Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Системы и сети передачи информации. Учебное пособие.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
08.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆
оконечного оборудования, вычислительной техники и терминалов, под-
Территориальная (межрегиональная) сеть обмена данными с
Региональные сети обмена данными с
ключенных к узлам сети.
При рассмотрении крупномасштабных сетей обычно рассматривают иерархическую структуру (пример такой сети приведен на рис. 6.3), которая отображает значимость и выполняемые функции различных частей сети.
1-й уровень
сосредоточенными функциями коммутации
2-й уровень
распределенными и комбинированными
функциями коммутации
3-й уровень
Локальные сети обмена данными
(широкополосная общая шина-
моноканал)
4-й уровень
ГВМ
Т
а
)
Рис. 6.3. Общая структура крупномасштабной сети:
способы подключения через локальные (а); региональные (б) и
непосредственно к территориальной сети обмена данными (в)
Важнейшей категорией, характеризующей связь абонентов в сети, является топология. Топологией сети принято считать совокупность элементов и связей между ними, «очищенных» от всех свойств, кроме свойств существования и связности. Обычно топология задается графом G(A, N), где A − множество вершин графа, т.е. элементов сети (пользова- тели, узлы коммутации и т.п.), а N − множество его ребер, соответст­вующих линиям связи. Каждое ребро имеет длину, которая эквивалент­на «стоимости» его использования, например, ее геометрической длине, пропускной способности, общей загрузке и т.п. В тех случаях, когда учитываются направления ребер, задается ориентированный граф (орг-
ГВМ
в)
Т
Т
б
)
ГВМ
101
раф). Для задания графа используют аналитический, геометрический и матричный способы [37].
Широкое применение получили следующие виды сетевых тополо­гий: иерархическая топология, шина, звезда, кольцевая и ячеистая тополо­гии [36, 40].
Иерархическая топология. Сетевая иерархическая топология (дре­вовидная) в настоящее время является одной из самых распространенных. Программное обеспечение для управления сетью является относительно простым, а сама топология обеспечивает своего рода точку концентрации для управления и диагностирования ошибок (рис. 6.4, а). В большинстве случаев сетью управляет узел на самом высоком уровне иерархии. Однако практический интерес представляет распределенный подход к иерархиче­ской сети, при котором в системе подчиненных узлов определяются та­кие, которые обеспечивают непосредственное управление устройствами, находящимися ниже в иерархии. Это уменьшает нагрузку на центральный узел. Иерархическая топология обладает трудноразрешимыми проблема­ми. В некоторых случаях самое верхнее устройство, обычно универсаль­ная ЭВМ, управляет всем сетевым трафиком. Это может создать не только «узкие места» (с точки зрения пропускной способности), но и проблемы надежности, так как отказ такого узла полностью нарушает функциониро­вание всей сети, если только в качестве резерва не предусмотрена другая ЭВМ.
Шинная топология. Шинная, или горизонтальная топология пока­зана на рис. 6.4, б. Она нашла широкое распространение в локальных се­тях. Это обусловлено относительно простым для управления трафиком между ЭВМ, поскольку шина допускает, чтобы каждое сообщение при­нималось всеми станциями (одна единственная станция работает в широ­ковещательном режиме на несколько станций). Главный недостаток такой архитектуры связан с тем фактом, что для обслуживания всех устройств сети обычно имеется один канал передачи данных. Следовательно, в слу­чае отказа канала погибает вся сеть. В некоторых системах предусматри­вается полное резервирование на случай потери основного канала. В дру­гих используются переключатели для обхода отказавших узлов. Дополни­тельным недостатком сети с данной топологией является существование трудностей локализации отказов с точностью до отдельного компонента (узла, терминала), подключенного к шине. Отсутствие точек концентра­ции делает проблему различения неисправностей трудноразрешимой.
