данные

ü Разбить их на управляющие блоки

ü Добавить информацию к каждому блоку, чтобы указать местонахождение данных и получателя

ü Добавить информацию синхронизации и информацию для проверки ошибок

ü Поместить данные в сеть и отправить их по заданному адресу

Сетевая ОС при выполнении всех этих задач следует строгому набору процедур. Эти процедуры называются протоколами.

В 1984 году International Standards Organization (ISO) выпустила набор спецификаций для открытых систем, чтобы все они могли использовать одинаковые протоколы и стандарты для обмена информацией. Этим стандартом стала модель (Open System Interconnection reference model), названная эталонной моделью взаимодействия открытых систем

В модели OSI сетевые функции распределены между семью уровнями. Каждому уровню соответствуют различные сетевые операции и протоколы (рис.1)

Рис. 1 Взаимосвязи между уровнями модели OSI

Каждый уровень предоставляет несколько услуг, которые готовят данные для доставки по сети на другой компьютер. Уровни разделяются друг от друга границами – интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень для выполнения своих функций использует услуги нижележащего уровня (рис 1)

Когда в модели OSI процесс А на машине 1 хочет взаимодействовать с процессом Б на машине 2, он формирует сообщение и передает его прикладному уровню модели OSI на своей машине. Затем программное обеспечение прикладного уровня добавляет свой заголовок к сообщению и передает его при помощи интерфейса 7\6 уровней представительному уровню и т. д. Некоторые уровни добавляют не только заголовок, но и концевик. Когда сообщение достигает самого нижнего уровня, физический уровень действительно передает сообщение, которое при поступлении на машину 2 передается в обратном порядке (снизу вверх). При этом каждый уровень проверяет и удаляет свой собственный заголовок. Наконец, сообщение поступает к получателю, процессу Б, который может ответить на него, используя аналогичный путь.

Прикладной уровень(Application) – он представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Он обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя (ПО для передачи файлов, доступа к базам данных , электронной почты). Прикладной уровень управляет общим доступом к сети, потоком данных и восстановлением после сбоев связи.

Представительный уровень(Presentation) – определяет формат, используемый для обмена данными между сетевыми ПК. Его можно назвать переводчиком. Здесь данные, поступившие от прикладного уровня, переводятся в общепонятный промежуточный формат. Этот уровень отвечает за преобразование протоколов, трансляцию и шифрование данных и т. д. Кроме того, данный уровень управляет сжатием данных для уменьшения общего числа передаваемых битов. На представительном уровне работает редиректор, назначение которого состоит в перенаправлении локальных операций на сетевой сервер.

Сеансовый уровень(Session) - позволяет двум приложениям на разных ПК устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. На этом уровне выполняются функции по распознаванию имен и защите, необходимой для связи двух ПК в сети.

Транспортный уровень (Transport)- гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. На этом уровне сообщения переупаковываются: длинные сообщения разбиваются на несколько пакетов, короткие объединяются в один. Это увеличивает эффективность передачи пакетов по сети

Сетевой уровень (Network) – отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов и имен в физические. На этом уровне определяется маршрут от ПК-отправителя к ПК-получателю. На этом этапе решаются проблемы, связанные с сетевым трафиком: коммутация пакетов, маршрутизация и перегрузки

Канальный уровень (Data Link) – выполняет передачу кадров от сетевого уровня к физическому. Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Канальный уровень упаковывает «сырой» поток битов, поступающих от физического уровня, в кадры данных. Данный уровень обеспечивает точность передачи кадров между ПК через Физический уровень

Физический уровень(Physical) – осуществляет передачу потока битов по физической среде (например, по сетевому кабелю). Здесь реализуются механический, электрический, оптический и функциональный интерфейс с кабелем. На этом уровне определяется способ соединения сетевого кабеля с платой сетевого адаптера и способ передачи сигналов по сетевому кабелю. Этот уровень отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов, гарантируя, что переданная 1 будет воспринята именно как 1, а не как 0

Лекция 6 . Основные типы кабелей, их конструкция, характеристики и функционирование

На сегодняшний день подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения провода и кабели. Существуют различные типы кабелей, но на практике в большинстве сетей применяются только три основные группы:

Коаксиальный кабель (coaxial cable) Витая пара (twisted pair) Неэкранированная Экранированная Оптоволоконный кабель (fiber cable)

Назначение и структура коаксиального кабеля

Коаксиальный кабель предназначен для передачи высокочастотных сигналов в различной электронной аппаратуре, особенно в радио- и ТВ-передатчиках, компьютерах, трансмиттерах.

Конструкция коаксиального кабеля состоит из медной жилы или стальной жилы плакированной медью, изоляции, ее окружающей, экрана в виде герметичного слоя фольги и металлической оплетки, внешней оболочки (см. рис. 1). При наличии сильных электромагнитных помех в месте прокладки сети можно воспользоваться кабелем с трехкратной (фольга + оплетка + фольга) или четырехкратной (фольга + оплетка + фольга + оплетка) экранизацией. Экран защищает передаваемые по кабелю данные, поглощая внешние электромагнитные сигналы - помехи или шумы. Таким образом, экран не позволяет помехам исказить данные. Трехкратный экран рекомендуется использовать в условиях сильного электромагнитного шума, например в городских индустриальных районах. Четырехкратный экран разработан для использования в местах с чрезвычайно высоким уровнем электромагнитного шума, например вблизи от электрических машин, магистралей, в метро или поблизости от организаций оборудованных мощными радиопередатчиками.

