Розділ 2. Основи передачі даних в комп'ютерних мережах
Розглянемо схематичне представлення процесу передачі інформації. Зазначимо, що структура такої схеми вперше була представлена у 1948 році у роботі тоді ще нікому не відомого Клода Шеннона, якого тепер вважають засновником теорії інформації та завадостійкого кодування.
Мал. 2.1 Схема моделі передачі інформації
Інформація надходить з джерела (передавача) на вхід пристрою кодування (або програми-кодера), де перетворюється у певну послідовність символів. Для прикладу можна навести загальновідомий код Самюеля Морзе, в якому символи представляються послідовністю крапок та тире.
При кодуванні інформації будь-яким кодом кожному символу алфавіту, а також знакам пунктуації, цифрам і спецсимволам ставиться у відповідність деякій набір символів іншого алфавіту. Наприклад, представлення тексту повідомлення у цифровому вигляді є послідовністю нулів та одиниць.
Кодування не треба плутати із шифруванням, оскільки операція кодування не передбачає наявність секретної (ключової) інформації, а лише алгоритму перетворення. Знаючи алгоритм, можна здійснити зворотне перетворення - декодування.
Кодування призначене для збереження цілісності інформації при передачі. Отже, є велика імовірність, що вихідна інформація прийде на приймач в пошкодженому вигляді - замість одного символу буде інший. Наприклад, при передачі слова "кишеня" отримаємо слово "кошеня".
Для того, щоби того не сталось і отриманий символ можна було би однозначно розпізнати, символи повідомлення переводять в цифровий вигляд - в кодові слова (послідовність 0 та 1) і додають надлишкові символи. Наприклад, кодове слово 01 розширюють до слова 01000. Звісно, при такому підході істотно зменшиться швидкодія передачі, оскільки повідомлення збільшиться в об'ємі. [4]
Канал передачі даних - канал зв'язку, оснащений спеціальною апаратурою: автоматичними пристроями виклику, пристроями захисту від помилок і пристроями перетворення сигналів.
В залежності від швидкості передачі даних канали поділяються на:
низькошвидкісні (до 200 біт/с);
середньошвидкісні (до 9600 біт/с);
високошвидкісні (більше 19200 біт/с).
Доведено, що швидкість передачі даних в каналі залежить від його частотних характеристик. Так, наприклад, канал з шириною смуги частот 3000Гц і співвідношенням сигнал/шум 30dB (децибел) не зможе передавати більше, ніж 30000 біт/с.
Одиниці вимірювання інформації, що передається мережею поділяються на:
baud (бод) - зміна сигналу (якщо за 1 секунду два рази включити світло в кімнаті, то це буде дорівнювати швидкості 4 боди);
bps (bіts per second) - біти за 1 секунду;
cps (characters per second) - символи за 1 секунду.
З врахуванням напрямів передачі даних канали поділяють на: симплексні (передача лише в одному напрямі), напівдуплексні (передача почергово двох напрямах), дуплексні (передача одночасно в двох напрямах).
Виявлення помилок при передачі здійснюється шляхом аналізу певної послідовності прийнятих символів на предмет належності її до визначеного класу структур. В пункті приймання дані аналізуються на предмет наявності спотворених (заборонених) символів.
Помилки можуть бути виправлені двома способами:
локалізацією і виправленням на приймачі;
повторним надсиланням даних.
Пристрій, що здійснює кодування інформації, називається кодер (coder), а пристрій, що здійснює декодування інформації, відповідно - декодер (decoder). Основними елементами мережі передачі даних є канали передавання даних і вузли комутації. Територіально апаратура передавання даних розташовується, як правило, у вузлах комутації, абонентських системах або на серверах.
Абонент з'єднує свій комп'ютер з сервером доступу за допомогою модему по звичайній телефонній лінії або по виділеному каналу зв'язку. Модем (MOdufator-DEModulator - Модулятор-ДЕМдулятор) представляє собою пристрій для перетворення цифрового сигналу в аналоговий і навпаки. Факс-модем, крім основного призначення, може ще й приймати і передавати факси (графічні зображення документів).
Типи модемів:
внутрішній (іnternal) - встановлюється в комп'ютер як додаткова електронна плата;
зовнішній (external) - з'єднується з комп'ютером за допомогою кабелю або інтерфейсного роз'єму (наприклад, стандарту USB).