Звездообразная топология. Это одна из наиболее распространенных архитектур. В сетях с такой топологией вся информационная нагрузка исходит из центрального узла звезды (рис. 6.4, в). Центральный узел, как правило, представляющий собой ЭВМ, полностью управляет устройства­ми, подсоединенными к нему. Следовательно, звездная топология вполне аналогична иерархической топологии, за исключением того, что она име-
102
ет ограниченные возможности распределенной обработки. Центральный
C
E
B
G
F
A
D
A
B C D
F E
G
узел отвечает за маршрутизацию трафика через себя в другие компонен­ты. Он также отвечает за локализацию неисправности, которая является относительно простой в звездообразной сети, поскольку решение пробле­мы обусловлено возможностью локализации линии. Подобно иерархиче­ской структуре, звездообразная сеть также подвержена проблемам, свя­занным с центральным узлом.
Кольцевая топология. Кольцевая топология названа вследствие кругового характера распространения данных (рис. 6.4, г). В большинстве случаев данные распространяются только в одном направлении, причем только одна станция принимает сигнал и передает ее следующей станции в кольце. Достоинством кольцевой топологии является то, что перегрузки, характерные для иерархической и звездообразной конфигураций, здесь достаточно редки. Логическая организация кольцевой сети является отно­сительно простой. Каждый компонент способен выполнять простую зада­чу приема данных, посылки их в устройство, подсоединен к нему или в кольцо к следующей промежуточной станции.
а)
A
б)
B
G
A
F
в) г)
C
B
C
D
E
E
D
H
G
д)
F
A
F
B
C
D
E
Рис. 6.4. Виды сетевых топологий
103
Однако, как и все сети, кольцевая сеть имеет свои недостатки. Ос­новная проблема – наличие только одного канала, соединяющего все ком­поненты в кольцо. Если отказывает канал между двумя узлами, наступает отказ всей сети. Поэтому при разработке систем с такой архитектурой на случай отказа канала предусматриваются резервные каналы. В некоторых случаях встраиваются переключатели, которые автоматически изменяют маршрут прохождения данных в обход отказавшего узла, что исключает отказ всей сети.
Ячеистая топология. Ячеистая топология нашла применение в по- следние несколько лет. Ее привлекательность заключается в относитель­ной устойчивости к перегрузкам и отказам. Благодаря множественности путей трафик может быть направлен в обход отказавших или занятых уз­лов (рис. 6.4, д). Несмотря на то, что данный подход отмечается сложно­стью и дороговизной (протоколы ячеистых сетей могут быть достаточно сложными с точки зрения логики, чтобы обеспечить эти характеристики), некоторые пользователи предпочитают ячеистые сети сетям других типов вследствие их высокой надежности.
6.1.2. Методы коммутации в сетях связи
Коммутируемые сети связи получили широкое распространение, так как по сравнению с некоммутируемыми сетями они являются более эко­номичными. В них для передачи информации в любом направлении тре­буется меньшее количество каналов. Некоммутируемая сеть для передачи информации в любом направлении должна быть полносвязной. Различают три основных метода коммутации в сетях связи: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов [36, 38].
Коммутация каналов. Процесс обслуживания в узлах коммутации каналов включает следующие стадии:
а) сигнализация для установления соединения между источником и адресатом;
б) обмен информацией по установленному соединению;
в) сигнализация для разрыва установленного соединения.
Таким образом, канал выделяется для обеспечения связи в одном на­правлении на длительный период. Основным недостатком метода является его низкая эффективность использования, если сообщение короткое, так как в основном время затрачивается на организацию необходимого соеди­нения. В периоды организации физического соединения и в периоды есте­ственных пауз между сообщениями канал простаивает.
Коммутация сообщений. В системе с коммутацией сообщений або­нент передает информацию на ближайший узел коммутации сообщений, к которому он подключен. Затем эта информация передается поэтапно от узла к узлу до тех пор, пока не поступит на узел коммутации, к которому
104
подключен абонент – получатель сообщения. На каждом транзитном уча­стке выполняются следующие основные операции:
а) прием сообщения с проверкой на наличие ошибок и при положи­тельном результате отправка сообщения в накопительное устройство при­нимающего узла;
б) хранение в накопительном устройстве сообщений до момента вы­дачи на передачу;
в) передача сообщений в соответствии с протоколом обслуживания (например: в порядке поступления, в обратном порядке, с учетом приори­тетов и т.п.) следующему узлу в направлении адресата.