Электрические сигналы, кодирующие данные, передаются по жиле. Жила - это один провод (сплошная) или пучок проводов. Сплошная жила изготавливается, из меди или стали плакированной медью. Жила окружена изоляционным слоем, который отделяет ее от металлической оплетки. Оплетка играет роль заземления и защищает жилу от электрических шумов и перекрестных помех (электрические наводки, вызванные сигналами в соседних проводах). Проводящая жила и металлическая оплетка не должны соприкасаться, иначе произойдет короткое замыкание, помехи проникнут в жилу, и данные разрушатся. Снаружи кабель покрыт непроводящим слоем - из резины, тефлона или пластика.

Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше чем в витой паре. Ввиду того, что плетеная защитная оболочка поглощает внешние электромагнитные сигналы, не позволяя им влиять на передаваемые по жиле данные, то коаксиальный кабель можно использовать при передаче на большие расстояния и в тех случаях, когда высокоскоростная передача данных осуществляется на несложном оборудовании.

Существует два типа коаксиальных кабелей :

Тонкий коаксиальный кабель - гибкий кабель диаметром около 0,5 см, прост в применении и годится практически для любого типа сети, способен передавать сигнал на расстояние до 185 м без его заметного искажения, вызванного затуханием. Основная отличительная особенность - медная жила. Она может быть сплошной или состоять из нескольких переплетенных проводов.

Толстый коаксиальный кабель - относительно жесткий кабель с диаметром около 1 см. Иногда его называют «стандартный Ethernet», поскольку он был первым типом кабеля, применяемым в Ethernet - популярной сетевой архитектуре. Медная жила толстого коаксиального кабеля больше в сечении, чем тонкого, поэтому он передает сигналы на расстояние до 500 м. Толстый коаксиальный кабель иногда используют в качестве основного кабеля, который соединяет несколько небольших сетей, построенных на тонком коаксиальном кабеле.

Сравнение двух типов коаксиальных кабелей

Как правило, чем толще кабель, тем сложнее его прокладывать. Тонкий коаксиальный кабель гибок, прост в установке и относительно недорог. Толстый коаксиальный кабель трудно гнуть, следовательно, его сложнее монтировать, это очень существенный недостаток, особенно в тех случаях, когда необходимо проложить кабель по трубам или желобам

Выбор того или иного типа коаксиальных кабелей зависит от места где этот кабель будет прокладываться. Существуют поливинилхлоридные и пленумные классы коаксиальных кабелей.

Поливинилхлорид – это пластик, который применяется в качестве изолятора или внешней оболочки у большинства коаксиальных кабелей. Его прокладывают на открытых участках помещений. Однако при горении он выделяет ядовитые газы.

Пленумные коаксиальные кабели – прокладываются в вентиляционных шахтах, между подвесными потолками и перекрытиями пола.

Монтирование кабельной системы

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю применяют специальное устройство – трансивер. Он снабжен специальным коннектором пронзающим ответвителем, который проникает через слой изоляции и вступает в контакт с проводящей жилой.

Для подключения тонкого коаксиального кабеля используются BNC-коннекторы.
BNC коннектор (Рис 1), BNC T коннектор (Рис.2) и BNC баррел коннектор

https://pandia.ru/text/78/378/images/image040_15.jpg" width="228" height="201 src=">

Назначение и структура витой пары

Самая простая витая пара – это два перевитых изолированных медных провода. Согласно стандарту различают два вида витых пар:

§ UTP - кабель на основе неэкранированной медной пары

§ STP - кабель на основе экранированной медной пары

Неэкранированная витая пара (UTP, unshielded twisted pair) - это кабель, в котором изолированная пара проводников скручена с небольшим числом витков на единицу длины. Скручивание проводников уменьшает электрические помехи извне при распространении сигналов по кабелю. э.

Кабель на основе неэкранированной медной пары различают по его пропускной способности, выделяя тем самым несколько категорий:

Категория 6 : Кабель этой категории является одной из наиболее совершенных сред передачи данных среди вышеперечисленных категорий. Его частота передачи сигнала доходит до 250 МГц, что почти в два раза больше пропускной способности категории 5е. Улучшена помехозащищенность.

Монтаж кабельной системы на основе витой пары

Рис. 1 Порт MDI/MDI-X и разъем RJ-45

Прямая разводка – применяется, когда кабель соединяет ПК с концентратором или концентратор с концентратором

Кросс-разв одка – применяется для соединения ПК друг с другом

Прямая разводка кабеля выполняется согласно таблице 1

№ контакта коннектора	Цвет проводника
	Бело-зеленый
	Бело - оранжевый
	Бело-синий
	Оранжевый
	Бело-коричневый
	Коричневый

Кросс-разводка кабеля выполняется согласно таблице 2

№ контакта коннектора	Первый конец	Второй конец
	Бело-зеленый	Бело - оранжевый
		Оранжевый
	Бело - оранжевый	Бело-зеленый
	Бело-синий	Бело-синий
	Оранжевый
	Бело-коричневый	Бело-коричневый
	Коричневый	Коричневый

После подключения коннекторов кабель следует проверить с помощью специального тестера, который определит, правильно ли проводники витых пар подсоединены к контактам коннекторов, а также целостность самого кабеля.
Назначение и функции оптоволокна

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это относительно защищенный способ передачи, поскольку при нем не используются электрические сигналы. Следовательно, к оптоволоконному кабелю невозможно подключиться, не разрушая его, и перехватывать данные, от чего не застрахован любой кабель, проводящий электрические сигналы

Рис.1 Структура оптоволоконного кабеля: 1 –cердцевина с показателем преломления n1;

2 - отражающая оболочка с показателем преломления n2, n1 > n2;.3 – защитное покрытие.

