Малышев СЕТИ Локальные вычислительные сети

11

димость чаще всего соединения заново при выключении или перезагрузке одного или обоих компьютеров.

2. Связь с помощью модемов. Модем – устройство, которое преобразует цифровой компьютерный сигнал в аналоговый частотный сигнал (модуляция), передаваемый по телефонным линиям, и, наоборот, при приеме (демодуляция) – МОДулятор-ДЕМодулятор (см. рис. 2). С его помощью стало возможным подключать по телефонному каналу удаленный ПК как к отдельному компьютеру, например, офиса, так и ко всей его локальной сети. При этом удаленный ПК становился полноправным компьютером этой сети, а модем одновременно выполнял функции сетевой карты. Термин «телефонный канал» обозначает как обычную кабельную телефонную линию, так и оптические, радиорелейные, сотовые или спутниковые системы связи, с помощью которых можно подключать домашний или портативный ПК к сети офиса из автомашины или из другого города, в том числе расположенного за океаном [1, 2].

Модемы могут быть внутренними, т. е. выполненными в виде печатной платы, устанавливаемой в системный блок компьютера, встроенными (интегрированными) в материнскую плату компьютера и внешними, т. е. выполненными в виде отдельного устройства, устанавливаемого около компьютера. Основной характеристикой модемов является скорость передачи. У современных аналоговых модемов на российских телефонных линиях она достигает максимум 56 Кбит/с (в среднем 9600, 14400, 28800, 36600 бит/с) [4].

Обеспечение подключения к удаленному (находящемуся на большом расстоянии) ПК или сети, называется удаленным доступом (Dial-Up Networking). При подключении к ПК или сети с помощью средств удаленного доступа можно редактировать файлы, отправлять и получать сообщения, распечатывать документы с удаленных компьютеров или на удаленных принтерах. Однако при этом невозможно выполнять программы, размещенные на «чужих» ПК. Подобные действия обеспечиваются средствами удаленного управления. Работа в этом режиме также называется терминальным управлением или работой в режиме удаленного терминала. Подобная терминология обусловлена тем, что в этом режиме клавиатура и монитор ПК, с которого осуществляется удаленное управление, становятся как бы клавиатурой и монитором компьютера, с которым установлено соединение.

Модем может быть использован для выхода в сеть Интернет. Примеры модемов: AcorpLite PCI 56-PML-2 V.90/V.92 – внутренний,

C-Net CN56L4 XE V.92 ext. – внешний.

12

3. Связь с помощью локальной вычислительной сети (ЛВС).

Самая простая сеть (Network) cостоит как минимум из двух компьютеров, соединенных друг с другом кабелем через сетевые адаптеры (называемые также иногда сетевыми картами или платами).

Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему.

Вопросы по разделу

1.Какие сети локальные или глобальные имеют бόльшую территорию, какие бόльшую скорость?

2.Что такое корпоративная сеть?

3.Перечислите основные способы соединения компьютеров в сеть.

4.Какие параметры задаются при настройке прямого соединения?

5.Какие порты имеет компьютер для подключения других (внешних устройств)?

6.Что такое модем? Какие сигналы он преобразует? Какие основные характеристики он имеет?

1.2.СТАНДАРТИЗАЦИЯ СЕТЕЙ

1.2.1. История стандартизации ЛВС

Возможности и преимущества ЛВС перед традиционными средствами передачи и обработки данных весьма многообразны: они позволяют объединить в единую сеть устройства самых разных типов от микро- и персональных до суперЭВМ; обеспечивают значительные скорости передачи данных. Любое из подключенных устройств может использовать сеть для отправления и получения информации.

Кнастоящему времени в различных странах мира созданы и находятся в эксплуатации многие десятки типов ЛВС с различными физическими средами, топологией, размерами, алгоритмами работы, архитектурной и структурной организацией.

КЛВС предъявляют следующие требования.

1. Высокая скорость. В идеале при посылке и получении данных через ЛВС время отклика должно быть почти таким же, как будто они получены от этой конкретной машины, а не из некоторого места вне сети. Для достижения такого небольшого времени отклика большинство ЛВС

13

работают при скорости передачи данных от 100 Мбит/с до нескольких Гбит/с.

2.ЛВС должны быть не только быстрыми, но и адаптируемыми. Они должны иметь гибкую архитектуру, которая позволяла бы пользователям иметь возможность добавлять и переставлять ПК, внешние устройства в сети или отключать их, не вызывая при этом прерывания работы сети.

3.ЛВС также должна быть надежной. Одно из главных преимуществ автономного ПК состоит в том, что влияние его поломки или сбоя ограничено. Остальные работы в организации не прерываются. При объединении ПК в ЛВС система должна сохранять такую надежность.

