Аверянов Основы современной информатики 2007

шестой уровень – канальный (или уровень управления линией передачи данных – Data Link), определяет правила использования физического канала связи (обеспечивает контроль доступа к среде в соответствии с используемыми протоколами и осуществляет логический контроль связи – разбиение на кадры, контроль за ошибками, передачи по каналу и т.п.);

седьмой уровень – физический (Physical Layer), определяет фи-

зические, механические и электрические характеристики связи, отвечает за аппаратное обеспечение (предыдущий уровень носит программно-аппаратный характер).

В стандарте ISO для обозначения данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Однако размеры этих блоков могут быть различны на разных уровнях протоколов. В связи с этим для обозначения единиц данных могут применяться различные названия. Наряду с термином сообщение (message), применяемом на самом верхнем уровне, применяется термин пакет (packet), применяемый на сетевом уровне, кадр (frame) на нижнем уровне.

Типичная структура пакета сообщений, характерная для любого уровня, представлена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Структура пакета сообщений

На рис. 4.6 CRC – контрольная сумма для обнаружения ошибок при передаче. На каждом уровне передачи применяются свои протоколы, имеющие общие интерфейсы с соседними уровнями. При этом используется подход, при котором протоколы как бы наслаиваются один на другой (рис. 4.7) в виде известной матрешки. На каждом уровне выполняются только собственные функции, функции других уровней для них недоступны.

131

Особый вид сетей – так называемые корпоративные (EWN – Enterprise Wide Network). Термин «корпоративная» отражает, с одной стороны, величину сети, так как корпорация – крупное большое предприятие. С другой стороны, этот термин несет в себе смысл объединения, т.е. корпоративная сеть – сеть, получившаяся в результате объединения нескольких, как правило, разнообразных сетей. Кроме этого дух корпоративности – дух некоторого единства, общности, в этом смысле корпоративные сети – сети, в которых неоднородные компоненты живут в единстве и согласии. Эти сети могут включать в себя все перечисленные выше типы сетей, сложно связаны и могут покрывать город, регион или даже континент.

Вглобальных вычислительных сетях (ГВС) на первый план выходят администрация сети и средства связи, так как именно они составляют основную эксплуатационную стоимость сети. В сеть объединяются большие и суперкомпьютеры, а также центры с многомашинной структурой. В качестве абонентских пунктов, как правило, используются персональные компьютеры, в качестве каналов связи – традиционные средства телекоммуникаций (телеграфнотелефонные линии, оптоволоконные каналы, спутниковые каналы, радиорелейная связь и т.п.). Топология сетей имеет сложную разветвленную структуру.

Вкачестве методов доступа (протоколов нижнего уровня) обычно используют коммутацию цепей, коммутацию пакетов, селекцию пакетов. Рассмотрим кратко достоинства и недостатки этих методов.

1. Принцип коммутации цепей – традиционная коммутируемая телефонная связь. На рис. 4.8 представлена схема установления связи между двумя абонентами при таком методе доступа (эту схему следует рассматривать с учетом рис. 4.1, 4.2 и 4.3).

Как видно из рисунка, каждый разговор или передача данных резервирует на время некоторую часть сети, отводимую переключающим устройством (коммутатором). При этом два абонента соединяются напрямую одной цепью. Главное достоинство этого способа – повсеместное распространение персональных телефонных линий. Однако он имеет целый ряд недостатков:

низкая эффективность использования сети (если среднестатистический человек произносит в минуту 12 – 20 слов, что соответствует

133

Тем не менее, этот вид компьютерной связи как использовался, так и будет использоваться частными абонентами при подключении домашних ПК.

2. Принцип коммутации пакетов представлен на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Принцип коммутации пакетов

135

Коммутация пакетов была изобретена специально для компьютерных сетей. На рис. 4.9, а компьютер передает сообщение. В первом узле коммутации пакетов (или на интерфейсе между компьютером и узлом) сообщение разбивается на пакеты каждый со своим адресом (см. рис. 4.9, б). Пакеты передаются по сети независимо. Каждый узел на трассе пакета выбирает дальнейшее направление его движения, учитывая информацию о потоках, неисправностях и т.п., полученную от соседних узлов. В результате пакеты могут пойти разными путями (см. рис. 4.9, в) и прибыть в точку назначении в неправильном порядке (см. рис. 4.9, г). Узел коммутации в точке назначения восстанавливает порядок перед доставкой их принимающему компьютеру (см. рис. 4.9, д).

