Модель взаимодействия открытых систем. Вычислительные сети

Глава 1. Лекция 6

Вычислительные сети

Вычислительная сеть (информационно-вычислительная сеть) – это совокупность узлов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему.

 

Структура вычислительной сети

 

Узел – это любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети. Узлами могут быть не только ЭВМ, но и сетевые периферийные устройства, например, принтеры.

Каждый узел в сети имеет минимум два адреса: физический, используемый оборудованием, и логический, используемый пользователями и приложениями.

Узлы обмениваются сообщениями. Здесь сообщение – это целостная последовательность данных, передаваемых по сети.

Отдельные части сети называются сегментами.

Передающая среда сети (канал связи) определяет, как будут передаваться сообщения по сети. Примерами передающих сред являются кабельные, радио-, спутниковые каналы.

Вычислительные сети имеют следующие характеристики.

1. Производительность – это среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени. Производительность зависит от времени реакции системы на запрос пользователя. Это время складывается из трех составляющих:

- времени передачи запроса от пользователя к узлу сети, ответственному за его исполнение;

- времени выполнения запроса в этом узле;

- времени передачи ответа на запрос пользователю.

2. Пропускная способность – это объем данных, передаваемых через сеть ее сегмент за единицу времени (трафик).

3. Надежность – это среднее время наработки на отказ.

4. Безопасность – это способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа.

5. Масштабируемость – это возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности.

6. Универсальность сети – это возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования и программного обеспечения от разных производителей.

Вычислительные сети используются в следующих целях:

1) предоставление доступа к программам, оборудованию и данным для любого пользователя сети; эта цель называется совместным использованием ресурсов;

2) обеспечение высокой надежности хранения источников информации; хранение данных в нескольких местах позволяет избежать их потерю, в случае их удаления в одном из мест;

3) обработка данных, хранящихся в сети;

4) передача данных между удаленными друг от друга пользователями.

По виду технологии передачи вычислительные сети делятся на следующие типы:

- широковещательные сети обладают общим каналом связи, совместно используемым всеми узлами; сообщения передаются всем узлам; примером широковещательной сети является телевидение;

- последовательные сети, в которых сообщению необходимо пройти несколько узлов, чтобы добраться до узла назначения; сообщение передается только одному узлу; примером такой технологии передачи является электронная почта.

Небольшие сети обычно используют широковещательную передачу, тогда как в крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

По размеру сети можно подразделить на следующие типы:

- локальные сети размещаются в одном здании или на территории одного предприятия; примером локальной сети является локальная сеть в учебном классе;

- региональные сети объединяют несколько предприятий или город; примером сетей такого типа является сеть кабельного телевидения;

- глобальные сети охватывают значительную территорию, часто целую страну или континент и представляют собой объединение сетей меньшего размера; примером глобальной сети является сеть Интернет.

По принципу построения сети делятся на следующие типы:

- одноранговые сети объединяют равноправные узлы; такие сети объединяют не более 10 узлов;

- сети на основе выделенного сервера имеют специальный узел – вычислительную машину (сервер), предназначенную для хранения основных данных сети и предоставления этих данных узлам (клиентам) по запросу.

Модель взаимодействия открытых систем

Для описания общей модели взаимодействие открытых систем используется эталонная модель OSI (Open System Interconnection). Модель OSI состоит из 7 уровней (от низших к высшим):

1) физический;

2) канальный;

3) сетевой;

4) транспортный;

5) сеансовый;

6) представительский;

7) прикладной.

Каждый уровень использует для передачи низшие уровни. Взаимодействие между уровнями одного типа осуществляется по протоколам, а между низшими и высшими – с помощью интерфейсов.

Перед отправкой по сети данные разбиваются на пакеты – группы байт фиксированной длины. Пакет последовательно проходит все уровни от прикладного до физического. При этом на каждом уровне, кроме прикладного и представительского, к пакету добавляется служебная информация, называемая заголовком. Заголовок содержит информацию для адресации сообщений и для безошибочной передачи данных по сети.

Уровни модели взаимодействия открытых систем

На принимающей стороне пакет проходит все уровни в обратном порядке. Каждый уровень анализирует пакет, отделяет заголовок своего уровня и передает пакет на следующий уровень. На прикладном уровне данные примут свой первоначальный вид.

Рассмотрим задачи каждого из уровней модели OSI.

1-й уровень – физический. Самый низший уровень модели OSI. Основной задачей физического уровня является управление аппаратурой передачи данных и подключенным к ней каналом связи. На этом уровне формируются сигналы, которые передают данные в виде потока бит по передающей среде.

2-й уровень – канальный. На этом уровне физический канал преобразовывается в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок. Для этого формируется логический канал между двумя узлами, соединенных физическим каналом. Данные передаются по канальному уровню в виде кадров, которые включают, помимо данных, проверочную информацию. Проверочная информация позволяет установить, был ли передан кадр без искажений (ошибок) и частично восстановить информацию. Если кадр не был восстановлен, то происходит его повторная передача.

3-й уровень – сетевой. Отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов в физические. Этот уровень разрешает проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в другую, позволяя объединять разнородные сети.

4-й уровень – транспортный. На этом уровне данные разбиваются на пакеты. При этом гарантируется, что эти пакеты прибудут по назначению в правильном порядке. Для этого осуществляется поиск оптимального маршрута передачи пакетов с точки зрения загруженности сегментов сети и времени передачи данных между узлами. Уровень управляет созданием и удалением сетевых соединений и управляет потоком сообщений.

5-й уровень – сеансовый. Позволяет двум процессам (например, приложениям) разных узлов устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Этот уровень управляет передачей между двумя узлами и определяет, какая из сторон, когда и как долго должна осуществлять передачу.

6-й уровень – представительский. На этом уровне определяется формат, используемый для обмена данными между узлами. Уровень отвечает за преобразование, кодирование и сжатие данных.

7-й уровень – прикладной. Предоставляет доступ прикладным процессам к сетевым службам. Этот уровень управляет общим доступом к сети.

Сетевые протоколы

Протоколы – это соглашение о формате и правилах передачи данных по сети. Протоколы обладают следующими свойствами:

- протоколы работают на разных уровнях модели OSI, поэтому функции протокола определяются уровнем, на котором он работает;

- несколько протоколов могут работать совместно, в этом случае они образуют стек или набор протоколов разных уровней модель OSI.

Передача данных по сети разбита на несколько шагов, каждому из которых соответствует протокол. Узел-отправитель выполняет следующие шаги:

- разбивает данные на пакеты;

- добавляет к пакетам служебную информацию: адрес получателя и информацию для проверки правильности и восстановления в случае возникновения ошибок при передачи;

- передает пакеты в сеть через сетевой адаптер.

Узел-получатель выполняет шаги в обратной последовательности:

- принимает пакеты из сети через сетевой адаптер;

- проверяет правильность передачи данных и удаляет служебную информацию из пакетов;

- объединяет пакеты в исходный блок данных.