Интерфейс взаимосвязи

Лекция №15 – Интерфейсный консолидант

Интерфейсный консолидант

Здесь:

Консолидант (от лат. consolidatio<con– с, вместе + solidare– укреплять, сращивать или лат. consolidare – укреплять) – что-то, сращивающее что-либо с чем-либо, образуя неразделимое целое для функционирования сопряжённых частей.

Интерфейс (англ. interface-)–граница сопряжения чего-то с чем-то и набор унифицированных связей и сигналов, осуществляющих взаимодействие сопрягаемых частей.

Интерфейсный – сопрягаемый.

Унификация (лат. unus (unu) - один + лат. facere- делать) – приведение чего-либо к единообразию.

Унифицированный – единообразный.

Интеллектуальная информационно-технологическая среда включает множество объектов различной природы: физической (техника), биологической (пользователи), виртуальной (информация, включая программы), которые находятся в различных связях, отношениях и взаимодействиях посредством интерфейсного консолиданта.

Интерфейсный консолидант является распределённым, т.е. покрывающим всю среду, виртуальным объектом, состоящим, в общем случае, из трёх видов интерфейса:

взаимосвязей,

взаимодействий,

взаимоотношений.

Интерфейс взаимосвязей обеспечивает работоспособность в сети связей типа «техника - техника”, интерфейс взаимодействия –“техника - пользователь” и интерфейс взаимоотношений –“пользователь - пользователь”. Рассмотрим интерфейсы подробнее.

 

Интерфейс взаимосвязи

Интерфейс взаимосвязи к настоящему времени является наиболее разработанным и продолжает интенсивно развиваться и совершенствоваться благодаря усилиям программистов и инженеров. Он обеспечивает конструктивную, энергетическую, программную и информационную совместимость сопрягаемых друг с другом различных технических средств независимо от источника их происхождения, но логически не противоречащих один другому для совместного функционирования.

Интерфейс взаимосвязи состоит из собственно интерфейса и протокола к нему. Интерфейс устанавливает способ взаимной физической связи технических средств (например, проводной канал связи). Последовательность взаимодействия технических средств по установленной связи (например, при передаче данных по проводному каналу связи) определяет протокол.

Здесь в общем случае:

Протокол (франц. protocolот греч. protokolle– первый лист (с обозначением даты и имени писца, приклеивался к свитку) от protos - первый + kollao - клей) – набор правил, определяющих порядок осуществления кем-то или чем-то каких-либо действий.

Конструктивно интерфейсы бывают разными и отличаются один от другого тем, что они разграничивают или, что, то же самое, сопрягают между собой:

два разнотипные технические устройства (например, компьютер и принтер),

два и более однотипные и/или разнотипные технические устройства (локальная вычислительная сеть),

много удалённых друг от друга локальных вычислительных сетей и других технических устройств, например, маршрутизаторы и т.п. (глобальная вычислительная сеть или интеллектуальная информационно-технологическая среда в общем случае).

Но любой из них конкретно состоит из кабеля и подсоединённых к нему двух разъёмов или одного разъёма, встроенного в одно из сопрягаемых устройств, например, флэш– накопитель. Но возможен и беспроводной вариант, т.е. без соединительного кабеля.

Здесь:

Флэш-накопитель (англ. flush– вспышка, мгновение) – высокоскоростной накопитель данных.

Разъём (от глагола “разнять” в смысле – отделить одно от другого) – одна из двух разноимённых составных частей целого (вилка – розетка, гнездо - штекер (штырь) и т.п.), соединяющего что-то с чем-то [словарь Ушакова].

Разноимённые части принадлежат по отдельности разным устройствам, которые необходимо соединить между собой для совместного функционирования.

В качестве разъёмов часто используются разъёмы USB (англ. UniversalSerialBus– универсальная последовательная шина), которые также принято называть “интерфейс USB”. Практическое применение находят три типа этих разъёмов: USB 1.0, USB 2.0, USB3.0, различающиеся скоростями передачи данных (12 Мб/с, 480 Мб/с, 5 Гб/с) и габаритами (основной, mini, micro).

Помимо USB-разъёмов широко используются и разъёмы других типов, например, RJ (англ. RecommendedStandard– рекомендованный стандарт), D-sub (англ. D-subminiature -D-сверхминиатюрный, D – символ, напоминающий геометрическую форму разъёма) и другие, а также сетевые адаптеры (или карты, или платы, что одно и то же).

В случае проводного интерфейса могут использоваться различные кабели.

Здесь:

Кабель (лат. capule – аркан, канат; или гол. Kabelот франц. cable– то, с помощью чего что-то держат) – один или несколько изолированных проводников, заключённых в герметическую оболочку с защитным покрытием.