При коммутации пакетов информация, посылаемая одним из компьютеров другому, не передается непрерывным потоком по отведенной для нее цепи. Вместо этого компьютер каждого пользователя подключается к узлу (через коммутируемые телефонные линии) – мощному компьютеру, который разбивает поступающее сообщение на последовательность так называемых пакетов одинаковой длины, каждому из которых предшествует небольшая адресная информация (адрес назначения, адрес посылки, порядковый номер пакета и т.п.). Затем пакеты поступают в сеть, в которой все узлы скоммутированы (соединены). Сеть действует как быстродействующий вариант почты, пакеты самого разного назначения могут использовать одни и те же линии. При этом:

нет задержки при коммутации, так как таковая отсутствует; нет избыточности пропускной способности, так как нет отдель-

ных резервируемых линий; уменьшается полная задержка сообщений и объем памяти, так

как пакет может быть передан, как только он поступил, до получения всего сообщения;

упрощается управление буферной памятью, так как размеры пакета фиксированы;

при обнаружении ошибки требуется повторить передачу только одного пакета, а не всего сообщения;

короткие порции приводят к более эффективному использованию пропускной способности, временные промежутки между пакетами могут использоваться другими сообщениями;

136

отказ одной линии (обрыв) не приводит к нарушению связи, так как маршрутизаторы (в узлах) отправят сообщения по другим направлениям.

Небольшая часть пропускной способности расходуется на маршрутизацию. Кратчайший маршрут по сети определяется совместно узлами в соответствии с распределенным алгоритмом маршрутизации. В каждом узле оценивается расстояние в некоторой «метрике» до всех точек назначения с учетом повреждений линий, загруженности узлов и т.п.

Пакеты одного и того же сообщения могут попасть в точку назначения различными путями, поэтому порядок их прибытия может отличаться от порядка отправления. Узел назначения выстраивает относящиеся к нему пакеты в правильном порядке. С точки зрения пользователя все выглядит так, как будто ему выделена целая цепь. При этом способе передачи говорят о «виртуальной цепи», или «виртуальном канале». В случае, когда порядок следования не важен или сообщение размещается в одном пакете, протокол передачи значительно упрощается (повышается производительность канала) и говорят о дейтаграммном протоколе. Дейтаграмма (или датаграмма) в данном случае – синоним пакета.

3. Метод селекции пакетов представлен на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Метод селекции пакетов

137

Пакеты рассылаются всем абонентам без исключения. Адресат отбирает адресованные ему пакеты, а остальные игнорирует. Одной из первых сетей такого типа была созданная в 70-х годах профессором Гавайского университета Абрамсоном сеть Алоха.

Передающая среда, называемая моноканалом, – конус пространства с вершиной в пассивной отражающей антенне геостационарного спутника (израсходовавшего запасы питания). В зоне приема отраженных сигналов расположены университеты на Гавайских островах, в Японии, США, Австралии. Абоненты имеют радиоприемник и радиопередатчик с остронаправленной на спутник антенной.

Каждый из них может отправить на антенну-отражатель сообщение любому из четырех адресатов. Отразившись, оно придет на антенны всех абонентов, в том числе и на антенну пославшего его абонента. Так, на рисунке сообщение посылает абонент 1 для абонента 4; все, кроме 1 и 4, это проигнорируют, 4-й его примет, а первый проверит его правильность. Наложение двух сообщений будет проконтролировано отправляющим и принимающим сообщениями, и через случайный промежуток времени посылка будет повторена. Сеть оказалась очень дешевой, а ее низкая эффективность в первоначальном варианте была значительно повышена за счет наложения дополнительных условий на прием-передачу сообщений. Сети такого типа получили довольно широкое распространение, в том числе и в отечественной практике. Метод селекции пакетов интересен и в связи с тем, что его принцип используется и в самой популярной в мире локальной вычислительной сети

Ethernet.

За достаточно длительную историю своего развития (более 40 лет) ГВС претерпели значительные изменения, как в видах предлагаемых услуг, так и в их стоимости. Эти изменения стали возможны из-за быстрого роста пропускной способности каналов. Если в 60-х годах максимальная пропускная способность каналов ограничивалась 30 – 50 Кбит/с, то в 90-х годах вполне доступны каналы в 10 Мбит/с, существуют каналы со скоростями передачи в 1, 10 и более Гбит/с (на световодах).