Керування роботою модемів здійснюється за допомогою спеціальних програм. При цьому модеми можуть в автоматичному режимі впливати на передачу даних (зміна швидкості, аналіз рівня виникнення помилок і т.п.).
Якщо локальна комп'ютерна мережа містить більше, ніж 30-40 комп'ютерів (робочих станцій), її розділяють на сегменти, з'єднані між собою шлюзами і маршрутизаторами. [6,7]
Передавання даних мережею здійснюють таким чином. Дані перед передаванням поділяють на невеликі порції, до яких долучають керівну інформацію, зокрема, адреси відправника й одержувача та порядковий номер порції. Таку порцію даних разом із керівною інформацією називають пакетом. Пакети послідовно передають мережею на комп'ютер-одержувач і збирають на ньому у правильному порядку.
Рівні обміну даними у комп'ютерних мережах:
прикладний (верхній) рівень, на якому діє прикладна програма, що оперує даними та здійснює доступ до мережної служби;
мережевий рівень, на якому дані вже розглядають як пакети;
фізичний рівень (кабелі, сигнали), на якому дані передають бітами.
На комп'ютері-відправникові дані, які надсилає прикладна програма, поділяють на пакети, а пакети - на біти, що передають мережею.
На комп'ютері-одержувачеві все відбувається у зворотному порядку: біти збирають у пакети, а пакети - у дані, що інтерпретує прикладна програма й надає їх користувачеві.
У процесі обміну даними беруть участь різноманітні програмні й апаратні засоби: від прикладних програм до засобів керування каналами передавання інформації. Щоб усі учасники процесу обміну даними чітко взаємодіяли один з одним, вони мають дотримуватися у своїй роботі певних правил.
Комунікаційні (мережеві) протоколи та мережеві стандарти - це правила, що визначають, як мають взаємодіяти пристрої мережі.
У цих протоколах, зокрема, визначено:
як дані поділяють на пакети;
які сигнали підтвердження передавання;
як будуть виявляти й опрацьовувати помилки передавання.
Інтернет складається з мереж різного масштабу: великих національних магістральних мереж, регіональних і локальних мереж. Ці мережі можуть перекривати одна одну. Тому будь-яка пара вузлів пов’язана між собою не одним, а багатьма каналами зв’язку. Саме тому Інтернет забезпечує стійкий зв’язок. У разі руйнування частини мережі пакети інформації можуть обходити ушкоджені ділянки. [5,8]
Протокол TCP/ІP - основний протокол передавання даних в Інтернеті.
Абревіатура TCP/ІP складається здвох частин:
TCP - Transmіtіon Control Protocol - протокол керування передаванням;
ІP - Іnternet Protocol - протокол Іnternet.
TCP забезпечує надійний зв’язок між комп’ютерами й керує передаванням даних. Протокол TCP поділяє інформацію на порції - пакети, кожному з яких надає номер для правильного відновлення інформації під час одержання.
ІP додає до кожного пакета службову інформацію з адресами відправників і одержувачів, забезпечуючи доставку всіх пакетів одержувачеві.
Окремі пакети можуть подорожувати різними шляхами Інтернету та дістатися до одержувача у будь-якому порядку. По надходженні всіх пакетів згідно з протоколом TCP їх буде розташовано один за одним і забезпечено складання повідомлення. Якщо деякі пакети загубилися, з допомогою протоколу TCP буде розв’язано й цю проблему. Маршрути руху пакетів мережею розраховує спеціальна програма - маршрутизатор.
Усі комп’ютери, підключені до Інтернету, знаходять один одного в автоматичному режимі. Люди взагалі не беруть участі в пересиланні повідомлень завдяки тому, що кожний комп’ютер (хост або вузол) має свою адресу, яка називається ІP-адресою. [7]
Ethernet. Найпоширеніший сьогодні протокол і стандарт для проводових локальних мереж.
WAP (Wіreless Applіcatіon Protocol - протокол безпроводового доступу). Стандарт для інтернет-комунікації. Застосовується для доступу до Інтернету з мобільних телефонів.
Wі-Fі (Wіreless Fіdelіty - безпроводова точність). Стандарт для обладнання безпроводових мереж та торгова марка консорціуму Wі-Fі Allіance, до якого входять найбільші виробники комп'ютерного устаткування та обладнання Wі-Fі. Мобільні пристрої (телефони, смартфони, ноутбуки), які оснащено прийомопередавачами Wі-Fі, можна підключати до локальної безпроводової мережі та Інтернету. Wі-Fі має обмежений радіус дії (зазвичай 45 метрів у приміщенні та 90 метрів зовні).
