2015-02-27
8423
Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на разных континентах. Взаимодействие между абонентами такой сети осуществляется на базе кабельных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи.
Региональная вычислительная сеть связывает абонентов внутри большого города, экономического региона, страны. Обычно расстояние между абонентами региональной вычислительной сети составляет десятки - сотни километров.
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) включает абонентов, расположенных в пределах небольшой территории. К классу локальных вычислительных сетей относятся сети отдельных предприятий, фирм, банков и т.д. Протяженность такой сети обычно ограничена пределами 2 - 2,5 км.
Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать многосетевые иерархии, обеспечивающие мощные средства обработки огромных информационных массивов и доступ к неограниченным информационным ресурсам. Локальные сети могут входить как компоненты в состав региональных и глобальных сетей и, наконец, глобальные сети могут образовывать сложные структуры.
Из глобальных наиболее популярной является сеть Internet. В ее состав входит множество свободно соединенных сетей, причем каждая внутренняя сеть может обладать собственной структурой и способами управления. Основными ячейками Internet являются локальные вычислительные сети.
Одним из важных критериев классификации сетей является классификация по модели взаимодействия.
Модель клиент - сервер. Под сервером понимают:
1.Узловой компьютер в сети, предоставляющий свои услуги и сервисы другим, т.е. выполняющий определенные функции по запросам пользователей сети.
2.Программа-сервер. Она устанавливается на компьютере-сервере.
Обслуживаемые компьютеры общаются с сервером посредством соответствующей клиент - программы, предназначенной для работы в паре с программой-сервером. Программа - клиент работает непосредственно на рабочей станции. Рабочая станция – это сетевой компьютер, с которого пользователь имеет доступ к сетевым сервисам и ресурсам.
Под клиентом понимаются:
1.Пользователь.
2.Прикладная программа, работающая в интересах пользователя для предоставления определённых услуг с сервера в какой-либо сети.
Клиент-сервер – это технология работы различных программ в сети. Программа, работающая по такой схеме, состоит их двух взаимодействующих частей: клиента и сервера. Сервер по командам клиента выполняет определенные действия, предоставляя услуги клиенту. То есть для предоставления услуг в такой схеме необходимы наличие и одновременная слаженная работа обеих указанных частей..
По уровню управления локальные сети делятся на одноранговые и двуранговые.
Одноранговые сети. В такой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям. В одноранговой сети (peer-to-peer network) все компьютеры равноправны – каждый из компьютеров может быть и сервером, и клиентом. Пользователь каждого из компьютеров сам решает, какие ресурсы будут предоставлены в общее пользование и кому.
Компьютеры в одноранговых сетях организуются в рабочие группы (workgroups). Одноранговые сети, как правило, небольшие – расстояние по кабелю от 2 до 10 компьютеров. В такой сети обычно нет лица, ответственного за настройку и поддержку политики безопасности сети – администратора (network administrator). В одноранговой сети каждый пользователь ведет свою собственную политику безопасности, определяя, каким образом другие пользователи могут использовать его ресурсы, находящиеся в сетевом доступе. Политика безопасности (security policy) – это совокупность настроек, определяющая права пользователей сети на доступ к общим ресурсам. По мере добавления новых компьютеров в рабочую группу, она становится трудно управляемой, так как управление политикой безопасности децентрализовано. Например, в сети из 7 компьютеров необходимо вести 7 отдельных политик безопасности, чтобы поддерживать работу 7 пользователей. По результатам исследований компании Novell пороговое число компьютеров в одноранговой сети – 25.
Примером операционных систем для одноранговых стей являются все версии WINDOWS 9X, WINDOWS 2000, WINDOWS XP.
К достоинствам таких сетей можно отнести низкую стоимость и высокую надёжность. К недостаткам – относятся:
слабая защита информации;
сложность управления сетью;
зависимость эффективности работы от числа станций.
Двуранговые сети (сети клиент/сервер). Наиболее характерной особенностью сети клиент/сервер является централизованное управление сетью. Такая сеть имеет хотя бы один выделенный сервер, который управляет пересылкой сообщений между объектами сети и всеми связями между сетевыми устройствами, хранит разделяемые информационные ресурсы, управляет политикой безопасности. На нём устанавливается серверное ядро сетевой операционной системы. Как правило, сервер – это самый мощный компьютер специального, серверного исполнения, имеющий при необходимости высоконадёжную внешнюю память (RAID – массивы/
Модель клиент/сервер значительно упрощает задачи администрирования сети, однако требует специалиста, который будет поддерживать работу сети. Сеть клиент/сервер обладает большей безопасностью, чем одноранговая сеть. Чтобы зарегистрироваться в системе, пользователь должен знать свои учётные данные (имя пользователя и пароль), созданные на сервере. Когда пользователь успешно зарегистрировался, он автоматически получает доступ ко всем ресурсам сети, на которые у него есть права. Сетевой администратор может присвоить права доступа как отдельному пользователю, так и группе пользователей.
Достоинства сети с выделенным сервером:
надёжная система защиты информации;
высокое быстродействие;
простота управления;
отсутствие ограничений на число рабочих станций.
Недостатком таких сетей является их высокая стоимость.
Примером операционных систем для двуранговых сетей являются все версии WINDOWS NT, WINDOWS 2000/2003 Server фирмы Microsoft, а также операционная система Novell NetWare фирмы Novell.
1.2.Типы серверов
Широкий выбор серверных систем требует от специалистов грамотно оценивать требования к их вычислительной мощности, масштабируемости, надежности и степени готовности. Они должны четко сформулировать требования к серверам, изучить возможности поддержки, а также определить будущие затраты на модернизацию. Кроме того, надо хорошо ориентироваться в разнообразии предлагаемой на рынке продукции.
Серверы можно классифицировать, например, как по классу решаемых задач, так и по количеству обслуживаемых клиентов. В соответствии со вторым подходом различают серверы масштаба рабочей группы (workgroup); отдела (department); средних организаций (midrange); предприятия (enterprise).
