6. Организация и технологии компьютерных сетей

Архитектура взаимодействия открытых системы ISO/OSI. Компоненты компьютерных сетей. Топология компьютерных сетей. Стандарты и технологии компьютерных сетей. Беспроводные компьютерные сети. Промышленные сети. Положения сетевой передачи информации. Линии связи и канальные сигналы. Организация передачи данных. Каналы и маршруты передачи данных.

Архитектура взаимодействия открытых систем ISO/OSI. Для того чтобы взаимодействовать, люди используют общий язык. Если они не могут разговаривать друг с другом непосредственно, они применяют соответствующие вспомогательные средства для передачи сообще­ний. Для того чтобы привести в движение процесс передачи данных, использовали машины с одинаковым кодированием данных и связанные одна с другой. Для единого представления данных в линиях связи, по которым передается информация, сформи­рована Международная организация по стандартизации (англ. ISO - International Standards Organization). ISO предназначена для разработки модели международного комму­никационного протокола, в рамках которой можно разрабатывать международные стандарты. Для наглядного по­яснения расчленим ее на семь уровней. Международных организация по стандартизации (ISO) разработала базовую модель взаимодействия открытых систем (англ. Open Systems In­terconnection (OSI)). Эта модель явля­ется международным стандартом для передачи данных. Модель содержит семь отдельных уровней: уровень 1: физический - битовые протоколы передачи информации; уровень 2: канальный - формирование кадров, управление доступом к среде; уровень 3: сетевой - маршрутизация, управление потоками данных; уровень 4: транспортный - обеспечение взаимодействия удаленных процес­сов; уровень 5: сеансовый - поддержка диалога между удаленными про­цессами; уровень 6: представление данных - интерпретация передаваемых данных; уровень 7: прикладной - пользовательское управление данными. Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится кон­кретная роль, в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая задача передачи дан­ных расчленяется на отдельные легко обозримые задачи. Необходимые соглашения для связи одного уровня с выше- и нижерасположенными называют про­токолом. Так как пользователи нуждаются в эффективном управлении, система вычис­лительной сети представляется как комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей. С учетом вышеизложенного можно вывести следующую уровневую модель с админи­стративными функциями, выполняющимися в пользова­тельском прикладном уровне. Отдельные уровни базовой модели проходят в направлении вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1) и в направлении вверх от прием­ника данных (от уровня 1 к уровню 7). Пользовательские данные переда­ются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний уровень. На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надоб­ности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока ин­формация не будет передана в пользо­вательский прикладной уровень. Уровень 1. Физический. На физическом уровне определяются электрические, механические, функ­циональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физическая связь и неразрывная с ней экс­плуатационная готовность явля­ются основной функцией 1-го уровня. Стандарты физического уровня вклю­чают рекомендации V.24 МККТТ (CCITT), EIA RS232 и Х.21. Стандарт ISDN (Integrated Services Digital Network) в будущем сыграет определяющую роль для функций передачи данных. В качестве среды передачи данных исполь­зуют трехжильный медный провод (экранированная витая пара), коакси­аль­ный кабель, оптоволоконный проводник и радиорелейную линию. Уровень 2. Канальный. Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-м уров­нем, так на­зываемые "кадры" последовательности кадров. На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ, синхро­низация, обнаружение и исправле­ние ошибок. Уровень 3. Сетевой. Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличия сете­вого адреса в пакете. Сетевой уровень должен также обеспечи­вать обработку ошибок, мультиплексирование, управление потоками данных. Самый известный стандарт, относящийся к этому уровню, - рекомендация Х.25 МККТТ (для сетей общего пользования с коммутацией пакетов). Уровень 4. Транспортный. Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом пользовательскими процессами. Качество транспорти­ровки, безошибочность передачи, независимость вычислительных сетей, сервис транспорти­ровки из конца в конец, ми­нимизация затрат и адресация связи га­рантируют непрерывную и безоши­бочную передачу данных. Уровень 5. Сеансовый. Сеансовый уровень координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Для координации необходимы контроль рабочих параметров, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу имеющихся в распоряжении данных. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхрони­зации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. Уровень 6. Представления данных. Уровень представления данных предназначен для интерпретации данных; а также под­готовки данных для пользовательского прикладного уровня. На этом уровне происходит преоб­разование данных из кадров, используемых для передачи данных в экранный формат или фор­мат для печатающих устройств оконечной системы. Уровень 7. Прикладной. В прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользовате­лей уже пе­реработанную информацию. С этим может спра­виться системное и пользовательское приклад­ное программное обеспече­ние. Компоненты компьютерных сетей. Сеть в полной мере появляется лишь тогда, когда имеется два и более альтернативных пути передачи информации. Именно поэтому сети часто изображаются в виде облака, для которого существенно лишь то, в какие места и с каким адресом мы подключаемся к «облаку», а все процессы по передаче внутри облака – внутренние проблемы сети. Каждая из ЭВМ выполняет некоторое приложение конечного пользователя (ПКП). В качестве ПКП могут выступать программа, пакет программ или файл данных. Небольшая компьютерная сеть, работающая в пределах одного помещения или предприятия, называется локальной. Простейшие локальные сети используются для обслуживания рабочих групп. Рабочая группа – группа лиц, работающая над одним проектом или просто сотрудники одного подразделения. Один из компьютеров объявляется главным компьютером сети, его называют файловым сервером сети. Файловый сервер – специальный компьютер локальной сети, выделенный для выполнения только сетевых операций. Все остальные компьютеры в сети называют рабочими станциями. Топология компьютерных сетей – конфигурация сети, или схема соединения объектов в сети. Топология сети – одна из важнейших ее характеристик. Существует «звездная» топология, «кольцевая», «шинная», или «древовидная». В случае «звездной» конфигурации используется центральная ЭВМ, называемая сервером, к которому подключаются все остальные машины сети. Сервер обеспечивает централизованное управление всей сетью, определяет маршруты передачи сообщений, подключает периферийные устройства, является централизованным хранилищем данных для всей сети. Недостаток этой конфигурации в том, что требуется отдельная машина для управления сетью, которую, как правило, нежелательно использовать для других целей. К тому же отказ сервера ведет к прекращению работы всей сети.