Сообщения могут быть произвольной длины и кроме информацион­ной части снабжаются заголовком, содержащим информацию, обеспечи­вающую его передачу по сети (например, адрес получателя).
Достоинством данного метода является более эффективное использо­вание каналов благодаря исключению простоя каналов в периоды пауз между сообщениями и пауз при организации физического соединения.
Коммутация пакетов. В основу метода коммутации пакетов заложен такой же принцип, как при коммутации сообщений, т.е. передача с проме­жуточным накоплением (хранением). Разница лишь в том, что сообщения, превышающие определенную длину, передаются не целиком, а делятся на несколько равных частей строго определенного размера, которые называ­ются пакетами. В сетях с коммутацией пакетов возможно обслуживание либо ориентированное на соединение (виртуальные каналы), либо без соединений (дейтаграммы). Передача по виртуальным каналам является передачей с промежуточным хранением, при которой во время иницииро­вания сеанса выбирается некоторый конкретный путь, который сохраня­ется в течение сеанса. Это аналогично коммутации каналов в том смысле, что используется фиксированный путь, но он является виртуальным в том смысле, что его пропускная способность используется только тогда, когда это необходимо. При дейтаграммной передаче для каждого пакета выби­рается определенный путь по сети на основе текущей информации, по­ступающей из посещаемых ими узлов. В оконечном пункте из пакетов собирается сообщение и после этого передается адресату.
Пакеты, оформленные в кадровую структуру для передачи по каналу связи, состоят из заголовка (имеющего всю необходимую служебную ин­формацию для продвижения к адресату: адрес, номер, приоритет и т. д.), основной части и проверочных символов. Такой метод коммутации позво­ляет снизить задержки при передаче сообщений, уменьшить объем памяти на центрах коммутации.
Следует отметить, что наиболее критичными ко времени задержки являются пакеты речевых сообщений. Эти пакеты при превышении до­пустимого времени задержки вообще удаляются и не учитываются при
105
приеме. Вот почему, например, в пакетной радиосети DARPA (США) дан­ные передаются со скоростью 100, а речевые сообщения – 400 Кбит/с.
При гибридной коммутации используются режимы коммутации ка­налов и коммутации пакетов. При этом каналы трактов передачи могут жестко закрепляться за информационными потоками, использоваться раз­личными потоками в случае их незанятости или же использоваться раз­личными потоками с заполнением пауз. Возможны варианты адаптивной коммутации, которая использует ранее рассмотренные методы в зависи­мости от свойств трафика (информационной нагрузки).

6.2. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

6.2.1. Общая характеристика, назначение и область применения эталонной модели взаимодействия открытых систем
Начиная с первых попыток создания сетей, стала очевидной необхо­димость стандартизации на международном уровне функциональной сре­ды. Для этого Международной организацией стандартов была разработана базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС) или OSI (Open Systems Interconnection) [36, 39, 40]. В этой модели опреде­лена общая структура сети в виде совокупности систем, связанных между собой физическими средствами соединения. В ней описывается функцио­нальная среда, расположенная между процессами и физическими средст­вами соединения. В ЭМВОС такая функциональная среда именуется об­ластью взаимодействия открытых систем.
Под открытыми системами понимаются ЭВМ или их совокупность, программное обеспечение, внешние устройства, терминалы, средства пе­редачи данных и персонал операторов. Понятие «открытая» предполага­ет взаимодействие всех входящих в сеть систем.
ЭМВОС предполагает три уровня абстрагирования сети: архитекту­ра, спецификация услуг и спецификация протоколов (рис. 6.5).
Архитектура – это общее описание рассматриваемой сети. Основ­ным элементом архитектуры является система, представляющая собой автономную совокупность средств, образующих семь подсистем, распо­ложенных в иерархическом порядке друг над другом и предоставляющих определенные услуги.
Другим важным элементом архитектуры является уровень, который образуется подсистемами всех систем, имеющими одинаковые номера. При передаче информации в сети каждый уровень одной системы взаимо­действует только с одноименным уровнем другой. Взаимодействие одно­именных уровней обеспечивается нижестоящими уровнями [36]. Напри­мер, подсистемы 7-го уровня взаимодействуют между собой через подсис­темы 6-го уровня, а 6-го уровня – через подсистемы 5-го и т.д.