Поскольку в рамках каждого типа конфигурация серверов значительно варьируется, четких границ между ними установить нельзя. Мощные компьютеры младшего класса могут выполнять роль серверов начального уровня в старшем смежном классе и наоборот.
Классификаций серверов существует довольно много, причем все они в той или иной степени перекрываются. Так, фирмы-производители часто подразделяют выпускаемые серверы по типу исполнения: сверхтонкие (blade), классические напольные (tower), предназначенные для установки в стойки (rack) и с высокой степенью масштабируемости (super scalable). Сверхтонкие компьютеры позволяют не только экономить место, отводимое под каждый сервер, но и уменьшать энергопотребление. Напольные серверы обеспечивают высокую гибкость при размещении компонентов в корпусе и легко наращиваемы. Серверы для установки в стойку предназначены для консолидации серверных систем в центрах обработки данных и использования с внешними подсистемами памяти. Они могут эффективно применяться для кластерных решений, когда сами серверы, внешняя память и дополнительные устройства размещаются в одних и тех же стойках. Серверы с высокой степенью масштабируемости обычно предназначены для крупных предприятий и способны обеспечить решение практически любых задач корпорации.
Ниже приведены самые распространенные типы серверов, классифицируемых по классу решаемых задач.
Серверы приложений. Сервер приложений - сервер, предназначенный для выполнения прикладных процессов. Сервер приложений взаимодействует с клиентами, получая задания; и взаимодействует с базами данных, выбирая данные, необходимые для обработки. Для сервера приложений характерны расширенные возможности обработки информации, а взаимодействие с клиентом становится подобным работе приложения.
Серверы баз данных. Серверы баз данных используются для размещения и обслуживания централизованных баз банных, служащих для обработки пользовательских запросов. Модель "сервер базы данных" - архитектура вычислительной сети типа "клиент-сервер", в которой пользовательский интерфейс и логика приложений сосредоточены на машине-клиенте, а информационные функции (функции СУБД) - на сервере. Обычно клиентский процесс посылает запрос серверу на языке SQL. Ключевая характеристика сервера баз данных - его способность быстро извлекать и форматировать данные. Решающую роль в этом играют вычислительная мощность и масштабируемость системы. Понятия сервер приложений и сервер баз данных похожи, но в литературе по информационным технологиям встречаются оба эти понятия.
Файл-серверы. Файл-сервер обеспечивает взаимодействие между сетевыми станциями и дает пользователям доступ к файлам, которые необходимы им для работы. Кроме того, файл-сервер обычно ограничивает несанкционированный доступ к данным. Разница между файл-сервером и сервером приложений заключается в том, что первый хранит программы и данные, а второй выполняет программы и обрабатывает данные.
Почтовые серверы. Почтовые сервера занимаются входящими и исходящими сообщениями. Одна из задач почтового сервера - чтение адресов входящих сообщений и доставка корреспонденции в соответствующие почтовые ящики в пределах сети. В зависимости от развитости почтового сервера он может предоставлять администратору большую или меньшую степень контроля над локальными почтовыми ящиками, типами и размерами сообщений, которые они в состоянии получать, автоматическими ответами, которые можно составлять, и т. п.
Принт-серверы. Такие серверы позволяют всем подключенным к сети компьютерам распечатывать документы на одном или нескольких общих принтерах. В этом случае отпадает необходимость комплектовать каждый компьютер собственным печатающим устройством. Кроме того, принимая на себя все заботы о выводе документов на печать, принт-сервер освобождает компьютеры для другой работы. Например, принт-сервер хранит посланные на печать документы на своем жестком диске, выстраивает их в очередь и выводит на принтер в порядке очередности.
Серверы удаленного доступа. Эти системы позволяют связываться с офисной сетью по кабельным каналам связи и в беспроводных сетях. Находясь с ноутбуком где-нибудь вдали от офиса, всегда можно получить нужный файл, проверить, не пришла ли электронная почта, словом, получить любую необходимую информацию. При наличии хороших каналов связи разница между работой в офисе и вне его в этом случае практически незаметна.
Факс-серверы. Факс-сервер подобен упоминавшемуся ранее почтовому серверу. Оба эти типа серверов представляют собой мосты между исходящими и входящими сообщениями, оба должны направлять входящие сообщения по указанному адресу. В случае почтовых серверов - это всегда почтовый ящик конкретного пользователя. В случае факс-серверов подразумевается, что принимающий сообщение компьютер и является местом назначения, поэтому модель почтового ящика здесь не работает. С другой стороны, факс-серверы, предназначенные для корпоративного использования, имеют некоторые параллели с моделью сервера электронной почты, обеспечивая доставку входящих факсов по конкретным адресам, присвоенным пользователям.
Сервера Internet. Сюда относятся сервера глобальной сети, обеспечивающие размещение сервисов сети разного типа, а также сетевые службы, обеспечивающие функционирование Internet совместно с ЛВС. Основные из них рассматриваются ниже.
1.3.Назначение вычислительных сетей
Применение вычислительных сетей дает следующие преимущества:
совместное использование информации (например, файлов);
совместное использование аппаратных средств (например, принтера, модема и др.);
совместное использование программных ресурсов (например, программы типа клиент-сервер);
обеспечение единой политики безопасности для узлов сети (например, настройка безопасности рабочих станций на сервере при подключении локальной сети к Internet);
разграничение полномочий узлов сети (например, для распределения полномочий между различными подразделениями предприятия);
обеспечение защиты информации совместного использования (например, резервное копирование на стороне сервера);
обеспечение эффективных средств взаимодействия пользователей друг с другом, например, посредством электронной почты. Возможно проведение конференций, форумов и др.;
повышение надежности всей информационной системы, поскольку при отказе одной ЭВМ другая, резервная, может взять на себя ее функции и рабочую нагрузку.
2.АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
2.1. Архитектура связей
Перемещение информации между компьютерами различных схем является чрезвычайно сложной задачей. В начале 1980 гг.