Кабель содержит несколько световодов, хорошо защищенных пластиковой изоляцией. Он обладает сверхвысокой скоростью передачи данных (до 2 Гбит), абсолютно не подвержен помехам и сам не создает излучения, долговечен (срок службы 25 лет). Расстояние между системами, соединенными оптиковолокном, может достигать 100 километров. Основа оптоволокна - кварц (SiO2), самый распространенный в природе материал, недорогой в отличие от меди.

В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают:

многомодовое волокно со ступенчатым изменением показателя преломления(а) многомодовое волокно с плавным изменением показателя преломления(б) одномодовое волокно (в)

Рис.2 Типы оптического кабеля

В одномодовом кабеле используется центральный проводник очень малого диаметра - от 5 до 15 мкм. При этом практически все лучи света распространяются вдоль оптической оси световода, не отражаясь от внешнего проводника. Полоса пропускания одномодового кабеля очень широкая - до сотен гигагерц на километр.

Изготовление тонких качественных волокон для одномодового кабеля представляет сложный технологический процесс, что делает одномодовый кабель достаточно дорогим. Кроме того, в волокно такого диаметра достаточно сложно направить пучок света, не потеряв при этом значительную часть его энергии.

В многомодовых кабелях используются более широкие внутренние сердечники, которые легче изготовить технологически.

В многомодовых кабелях во внутреннем проводнике одновременно существует несколько световых лучей, отражающихся от внешнего проводника под разными углами. Угол отражения луча называется модой луча.

Многомодовые кабели имеют более узкую полосу пропускания - от 500 до 800 МГц/км. Сужение полосы происходит из-за потерь световой энергии при отражениях, а также из-за интерференции лучей разных мод.

В качестве источников излучения света в волоконно-оптических кабелях применяются светодиоды и полупроводниковые лазеры.

Для одномодовых кабелей применяются только полупроводниковые лазеры, так как при таком малом диаметре оптического волокна световой поток, создаваемый светодиодом, невозможно без больших потерь направить в волокно. Для многомодовых кабелей используются более дешевые светодиодные излучатели.

Волоконно-оптические кабели присоединяют к оборудованию разъемами MIC, ST и SC.

Казалось бы, идеальный проводник для сети найден, но стоит оптический кабель чрезвычайно дорого (около 1-3$ за метр), и для работы с ним требуется специальные сетевые карты, коммутаторы и т. д. Данное соединение применяется для объединения крупных сетей, высокосортного доступа в Интернет (для провайдеров и крупных компаний), а также для передачи данных на большие расстояния. В домашних сетях, если требуется высокая скорость соединения, гораздо дешевле и удобнее воспользоваться гигабитной сетью на витой паре.

1.3. Многоуровневая организация вычислительных сетей

1.3.1. Требования к организации компьютерных сетей

Для обеспечения эффективного функционирования к компьютерным сетям предъявляются требования, основными среди которых являются

1) открытость – возможность добавления в сеть новых компонентов (узлов и каналов связи, средств обработки данных) без изменения существующих технических и программных средств;

2) гибкость – сохранение работоспособности при изменении структуры сети в результате сбоев и отказов отдельных компонентов сети

или при замене оборудования; 3) совместимость – возможность работы в сети оборудования

разного типа и разных производителей; 4) масштабируемость – способность сети увеличивать свою

производительность при добавлении ресурсов (узлов и каналов связи); 5) эффективность – обеспечение требуемого качества обслуживания

пользователей, задаваемого в виде показателей производительности, временны х задержек, надежности и т.д., при минимальных затратах.

Требования к организации компьютерных сетей

открытость совместимость эффективность

гибкость масштабируемость

Указанные требования реализуются за счет многоуровневой

организации управления процессами в сети, в основе которой лежат понятия процесса, уровня, интерфейса и протокола (рис.1.17).

Понятия многоуровневой организации

прикладной

системный

Интерфейс

программный

Протокол

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.2. Понятия процесса и уровня

Функционирование вычислительных систем и сетей удобно описывать в терминах процессов.

Процесс – динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки или передачи данных.

Процессы делятся на:

1) прикладные – обработка данных в ЭВМ и терминальном оборудовании, а также передача данных в СПД;

2) системные – обеспечение прикладных процессов (активизация терминала для прикладного процесса, организация связи между процессами и др.).

Данные между процессами передаются в виде сообщений через логические программно-организованные точки, называемые портами .

Порты разделяются на входные и выходные .

Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом или сессией .

В каждом узле обработки данных (компьютере) могут одновременно выполняться несколько независимых прикладных процессов, связанных, например, с обработкой данных (такие процессы называются вычислительными процессами). Эти процессы путём обмена сообщениями через соответствующие порты могут взаимодействовать с прикладными процессами, протекающими в других узлах вычислительной сети так, как это показано на рис.1.18.