4.Также одной из существенных черт ЛВС является то, что она разработана для работы c интеллектуальными рабочими станциями. ПК, включенные в сеть, должны уметь использовать потенциальные возможности (и ресурсы) других интеллектуальных устройств. Однако в большинстве прикладных программ ПК используют только свои собственные вычислительные возможности.

5.Сеть должна обеспечивать высокое качество обслуживания (Quality of Service – QoS): совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость, масштабируемость, прозрачность (сеть это компьютер).

Эволюция локальных сетей в значительной степени способствовала появлению стандартов ЛВС. В начале появления сетей их пользователи и разработчики попытались подвести под стандарт сетевые аппаратные средства.

Фирма Xerox одной из первых приняла участие в стандартизации локальных сетей. Ее участие заключалось в активном протежировании изготавливаемой ею сети Еthernet. Чтобы добиться превращения сети Ethernet

впромышленный стандарт для возможно большего числа потенциальных клиентов, фирма Xerox учредила консорциум Ethernet, куда вошли фирма Intel и фирма Digital Equipment. В 1980 г. этот консорциум выпустил документацию на сеть Ethernet. С тех пор сеть Ethernet усиленно навязывается

вкачестве стандарта для локальных сетей [3].

В то время как разработчиками отыскивался стандарт для аппаратных средств, пользователи стали замечать недостатки такого стандарта. Наличие стандарта означает, что все используют одинаковый тип кабеля, одну топологию, один метод доступа к кабелю, одинаковые коммуникационные устройства для построения различных сетей (от сетей на два компьютера до крупных корпоративных сетей). Если бы такой стандарт стал реальностью, то каждый бы использовал некоторый стандартный набор

14

аппаратных средств, а все другие средства, не включенные в стандарт, исчезли бы.

Проблема заключается в том, что аппаратные средства для ЛВС не могут быть оптимизированы из-за наличия нескольких критериев (скорость, стоимость, качество и др.). Единственный набор аппаратных средств не может быть наилучшим во всех ситуациях.

В связи с этим появляются и другие стандарты на аппаратное обеспечение сетей: Token Ring, ArcNet, Local Talk (последние два сейчас не применяются).

1.2.2.Эталонная модель взаимодействия открытых систем

(ЭМ ВОС) – Open System Interconnection (OSI)

Появление стандартов на программные средства разрешило дилемму стандартизации. При помощи этих стандартов сетевая операционная система обеспечивает стандартное взаимодействие между прикладными программами и аппаратными средствами сетей. Международная Организация по Стандартам (Internation Standartization Organization – ISO) учредила Эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI), которая является основой при проектировании большинства современных сетей.

Модель OSI делит коммуникационный процесс на иерархию семи функциональных уровней, которые зависят друг от друга [1-3].

Уровень 7. Прикладной (прикладных программ). Уровень 6. Представительный (представления данных). Уровень 5. Сеансовый (уровень сессии).

Уровень 4. Транспортный. Уровень 3. Сетевой.

Уровень 2. Канальный (уровень звена передачи данных). Уровень 1. Физический.

Каждый уровень имеет встроенный интерфейс для связи с примыкающими уровнями. Уровень 2 может передавать данные на Уровень 1 или Уровень 3, но Уровень 1 не может напрямую связываться с Уровнем 3.

Модель OSI не учреждает и не поощряет какую-либо конкретную технику, методику связи (протокол). Ее определения достаточно широки, чтобы включить в себя множество протоколов.

Полное описание модели составляет более 1000 страниц текста.

Функции уровней

1. Физический уровень отвечает за передачу информации в виде электрических, световых или радиосигналов по физическим каналам связи

15

(в том числе – по кабелю). На этом уровне работают повторители, концентраторы (модемы, порты ПК).

Три подуровня:

-интерфейс с устройством доступа (с сетевым адаптером, модемом, портом);

-подключение к физической среде (кабельной или беспроводной);

-передача физических сигналов.

Физический уровень отвечает за тип используемой физической среды, тип передачи, метод кодирования и скорость передачи информации для различных типов локальных сетей.

На этом уровне определены требования к применяемым кабельным системам, разъемам, соединителям и характеристики физических сред: полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и др.; характеристики электрических сигналов: крутизна фронтов, уровни U и I, тип разъемов, назначение выводов.

Пример: спецификация 10Base-T – неэкранированная витая пара категории 3 (Rволновое = 100 Ом, RJ-45), максимальная длина физического сегмента – 100 м, манчестерский код для представления данных в кабеле, скорость передачи 10 Мбит/с.

2. Канальный уровень обеспечивает доступ к среде передачи данных – к каналу связи (МАС-подуровень (Media Access Control)), обнаружение и коррекцию ошибок в блоках (кадрах) передаваемых данных (по контрольной сумме, используется повторная передача, причем исправления может и не быть (Ethernet, Frame Relay)), определение работоспособ-

ности сети (LLC-подуровень (Logical Link Control)).