Международная Организация по Стандартизации –International Standards Organization (ISO) признала необходимость создания модели сети, которая могла бы помочь поставщикам вычислительных сетей создавать реализации взаимодействующих сетей с неоднородными устройствами. Эту потребность удовлетворяет эталонная модель взаимодействия открытых систем – Open System Interconnection reference model (OSI), выпущенная в 1984 и ставшая международным стандартом (часто её называют моделью ISO/OSI). Модель служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования. Она представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов. Эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей.
Модель содержит 7 уровней. Основная идея модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная роль. Поэтому общая задача передачи данных формализуется и расчленяется на отдельные легко обозримые задачи. В процессе развития и совершенствования любой системы возникает потребность изменения отдельных компонентов, а так как интерфейсы между уровнями определены однозначно, можно изменить функции одного или нескольких из них, сохраняя возможность безошибочной работы сети в целом. В сетях происходит взаимодействие между одноименными уровнями модели в различных ЭВМ. Такое взаимодействие должно выполняться по определенным правилам, называемым протоколом.
Большинство сетей реализует все семь уровней. Однако в режиме потока информации некоторые реализации сетей пропускают один или более уровней. При этом функции отсутствующих уровней распределяются между другими уровнями. Два самых низших уровня OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением; остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением.
Справочная модель OSI описывает, каким образом информация проделывает путь через среду сети (например, провода) от одной прикладной программы до другой, находящейся в другом компьютере.
Задача каждого уровня - предоставление услуг вышележащему уровню, "маскируя" детали реализации этих услуг. При этом каждый уровень работает так, как будто он напрямую связан с таким же уровнем на другом компьютере. Эта логическая или виртуальная связь между одинаковыми уровнями представлена на рис.2. Физическая связь через среду передачи данных существует только на физическом уровне. Перед подачей в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет проходит от верхнего седьмого уровня (прикладной или уровень приложений) последовательно через все уровни программного обеспечения, и на каждом уровне к пакету добавляется некоторая управляющая (форматирующая или адресная) информация, называемая заголовком, необходимая для успешной передачи данных по сети. Модель ISO/OSI представлена на рис.1.
Рис.1.Модель ISO/OSI
На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. Каждый уровень анализирует и удаляет из пакета ту информацию, которую ему приготовил соответствующий уровень передающего компьютера. Когда информация поступит на прикладной уровень, данные примут первоначальный вид, уже воспринимаемый пользователем.
Эталонная модель OSI не является реализацией сети. Она только определяет функции каждого уровня, а конкретная реализация уровней в разных сетях может отличаться. Частично эта разница вызвана неспособностью любой спецификации учесть все возможные детали реализации. Кроме того, разные люди, реализующие один и тот же проект, всегда интерпретируют его немного по-разному. После того, как стали понятными основные особенности принципа деления на уровни модели OSI, можно приступить к обсуждению каждого отдельного уровня и его функций. Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для того, чтобы связь могла состояться.
2.2.Уровни модели ISO/OSI
Прикладной уровень. Прикладной уровень - это верхний, самый близкий к пользователю уровень OSI. Он предоставляет собой окно для доступа пользователя к сетевым сервисам, обеспечивает услуги, напрямую поддерживающие приложения пользователя, такие как программное обеспечение для передачи файлов, доступа к базам данных, электронная почта. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI; однако он обеспечивает ими прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.
Представительный уровень. Представительный уровень отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации. Он также занимается структурами данных, которые используют программы. Поэтому кроме трансформации формата фактических данных (если она необходима), представительный уровень согласует синтаксис передачи данных для прикладного уровня.
Сеансовый уровень. Устанавливает, управляет и завершает сеансы связи. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами сети. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основной функции регулирования диалогов (сеансов) сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней. Выполняет функции идентификации и аутентификации.
Транспортный уровень. Поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом процессами пользователей. Занимается передачей транспортных блоков между узлом-источником данных и узлом-адресатом. Транспортный уровень гарантирует доставку пакетов без ошибок, в той же последовательности, без потерь и дублирования. Транспортные блоки обычно являются более крупными порциями битов, чем пакеты. Поэтому они разбиваются на пакеты при передаче на сетевой уровень. На транспортном уровне решается ряд задач, не решенных на нижних уровнях - надежность передачи, управление потоком данных. Верхнему уровню транспортный уровень предоставляет виртуальное транспортное соединение для надежной передачи транспортных блоков. Типичным представителем транспортного уровня является один из важнейших протоколов сети Internet - протокол ТСР;
Граница между сеансовым и транспортным уровнями может быть представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительный и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.
Сетевой уровень. Устанавливает связь между абонентами и осуществляет маршрутизацию пакетов в сети, т.е. передачу информации по определенному адресу. Основными функциями сетевого уровня являются:
передача пакетов между узлами, не связанными физическими каналами;
выбор маршрутов для передачи данных.
Сетевой уровень определяет скорость передачи по сети и контроль целостности данных, он служит интерфейсом между компьютерами и коммутаторами пакетов. Для маршрутизации данных в сети используется таблица маршрутизации. Это база данных, где описывается местонахождение возможных получателей пакетов. Используя такую таблицу, маршрутизатор в состоянии найти путь пакета для любого получателя в сети. Сетевой уровень контролирует поток данных при маршрутизации пакетов (трафик).
Это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами, подключенными к разным "подсетям", которые могут находиться в разных географических пунктах. В данном случае "подсеть" - это по сути независимый сетевой кабель (иногда называемый сегментом).
Канальный уровень. Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации. Функции физического и канального уровней в локальных сетях выполняют сетевые платы.
Физический уровень. Выполняет сопряжение со средой передачи данных и предоставляет канальному уровню виртуальный канал для передачи битов. Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, скорость передачи физической информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.
2.3.Концепции адресации в сетях
Наука об объединении сетей, как и другие науки, имеет свою собственную терминологию и научную базу. К сожалению, ввиду того, что эта наука очень молода, пока что не достигнуто единое соглашение о значении концепций и терминов объединенных сетей. По мере дальнейшего совершенствования индустрии объединённых сетей определение и использование терминов будут более четкими.