Здесь в узле 1 и 2 выполняются по 3 прикладных процесса А1 , А2 , А3

и В 1 , В2 , В3 соответственно, а в узле 3 выполняется один прикладной процесс С. Эти процессы через соответствующие порты обмениваются сообщениями, причем процесс С обменивается сообщениями через два порта: входной, через который поступают сообщения от процесса В3 , и выходной, который служит для передачи сообщений от процесса С к процессу А1 .

Процесс: А1 А2 А3	Процесс: В1 В2 В3
	Сообщения
	Процесс С
Одним из основных понятий многоуровневой организации
управления процессами в компьютерных сетях является понятие уровня,
которое лежит в основе моделей всех сетевых технологий.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Уровень (layer) – понятие, позволяющее разделить всю совокупность функций обработки и передачи данных в вычислительной сети на несколько иерархических групп. На каждом уровне реализуются определенные функции обработки и передачи данных с помощью аппаратных и/или программных средств сети. Каждый уровень обслуживает вышележащий уровень и, в свою очередь, пользуется услугами нижележащего.

1.3.3. Модель взаимодействия открытых систем (OSI-модель)

Международная Организация по Стандартам (МОС, International Standards Organization – ISO) предложила в качестве стандарта открытых систем семиуровневую коммуникационную модель (рис.1.19), известную как OSI-модель (Open Systems Interconnection) – модель Взаимодействия Открытых Систем (ВОС).

	Узел (система) А				Узел (система) В
		прикладной				application layer
		представления				presentation layer
		сеансовый
		транспортный
		канальный
		физический
			Передающая среда

Каждый уровень OSI-модели отвечает за отдельные специфические функции в коммуникациях и реализуется техническими и программными средствами вычислительной сети.

1.3.3.1. Физический уровень

Уровень 1 – физический (physical layer) – самый низкий уровень OSI-модели, определяющий процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми устройствами (узлами сети).

Реализует управление каналом связи:

∙ подключение и отключение канала связи;

∙ формирование передаваемых сигналов и т.п.

Описывает:

∙ механические, электрические и функциональные характеристики среды передачи;

∙ средства для установления, поддержания и разъединения физического соединения.

Обеспечивает при необходимости:

∙ кодирование данных;

∙ модуляцию сигнала, передаваемого по среде.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Данные физического уровня представляют собой поток битов (последовательность нулей или единиц), закодированные в виде электрических, оптических или радио сигналов.

Из-за наличия помех, воздействующих на электрическую линию связи, достоверность передачи , измеряемая как вероятность искажения одного бита, составляет 10-4 – 10 -6 . Это означает, что в среднем на 10000 – 1000000 бит передаваемых данных один бит оказывается искажённым.

1.3.3.2. Канальный уровень

Канальный уровень или уровень передачи данных (data link layer)

является вторым уровнем OSI-модели. Реализует управление:

∙ доступом сетевых устройств к среде передачи, когда два или более устройств могут использовать одну и ту же среду передачи;

∙ надежной передачей данных в канале связи, позволяющей увеличить достоверность передачи данных на 2-4 порядка.

Описывает методы доступа сетевых устройств к среде передачи, основанные, например, на передаче маркера или на соперничестве.

Обеспечивает:

∙ функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разрыва соединения;

∙ управление потоком для предотвращения переполнения приемного устройства, если его скорость меньше, чем скорость передающего устройства;

∙ надежную передачу данных через физический канал с вероятностью искажения данных 10-8 – 10 -9 за счёт применения методов и средства контроля передаваемых данных и повторной передачи данных при обнаружении ошибки.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает достаточно надежную передачу данных через ненадежный физический канал.

Блок данных, передаваемый на канальном уровне, называется

кадром (frame).

На канальном уровне появляется свойство адресуемости

передаваемых данных в виде физических (машинных) адресов, называемых также MAC-адресами и являющихся обычно уникальными идентификаторами сетевых устройств.

Как будет показано в разделе 3, универсальные МАС-адреса в ЛВС Ethernet и Token Ring являются 6-байтными и записываются в шестнадцатеричном виде, причём байты адреса разделены дефисом,

например: 00-19-45-A2-B4-DE .

К процедурам канального уровня относятся:

∙ добавление в кадры соответствующих адресов;

∙ контроль ошибок;

∙ повторная, при необходимости, передача кадров.

На канальном уровне работают ЛВС Ethernet, Token Ring и FDDI.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.3.3. Сетевой уровень

Сетевой уровень (network layer), в отличие от двух предыдущих, отвечает за передачу данных в СПД и управляет маршрутизацией сообщений – передачей через несколько каналов связи по одной или нескольким сетям, что обычно требует включения в пакет сетевого адреса получателя.

Блок данных, передаваемый на сетевом уровне, называется пакетом

(packet).

Сетевой адрес – это специфический идентификатор для каждой промежуточной сети между источником и приемником информации.

Сетевой уровень реализует:

∙ обработку ошибок,

∙ мультиплексирование пакетов;

∙ управление потоками данных.

Самые известные протоколы этого уровня:

∙ Х.25 в сетях с коммутацией пакетов;

∙ IP в сетях TCP/IP;

∙ IPX/SPX в сетях NetWare.

Кроме того, к сетевому уровню относятся протоколы построения маршрутных таблиц для маршрутизаторов: OSPF, RIP, ES-IS, IS-IS.

1.3.3.4. Транспортный уровень

Транспортный уровень (transport layer) наиболее интересен из высших уровней для администраторов и разработчиков сетей, так как он управляет сквозной передачей сообщений между оконечными узлами сети ("end-end"), обеспечивая надежность и экономическую эффективность передачи данных независимо от пользователя. При этом оконечные узлы возможно взаимодействуют через несколько узлов или даже через несколько транзитных сетей.