Протоколы канального уровня: Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP, LAP-B (протокол «точка-точка»).

На этом уровне определено понятие «кадр данных» – блоки (части) данных с заголовками служебной информации (контрольная сумма, начальный и конечный биты), передаваемые на канальном уровне. Обязанность канального уровня – брать пакеты, поступающие с сетевого уровня, и готовить их к передаче (отгрузке), укладывая в кадры соответствующего размера; определять, где начинается и где заканчивается передаваемый блок, а также обнаруживать ошибки передачи.

Сетевые адаптеры с драйверами и мосты/коммутаторы реализуют функции этого и нижележащего уровней.

Для выполнения контроля ошибок на канальном уровне применяется метод автоматического запроса повторной передачи (ARQ – Automatic Repeat Request). В зависимости от типа протокола, который работает на

16

канальном уровне, для контроля ошибок используется одна из трех разновидностей этого метода [4].

А. ARQ с остановкой и ожиданием – это метод, при котором компью- тер-источник передает единственный кадр информации, а затем ожидает получение кода подтверждения приема (АСК – acknowledgment), который показывает, что кадр принят правильно. Если по контрольной сумме выявлена ошибка, то принимающая станция передаст код неподтверждения приема (NAK – negative acknowledgment) и передающая станция повторяет передачу.

Б. При использовании метода непрерывного ARQ с возвратом на N станция принимает несколько кадров (в зависимости от используемого протокола, возможно в режиме «скользящего окна», т. е. количество кадров при каждой передаче может быть разным), а затем отвечает выдачей АСК или NAK с указанием кадра, который содержит ошибку. Если станция передала один за другим семь кадров и в четвертом кадре выявлена ошибка, то передающая станция ответит на NAK повторной передачей кадров с четвертого по седьмой.

В. Метод непрерывного ARQ с избирательным повторением представляет собой модификацию предыдущего варианта ARQ. Принимающая станция записывает все получаемые кадры по порядку в специальный буфер, а затем отвечает, что такой-то кадр (скажем, номер 4) содержит ошибку. Сохраняя все остальные кадры в буфере, принимающая станция передает NAK. Передающая станция повторно передает только кадр, содержавший ошибку (т. е. номер 4). Принимающая станция вновь собирает пакеты в нужном порядке (с 1-го по 7-й) и обрабатывает информацию.

3.Сетевой уровень обеспечивает связь сетей с различными топологиями, передачу между ними пакетов информации с выбором оптимального маршрута, управление потоками информации и перегрузками. На этом уровне вводится понятие номер сети, номер узла, «пакет данных» – блоки (части) данных с заголовками служебной информации, передаваемые на сетевом уровне.

Протоколы сетевого уровня: протоколы маршрутизации (т. е. обмена маршрутной информацией) – RIP, ICMP, протоколы разрешения адресов – ARP, протоколы межсетевого взаимодействия IP, IPX.

Функции этого и нижележащих уровней реализуют маршрутизаторы.

4.Транспортный уровень обеспечивает исправление ошибок передачи: искажение, потерю, дублирование блоков информации (пакетов) (используется контрольная сумма, нумерация пакетов, тайм-аут).

17

На этом уровне организуется деление передаваемой информации (сообщений) на части (блоки) – пакеты, обеспечение целостности блока данных во время передачи, предоставление приоритетов в передаче данных, подтверждение о принятии данных, ликвидация тупиковых ситуаций.

Протоколы: TCP, UDP, SPX.

Транспортный уровень дает возможность работы прикладных программ независимо от надежности передачи.

Поддерживает 5 классов сервиса (табл. 1), которые обеспечивают срочность доставки, возможность восстановления прерванной связи, наличие средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное – способность к обнаружению и исправлению ошибок. Классы сервиса реализуются с помощью средств сетевых операционных систем.

Таблица 1

Классы сервиса транспортного протокола [4]

Транспортный уровень предусматривает 3 типа сетевого сервиса:

А – сетевое соединение с приемлемым для пользователя количеством необнаруженных ошибок и приемлемой частотой сообщения об обнаруженных ошибках;

В – сетевое соединение с приемлемым количеством необнаруженных ошибок и неприемлемой частотой сообщений об обнаруженных ошибках;

18

С – сетевое соединение с количеством необнаруженных ошибок, неприемлемым для сеансового уровня. В этом случае транспортный уровень использует дополнительные протоколы для нормальной работы сети.