Кабели применяются для передачи электрической энергии (силовые кабели), для проводной связи и сигнализации (кабели связи), для передачи энергии и сигналов на радиочастотах – от 3 КГц до 3000 ГГц (радиочастотные кабели) и в оптическом диапазоне – от 10⁵ до 10²¹ Гц (оптические кабели)[1].

Проводники в кабелях могут быть изготовлены из различных материалов: для электрических кабелей – это алюминий, медь, серебро, золото, сплавы некоторых металлов; для оптических кабелей – стекло и пластмассы.

Оболочка кабеля может состоять из одного или более герметизирующих и армирующих слоёв. В качестве этих слоёв могут применяться многие материалы, например, ткань, пластмасса, металл, резина и т.д.

В вычислительных (компьютерных) сетях применяются кабели связи четырёх типов, удовлетворяющие стандартам [2 - 4]:

неэкранированная витая пара – два изолированных металлических проводника, скрученные вместе в однослойной или многослойной оболочке. Большинство выпускаемых витых пар не экранированы. Это делает их подверженными электромагнитным помехам. Зато витые пары легче прокладывать или заменять, хотя их полоса частот гораздо уже по сравнению с другими кабелями;

экранированная витая пара – витая пара в пластмассовой оболочке, покрытая заземлённым металлическим экраном, так чтобы электромагнитные помехи извне не могли влиять на передачу данных внутри;

коаксиальный – тип электрического кабеля, в котором центральный провод, окруженный изоляцией, окружен, в свою очередь, металлическим плетёным экраном. Оси центрального провода и экрана совпадают, что объясняет термин коаксиальный. Коаксиальные кабели обладают широкой полосой частот и могут переносить большие объёмы данных, речевых и видео – сигналов одновременно,

оптоволоконный - тип кабеля, в котором передающей средой является стеклянное (или пластмассовое) волокно. Светоизлучающие диоды передают свет через волокно к детектору, который преобразует свет обратно в электрические сигналы. Оптические волокна становятся основной средой передачи данных. Они обладают широкой полосой частот и не чувствительны к электромагнитным воздействиям и радиоактивности.

Здесь:

Полоса частот –разность верхней и нижней рабочих частот кабеля связи, чаще всего измеряемая в Герцах (периодах в секунду), но иногда – в битах в секунду.

Благодаря интерфейсам, состоящим из разъёмов и кабелей связи, можно создавать различные комбинации пригодных к совместному взаимодействию многих электронно-вычислительных машин и других устройств в виде локальных и глобальных сетей, например, таких как

локальные вычислительные сети - ЛВС (англ. LocalAreaNetwork - LAN):

ARCnet (англ. AttachedResourceComputerNetwork – компьютерная сеть с приданными ресурсами) – одна из наиболее ранних и распространённых ЛВС, разработанная фирмой Datapointи и имеющая быстродействие 2,5 Мбит/с,

AppleTalk (англ. apple– яблоко + talk -разговор)– разработана фирмой Apple Computer для связи компьютеров Macintoshи различного периферийного оборудования. Эта ЛВС имеет быстродействие 115 кбит/с и допускает подключение до 32 устройств,

Ethernet (англ. ether – эфир + net - сеть) – одна из наиболее распространённых локальных вычислительных сетей, разработанная фирмой XeroxCorporation с методом доступа CSMA/CD. Использует коаксиальный кабель в качестве передающей среды,

TokenRing (маркерное кольцо от англ. token – знак, символ, признак + ring–кольцо, ринг, круг) – сеть с кольцевой топологией, использующая в качестве метода доступа передачу по кольцу маркера, и другие ЛВС;

глобальные вычислительные сети – ГВС (англ. Wide Area Network - WAN):

Internet,

ГАС “Контур”,

ГАС “Выборы” и др.

Здесь:

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) (англ. LocalAreaNetwork (LAN)) – сеть передачи данных, покрывающая ограниченную площадь, и максимальное расстояние между двумя разными узлами сети не может превышать нескольких километров.

Глобальная вычислительная сеть (ГВС) (англ. WideAreaNetwork (WAN)) – сеть передачи данных, покрывающая значительную площадь, и расстояние между двумя разными узлами сети может составлять несколько тысяч километров.

Узел – точка сети передачи данных, в которой расположено одно или компактно несколько технических устройств сети.

Метод доступа –способ определения того, кто или что может следующим использовать что-то (например, когда данный компьютер может использовать ЛВС, которая сейчас занята другим компьютером).

Маркер (англ. token) – уникальная комбинация битов (когда компьютер в сети получает маркер, он имеет право начать передачу данных).

Примерами методов доступа являются метод с передачей маркера и метод CSMA/CD (англ. CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection – множественный доступ с прослушиваем несущей и разрешением коллизий). Множественный доступ наиболее распространён и заключается в том, что ждущие доступа к сети компьютеры прослушивают её. Как только они обнаруживают паузу (отсутствие несущего сигнала), пытаются начать передачу данных, следя за тем, не произошла ли коллизия, т.е. одновременная попытка нескольких компьютеров. Если случилась коллизия, то компьютеры делают повторную попытку, но через некоторое заранее установленное время, разное для каждого из них.

Интерфейс в виде конструкции, состоящей из разъёма и кабеля, или последовательности таких конструкций, перемеживающихся электронно- вычислительными машинами и другими устройствами (например, в сети маршрутизаторами, шлюзами, мостами и т.п.), должен быть дополнен протоколом, который определяет правила готовности интерфейса к приёму данных от устройства - источника, их приёма, передачи и выдачи данных устройству- приёмнику, гарантируя при этом достоверность данных, и т.д. В отличие от интерфейса, имеющего физическую природу, протокол является программой.

На интуитивном уровне ясно, что передача данных с одного устройства на другое устройство, например, с одного компьютера на другой компьютер, которые связаны интерфейсом и работают самостоятельно, состоит из двух этапов: логического и физического. На первом этапе необходимо, по крайней мере, сначала предупредить принимающий компьютер о том, что ему будет направлена информация, и получить от него согласие на это. При получении согласия, передающий компьютер реализует второй этап: преобразует передаваемую информацию в последовательность электрических сигналов, пересылаемых по кабелю на принимающую сторону и преобразуемых здесь к первоначальному виду исходной информации. Именно эта логика была реализована в одном из первых протоколов RS-242 (англ. recommendedstandard – рекомендованный стандарт), подробно рассмотренный в [5]. Выполнение каждого этапа строго подчинено своему набору однозначно установленных правил.

Следовательно, протокол состоит из двух частей, наложенных одна (логическая) на другую(физическую). Эти части функционально независимы и, дополняя друг друга, принципиально необходимы, а, следовательно, каждую часть можно рассматривать самостоятельным протоколом. Родилась идея слоёного пирога, согласно которой протоколы как бы наслаиваются один на другого. И эта идея оказалась весьма плодотворной.

По мере создания сетей и их усложнения и разработки для них протоколов выяснилось, что логический и физический этапы можно дробить на однозначно логически подчинённые друг другу составляющие (уровни) в пределах логической схемы обмена данными любых двух узлов сети и каждую составляющую оформлять в виде самостоятельного протокола. Накопленный опыт был обобщен и организация ISO (англ. InternationalStandardsOrganization – Международная организация по стандартизации) опубликовала семиуровневую сетевую модель, названную OSI (англ. OpenSystemInterconnection – Связь открытых систем) и приведённую на рис. 8.6.3.1. Кратко поясним уровни данной модели [6].

Будем исходить из того, что в глобальной вычислительной сети пользователи на своих автоматизированных рабочих местах работают за компьютерами с информацией, решая свои задачи. В случае возникновения необходимости в информационном обмене между любыми двумя рабочими местами, по инициативе любого из двух пользователей на них, компьютеры начинают взаимодействовать в соответствие с сетевой моделью, уровни которой имеют следующий смысл.

Объяснение работы различных уровней сетевой модели укладывается в аналогию с деятельностью почтовой службы. Прикладной уровень представляется листом бумаги с информацией (собственно послание) и отдельно данными об отправителе и адресате и особенностях почтового отправления (с уведомлением, с объявленной ценностью и т.п.). Уровень представления – это почтовый конверт стандартного формата и лист с посланием, согнутый так, чтобы войти в конверт.

Сеансовый уровень – это конверт с вложенным в него посланием и указанными на нем данными об отправителе и получателе (адреса, имена) и служебными отметками. Транспортный узел – это почтовое отделение, в котором осуществляется сортировка поступивших писем по направлениям, способам и очерёдности их отправки адресатам. Сетевой уровень выполняет функции почтовых отделений железнодорожных вокзалов, аэропортов, речных и морских

портов, которые определяют возможности доставки почтовых отправлений по назначению (возможные маршруты, доступные транспортные средства и т.п.). Канальный уровень приводит почтовые отправления к виду, пригодному для отправки по заданному маршруту. И физический уровень – это транспортные средства, осуществляющие доставку в пункт назначения.

На приёмной стороне перечисленные уровни интерпретируются в обратной последовательности.

Теперь обратимся к сетевой модели OSI.

 

 

Рис.8.6.3.1. Сетевая модель OSI

 

Прикладной уровень (англ. applicationlayer). Этот уровень является пограничным между прикладной программой, с которой работает пользователь на своём автоматизированном рабочем месте, и процессами модели OSI. Сообщение, предназначенное для передачи через сеть, попадает в модель OSI в этой точке. Проходит далее по модели до уровня 1 (физического) и пересылается по кабелю на другой компьютер. На этом компьютере сообщение в обратном порядке достигает его прикладной уровень, который обеспечивает отображение переданного сообщения для пользователя. Протокол прикладного уровня обеспечивает совместимость прикладной программы пользователя, работающей под управлением операционной системы компьютера, с сетевой операционной системой.

Уровень представления (англ. presentationlayer). Служит для преобразования данных из формата компьютера на автоматизированном рабочем месте в другой формат. Эта ситуация возникает тогда, когда сеть использует разнотипные компьютеры. Протокол уровня представления обеспечивает совместимость форматов данных компьютеров в сети.

Сеансовый уровень (англ. sessionlayer) Функции этого уровня состоят в координации и управлении диалогом двух прикладных программ любой пары компьютеров (автоматизированных рабочих мест) в сети. Протокол этого уровня создаёт сеанс (устанавливает логическую связь - обеспечивает готовность сторон к диалогу), управляет передачей и приёмом сообщений (пакетов, блоков, ячеек или кадров и т.п. в зависимости от типа сети связи), завершает сеанс (разрывает логическую связь).

Транспортный уровень (англ. transportlayer). Когда в процессе передачи находится несколько сообщений или составных частей одного сообщения (пакетов, блоков, ячеек или кадров и т.п.), то протокол транспортного уровня контролирует очерёдность прохождения сообщений или компонентов сообщения. В частности, если приходит дубликат принятого сообщения, то данный уровень опознаёт его и игнорирует принятое сообщение. Также этот уровень обеспечивает транспортную совместимость для составных частей сообщения, созданных на компьютерах разных типов [6].

Сетевой уровень (англ. internetlayer). Этот уровень выполняет функции маршрутизации сообщений или компонентов сообщения и переключений в узлах их прохождения по сети. Этот уровень работает в тесном взаимодействии с транспортным уровнем.

Канальный уровень (англ. Linklayer). Здесь осуществляется электрическое представление данных и здесь же обнаруживаются, и исправляются (путём требования повторной передачи) ошибки. Уровень функционально достаточно сложный и потому подразделяется на два подуровня LLC (англ. LogicalLinkControl–Логический контроль связи) и MAC (англ. MediaAsseccControl – Контроль доступа к среде).

Физический уровень (англ. physicallayer). Это уровень технических средств связи, обеспечивающий их конструктивную и энергетическую совместимость. На этом уровне ничего не известно о маршруте сообщения, именах и адресах отправителя и получателя, и другом содержании передаваемого сообщения или его компонента. Поскольку остальные уровни уже выполнили свою работу, здесь остаётся только передать электрические сигналы в кабель (или принять их из него).

Следует иметь в виду, что чётких и однозначных разделительных границ между рассмотренными уровнями не существуют, и они плавно переходят один в другого и наоборот. Это, во-первых. Во-вторых, реально существует множество созданных и используемых программно-технических средств, радикально отличающихся друг от друга, и допускающие существенные модификации для новых условий применения. Поэтому существующих протоколов недостаточно и объективно возникает необходимость в разработке новых протоколов и их сопряжении с уже известными протоколами. В-третьих, значительное количество протоколов было создано до появления сетевой модели OSIи они не в полной степени адекватны этой модели. В-четвёртых, по мере появления протоколов их начали объединять в наборы, которые получили названия стеков.

Здесь:

Стек протоколов (англ. stack- стопка) – набор сетевых протоколов, необходимых для взаимодействия узлов в сетях передачи данных.

Можно указать на стеки сетевых протоколов, которые широко освещены в научно-технической литературе. К ним следует отнести, прежде всего:

TCP/IP (англ. TransmissionControlProtocol/InternetProtocol – протокол контроля передачи/межсетевой протокол),

IPX/SPX (англ. InternetPacketeXchange/SequencedPacketeXchange – обмен межсетевыми пакетами/упорядоченный обмен пакетами),

NetBIOS/SMB (англ. NetworkBasicInputOutputSystem/ServerMessageBlock–сетевая базовая система ввода – вывода/блок сообщений сервера).

Количество сетевых протоколов, относящихся к этим стекам, достаточно велико. Основные из них приведены в табл.8.1.5 -8.1.7 [7 - 11].

Интерфейс взаимосвязи обеспечивает единство информационно - технологической среды, необходимое для того, чтобы она могла функционировать. А

действительно функционирует она только по воле пользователя и в угоду его желаний благодаря интерфейсу взаимодействия, который предстоит рассмотреть.