На транспортном уровне реализуется:

1) преобразование длинных сообщений в пакеты при их передаче в сети и обратное преобразование;

2) контроль последовательности прохождения пакетов ;

3) регулирование трафика в сети ;

4) распознавание дублированных пакетов и их уничтожение.

Способ коммуникации "end-end" облегчается еще одним способом адресации – адресом процесса , который соотносится с определенной прикладной программой (прикладным процессом), выполняемой на компьютере. Компьютер обычно выполняет одновременно несколько программ, в связи с чем необходимо знать какой прикладной программе (процессу) предназначено поступившее сообщение. Для этого на

транспортном уровне используется специальный адрес, называемый адресом порта . Сетевой уровень доставляет каждый пакет на конкретный

адрес компьютера, а транспортный уровень передаёт полностью собранное сообщение конкретному прикладному процессу на этом компьютере.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

Транспортный уровень может предоставлять различные типы сервисов, в частности, передачу данных без установления соединения или с предварительным установлением соединения. В последнем случае перед началом передачи данных с использованием специальных управляющих пакетов устанавливается соединение с транспортным уровнем компьютера, которому предназначены передаваемые данные. После того как все данные переданы, подключение заканчивается. При передаче данных без установления соединения транспортный уровень используется для передачи одиночных пакетов, называемых дейтаграммами , не гарантируя их надежную доставку. Передача данных с установлением соединения применяется для надежной доставки данных.

1.3.3.5. Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает обслуживание двух "связанных" на уровне представления данных объектов сети и управляет ведением диалога между ними путем синхронизации, заключающейся в установке служебных меток внутри длинных сообщений. Эти метки позволяют после обнаружения ошибки повторить передачу данных не с самого начала, а только с того места, где находится ближайшая предыдущая метка по отношению к месту возникновения ошибки.

Сеансовый уровень предоставляет услуги по организации и синхронизации обмена данными между процессами уровня представлений.

На сеансовом уровне реализуется:

1) установление соединения с адресатом и управление сеансом;

2) координация связи прикладных программ на двух рабочих станциях.

1.3.3.6. Уровень представления

Уровень представления (presentation layer) обеспечивает совокупность служебных операций, которые можно выбрать на прикладном уровне для интерпретации передаваемых и получаемых данных. Эти служебные операции включают в себя:

∙ управление информационным обменом ;

∙ преобразование (перекодировка) данных во внутренний формат каждой конкретной ЭВМ и обратно;

∙ шифрование и дешифрование данных с целью защиты от несанкционированного доступа;

∙ сжатие данных , позволяющее уменьшить объём передаваемых данных, что особенно актуально при передаче мультимедийных данных, таких как аудио и видео.

Служебные операции этого уровня представляют собой основу всей семиуровневой модели и позволяют связывать воедино терминалы и средства вычислительной техники (компьютеры) самых разных типов и производителей .

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.3.7. Прикладной уровень

Прикладной уровень (application layer) обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя, а также управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети. Другими словами, прикладной уровень обеспечивает интерфейс между прикладным ПО и системой связи. Он предоставляет прикладной программе доступ к различным сетевым службам, включая передачу файлов и электронную почту.

1.3.3.8. Процесс передачи сообщений в OSI-модели

Транспортный, сеансовый, представительский и прикладной уровни

(уровни 4 – 7) относятся к высшим уровням OSI-модели . В отличие от низших уровней (1 – 3) они отвечают за коммуникации типа "end-end",

т.е. коммуникации между источником и приемником сообщения.

В соответствии с OSI-моделью сообщения в передающем узле А (компьютере) проходят вниз через все уровни от верхнего У 7 до самого нижнего У 1 (рис.1.20), причем многоуровневая организация управления процессами в сети порождает необходимость модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Модификация заключается в добавлении к сообщению на каждом уровне соответствующих заголовков З i и концевиков К i , называемых обрамлением сообщения , в которых содержится информация об адресах взаимодействующих объектов, а также информация, необходимая для обработки сообщения на данном уровне.

	Узел (система) А						Узел (система) В
			С К6 К5			З 5 З 6		С К6 К5
	З2 …		С К6 …			З2 …		С К6 …
					Поток битов
	Когда сообщение достигает низшего (физического) уровня У 1 , оно
пересылается к другому узлу В в виде потока битов, представляющего
собой физические сигналы (электрические, оптические или радиоволны)

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

передающей среды. В приемном узле (компьютере) сообщение от нижнего физического уровня У 1 проходит наверх через все уровни, где от него отсекаются соответствующие заголовки и концевики. Таким образом, каждый уровень оперирует с собственным заголовком и концевиком, за счет чего обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений.

1.3.4. IEEE-модель локальных сетей

Институт инженеров по электронике и электротехнике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) предложил вариант OSI-модели,

используемый при разработке и проектировании локальных сетей и получивший название IEEE-модели .

В IEEE-модели канальный уровень разбивается на два подуровня

∙ подуровень управления доступом к среде передачи (Medium Access Control , MAC-подуровень), описывающий способ доступа сетевого устройства к среде передачи данных ;

∙ подуровень управления логическим соединением (Logical Link Control , LLC-подуровень), описывающий способ установления и

завершения соединения, а также способ передачи данных.