5.Сеансовый уровень организует сеансы связи между прикладными программами (процессами) взаимодействующих компьютеров, обеспечивает выбор активной в данный момент станции, поддерживает средства синхронизации приёмника и передатчика (для осуществления прерванной передачи с момента прерыва (т. е. восстановления соединения)

спомощью установки контрольных точек синхронизации), организует выбор способа связи (дуплексная, полудуплексная, симплексная), диалоговый режим взаимодействия ПК. Сеанс связи проходит в три этапа: создание сеанса связи (установление соединения), управление передачей и приемом пакетов информации в течение сеанса или отказ от соединения (если соединение приведет к перегрузке сети или затребованный прикладной процесс отсутствует), завершение сеанса (разрыв соединения).

6.Представительный уровень обеспечивает представление данных от различных программ или процессов (различных взаимодействующих ПК) в общем сетевом формате (т. е. в понятном для системыполучателя виде) – преобразование информации из внутреннего формата компьютера в формат сети при передаче и, наоборот, при приеме. Это необходимо для объединения в сеть разнородных компьютеров, например, IBM и Macintosh (определяет «открытость» систем, позволяя общаться независимо от внутреннего языка), шифрование/дешифрование, синтаксис, сжатие/восстановление, различные кодировки символов (ASCII, EBCDIC).

Протокол: SSL (Secure Socket Layer) – секретный обмен сообщениями для протоколов.

Заголовок служебной информации уровня 6 содержит указания адресата для протоколов этого уровня.

7.На прикладном уровне (уровне пользователя) выполняются сетевые программы, которые обеспечивают доступ к разделённым ресурсам, электронную почту; вычислительные, информационно-поисковые, справочные работы, осуществляет логическое преобразование данных. Получает конкретные данные от прикладных программ, определяет порядок обработки полученных данных, активизирует необходимые прикладные программы.

На этом уровне вводится понятие «сообщение» – данные с заголовками всех семи уровней модели OSI. Заголовок уровня 7 содержит информацию о том, что необходимо сделать и с чем (например, место нахожде-

19

ния файла и, что с ним необходимо сделать (локально или через сетевое устройство)).

Функции этого и всех нижележащих уровней реализуют шлюзы.

Протоколы: NFS, FTP, TFTP.

Приложения и протоколы могут выполнять функции нескольких уровней, например некоторые СУБД со средствами удаленного доступа к файлам.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые сетевой операционной системой, системными утилитами и коммуникационными аппаратными средствами.

На узле отправителе каждый уровень модели (вернее протокол каждого уровня) добавляет к исходным данным свои заголовки, т. е. свою служебную информацию. Таким образом, данные «обрастают» служебной информацией – заголовками, начиная от заголовков 7 уровня, кончая –1. На узле-приёмнике процесс идёт в обратном направлении – протокол более высокого уровня извлекает данные с заголовками, поступающие от протокола рядом находящегося нижестоящего уровня (т. е. информация поступает от уровня 1 к уровню 2, далее 3 и т. д. до 7) [3].

Вопросы по разделу

1.Какая существует модель организации программного обеспечения для взаимодействия компьютеров в сети? Из чего она состоит?

2.Какие функции выполняет каждый уровень модели OSI?

3.Какие существуют подуровни канального уровня модели OSI?

4.Какие функции выполняют эти подуровни?

5.Какие устройства работают на уровнях модели OSI?

6.Какие устройства реализуют метод доступа?

7.На каком уровне модели OSI реализуется маршрутизация?

8.На каком уровне модели OSI реализуется метод доступа к среде передачи данных? На каком подуровне канального уровня модели OSI реализуется метод доступа к среде передачи данных?

9.Как осуществляется контроль ошибок на канальном уровне?

10.Какие типы и классы сервиса поддерживает транспортный уро-

вень?

1.2.3.Структура стандартов IEEE 802.1 – 802.12

В1980 г. в Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) был организован «Комитет 802» по стандартизации сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802.X, которые содер-

20

жат рекомендации для проектирования нижних уровней сетей. Позже результаты его работы легли в основу комплекса международных стандартов

ISO 8802-1…12 [3].

Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI (American National Standards Institute) был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мбит/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА (European Association for Standardizing Information and Communication Systems), которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89, 90 по методу передачи маркера.

Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семи уровней модели OSI – физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику сетей. Верхние же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты, как для локальных, так и для глобальных сетей.

Специфика локальных сетей нашла также свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня:

-подуровень управления доступом к среде (Media Access Control,

MAC)

-подуровень логической передачи данных (Logical Link Control,

LLC).

МАС-уровень появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды (канала связи), предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети (метод доступа). После того, как доступ к среде получен, ею может пользоваться следующий подуровень, организующий надежную передачу логических единиц данных – кадров информации. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов МАС-уровня, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий как Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Для уровня LLC также существует несколько вариантов протоколов, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне