5.КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ

5.1.Назначение и классификация компьютерных сетей

Сразвитием вычислительной техники и информационных технологий возникает не- обходимость в более совершенных средствах обработки информации. В эпоху централизо- ванного использования ЭВМ с пакетной обработкой пользователи приобретали компьютеры, на которых можно было решать почти все классы задач. Однако принцип централизованной обработки данных не отвечал высоким требованиям к надёжности процесса обработки, не обеспечивал временные параметры при диалоговой системе обработки в многопользователь- ском режиме. Выход из строя центральной ЭВМ был роковым для системы в целом.

Поэтому стали появляться системы, представляющие собой большое количество от- дельных, но связанных между собой компьютеров, которые могли обмениваться информаци- ей. Такие системы называются компьютерными сетями.

В процессе эксплуатации и эволюции возникло несколько типов компьютерных сетей. Первый этап перехода от централизованной к распределённой обработке данных – появление многомашинных ассоциаций. Эта система, выполняемая на независимых, но связанных меж- ду собой компьютерах, осуществляющих распределённую обработку данных.

Многомашинный вычислительный комплекс – группа установленных рядом вычисли- тельных машин, объединённых с помощью специальных средств сопряжения и выполняю- щих совместно единый информационно-вычислительный процесс.

Дальнейшее развитие многомашинных вычислительных комплексов привело к созда- нию качественно новой системы – компьютерных сетей. Компьютерная (вычислительная) сеть – совокупность компьютеров и терминалов, соединённых с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределённой обработки данных.

Основные отличия компьютерных сетей от многомашинных вычислительных ком- плексов следующие:

∙размерность. Многомашинный вычислительный комплекс состоит обычно из двух - трёх ЭВМ, сеть может содержать десятки и даже сотни ЭВМ;

∙распределение функций ЭВМ внутри сети. В многомашинных вычислитель- ных комплексах все ЭВМ вычисляют одно и то же и лишь страхуют друг дру- га, в сети функции обработки данных распределены между различными ЭВМ;

∙в сети присутствует маршрутизация сообщений, т. к. сообщение от одной ЭВМ

к другой может быть передано по различным маршрутам.

Вкомпьютерных сетях появляются специальные обозначения и термины. Абоненты сети – это объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети. Станция в се- ти – это аппаратура, выполняющая функции приёма и передачи информации. Физическая передающая среда (ФПС) – линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, и находится аппаратура передачи данных. На базе ФПС строится коммуникационная сеть, обеспечивающая передачу информации между абонентскими сис- темами. Эта сеть представляет собой обобщённую структуру компьютерной сети.

Компьютерные сети могут классифицироваться по разным параметрам, например, по технологии передачи информации, по размерам и т. п.

Существуют два типа технологии передачи информации:

∙широковещательные сети;

∙сети с передачей от узла к узлу.

Вшироковещательных сетях по одному общему каналу связи сообщения посылаются пакетами. Пакеты посылает одна ЭВМ, а принимаются пакеты всеми машинами, которые проверяют их адреса и обрабатывают им адресованные пакеты.

Сети с передачей от узла к узлу состоят из большого количества соединённых пар машин. В такой сети пакету необходимо пройти через ряд промежуточных машин, чтобы до-

203

браться до пункта назначения. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника к получателю.

По размерам сети делятся на три класса:

qглобальные сети (WAN – Wide Area Network);

qрегиональные сети (MAN – Metropolitan Area Network);

qлокальные сети (LAN – Local Area Network).

Глобальные сети объединяют абонентов, расположенных в различных странах и кон- тинентах. Взаимодействие осуществляется на базе телефонной связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Региональная сеть может включать абонентов внутри большого города, отдельной страны. Расстояния между абонентами достаточно велики. Локальная сеть обычно привязана к конкретному месту. Это фирма, предприятие, лаборатория (см. рис. 5.1).

Глобальная сеть	Региональная сеть	ЛВС
	№ 1

ЛВС

ЛВС

Региональная сеть

	№ 2
	ЛВС
ЛВС	ЛВС

Рис. 5.1. Иерархия компьютерных сетей

5.2.Режимы передачи данных в компьютерных сетях

Всостав любой коммуникационной сети входят следующие основные компоненты: передатчик, сообщение, средства передачи, приёмник.

Передатчик и приёмник – это технические устройства, которые являются источником или приёмником данных. Это могут быть компьютер, терминал или цифровое устройство. Средства передачи – физическая передающая среда и специальная аппаратура, обеспечи- вающая передачу сообщений.