LLC-подуровень предо-
ставляет более высоким уровням				Уровни OSI-модели		Подуровни
возможность	управлять качест-
					Прикладной
вом услуг и обеспечивает сервис
					Представления
трех типов:
1) сервис без установления
					Сеансовый
соединения и без подтверждения
					Транспортный
доставки;
					Сетевой
2) сервис без установления
соединения с	подтверждением			2 - канальный
доставки;
3) сервис с установлением
соединения.					Физический
		установления
соединения		подтверждения

доставки не гарантирует доставку данных и обычно применяется в приложениях, использующих для контроля передачи данных и защиты от ошибок протоколы более высоких уровней.

Сервис с установлением соединения обеспечивает надежный обмен данными.

Главной функцией МАС-уровня является обеспечение доступа к каналу передачи данных. На этом уровне формируется физический адрес устройства, который называется МАС-адресом . Каждое устройство сети идентифицируется этим уникальным адресом, который присваивается всем сетевым устройствам.

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

1.3.5. Понятия интерфейса и протокола

Описание сетевой технологии и алгоритма функционирования компьютерной сети связано с описанием соответствующих интерфейсов и протоколов.

Интерфейс – соглашение о взаимодействии (границе) между уровнями одной системы, определяющее структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями OSI-модели.

Интерфейсы подразделяются на:

1) схемные – совокупность интерфейсных шин;

2) программные – совокупность процедур реализующих порядок взаимодействия между уровнями.

Протокол – совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры взаимодействия процессов одноименных уровней на основе обмена сообщениями.

Описание протокола предполагает задание:

1) логической характеристики протокола, определяющей

структуру (формат) и содержание (семантику) сообщений путём

перечисления типов сообщений и их смысла; 2) процедурной характеристики протокола , представляющей

собой правила выполнения действий , предписанных протоколом взаимодействия и задаваемых в форме: операторных схем алгоритмов. автоматных моделей, сетей Петри и др.

Рис.1.22 иллюстрирует понятия интерфейсов и протоколов и их соответствие уровням OSI-модели.

Система (узел) А

7 - прикладной

6 - представления

5 - сеансовый

4 - транспортный

3 - сетевой

2 - канальный

1 - физический

Раздел 1. Общие принципы организации сетей ЭВМ

называется стеком протоколов . В настоящее время существует большое количество разнообразных сетевых технологий и соответствующих им стеков протоколов, наиболее известными и распространёнными среди которых являются стеки протоколов: TCP/IP, XNS, IPX, AppleTalk, DECnet, SNA. Краткое описание перечисленных стеков протоколов приводится в конце данного раздела (см. п.1.7).

1.3.6. Протокольные блоки данных (PDU)

Данные, передаваемые на разных уровнях в сети, формируются в виде блоков, называемых протокольными блоками данных (Protocol Data Unit – PDU). PDU представляет собой единицу данных, передаваемую как единое целое и имеющую обрамление в виде заголовка со служебной информацией (адрес отправителя, адрес получателя, длина блока и т.п.) и, возможно, концевика.

На разных уровнях OSI-модели используются разные PDU, имеющие специальные названия. Наибольшее распространение получили следующие названия блоков данных: сообщение , дейтаграмма , пакет ,

кадр (рис. 1.23).

Уровни OSI-модели
	Прикладной	Сообщение
	Транспортный	Дейтаграмма
	Канальный

Сообщение (message) – блок данных, рассматриваемых как единое целое при передаче между двумя пользователями (процессами) и имеющих определенное смысловое значение. Сообщения используются на 7-м уровне OSI-модели для передачи данных между прикладными процессами и могут иметь произвольную длину.

Кадр (frame) – блок данных 2-го (канального) уровня OSI-модели,

имеющий ограниченную длину и передаваемый как единое целое в локальной сети или по выделенному каналу связи между двумя узлами.

Пакет (packet) – блок данных на 3-го (сетевого) уровня OSI-модели, имеющий ограниченную длину и представляющий собой единицу передачи данных в СПД.

Дейтаграмма (datagram) – блок данных 4-го (транспортного)

уровня OSI-модели, передаваемый дейтаграммным способом без установления соединения.

Предельный размер кадра, пакета и дейтаграммы зависит от сетевой технологии и устанавливается соответствующими протоколами, определяющими формат и допустимый размер блока данных.

– Характеристики стеков коммуникационных протоколов

– Стек TCP/IP

Организация сети

Основная цель, которая преследуется при соединении компьютеров в сеть – это возможность использования ресурсов каждого компьютера всеми пользователями сети. Для того чтобы реализовать эту возможность, компьютеры, подсоединенные к сети, должны иметь необходимые для этого средства взаимодействия с другими компьютерами сети.

Определенный набор функций, выполняемых данным уровнем для вышележащего уровня, а также форматы сообщений, которыми обмениваются два соседних уровня в ходе своего взаимодействия, называется интерфейсом .

Интерфейс определяет совокупный сервис, предоставляемый данным уровнем вышележащему уровню.

При организации взаимодействия компьютеров в сети каждый уровень ведет "переговоры" с соответствующим уровнем другого компьютера. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п.

Правила взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней. Такие формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколами .

Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого взаимодействия, называется стеком протоколов .