Мал. 2.2. Wі-Fі роутер
WіMAX, Mobіle WіMAX і Mobіle-Fі. Низка технологій безпроводових мереж, які призначено для використання разом із технологією Wі-Fі або замість неї з метою розширення безпроводових мереж. Зокрема, мережа WіMAX забезпечує кращий доступ до Інтернету, ніж Wі-Fі, та має більшу площу покриття.
Bluetooth. Стандарт для безпроводових персональних мереж. Забезпечує обмін інформацією між такими пристроями, як кишенькові та звичайні персональні комп'ютери, мобільні телефони, ноутбуки, принтери, цифрові фотокамери, миші, клавіатури, джойстики, навушники. Зв'язок підтримується на відстані від 10 до 100 метрів (відстань залежить від наявності перешкод).
Розглянемо побудову й організацію роботи комп'ютерних мереж. Спочатку з'ясуємо, як комп'ютери фізично з'єднують у мережу, яке додаткове обладнання для цього застосовується і які функції воно виконує.
Передавати інформацію можна за допомогою фізичних сигналів різної природи. Це можуть бути електричні сигнали, електромагнітне випромінювання, оптичні сигнали. Залежно від виду сигналу використовують різні середовища передавання - проводові чи безпроводові. [4,8]
Середовище передавання - це фізичне середовище, у якому можливе передавання інформаційних сигналів у вигляді електричних, світлових та інших імпульсів.
Швидкість передавання даних - одну з основних характеристик середовища передавання - вимірюють у бітах за секунду (біт/с), кілобітах за секунду (кбіт/с), мегабітах за секунду (Мбіт/с) та гігабітах за секунду (Гбіт/с).
Спочатку кабелі - мідні (кручена пара, коаксіальний кабель) чи оптоволоконні - були єдиним середовищем, що яке використовували для підключення пристроїв до мережі. У коаксіальних кабелях і кручених парах для передачі даних використовують мідь. У оптоволоконних кабелях для передачі даних використовують скло або пластик. Ці кабелі мають різну смугу пропускання, розміри і вартість. [6]
Кручена пара - це тип мідного кабелю з такою будовою. Дроти кабелю розбито на пари. Пара дротів утворює ланцюг, яким передають дані. Дроти пари переплетено для захисту від перешкод-шумів, породжених сусідніми парами дротів кабелю. Пари дротів укладено в кольорову пластикову ізоляцію і сплетено воєдино. Пучки кручених пар захищає зовнішнє обплетення. Такий кабель використовують у телефонному зв'язку і у більшості мереж Ethernet.
комп'ютерна мережа програмний засіб
Мал. 2.3 Кабель "Кручена пара”
Коаксіальний кабель - це кабель з ізольованою мідною жилою, оточеною металевою оболонкою-екраном. Коаксіальний кабель використовують для підключення комп'ютерів у мережі та поширення сигналів телебачення.
Мал. 2.4 "Коаксіальний кабель”
Оптоволоконний кабель - сучасний і найшвидший мережний кабель - складається із напівпрозорих скляних чи пластикових волокон, кожне з яких тонше за людську волосину.
Мал. 2.5 "Оптоволоконний кабель”
Цифрові дані передають цим кабелем у вигляді світлових імпульсів, які породжують лазером. Швидкість передавання при цьому сягає мегабітів за секунду, а кількість волокон у кабелі може становити декілька сотень. Оптоволоконні кабелі використовують для передавання великих обсягів даних на значні відстані. Наприклад, для передавання однієї сторінки відомої енциклопедії "Британіка" традиційним міжконтинентальним кабелем потрібно кілька секунд. А в разі використання оптоволоконного кабелю за долі секунди можна передати всі 15 томів цієї енциклопедії.
Натомість у безпроводових мережах кабелі не використовують, а дані передають за допомогою радіосигналів. [3,4]
Мережний інтерфейс (мережна карта) - пристрій, яким оснащують комп'ютер для під'єднання до мережі за допомогою мережного кабелю чи радіоканалу.
Мережні інтерфейси виготовляють у вигляді плат або окремих пристроїв (для бездротових мереж). Тип мережного інтерфейсу має відповідати типу середовища передавання. За зовнішнім виглядом можна легко встановити середовище передавання див. мал. 2.6.).
Мал. 2.6 Мережні інтерфейси