Для передачи сообщений нужны каналы связи: телефонные, радиоканалы и каналы спутниковой вязи. Эти каналы характеризуются режимом передачи, кодом передачи и ти-

пом синхронизации.

Используется три режима передачи:

∙симплексный;

∙полудуплексный;

∙дуплексный.

При симплексном режиме передача данных происходит только в одном направлении. В вычислительных сетях этот режим используется крайне редко. Полудуплексный режим – это режим попеременной передачи информации. В этом случае источник и приёмник после- довательно меняются местами. Наконец, при дуплексном режиме происходит одновременная передача и приём сообщений. Примером такой передачи служит телефонный разговор. Дуп- лексный режим является наиболее скоростным и употребительным.

204

Бит чётности

Рис. 5.2. Синхронная передача

Сообщение

Биты

синхронизации

Символ конца передачи

Контрольная

последовательность

5.3. Типы синхронизации данных при передаче и способы передачи информации

Наиболее распространённым кодом передачи по каналам связи является код ASCII.

ЭВМ в сети могут быть связаны друг с другом интерфейсным кабелем или двухпроводной линией связи. В первом случае для передачи кодовой комбинации используется столько про- водов, сколько битов содержит передаваемая информация. Каждый бит передаётся по от- дельному проводу. Это так называемая параллельная передача или передача параллельным кодом. Она используется в локальных многомашинных вычислительных комплексах на не- большие расстояния. В больших вычислительных сетях передача параллельным кодом не используется.

По двухпроводной линии связи группа битов передаётся по одному проводу бит за битом. Это передача информации последовательным кодом. Она медленнее параллельной, но экономически более выгодна для передачи сообщений на большие расстояния.

Процессы приёма и передачи данных могут привязываться к определённым времен- ным меткам. Если такая привязка существует, то процесс передачи называется синхронным, в противном случае – асинхронным. Синхронизация данных – это согласование различных процессов во времени.

При синхронной передаче информация передаётся блоками, которые обрамляются специальными управляющими символами. Эти символы контролируют состав физической пе-

редающей среды и наличие ошибок при обмене информацией (см. рис. 5.2). Синхронная пере- дача – высокоскоростная и почти безошибоч- ная, но требующая дорогостоящего оборудова-

ния.

При асинхронной передаче данные пе- редаются как последовательность битов, из ко- торой выделяются байты информации. При этом каждый байт оформляется стартовым и сто-

повым битами, по которым их идентифицируют (см. рис. 5.3). Скорость передачи данных здесь меньше, но стоимость оборудования значительно ниже.

Если все абоненты компьютерной сети ведут передачу данных по каналу связи на од- ной частоте, то канал

называется

узкополос-

ным. Если

же каждый

1

0

0

1

1

0

0

1

абонент работает на сво-

Стартовые биты

Передаваемый

Стоповый бит

ей собственной частоте,

байт

то канал называется ши-

Рис. 5.3. Асинхронная передача

рокополосным.

Цифро-

вые данные по

провод-

нику передаются путём смены текущего напряжения: нет напряжения – “0”, есть напряжение – “1”. Существует два способа передачи информации по физической передаю- щей среде: цифровой и аналоговый.

При цифровом или узкополосном способе передачи данные передают на единой час- тоте. Можно передавать только цифровую информацию на ограниченное расстояние. Анало- говый способ обеспечивает широкополосную передачу. При этом можно управлять парамет- рами передаваемого сигнала.

Сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, описываемое уравнением X = Asin(ωt +ϕ ). Управлять сигналом можно через один из параметров A,ω или ϕ . Различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию сигнала (см. рис. 5.4 –

5.6). Широкополосная передача позволяет совмещать в одном канале связи передачу цифро- вых данных, изображения и звука.

205

1

0

1

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

Рис. 5.4. Амплитудная модуляция							Рис. 5.5. Частотная модуляция
1	0	1	1	0	0	1

Рис. 5.6. Фазовая модуляция

5.4. Аппаратные средства, применяемые при передаче данных

Технические устройства, выполняющие функции сопряжения ЭВМ с каналами связи называются сетевыми адаптерами. Наиболее часто применяются следующие устройства:

∙мультиплексоры;

∙модемы;

∙концентраторы;

∙повторители.

Мультиплексор передачи данных – это устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи. Сейчас вместо них применяют специальные связные процессоры.

Модем – устройство, выполняющее модуляцию и демодуляцию информационных сигналов при передаче их из ЭВМ в каналы связи и при приёме их в ЭВМ из канала связи.