Программные средства, реализующие некоторый протокол, также называют протоколом. При этом соотношение между протоколом – формально определенной процедурой взаимодействия и протоколом – средством, реализующим эту процедуру, аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу. Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно также и протокол может иметь несколько программных реализаций, например, протокол IPX, реализованный компанией Microsoft для Windows NT в виде программного продукта NWLink , имеет характеристики, отличающиеся от реализации этого же протокола компанией Novell . Именно поэтому, при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек, то есть, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

Протоколы реализуются не только программно-аппаратными средствами компьютеров, но и коммуникационными устройствами. Действительно, в общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую – "компьютер-компьютер", а через различные коммуникационные устройства такие, например, как концентраторы, коммутаторы или маршрутизаторы . В зависимости от типа устройства, в нем должны быть встроены средства, реализующие некоторый набор сетевых протоколов.

При организации взаимодействия могут быть использованы два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения (connection-oriented network service , CONS) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить логическое соединение, то есть договориться о параметрах процедуры обмена, которые будут действовать только в рамках данного соединения. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Когда устанавливается новое соединение, переговорная процедура выполняется заново. Телефон – это пример взаимодействия, основанного на установлении соединения.

Вторая группа протоколов – протоколы без предварительного установления соединения (connectionless network service , CLNS). Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово. Опускание письма в почтовый ящик - это пример связи без установления соединения.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами . Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того, чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач (hops ) между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов , через которые проходит пакет.

Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией . Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту или, например, надежность передачи.

Характеристики стеков коммуникационных протоколов

Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell , стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и некоторые другие.

Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет лицо сети и ее характеристики. В небольших сетях может использоваться исключительно один стек. В крупных корпоративных сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.

Стек TCP/IP

Стек TCP/IP, называемый также стеком Internet , является одним из наиболее популярных и перспективных стеков коммуникационных протоколов. Если в настоящее время он распространен в основном в сетях с ОС UNIX, то реализация его в последних версиях сетевых операционных систем для персональных компьютеров (Windows NT, NetWare ) является хорошей предпосылкой для быстрого роста числа установок стека TCP/IP.

Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defence , DoD ) более 20 лет назад для связи экспериментальной сети ARPAnet с другими сателлитными сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Сеть ARPA поддерживала разработчиков и исследователей в военных областях. В сети ARPA связь между двумя компьютерами осуществлялась с использованием протокола Internet Protocol (IP), который и по сей день является одним из основных в стеке TCP/IP и фигурирует в названии стека. Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.

Самый нижний (уровень IV ) – уровень межсетевых интерфейсов – соответствует физическому и канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных каналов это Ethernet , Token Ring , FDDI, для глобальных каналов – собственные протоколы работы на аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP/PPP, которые устанавливают соединения типа "точка - точка" через последовательные каналы глобальных сетей, и протоколы территориальных сетей X.25 и ISDN. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в качестве транспорта канального уровня.

Следующий уровень (уровень III ) – это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается передачей дейтаграмм с использованием различных локальных сетей, территориальных сетей X.25, линий специальной связи и т. п. В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели OSI) в стеке используется протокол IP , который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом.

К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP (Routing Internet Protocol ) и OSPF (Open Shortest Path First ), а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP (Internet Control Message Protocol ). Последний протокол предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизатором и шлюзом, системой-источником и системой-приемником, то есть для организации обратной связи. С помощью специальных пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.

Следующий уровень (уровень II ) называется основным. На этом уровне функционируют протокол управления передачей TCP (Transmission Control Protocol ) и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Datagram Protocol ). Протокол TCP обеспечивает устойчивое виртуальное соединение между удаленными прикладными процессами. Протокол UDP обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным методом, то есть без установления виртуального соединения, и поэтому требует меньших накладных расходов, чем TCP.

Верхний уровень (уровень I ) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet , почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте сети Internet и ее российской ветви РЕЛКОМ, гипертекстовые сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько подробнее на некоторых из них, наиболее тесно связанных с тематикой данного курса.

Протокол SNMP (Simple Network Management Protocol ) используется для организации сетевого управления. Проблема управления разделяется здесь на две задачи. Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации определяют процедуру взаимодействия сервера с программой-клиентом, работающей на хосте администратора. Они определяют форматы сообщений, которыми обмениваются клиенты и серверы, а также форматы имен и адресов. Вторая задача связана с контролируемыми данными. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в шлюзах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB (Management Information Base ), определяет те элементы данных, которые хост или шлюз должен сохранять, и допустимые операции над ними.

Протокол пересылки файлов FTP (File Transfer Protocol ) реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений – TCP. Кроме пересылки файлов протокол, FTP предлагает и другие услуги. Так пользователю предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может распечатать содержимое ее каталогов, FTP позволяет пользователю указывать тип и формат запоминаемых данных. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и пароль.

В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол – простейший протокол пересылки файлов TFTP (Trivial File Transfer Protocol ). Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения – UDP.

Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленной ЭВМ.

Структура информационно-вычислительной сети. Для созда­ния крупномасштабных систем обработки данных вычислительные центры (ВЦ) и ЭВМ, обслуживающие отдельные предприятия и организации, объединяются с помощью средств передачи данных в информационно-вычислительные сети ИВС (рис. 8), где приняты такие обозначения: БД - банк данных; ГВМ - главная ЭВМ; ВЦКП - вычислительный центр коллективного пользования; ПЭВМ - персо­нальная ЭВМ; АС - администратор сети; УМПД - удаленный ПТД -процессор телеобработки данных; УК - узел коммутации; ЦК -центр коммутации; МПД - мультиплексор ПД; ТВМ - терминальная ЭВМ; мультиплексор ПД.