106
Открытая система Открытая система
А В
7 Прикладной 7 Прикладной 6 Представительный Функции 6 Представительный 5 Сеансовый пользователей 5 Сеансовый
4 Транспортный 4 Транспортный 3 Сетевой 3 Сетевой 2 Канальный Функции сети 2 Канальный 1 Физический 1 Физический
7 Прикладной 7 Прикладной 6 Представительный 6 Представительный 5 Сеансовый 5 Сеансовый
Физическая среда
а)
С Е Т Ь
б)
Рис. 6.5. Эталонная модель взаимодействия открытых систем
Спецификация услуг содержит детализированное описание услуг
каждого уровня, которые он предоставляет для вышестоящего уровня.
Прикладной уровень (7-й) предоставляет пользователю услуги, не­посредственно связанные с выполнением информационно-вычисли­тельных процессов: управление терминалами; файлами; заданиями; се­тью; идентификация пользователей; электронная почта; телетекст; факс; передача речи; прикладные задачи, например, редактирование текста, изображения, обработка сообщений и т.д.
Представительный уровень (6-й) обеспечивает представление и преобразование данных, подлежащих передаче между прикладными про­цессами, т.е. язык и формат представления. Его основными услугами яв­ляются: согласование между взаимодействующими процессами вида представления данных; засекречивание данных, их сжатие и кодовое пре­образование. Функцию сжатия можно выполнять и на других уровнях, однако сжатие данных каждого сеанса имеет преимущество, так как раз­личные сеансы обладают различной избыточностью своих сообщений
107
(примером является архивация файлов с целью уменьшения объема дан­ных). Кодовое преобразование необходимо при несовместимости терми­налов.
Сеансовый уровень (5-й) предназначен для организации и проведе­ния диалога между прикладными процессами. Основные услуги: согласо­вание параметров сеанса (скорость передачи); согласование режима рабо­ты (дуплекс, симплекс); обеспечение синхронизации, идентификация се­ансов, завершение сеансов. Для многих сетей его функции связаны с пра­вами доступа при инициировании сеансов в целях исключения несанк­ционированных пользователей.
Транспортный уровень (4-й) обеспечивает следующие услуги: на передающей стороне сообщения разбиваются на пакеты, а на приемной последние собираются в сообщения; если на сетевом уровне возникают ошибки, то транспортный уровень обеспечивает надежную сквозную пе­редачу для тех сеансов, для которых это необходимо; если маршрут пере­дачи проходит по нескольким подсетям с несовместимыми сетевыми уровнями, то транспортный уровень обеспечивает в так называемых «шлюзах» изменение формы представления пакетов с тем, чтобы они мог­ли быть приняты сетевым уровнем подсети, следующей на пути к адреса­ту; регулирует пропускную способность сети; контролирует задержку пе­редачи, обеспечивая требуемые приоритеты.
Сетевой уровень (3-й) в концептуальном плане является наиболее сложным в уровневой иерархии, поскольку все процессы одного уровня здесь должны действовать совместно. Он предназначен для выполнения ретрансляции блоков данных через промежуточные системы, когда между системами корреспондирующих процессов отсутствует прямое физиче­ское соединение. Основными услугами сетевого уровня являются: мар­шрутизация, прокладка сетевых соединений, объединение канальных со­единений в одно сетевое, упорядочивание блоков информации независимо от пути их следования, управление трафиком. Под маршрутизацией по­нимают выбор маршрута, а именно последовательности линий передач, соединяющих источник с адресатом. Управление трафиком (сетевой на- грузкой) предполагает, прежде всего, ограничение входного потока дан­ных с целью исключения перегрузки сети.
Канальный уровень (2-й) обеспечивает непосредственную передачу данных по физическим соединениям с требуемой достоверностью. Ос­новные его услуги: установление и ликвидация канальных соединений; обнаружение и исправление ошибок; обеспечение прозрачности соедине­ний; формирование порций данных определенного объема; кодирование порций данных в составе кадра, с использованием помехоустойчивого кода; управление потоком данных на уровне канала, с целью регулирова­ния скорости передачи данных.