Существенным компонентом любой системы сети является определение местонахождения компьютерных систем. Существуют различные схемы адресации, используемые для этой цели, которые зависят от используемого семейства протоколов. Двумя важными типами адресов являются адреса канального уровня и адреса сетевого уровня. Адреса канального уровня (называемые также физическими или аппаратными адресами), как правило, уникальны для каждого сетевого соединения. У большинства локальных сетей адреса канального уровня размещены в схеме интерфейса (в сетевом адаптере), они назначаются той организацией, которая определяет стандарт протокола, представленный этим интерфейсом. Т.к. большинство компьютерных систем имеют одно физическое сетевое соединение, они имеют только один адрес канального уровня. Маршрутизаторы и другие системы, соединенные с множеством физических сетей, могут иметь множество адресов канального уровня. В соответствии с названием, адреса канального уровня существуют на втором уровне эталонной модели ISO.
Aдреса сетевого уровня (называемые также виртуальными или логическими адресами) существуют на третьем уровне эталонной модели OSI. В отличие от адресов канального уровня, которые обычно существуют в пределах плоского адресного пространства, адреса сетевого уровня обычно иерархические. Другими словами, они похожи на почтовые адреса, которые описывают местонахождение человека, указывая страну, штат, почтовый индекс, город, улицу, адрес на этой улице и имя.
Иерархические адреса делают сортировку адресов и повторный вызов более легкими путем исключения крупных блоков логически схожих адресов в процессе последовательности операций сравнения. Например, можно исключить все другие страны, если в адресе указана страна. Легкость сортировки и повторного вызова являются причиной того, что маршрутизаторы (роутеры) используют адреса сетевого уровня в качестве базиса маршрутизации.
2.4.Блоки данных, пакеты и сообщения
В литературе по распределённым вычислительным сетям в наименовании логически сгруппированных блоков информации, которая перемещается между компьютерными системами можно встретить термины "блок данных", "кадр", "пакет", "сообщение" и другие термины, которые в данном пособии следует сразу пояснить. В настоящей работе термин "блок данных" (frame) или "кадр" обозначает блок информации, источником и пунктом назначения которого являются объекты канального уровня. Термин "пакет" (packet) обозначает блок информации, у которого источник и пункт назначения - объекты сетевого уровня. Термин "сообщение" (message) oбoзначает информационный блок, у которого объекты источника и места назначения находятся выше сетевого уровня. Термин "сообщение" используется также для обозначения отдельных информационных блоков низших уровней, которые имеют специальное, хорошо сформулированное назначение. Ниже будет приведён формат кадра канального уровня при рассмотрении технологии Ethernet.
2.5. Понятие протоколов вычислительных сетей
Понятие протокола, вытекающее из эталонной модели OSI– это набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных сетевых ЭВМ. Функции протоколов различных уровней реализуются в драйверах для различных вычислительных сетей.
Современные сети построены по многоуровневому принципу. Чтобы организовать связь двух компьютеров, требуется сначала определить свод правил их взаимодействия, определить язык их общения, т.е. определить, что означают посылаемые ими сигналы и т.д. Эти правила и определения называются протоколами.
Протокол можно также рассматривать как совокупность определений (соглашений, правил), регламентирующих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими независимыми устройствами или процессами. Т.е. описание того, как программы, компьютеры или иные устройства должны действовать, когда они взаимодействуют друг с другом.
Протокольные определения охватывают диапазон от того, в каком порядке биты следуют по проводу, до формата сообщения электронной почты. Стандартные протоколы позволяют связываться друг с другом компьютерам различных производителей. Взаимодействующие компьютеры могут использовать различное программное обеспечение, но должны соблюдать принятое соглашение о том, как посылать и принимать данные.
Для работы сетей необходимо множество различных протоколов: например, управляющих физической связью, установлением связи по сети, доступом к различным ресурсам и т.д. Многоуровневая структура используется с целью упростить это огромное множество протоколов и отношений. Она позволяет также составлять сетевые системы из продуктов - модулей программного обеспечения, - выпущенных разными производителями.
2.6.Стеки протоколов
Набор протоколов, работающих одновременно и совместно в одной сети, называется стеком (stack) протоколов. Рассмотрим основные стеки, используемые в разных сетях.
Стек TCP/IP. Самым известным стеком протоколов является стек ТСР/IР (Transfer Communication Protocol/Internet Protocol)), который ведёт свою историю от сети
ARPAnet. Он получил своё название от пары протоколов: протокола IP сетевого уровня, который обеспечивает доставку данных между узлами, и протокола TCP транспортного уровня, который делает эту доставку надёжной. Помимо этих протоколов, стек TCP/IP включает и множество других. С TCP/IP работают десятки миллионов компьютеров во всём мире, на его основе работают всё больше внутренних сетей фирм, предприятий (Intranet). Далее в пособии подробно рассмотрены основные протоколы, обеспечивающие функционирование распределённых сетей.
Стек IPX/SPX (Internetwork Packet Exchange/Sequenced Packet Exchange). Это фирменная разработка компании Novell. Стек IPX/SPX разрабатывался для сетевой операционной системы Novell Netware в 80 – х годах 20 века и сегодня не утерял популярности. Поддержка этого стека, так же как и стека TCP/IP встроена в Windows XP. IPX – протокол сетевого уровня модели OSI, на транспортном уровне работает протокол SPX.
Преимущество IPX/SPX заключалось в том, что он был ориентирован на работу с довольно слабыми ПК в локальных сетях с использованием широковещательной рассылки пакетов. В TCP/IP это недопустимо, здесь осуществляется маршрутизация пакетов по указанному адресу. Стек IPX/SPX продолжает развиваться, но по популярности давно уступает стеку TCP/IP.
Стек NETBIOS. Стек NetBIOS (Network Input/Otput/ System) разработан как сетевое расширение BIOS и предназначен для работы в простых локальных сетях. Он состоит из протоколов NetBIOS и SMB (Server Message Block). Современная реализация NETBIOS называется NetBEUI и используется в сетях Microsoft.
2.7.Сетезависимые протоколы и протоколы, ориентированные на приложения
Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.
Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются сетезависимыми, т. е. протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети, с используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровня во всех узлах сети.
Три верхних уровня - сеансовый, уровень представления и прикладной - ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют никакие изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних уровней. Это позволяет разрабатывать приложения, независящие от технических средств, непосредственно занимающихся транспортировкой сообщений.
Компьютер с установленной на нем сетевой операционной системой взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа, коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и более высокие уровни (маршрутизатор).
Модель OSI представляет хотя и очень важную, но только одну из многих моделей коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут отличаться количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, сервисами, предоставляемыми на верхних уровнях и прочими параметрами.
Список основных организаций, занимающихся стандартизацией объединенных сетей, приведён в приложении 1.
3.ТОПОЛОГИЯ И МЕТОДЫ ДОСТУПА
3.1.Понятие топологии и метода доступа к передающей среде.
Топология ЛВС - это усреднённая геометрическая схема соединения узлов сети. Выбор той или другой топологии определяется областью применения и размером конкретной ЛВС, расположением ее узлов. C топологией сети связаны методы доступа к передающей среде и выбор сетевого оборудования.
Для ЛВС были разработаны несколько схем, включающих в себя аппаратные средства и протоколы передачи данных. Эти системы поддерживает соответствующее сетевое программное обеспечение. Система доступа к cети (аппаратура и протокол) обеспечивает электронную магистраль для передачи данных, а сетевая операционная система - управление ресурсами всей системы и обработкой данных.
Метод доступа. Метод доступа определяет набор правил, используемых узлом сети для получения доступа к передающей среде. Рассмотрим методы доступа, применяемые в современных ЛВС.
Множественнный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (конфликтов), Базируюется на алгоритме доступа CSMA/CD(carrier sensitive multiple access with collision detection), где все узлы имеют равные возможности доступа к сетевой среде. Перед передачей данных узел "прослушивает" среду и, если она свободна, начинает передачу. При одновременной попытке доступа к среде нескольких узлов фиксируется "столкновение", и сеанс передачи повторяется позднее. Иначе этот метод называется методом доступа Ethernet или методом случайного доступа. По существу, метод доступа CSMA/CD предполагает широковещательную передачу кадров. Все рабочие станции логического сетевого сегмента прочитывают адресную часть передаваемой информации. Узел, адрес которого указан в кадре, принимает информацию. Метод разработан в 1975 г. фирмой Xerox и сначала использовался в сетях с шинной(магистральной)топологией.
Маркерное кольцо (Token Ring). Метод разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети. Этот принцип передачи данных в кольцевой сети носит название метода передачи маркера (token). Суть его такова. Маркер (уникальная последовательность битов) передаётся от одного компьютера к другому до тех пор, пока его не получит тот, который "хочет'' передать данные. Передающий компьютер помещает кадр в маркер и посылает его по кольцу.
Данные проходят через несколько компьютеров, пока не достигнут того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в кадре. После этого принимающий компьютер посылает передающему узлу сообщение, в котором подтверждает прием данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает свободный маркер в сеть. Передача маркера не отнимает много времени и практически не влияет на пропускную способность сети.
Маркерная шина (метод доступа Arcnet). Разработан фирмой Datapoint Corporation и используется в топологии "звезда" и "общая шина". Маркер создаётся одной из станций сети и имеет адресное поле, где указывается адрес узла, владеющего маркером. Передачу осуществляет только узел, владеющий маркером, все остальные работают на приём. Последовательность передачи маркера от одной станции к другой определяется управляющей станцией сети. Станции, последовательно получающие маркер для передачи кадров, образуют "логическое кольцо". Станция, получившая маркер (полномочия на передачу информации), передаёт подготовленный кадр в шину. Если кадра для передачи нет, она посылает маркер другой станции согласно установленному порядку передачи полномочий. Станция назначения, получив маркер, "отцепляет" кадр от маркера и передаёт его следующей станции. Этот метод позволяет обеспечить приоритетное обслуживание абонентов.
Чтобы передать данные по кабелю или получить их из сети, платы сетевого интерфейса используют специфический метод доступа к кабелю. Международным институтом инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) разработан одобренный Международной организацией по стандартизации (ISO) набор стандартов, являющихся частью стандарта OSI. Для локальных сетей предусмотрены следующие стандарты:
802.2 - Logical Link Control (LLC);
802.3 - CSMA/CD LAN (Ethernet);
802.4 - Token Bus LAN – маркерная шина;
802.5 - Тoken Ring LAN (IBM Token Ring) – маркерное кольцо.
Эти стандарты используются для определения физического уровня и уровня связи данных модели OSI. Уровень связи данных разделяется на логический подуровень Logical Link Control (LLC) и уровень метода управления носителем.
Уровень Logical Link Control (LLC) обеспечивает единый стандартный интерфейс между верхними уровнями протокола и нижним уровнем Media Access Control (MAC). Уровень LCC аналогичен коммутационной панели, которая направляет потоки данных между нижним и верхним уровнями.
3.2.Сетевые топологии
Среди топологических схем наиболее популярными являются:
шинная (магистральная, общая шина);
звезда;
кольцо;
многосвязная.
К первым трем типам топологии относятся 99% всех локальных сетей.
Общая шина (BUS). В топологии "шина" используется один кабель (в основном, тонкий коаксиальный), именуемый магистралью или сегментом, к которому с помощью специальных коннекторов подсоединены все устройства сети (рис.2).
Рис. 2. Шинная топология.
Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В сети с топологией "шина'' компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, указанному в кадре. Причем, в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.
Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя, поскольку на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:
характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;
частота, с которой компьютеры передают данные;
тип работающих сетевых приложений;
тип сетевого кабеля;
расстояние между компьютерами в сети.
"Шина"- пассивная топология. Это значит, что компьютеры только слушают передаваемые по сети данные, но не участвуют в их перемещении от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.
Электрические сигналы, распространяются по всей сети - от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить. Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают специальные устройства -терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы.
Кольцо (Ring). Пример кольцевой топологии приведён на рис.3.