В самом общем случае ИВС включает в себя три класса логиче­ских модулей:

· модули обработки данных пользователя, обеспечивающие або­ненту доступ к различным вычислительным ресурсам. Эти модули позволяют реализовать главную целевую функцию ИВС - обработ­ку данных пользователя;

· терминальные модули, обеспечивающие пользователю обраще­ние к модулям обработки;

· модули взаимодействия и соединения, обеспечивающие местное или удаленное взаимодействие терминальных модулей с модулями обработки данных, а также терминальных модулей между собой.

Перечисленным логическим модулям соответствуют определен­ные физические объекты в ИВС. Так модулям обработки данных соответствуют главные ЭВМ сети, собственно и создающие инфор­мационно-вычислительные ресурсы ИВС. Оконечные пункты или АП реализуют терминальные модули, а коммутационные центры (коммутационные ЭВМ) соответствуют модулям взаимодействия.

ИВС подразделяются на четыре взаимосвязанных объекта:

· базовая сеть передачи данных;

· сеть ЭВМ;

· терминальная сеть;

· администратор сети.

Базовая сеть ПД - совокупность аппаратных и программных средств для ПД как между ЭВМ, так и между другими устройствами ИВС. Состоит из каналов связи и узлов коммутации (центров комму­тации). Обычно УК реализуется на основе коммутационной ЭВМ и АПД. Таким образом, базовая сеть ПД является ядром ИВС, обеспечивая физическое объединение ЭВМ и прочих устройств.

Сеть ЭВМ - совокупность ЭВМ, объединенных базовой сетью ПД. Сеть ЭВМ включает в себя главные ЭВМ (ГВМ), банки данных (БД), вычислительные центры коллективного использования (ВЦКП), а также терминальные ЭВМ (ТВМ). Основная задача ТВМ - опряжение терминалов с базовой сетью ПД. Эту функцию могут выполнять также ПТД (процессоры телеобработки данных) и УМПД (удаленные мультиплексоры ПД). Кроме того, терминалы могут подключаться даже к главным ЭВМ.

Терминальная сеть - совокупность терминалов и терминальных сетей ПД. Под терминалом понимаются устройства, с помощью которых абоненты осуществляют ввод/вывод данных. В качестве терминалов могут использоваться интеллектуальные терминалы (ПЭВМ) и АП (абонентские пункты). Для подключения терминалов к сети ЭВМ, кроме, естественно, каналов связи, применяются терми­нальные ЭВМ (ТВМ), УМПД (удаленные мультиплексоры ПД), ПТД (процессоры телеобработки данных).

Административная система обеспечивает контроль состояния ИВС и управление ее работой в изменяющихся условиях. Данная система включает специализированные ЭВМ, терминальное обору­дование и программные средства, с помощью которых:

· включается или выключается вся сеть или ее компоненты;

· контролируется работоспособность сети;

· устанавливается режим работы сети и ее компонентов;

· устанавливается объем услуг, предоставляемых абонентам се­ти, и т.д.

Рис. 12.1. Структура ИВС

Шлюзовые элементы ИВС обеспечивают совместимость как ба­зовой сети ПД, так и всей ИВС с другими внешними сетями. Прото­колы внешних ИВС могут отличаться от имеющихся протоколов. Поэтому шлюзы при необходимости обеспечивают преобразование и согласование интерфейсов, форматов, способов адресации и т. п. Шлюзы реализуются на специализированных ЭВМ.

ИВС можно условно разделить на два класса:

· территориальные, т.е. имеющие большую площадь обслужива­ния;

· локальные - размещающиеся, как правило, внутри одного зда­ния.

Основные характеристики информационно-вычислительных сетей. Основными характеристиками ИВС являются: операционные возможности, производительность, время доставки сообщений, стоимость обработки данных.

Рассмотрим эти характеристики подробнее.

Операционные характеристики (возможности) сети - пере­чень основных действий по обработке данных. ГВМ, входящие в состав сети, обеспечивают пользователей всеми традиционными видами обслуживания (средствами автоматизации программирова­ния, доступом к пакетам прикладных программ, базам данных и т.д.). Наряду с этим ИВС может предоставлять следующие допол­нительные услуги:

· удаленный ввод заданий - выполнение заданий с любых терми­налов на любых ЭВМ в пакетном или диалоговом режимах;

· передачу файлов между ЭВМ сети;

· доступ к удаленным файлам;

· защиту данных и ресурсов от несанкционированного доступа;

· передачу текстовых и, возможно, речевых сообщений между терминалами;

· выдачу справок об информационных и программных ресурсах сети;

· организацию распределенных баз данных, размещаемых на нескольких ЭВМ;

· организацию распределенного решения задач на нескольких ЭВМ.

Производительность сети - представляет собой суммарную производительность главных ЭВМ. При этом обычно производи­тельность ГВМ означает номинальную производительность их процессоров.

Время доставки сообщений определяется как среднее время от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сооб­щения адресатом.

Цена обработки данных формируется с учетом стоимости средств, используемых для ввода/вывода, передачи и обработки данных. Эта стоимость зависит от объема используемых ресурсов ИВС, а также режима передачи и обработки данных.

Основные параметры ИВС зависят не только от используемых технических и программных средств, но и в значительной степени, от нагрузки, создаваемой пользователями.