В случае «кольцевой» типологии все ПЭВМ связаны последовательно в одно кольцо и функции сервера распределены между всеми машинами сети. Непосредственный обмен информацией происходит только между соседними машинами. Недостаток этой конфигурации в том, что при выходе из строя любой ЭВМ работа сети может прерваться. Также сложна процедура расширения сети. Наиболее надежной и, следовательно, распространенной является схема «общая шина» с древовидной структурой. Любая из машин, включенных в эту сеть, может быть сервером. Кроме того, возможно подключение дополнительных машин без серьезных изменений настройки. Локальные сети со схемой «общая шина» могут быть одноранговыми и иерархическими, т.е. машины в сети могут быть как равноправными, так и зависимыми. Технологии компьютерных сетей: 1) Многие организации, фирмы отличаются большой территориальной рассредоточенностью своих подразделений, что особенно характерно для нашей огромной страны. Если ПЭВМ этих подразделений включены в единую сеть, то у них появляется возможность общения и связи независимо от расстояния между ними. 2) Объединение ЭВМ предприятия в единую сеть позволяет осуществить общий доступ к БД или оборудованию. 3) Использование сетей ЭВМ позволяет создать достаточно гибкую рабочую среду. Так, сотрудники фирмы, используя ПЭВМ, подключенные к сети ЭВМ своего учреждения при помощи процедуры «удаленного доступа», могут работать дома или находясь в командировке в другом городе. 4) Ранее в России сотрудник любого города для получения серьезных данных вынужден был вылетать в Москву, непосредственно обращаться, например, в библиотеку им. В.И. Ленина, ВИНИТИ и т.д. Сейчас же при наличии в подобных библиотеках и научных учреждениях банков данных по различным отраслям знаний (а такие банки реально существуют и постоянно пополняются), а также при наличии доступа к сети ЭВМ общего пользования сотрудник любого предприятия России может быстро связаться с ними и получить необходимую информацию. Беспроводные компьютерные сети. В них информация между ЭВМ передается в СВЧ-диапазоне либо с помощью инфракрасных лучей. В первом случае пользователи сети могут располагаться на значительном удалении друг от друга. Недостатком этого способа является наличие помех, создаваемых другими источниками той же частоты, а также сложность защиты данных от несанкционированного доступа, поскольку передаваемые сообщения в таком случае может воспринимать любой приемник, настроенный на ту же частоту. Сети, использующие инфракрасное излучение, свободны от указанных недостатков, но ЭВМ-приемник и ЭВМ-передатчик должны находиться в пределах прямой видимости, т.е. в одной комнате. Бесконтактный способ связи целесообразен, например, при объединении в сеть портативных ЭВМ типа Notebook или при необходимости развернуть сеть в сжатые сроки в неприспособленном для этого помещении. Примерами подобных сетей являются сети AirLAN, Altair Plus. Отметим, что существуют ЛС, в которых роль каналов связи играет обычная электрическая сеть, например Carriernet. Положения сетевой передачи информации. В компьютерных и вообще коммуникационных сетях обычно передается цифровая информация – данные. Они представляют собой числа и коды, передаваемые в определенные моменты времени электрическими сигналами – импульсами. При параллельном методе передачи информации каждое число преобразуется в многоразрядный двоичный код, который передается одновременно по нескольким проводам (один из проводов может быть общим или «нулевым»). Каждый провод (кроме нулевого) передает сигналы одного двоичного разряда. Например, если передаются три двоичных числа 1001, 1110 и 0011, то сигналы на проводах в моменты передачи этих сигналов t1, t2 и t3 будут следующие:

Время: t1 t2 t3

Линия 1 1 1 0

Линия 2 0 1 0

Линия 3 0 1 1

Линия 4 1 0 1

При последовательном методе передачи информации после каждого момента начала передачи отдельного разряда данных выделяются небольшие отрезки времени, в которых сигнал задается равным 0 или 1:

Время t1 t2 t3

Линия s1001 s1100 s0011

Различают синхронную и асинхронную последовательную передачу данных. При синхронной передаче данных моменты времени на передающем и приемном конце линии передачи строго фиксируются и распределены, как правило, равномерно. В сетях используются специальные устройства – синхронизаторы для обеспечения синхронной работы сетевых устройств. При асинхронной передаче данных эти моменты могут (но не обязательно) быть распределены произвольно. Перед каждой кодовой посылкой посылается специальный синхронизирующий импульс – в нашем примере он условно обозначен s. Для выделения он обычно имеет какой-то признак, например отличную от сигнальных импульсов длительность. Параллельная передача обеспечивает высокую скорость передачи данных, которая задается в битах в секунду (или байтах/с). Однако шина передачи при этом сложна, т.к. содержит большое число проводов – оно соответствует разрядности двоичных чисел (4 в нашем примере). При последовательном способе передачи достаточно иметь только один сигнальный провод (надо помнить и об общем проводе). На практике высокая скорость передачи достигается в последовательном способе даже проще, чем в параллельном, за счет применения высокоскоростных одиночных линий на основе коаксиальных кабелей или световолокна (в световолокне луч света распространяется за счет многократных отражений от стенок). В зависимости от способа управления различают сети: «клиент-сервер» - в них выделяется один или несколько узлов (их название - серверы), выполняющих в сети специальные управляющие или обслуживающие функции, а остальные узлы – клиенты явл. терминальными, в них работают пользователи. Эти сети различаются по характеру распределения функций м-у сереврами, т.е. по типам серверов (файл-серверы, серверы БД); одноранговые – в них все узлы равноправны, т.к. в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером – объект, предоставляющий эти услуги. Каждый узел может выполнять функции и клиента и сервера. В зависимости от того, одинаковые или неодинаковые ЭВМ применяются в сети, различают сети однотипных ЭВМ, назывемых однородными, и разнотипных – гетерогенные. Признаком различия сетей является также тип используемых протоколов обмена информацией. По способам коммутации данных различают вычислительные сети с коммутацией каналов, сообщений и пакетов. Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами ИС в отличии от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами. Каналы передачи данных. Физическая среда передачи информации – основа всей сети. Основная характеристика канала связи – пропускная способность, т.е. максимальная скорость передачи информации. Измеряется в бит/сек, в килобит/сек, мегабит/сек. Кабельные линии связи: представляют собой пучок проводов, заключенных в одну или несколько защитных трубок. В ЛС используются следующие виды каналов связи (канал связи – физическая среда и аппаратурные средства, осуществляющие передачу информации между узлами коммутации). 1) Витая пара – проводной канал связи, содержащий 2 пары скрученных попарно проводников. Обладает малой пропускной способностью (около 1 Мб/с). Однако витая пара так называемой 5-й категории обеспечивает скорость 10 Мб/с и даже до 100 Мб/с. Расстояние – до 150 м в 10м случае и до 80-90 м во 2-м. 2) Коаксиальный кабель (BNC) обладает средней пропускной способностью, однако он обеспечивает в 1,5 – 2 раза большую дальность по сравнению с витой парой. Без дополнительного усиления расстояние может быть до 180 – 200 м, а иногда и чуть более. 3) Оптоволоконный кабель обладает самой высокой пропускной способностью. В настоящее время по магистральным каналам из оптоволокна передают данные со скоростью до 40 Гб/с, и это не предел. 4) Существуют и беспроводные локальные сети. В зависимости от типа промежуточной аппаратуры каналы связи делятся на: аналоговые (промеж. аппаратура предназначена для усиления аналоговых сигналов, применяемых в телефонных сетях АТС для связи между собой) и цифровые (передаваемые сигналы имеют конечное число состояний). Исп. главным образом аналоговые каналы связи. Методы передачи данных в сетях. Метод коммутации каналов требует предварительного установления прямого физического соединения между источником и получателем сообщения на все время передачи сообщения, что является недостатком данного метода. Схема передачи данных представлена на рисунке 1:

Н а этом рисунке представлены четыре узла сети (ЭВМ), между которыми передается сообщение. Его источник – узел А, получатель – узел D. Между А и D сообщение проходит узлы В и С. В отрезки времени (t₀ – t₁), (t₂ – t₃), (t₄ – t₅) служебный сигнал перемещается между соответствующими узлами. Назначение этого сигнала – занять пройденный канал, т.е. заблокировать его от других сигналов. В общем случае последующие каналы оказываются занятыми в моменты прихода в узел служебного сигнала, поэтому в отрезки времени (t₁ – t₂), (t₃ – t₄) сигнал ожидает освобождения канала. В момент времени t₅ служебный сигнал достигает получателя, а все пройденные каналы являются заблокированными. В этот момент сигнал возвращается к источнику сообщения за отрезок времени  (t₅ – t₆). В момент времени t₆ начинается передача нужного сообщения (передача сообщения показана жирными линиями). В соответствии с объемом сообщения и пропускной способностью канала связи это занимает в источнике отрезок времени (t₆ – t₇). В момент времени t₈ получатель сообщения принял его целиком. Передача закончена, и заблокированные каналы высвобождаются для последующего использования. Метод коммутации сообщений требует последовательное физическое соединение лишь между двумя соседними узлами:

Чистое время передачи всего сообщения (передача показана жирными линиями) в схеме рисунке 1 - отрезок (t₆ – t₈), в схеме рисунке 2 – сумма отрезков (t₀ – t₂), (t₃ – t₅), (t₆ – t₈). При всех равных прочих условиях значения этих периодов равны между собой. Если предположить, что время занятости канала между соседними узлами в обеих схемах совпадает, т.е. отрезки времени (t₁ – t₂) и (t₃ – t₄) на рисунке 1 равны, соответственно, отрезкам (t₂ – t₃) и (t₅ – t₆) на рисунке 2, то общее время передачи сигнала по схеме рисунка 2 меньше времени передачи сигнала по схеме рисунка 1 на величину (t₀ – t₁) + (t₂ – t₃) + (t₄ – t₆).

Метод коммутации пакетов предполагает разбиение сообщения на части – пакеты – фиксированной длины, снабжаемые адресом получателя. После прихода на место назначения из пакетов формируется сообщение. Достоинством этого метода является то, что разные пакеты могут передаваться между узлами разными каналами связи (если это позволяет топология сети). Это приводит к сокращению общего времени передачи всего сообщения. Пусть, например, есть многосвязная топология, ЭВМ в которой обозначены символами А, В, С, D (см. рисунок 3). Ж ирными линиями показаны направления передачи сообщения в соответствии с рисунками 1 и 2. Пусть требуется передать сообщение из узла А в узел D методом коммутации пакетов. При этом исходное сообщение разбивается на три пакета, которые параллельно передаются по следующим направлениям: а) А – D, б) А – С – D, в) А – В – D. Следует отметить, что выбор направлений – самостоятельная задача в компьютерных сетях, которая получила название маршрутизации. Тогда имеем схему передачи пакетов между узлами А и D, представленную на рисунке 4. Чтобы показать параллельную передачу пакетов, исходная схема декомпозирована на три схемы, показывающие передачу пакетов по направлениям, перечисленным выше:

В моменты времени t₀ из пункта А одновременно начинается передача пакетов в направлениях D, С, В. В моменты времени t₂ пакеты получены в указанных пунктах назначения (для простоты время передачи во все три пункта одинаково). Если в пунктах С и В последующие каналы заняты (на схеме они заняты одинаковое время), пакет ожидает освобождения канала (отрезок времени от t₂ до t₃). В течение времени (t₄ – t₃) пакет передается в пункт назначения, где из полученных пакетов собирается цельное сообщение. Рассмотренные методы передачи данных в сетях, как уже отмечалось, сталкиваются с проблемой маршрутизации, которая возникает из-за разветвленности связей узлов сети. В этом случае передаваемые данные должны «знать», как добраться до  получателя сообщения. При этом в реальных сетях ставятся две дополнительные задачи: маршрут должен быть минимальным, а загруженность сети должна быть равномерной, т.е. никакие каналы связи не должны простаивать или нагружаться недостаточно интенсивно. Выделяются следующие методы маршрутизации: 1) централизованная. Выбор пути осуществляется центром управления сети – одним из компьютеров, специально выделенным в сети для решения, в частности,  задачи маршрутизации (такие компьютеры называют роутерами или маршрутизаторами). При этом роутер поддерживает таблицы маршрутов, в которых для каждого компьютера сети отражаются возможные направления передачи данных в порядке убывания их предпочтительности; 2) распределенная. Решение принимается каждым узлом сети независимо на основании аналогичных таблиц, которые касаются только маршрутов, исходящих из данного узла.