Рис.3. Кольцевая топология
При топологии "кольцо'' компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Выход одного компьютера подключается к входу другого, каждый узел должен иметь два сетевых интерфейса. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитера (повторителя), усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, функционирование сети может нарушиться. В реальной ситуации этого не случается, поскольку подсоединение узла к кольцу выполняется специальным образом.
Для создания кольцевой топологии в основном используется волоконно-оптический кабель (сеть FDDI), но допустимо использование витой пары (Token Ring). Эта топология удобна для оптоволоконных каналов, где сигнал может передаваться только в одном направлении (но при наличии двух колец, как в FDDI, возможна и двунаправленная передача).
Звезда (Star) – см. рис.4. Это самая старая сетевая топология. При топологии "звезда'' все компьютеры с помощью отдельных сегментов кабеля подключаются к одному центральному узлу.
В качестве центрального узла выступает пассивное с точки зрения обработки данных, устройство - концентратор (hub) или коммутатор. "Звезда" отличается тем,
Рис.4. Топология "звезда"
что не предоставляет возможности двум компьютерам в сети обмениваться данными иначе, чем с помощью посредника - центрального узла.
В сетях с топологией "звезда" подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованы. Так как все компьютеры подключены к центральному узлу отдельными кабелями, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный узел выйдет из строя, нарушится работа всей сети, однако в данном случае несколько компьютеров в сети могут вести передачу данных одновременно, в то время как шинная топология и топология маркерного кольца в каждый момент времени выделяют только один компьютер, которому позволено передавать данные.
Если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет. Для создания звездообразной топологии, в основном, используется кабель "витая пара". В "звезде" центром является концентратор или коммутатор, а лучами - сегменты, на концах которых находятся рабочие станции (по одной на каждый сегмент). В современной сети "звезда" может являться элементом иерархической структуры. Отличается относительно высокой стоимостью кабельной системы. Позволяет сосредоточить в одном месте все проблемы по передаче данных, по адресации. Является основой для построения структурированных кабельных систем.
Полносвязная топология. Полносвязные топологии соответствуют сети, в которой каждый узел связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это громоздкий вариант и неэффективный. Каждый компьютер такой сети должен содержать огромное количество портов, для связи со всеми остальными компьютерами сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная линия связи. При этом достигается максимальная производительность, надежность, скорость передачи. Полносвязные топологии в локальных сетях не применяются. Чаще всего этот вид топологии встречается в многомашинных комплексах. Схематично полносвязная топология представлена на рис.5.
Рис.5. Полносвязная топология.
Все другие топологии неполносвязные. Это означает, что для обмена данными между двумя конечными узлами могут потребоваться промежуточные узлы.
Ячеистая или сотовая топология. Получается из полносвязной путём удаления некоторых линий связи. Ячеистая топология допускает соединения большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей. Применяется в глобальной сети Internet.
Используется и немалое количество других топологий, которые являются комбинациями уже названных.
Смешанная топология. Большинство более или менее крупных сетей имеют смешанную топологию, в которой можно выделить отдельные фрагменты типовых топологий (рис. 6, 7).
Рис. 6. Сеть смешанной топологии ("звезда" - "звезда")
Появление смешанных топологий обусловлено, как правило, необходимостью наращивать и модернизировать сеть. Часто суммарные затраты на постепенную модернизацию оказываются существенно большими, а результаты меньшими, чем при затратах на глобальную замену морально устаревших сетей.
Рис. 7. Сеть смешанной топологии ("звезда" – "шина").
Сети смешанной топологии обладают достоинствами и недостатками, характерными для составляющих их топологий.
4.СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ДАНННЫХ В ВС
4.1.Классификация сред передачи данных
Физическая среда, в которой происходит передача информации, называется средой передачи данных. Можно выделить две основных среды передачи данных (рис. 8):
проводную (с применением кабелей),
беспроводную (без применения кабелей).
Рис. 8. Среды передачи данных.
К беспроводным средам передачи данных относятся:
Инфракрасные лучи (соединение компьютеров с помощью инфракрасных портов).
Радиоволны (передача данных между компьютерами с использованием радиоэфира).
Инфракрасная связь действует только в зоне прямой видимости (инфракрасные лучи не могут проникать сквозь стены). На ее основе может быть организована лишь небольшая (часто - временная) сеть внутри одного помещения. Такая сеть, помимо всего прочего, будет работать на довольно низких скоростях. Использование для компьютерной связи радиоволн сейчас является перспективным и быстро развивающимся направлением. Более подробно беспроводные сети будут рассмотрены ниже.
4.2.Кабельные каналы связи
Основными проводными средами передачи данных являются медь и стекловолокно. На их основе изготавливаются различные типы кабелей. Медную среду передачи данных используют такие типы кабелей как коаксиальный кабель и "витые пары" различных категорий
Кабельные каналы для целей телекоммуникаций исторически использовались первыми. И сегодня по суммарной длине они превосходят даже спутниковые каналы. В настоящее время в локальных вычислительных сетях применяется три вида кабелей:
коаксиальный (двух типов):- тонкий коаксиальный кабель (thin coaxial cable);
толстый коаксиальный кабель (thick coaxial cable);
витая пара (двух основных типов):
неэкранированная витая пара (unshielded twisted pair - UTP);
- экранированная витая пара (shielded twisted pair - STP);
волоконно-оптический кабель (двух типов):
многомодовый кабель (fiber optic cable multimode);
одномодовый кабель (fiber optic cable single mode).
За последние двадцать лет пропускная способность каналов выросла с 56 кбит/c до 1 Гбит/с. Разработаны технологии, способные работать на оптических кабелях со скоростью 50 Тбит/с. Вероятность ошибки при этом сократилась с 10-5 на бит до пренебрежимо низкого уровня. Современный же лимит в несколько Гбит/с связан главным образом с ограничением по быстродействию преобразователей электрических сигналов в оптические. Сегодня практически все сети проектируются на базе UTP и волоконно-оптических кабелей, коаксиальный кабель применяют лишь в исключительных случаях и то, как правило, при организации низкоскоростных стеков в монтажных шкафах. Поэтому наиболее подробно рассмотрим витую пару и волоконно-оптические кабели.