Потребность в высокоскоростной передаче связана в значительной степени с изменением услуг, предлагаемых в сетях. Все в меньшей степени использование сетей определяется распределением ресурсов компьютеров, когда решающую роль играет вычисли-

138

тельная техника, и все большее значение приобретают информационные системы, где заглавную роль играют средства телекоммуникации. К примеру, очень высокая производительность каналов связана с мультимедийными приложениями (данные, звук, видео). Так, передача в черно-белом изображении на экран 1000х1000 пикселей (точек) с частотой 30 кадров в секунду (чтобы исключить мерцание экрана) создает поток данных в сети 30 Мбит/с. Для передачи цветного изображения (16 цветов) потребуется уже 480 Мбит/с, хотя и разработаны методы, позволяющие снизить требования к пропускной способности каналов для данных приложений. Общая потребность в повышении их производительности растет.

Среди большого количества каналов, применяемых в глобальных сетях, особо следует отметить выделенные (или арендуемые) каналы, в которых используются разнообразные методы доступа и виды передачи. Ввиду их высокой стоимости они имеют ограниченную сферу применения.

Самым дешевым и медленным вариантом связи для организации ГВС являются обычные телефонные линии (или сети с коммутацией каналов) со скоростью передачи 9600 бод.

Широко применяются сети с коммутацией пакетов. Среди такого вида сетей можно выделить следующие (речь идет об аппаратноориентированных протоколах нижнего уровня).

Стандарт Х25 является одним из наиболее старых типов сетей (применяется с 80-х годов) с коммутацией пакетов. Обеспечивает надежную передачу сообщения, используя принцип виртуальных цепей. Теоретически может поддерживать до 4096 виртуальных цепей в одном канале, практически – намного меньше. Хорошо работает и в физических каналах низкого качества, обеспечивая скорость передачи 1,2 – 64 Кбит/с.

Протокол Frame Relay (ретрансляция кадров), основанный на использовании кадров переменной длины, представляет разновидность коммутации каналов. Сетевой уровень у этого протокола отсутствует, а для повышения пропускной способности многие основные функции упрощены или устранены. Это высокоскоростной протокол для поддержки цифровой сети общего доступа с интегрированным обслуживанием (B-ISDN). Он предназначен для передачи разных видов информации, в основном для передачи данных.

139

Протокол не содержит компонентов для осуществления контроля прохождения и коррекции ошибок (которые имеются в Х25), предполагая высоконадежный физический уровень передачи. Работает при скоростях от 64 Кбит/с до 2 Мбит/с.

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode), или режим асин-

хронной передачи, – одна из самых последних разработок и в наибольшей степени отвечает современным приложениям, являясь разновидностью коммутации пакетов, при которой используются ячейки фиксированного размера (53 байта). Так же, как и в протоколе Frame Relay, сетевойуровеньотсутствует, амногиеосновныефункцииещев большей степени упрощены или устранены для повышения пропускной способности. Кроме традиционного (для Х25 и Frame Relay) понятия – виртуальные каналы, введено понятие виртуальные пути – связка виртуальных каналов с одинаковыми конечными точками, таким образом, все ячейки следующего по виртуальным каналам одного пути коммутируются одновременно. Эта технология включает в себя целый комплекс средств: физический интерфейс, технику высокоскоростной коммутации и передачи данных, унифицированную сетевую технологию и т.п. Сети такого типа способны передавать самые различные виды информации: речь, видео, текст. Скорость передачи зависит от конкретных физических каналов. Применяется с 1996 г., обеспечивает скорость передачи 1,54 – 1,55 Мбит/с. В перспективе использование этой технологии предполагает значительное увеличение скорости передачи.

4.5. Internet: краткая история, принципы построения, адресация, основные приложения

Internet с точки зрения технических средств – объединение сетей самого различного масштаба, состоящих из миллионов компьютеров, имеющих единые аппаратно-независимые протоколы среднего уровня (транспортные и сетевые адресные), использующих самые разнообразные каналы связи с различными протоколами канального и физического уровня.

С точки зрения пользователя, Internet – это глобальное информационное пространство, значительно расширяющее традиционные средства телекоммуникаций. Информация в этом пространстве может сохраняться и по мере надобности многократно воспроизводиться.

140