Концентратор – устройство, коммутирующее несколько каналов связи на один путём частотного разделения. Это делается для экономии каналов связи.

Повторитель – устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды расстояние. Локальные повторители удлиняют сеть на расстояние около 50 метров, дистанционные до 2000 метров.

5.5. Архитектура и протоколы компьютерных сетей

Архитектура компьютерной сети – это описание её общей модели. Эта модель опре- деляет характеристики сети в целом и характеристики и функции, входящих в неё основных компонентов. Все сети различных архитектур удовлетворяют требованиям архитектуры мо- дели открытых систем. Модель открытых систем служит базой при разработке совместимо- го сетевого оборудования.

Первая версия этой модели разработана в 1978 г. ISO (International Standards Organization). В 1984 г. ISO выпустила новую версию, названную ISO OSI (Open System Interconnection Reference Model). Эта модель стала международным стандартом. Она определяет функ- ции и уровни взаимодействия протоколов в сети при передаче данных.

Протокол – это набор правил, определяющий взаимодействие двух одноимённых уровней модели открытых систем в различных абонентских ЭВМ. Протокол – это не про- грамма. Для каждого уровня существует свой протокол.

Модель открытых систем состоит из семи уровней (см. рис. 5.7). Каждому уровню со- ответствуют различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Сетевые функции, выполняемые на каждом уровне, взаимодействуют только с функциями двух соседних уров-

206

модели OSI

Рис. 5.7. Уровни эталонной

7 Прикладной

6 Представительный

5 Сеансовый

4 Транспортный

3 Сетевой

2 Канальный

1 Физический

ней – вышележащего и нижележащего. Уровни отделены друг от друга границами - интерфейсами.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты, ко- торые проходят последовательно все уровни от седьмого до пер- вого, при этом на каждом уровне к пакету добавляется формати- рующая или адресная информация, необходимая для безошибоч- ной передачи данных по сети.

На принимающей стороне пакет опять проходит через все уровни, но в обратном порядке. На каждом уровне из пакета уда- ляется информация, добавленная к нему на таком же уровне от- правителем, в результате на седьмом уровне данные примут свой первоначальный вид.

Функции каждого уровня следующие:

∙ самый верхний седьмой уровень – прикладной. Он содержит все необходимые элементы сервиса, обес- печивает поддержку прикладных программ конечных пользователей, т. е.

управляет общим доступом к сети;

∙представительный уровень определяет синтаксис данных в модели OSI, т. е. представление данных в кодах и форматах, принятых в данной системе;

∙сеансовый уровень реализует установление и поддержание сеанса связи между абонентами через коммуникационную сеть. Он управляет диалогом между взаимодействующими процессами;

∙транспортный уровень обеспечивает интерфейс между процессами и сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и обеспечивает пере- дачу по этим каналам информационных пакетов;

∙сетевой уровень отвечает за маршрутизацию пакетов в коммуникационной се- ти и за связь между сетями, т. е. реализует межсетевое взаимодействие;

∙канальный уровень реализует процесс передачи данных по информационному каналу. Данные разбиваются на кадры размером от нескольких сот до несколь- ких тысяч байтов. Каждый следующий кадр передаётся только после подтвер- ждения о безошибочной передаче предыдущего кадра;

∙физический уровень выполняет все необходимые процедуры в канале связи, обеспечивая передачу потока бит по физической передающей среде. Его ос-

новная задача – управление аппаратурой передачи данных и подключение к ней каналов связи.

Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, муль- типлексоры, сетевые платы и т. п. Функции остальных уровней реализуются в виде про- граммных модулей – драйверов.

Проще всего стандартизируются протоколы трёх нижних уровней, т. к. они опреде- ляют действия и процедуры, свойственные вычислительным сетям любого класса. Протоко- лы верхних уровней трудно стандартизировать из-за их уникальности, особенно по функ- циональному назначению.

Например, протоколы канального уровня делятся на две основные группы: Байт- ориентированные и бит-ориентированные.

Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения в виде последо- вательности байтов. Кроме информационных байтов сообщение несёт управляющие и слу- жебные байты. Протокол обеспечивает передачу двух типов кадров: управляющих и инфор- мационных. Работа протокола осуществляется в три фазы: установление соединения, под- держание сеанса связи, разрыв соединения. На каждый переданный кадр протокол требует посылки квитанции о результате его приёма. Кадры, переданные с ошибкой, передаются по- вторно, причём определяется максимальное число повторных передач. Наиболее распро-

207