108
Физический уровень (1-й) обеспечивает сопряжение систем со сре­дой распространения сигналов передачи данных. Основными задачами являются: установление и разрыв физического соединения (связи); преоб­разование дискретных сигналов в аналоговые и наоборот; диагностика неисправностей канала (например, прекращение связи, отключение пита­ния, потеря механического контакта и т.д.). Перечень услуг, предоставляе­мых на физическом уровне, определяется особенностями среды распро­странения сигналов.
Непосредственно физическая доставка информации от одного пункта к другому реализуется протоколами 1…3-го уровней.
В соответствии с семиуровневой архитектурой и спецификацией ус­луг введена семиуровневая иерархия протоколов – спецификация прото-
колов.
Протокол – это совокупность правил и форматов, определяющих ме-
ханизм взаимодействия объектов одноименных уровней системы.
Интерфейс – это совокупность правил и форматов, определяющих механизм взаимодействия объектов двух соседних (смежных) уровней системы.
Спецификация протоколов состоит из двух групп: к первой относятся протоколы прикладного, представительного и сеансового уровней (уров­ни, на которых обеспечивается подготовка информации к транспортиров­ке), ко второй – протоколы транспортного, сетевого, канального и физи­ческого уровней (уровни, обеспечивающие транспортировку информа­ции). На границе этих двух групп определен единый транспортный ин-
терфейс.
Главная задача транспортного протокола – полностью скрыть от вы­шестоящих протоколов характеристики используемых средств передачи данных. Стандартизацией протоколов занимаются различные авторитет­ные международные организации.
6.2.2. Уровни моделей OSI и TCP/IP
Разработчики модели ЭМВОС предполагали, что сама модель и про­токолы, разработанные в ее рамках, будут доминировать в среде передачи данных, вытеснив со временем частные реализации протоколов и конку­рирующие обобщенные модели, такие, как набор протоколов TCP/IP (TransmissionControlProtocol/InternetProtocol) [39]. Однако этого не про­изошло. Хотя в рамках модели OSI и были разработаны многие полезные протоколы, в целом, семиуровневая модель не нашла широкого примене­ния. Вместо нее стала доминировать как раз архитектура TCP/IP. Это обу­словлено несколькими причинами. Важнейшей из них является та, что ключевые протоколы TCP/IP совершенствовались и тестировались в то время, когда сходные протоколы OSI находились лишь на этапе разработ-
109
ки. Когда встал вопрос о необходимости взаимодействия сетей, готовым к
Уровень
Физический
Физический
использованию был только набор TCP/IP. Другая причина успеха TCP/IP заключается в том, что модель OSI является излишне сложной, все задачи ее семи уровней реализуются при меньшем числе уровней TCP/IP. TCP/IP – это концепция Internet, представляющая основу для разработки широкого диапазона стандартов связи компьютеров.
На рисунке 6.6 показаны уровни архитектур TCP/IP и OSI с приблизи-
тельным соотношением функций, выполняемых в рамках обеих моделей.
OSI TCP/IP
приложений
Уровень
представления
Сеансовый
уровень
Транспортный
уровень
Сетевой
уровень
Канальный
уровень
уровень
Уровень
приложений
Транспортный
(межузловой)
уровень
Межсетевой
уровень
Уровень доступа
к сети
уровень
Рис. 6.6. Сравнение архитектур протоколов TCP/IP и OSI
Тем не менее, на основе архитектуры OSI получили применение ин­формационные сети в соответствии со стандартом Х.25 МККТТ [39, 40]. Эти сети являются сетями передачи данных общего пользования, предос­тавляющими услуги трех нижних уровней OSI. Рекомендация МККТТ Х.25 охватывает соединение терминалов передачи данных (компьютеров и других систем и приборов пользователей) с сетью передачи данных. Модель TCP/IP нашла применение прежде всего при построении компью­терных сетей связи.
В целом, для OSI характерна стандартизация на каждом уровне. Для каждого уровня характерно наличие прежде всего трех элементов:
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]