4.3.Кабель витая пара
Кабель витая пара получил свое название из-за использования в качестве среды передачи данных одной, двух или четырех пар скрученных медных проводников. Скрученность позволяет гасить помехи, создаваемые в каждом из проводников. Существует две основных разновидности витой пары - неэкранированная (UTP) и экранированная (STP). Неэкранированная витая пара, в свою очередь, подразделяется на несколько категорий. Отличие между UTP и STP в том, что кабель экранированной «витой пары» покрыт защитным экраном.
Неэкранированная витая пара. Сети на основе неэкранированной витой пары имеют пропускную способность от 10 Мбит/с до 1 Гбит/с) в зависимости от категории используемого кабеля, максимальную длину сегмента сети 100 м (сигнал, передаваемый по неэкранированной «витой паре», довольно быстро затухает), рекомендуемое число узлов в сети - 75 (максимально по спецификации - 1024, в реальности - сильно зависит от трафика). Понятие "сегмент сети" связано с максимальной длиной кабеля, при превышении которой уже требуется усиление передаваемых сигналов. Сам кабель сильно подвержен электромагнитным помехам, данные, передаваемые с его помощью, несложно перехватить. Однако UTP имеет невысокую стоимость, при хороших технических характеристиках UTP недороги, удобны при монтаже, их не надо заземлять. Всё это обусловливает большую популярность сетей на основе неэкранированной витой пары в офисных сетях, где отсутствуют электромагнитные помехи.
Кабели в сети должны удовлетворять определённым индустриальным стандартам. Это нужно для обеспечения совместной работоспособности устройств разных производителей. Неэкранированная витая пара UTP делится на несколько категорий:
UTP 1; 2; 3 категории – уже устаревшие стандарты;
UTP 4 категории – электрические характеристикм этого кабеля лежат в диапазоне до 20 МГц. Сегодня этот кабель устарел и применяется крайне редко;
UTP 5 категории - его электрические характеристикм лежат в диапазоне до 100МГц. Это наиболее широко применимый стандарт;
UTP 6 категории – характеристики определены до частоты 200МГц;
UTP 7 категории – характеристики определены до частоты 600МГц.
Для присоединения кабелей UTP к сетевому адаптеру и к розеткам используются специальные коннекторы RJ-45. При этом применяются специальные обжимные инструмены. Кабели UTP выпускаются в четырёхпарном исполнении. Каждый проводник имеет определённый цвет и шаг скрутки. Не во всех кабелях для передачи данных используются все линии. Не рекомендуется восстанавливать повреждённые UTP или STP кабели, повреждённый кабель следует заменить новым.
Экранированная витая пара STP. Эти кабели различаются по материалу экрана:
STP - экранирование медной оплеткой;
FTP - экранирование фольгой;
SFTP - экранирование медной оплеткой и фольгой.
Эти кабели имеют хорошие технические характеристики, но дороги, из-за жёсткости неудобны в работе, требуют заземления. Используются в условиях, требующих защиты кабельных коммуникаций от помех. В зависимости от характеристик делятся на типы:
type 1; type2;type 3;type 5;type 9.
Начиная с type 5, кабели имеют скоростные характеристики, аналогичные характеристикам волоконно - оптических кабелей. Сети на основе экранированной "витой пары" имеют более высокую скорость передачи (теоретически: до 500 Мбит/с на расстояние 100 м), максимальную длинную сегмента сети 100 м (сигнал, передаваемый по STP и UTP затухает одинаково быстро), максимальное число узлов по спецификации - 270, а за счет наличия экрана такие сети в значительно меньшей степени подвержены электромагнитным помехам. Данные, передаваемые посредством экранированной витой пары перехватить сложнее. В тоже время экранированная витая пара имеет большую стоимость и более трудную прокладку, чем неэкранированная.
Неэкранированная витая пара, и особенно 5 категории, сейчас доминирует в ЛВС. Это связано с резким улучшением его характеристик в последнее десятилетие. Например, скорость передачи витой пары UTP 5 категории при применении стандарта Gigabit Ethernet составляет 1000 Мбит/с при ограниченном сегменте (до 25 м.).
4.4.Волоконно-оптические кабели
Особенности волоконно-оптических кабелей:
по оптической линии связи можно передавать луч света, являющийся источником сигнала, со скоростью порядка 1Тбит/с. По одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов;
имеют очень малое затухание светового сигнала в волокне;
волокно изготавливается из недорогого материала – кварца.
оптические волокна очень компактны и легки, имеют диаметр около 100 мкм. Для изготовления применяется особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении;
системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Важное свойство оптического волокна -долговечность.
Минусы:
из-за точности соединений необходимы дорогостоящие компоненты;
для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое технологическое оборудование. Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями. Кабель также подвержен влиянию различных климатических условий
На основе оптоволокна изготавливаются многомодовые и одномодовые волоконно-оптические кабели, различающиеся по траектории прохождения световых лучей.
В одномодовом кабеле все лучи проходят практически один и тот же путь и одновременно достигают приемника. В многомодовом кабеле траектории лучей имеют существенный разброс, что приводит к искажению информации при передаче на большие расстояния. Соответственно, сети на одномодовых кабелях имеют большую пропускную способность и максимальную длину сегмента. В то же время они отличаются более высокой стоимостью по сравнению с многомодовыми. На рис.9 представлены типы световодов. на рисунке введены обозначения: n1 - материал волокна, n2 – среда передачи светового луча.
Рис.9. Типы световодов: а)одномодовое волокно, б)многомодовое волокно
В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода). В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).
В настоящее время использование оптоволокна становится все более популярным, в том числе, вследствие снижения его стоимости. Сети, построенные на основе оптоволокна, имеют чрезвычайно высокую практическую скорость передачи (от 100 Мбит/с до 2 Гбит/с и более), не подвержены действию электромагнитных помех, а сигнал, передаваемый по оптоволокну, имеет низкое затухание, что позволяет прокладывать его на значительные расстояния, измеряемые километрами. Оптоволокно не дает утечки сигнала, что делает его надежным в плане перехвата информации. Вместе с тем, как сам кабель, так и оборудование к нему и работы по его прокладке отличаются существенно большей стоимостью по сравнению с медными средами передачи данных. Изображение волоконно-оптического кабеля приведено на рис.10.
Рис.10. Волоконно-оптические кабели
Длина сегмента для разных передающих сред приведена в табл.1
Таблица 1
| Тип кабеля | Длина сегмента |
| Витая пара | 100 м |
| Тонкий коаксиальный | 185 м |
| Толстый коаксиальный | |
| Оптоволоконный одномодовый кабель | 2000 м (с применением специальных средств до 40 - 90 км) |
| Оптоволоконный многомодовый кабель | 1000 м |
4.5.Основные характеристики кабелей
Помимо разделения на типы и категории, каждый кабель имеет определённые характеристики. Рассмотрим их. Выше мы уже оперировали характеристикой скорости передачи.
Скорость передачи данных. Это фактическая скорость потока данных, прошедшего через сеть. Измеряется в бит/с.
Пропускная способность. Это максимально возможная скорость передачи, измеряется также в бит/с. Поскольку бит/с – очень малая величина для оценки пропускной способности, на практике применяют Мбит/с.
Качество передачи данных. О пределяется параметром Bit Error Rate, или, сокращённо, BER – количество ошибок на бит. На современных линиях связи этот параметр довольно низок – от 10-4до 10–9.
Полоса пропускания. О пределяет непрерывный диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передаётся по кабелю без значительных искажений. Между пропускной способностью и полосой пропускания существует определённая зависимость. Есть несколько формул, определяющих эту зависимость, например, формула Шеннона:
C=F*log2(1 + SNR),
где:
C – максимальная пропускная способность, бит/с;
F – ширина полосы пропускания линии, Гц;
SNR – соотношение сигнал/шум, дБ.
Из формулы видно, что для повышения пропускной способности линии следует увеличивать ширину полосы пропускания либо снижать уровень шума, что технически трудно осуществить. Есть ряд характеристик кабелей, связанных с потерями в линии. Основные из них приведены ниже.
Затухание (Attenuation). Это относительное уменьшение амплитуды сигнала или его мощности при передаче линии сигнала определённой частоты. Измеряется в децибелах на метр. По причине затухания сигнала длина линий ограничена и строго оговаривается в стандартах локальных сетей.
Волновое сопротивление. Это полное сопротивление сети, его также называют импедансом. Единица измерения – Ом. Это постоянная для определённого кабеля величина. Для UTP 5 категории импеданс равен 100 Ом. Изменение волнового сопротивления может быть связано с некачественной заделкой кабеля, низким качеством разъёма и др.
Активное сопротивление. Это сопротивление постоянному току. Активное сопротивление зависит от длины и сечения кабеля.
В сети также существуют помехи: электрический шум, перекрёстные наводки на ближнем конце (NEXT), возвратные потери. Эти факторы искажают сигнал, специалисты применяют для борьбы с помехами специальные методы защиты.
5. МЕТОДЫ КОММУТАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
5.1.Понятие коммутации
Комплекс технических решений обобщенной задачи коммутации в совокупности составляет базис любой сетевой технологии. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства. Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:
коммутация каналов (circuit switching);
коммутация пакетов (packet switching).
Коммутируемой транспортной сетью назывался сеть, в которой между двумя (или более) конечными пунктами устанавливается связь по запросу. Примерами таких сетей являются коммутируемая телефонная сеть и коммутируемые вычислительные сети. Сети с коммутацией каналов имеют более богатую историю, они произошли от первых телефонных сетей. Сети с коммутацией пакетов сравнительно молоды, они появились в конце 60-х годов как результат экспериментов с первыми глобальными компьютерными сетями. Каждая из этих схем имеет свои достоинства и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов, будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.
5.2.Коммутация каналов
При коммутации каналов (цепей) между связываемыми конечными пунктами на протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью. Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения нескольких коммутационных устройств. Каждое устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим каналами. Если при установлении сквозного канала связи занята вызываемая сторона или хотя бы одно из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться, и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.
В качестве недостатков метода коммутации каналов можно указать следующие:
длительное время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения отдельных его участков;
необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала;
отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;
возможность монополизации канала одним источником информации;
наращивание функций и возможностей сети ограничено;
не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию загрузки весьма ограниченны).
Преимущества метода коммутации каналов:
отработанность технологии (первое коммутационное устройство появилось еще в конце XIX в.);
возможность работы в диалоговом режиме и в реальном масштабе времени;
довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).
5.3.Коммутация пакетов
Эта техника коммутации была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика (трафик – объём данных, принимаемых или передаваемых сетевым устройством). Первые шаги на пути создания компьютерных сетей на основе техники коммутации каналов показали, что этот вид коммутации не позволяет достичь высокой общей пропускной способности сети. Типичные сетевые приложения генерируют трафик очень неравномерно, с высоким уровнем пульсации скорости передачи данных. Например, при обращении к удаленному файловому серверу пользователь сначала просматривает содержимое каталога этого сервера, что порождает передачу небольшого объема данных. Затем он открывает требуемый файл в текстовом редакторе, и эта операция может создать достаточно интенсивный обмен данными, особенно если файл содержит объемные графические включения. После отображения нескольких страниц файла пользователь некоторое время работает с ними локально, что вообще не требует передачи данных по сети, а затем возвращает модифицированные копии страниц на сервер — и это снова порождает интенсивную передачу данных по сети.
Коэффициент пульсации трафика отдельного пользователя сети, равный отношению средней интенсивности обмена данными к максимально возможной, может достигать 1:50 или даже 1:100. Если для описанной сессии организовать коммутацию канала между компьютером пользователя и сервером, то большую часть времени канал будет простаивать. В то же время коммутационные возможности сети будут закреплены за данной парой абонентов и будут недоступны другим пользователям сети.
При коммутации пакетов все передаваем
