Эталонная модель tcp/ip
В настоящее время основным используемым стеком протоколов является TCP/IP, он был разработан ещё до принятия модели OSI и вне связи с ней. Название TCP/IP происходит из двух наиважнейших протоколов семейства – Transmission Control Protocol (TCP) и Internet Protocol (IP), которые были разработаны и описаны первыми в данном стандарте. Также изредка упоминается как модель DOD в связи с историческим происхождением от сети ARPANET из 1970 годов (под управлением DARPA, Министерства обороны США).
ARPANET была исследовательской сетью, финансируемой Министерством обороны США. В конце концов она объединила сотни университетов и правительственных зданий при помощи выделенных телефонных линий. Когда впоследствии появились спутниковые сети и радиосети, возникли большие проблемы при объединении с ними других сетей с помощью имеющихся протоколов. Понадобилась новая эталонная архитектура. Таким образом, возможность объединять различные сети в единое целое являлась одной из главных целей с самого начала. Позднее эта архитектура получила название эталонной модели TCP/IP в соответствии со своими двумя основными протоколами.
Поскольку Министерство обороны беспокоилось, что ценные хосты, маршрутизаторы и межсетевые шлюзы могут быть мгновенно уничтожены, другая важная задача состояла в том, чтобы добиться способности сети сохранять работоспособность при возможных потерях подсетевого оборудования, так, чтобы при этом связь не прерывалась. Другими словами, Министерство обороны требовало, чтобы соединение не прерывалось, пока функционируют приемная и передающая машины, даже если некоторые промежуточные машины или линии связи внезапно вышли из строя. Кроме того, от архитектуры нужна была определенная гибкость, поскольку предполагалось использовать приложения с различными требованиями, от переноса файлов до передачи речи в реальном времени.
В стеке TCP/IP определены 4 уровня. Эти уровни выполняют те же функции, что и семь уровней модели OSI . Примерное соответствие уровней двух моделей приведено на рисунке.
Рис. 6 – Эталонная модель TCP/IP
3. Методы передачи данных по каналам связи. Коммутация каналов, сообщений, пакетов
Каналом связи называют физическую среду и аппаратурные средства, осуществляющие передачу информации от одного узда коммутации к другому либо к абоненту связи. Под физической средой понимается пространство иди материал, обеспечивающие распространение сигналов: проводная воздушная или кабельная линия, скрученная пара проводов, коаксиальный кабель, световодная (стекловолоконная) линия, эфир.
В технике связи используются телеграфные и телефонные каналы связи. По телеграфным каналам информация передается в дискретной форме, что облегчает их сопряжение с ЭВМ. Однако скорость передачи информации по телеграфным каналам невелика и составляет всего 50 – 200 бит/с. По телефонным каналам информация (речь) передается в аналоговой форме, и поэтому значительно усложняется сопряжение этих каналов с ЭВМ. Однако эти каналы позволяют при использовании соответствующей дополнительной аппаратуры производить передачу двоично-кодированной информации с большей скоростью.
В настоящее время в технике вычислительных "сетей и телеобработки для передачи данных используют главным образом аналоговые каналы связи. При этом требуется специальная аппаратура передачи данных (АПД), осуществляющая необходимые для сопряжения аналоговых каналов с ЭВМ преобразования форм представления передаваемой информации, а также некоторые другие операции.
Канал связи, оснащенный аппаратурой для передачи дискретной информации, называется каналом передачи данных.
По возможным направлениям передачи информации различают каналы:
1) симплексные, позволяющие передавать данные только в одном направлении;
2) полудуплексные, передающие данные в обоих направлениях, но не одновременно;
3) дуплексные, позволяющие передавать одновременно данные в обоих направлениях.
Каналы передачи данных в зависимости от скорости передачи делятся на низкоскоростные со скоростью передачи 50, 75, 100, 200 бит/с (по телеграфным линиям связи), среднескоростные со скоростью передачи 600, 1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с (по телефонным каналам), высокоскоростные со скоростью 24000, 48000, 96000 бит/с (по ВЧ-каналам).
Передача дискретной (двоично-кодированной) информации по аналоговым каналам связи осуществляется путем модуляции в передающем пункте колебаний несущей частоты (значение частоты зависит от скорости передачи данных; наименьшая из употребляемых частот (500 Гц) двоичными сигналами передаваемого кода с последующей демодуляцией -восстановлением первоначальной формы сообщения в приемном пункте. Операции модуляции и демодуляции выполняются в устройствах, называемы х модемами.
Применяются три основных вида модуляции: амплитудная, частотная и фазовая, которые поясняются на рис. 7.
Рис. 7. Виды модуляции: а – амплитудная; 6 – частотная; в – фазовая
Сама передача данных в канале связи может быть асинхронной и синхронной (рис. 8). При асинхронной передаче символы передаются в свободном темпе независимо друг от друга, причем каждый символ передается со своими сигналами «Старт» и «Стоп», указывающими на начало и конец передачи символа.
При синхронной передаче блок символов передается непрерывно в принудительном темпе, а синхронизация передающего и принимающего устройств достигается посылкой специальных кодовых комбинаций перед каждым блоком данных.
Асинхронная передача позволяет передавать информацию с устройств, которые выдают ее асинхронно во времени (например, ручные клавиатуры печатающих машинок, дисплеев и т. д.). Однако скорость передачи информации при асинхронном методе низка, так как велика ее избыточность из-за большого числа служебных сигналов. Поэтому асинхронная передача используется только при скорости передачи в телефонном канале до 200 бит/с. Синхронный метод обеспечивает большую скорость передачи данных из-за меньшей избыточности информации, но требует более сложной аппаратуры.
Помехи в каналах связи могут вызывать ошибки при передаче информации. Достоверность передачи данных оценивается отношением числа ошибочно принятых символов к общему числу переданных. Для телефонных коммутируемых каналов достоверность передачи составляет 10~3. Такое низкое значение достоверности передачи заставляет в ряде случаев применять специальные методы (контроль по четности, контрольные суммы, циклические коды) и средства контроля правильности передачи, автоматического повторения передачи при появлении ошибки или автоматической коррекции.
Большую часть стоимости вычислительных сетей и крупных систем телеобработки составляют каналы связи. Это делает необходимым применение уплотнения и концентрации каналов связи.
Уплотнение каналов связи представляет собой статическое разделение канала, при котором определенные полосы частот или периоды времени в уплотняемом канале выделяются в фиксированном, заранее заданном порядке для использования в качестве отдельных каналов.
Рис. 8. Асинхронная (а) и синхронная (б) передачи данных
Концентрация каналов связи в отличие от уплотнения является динамической процедурой распределения меньшего числа более скоростных выходных каналов концентратора в соответствии с имеющимися запросами между большим числом менее скоростных входных каналов.
Передача данных в вычислительных сетях производится следующими методами: коммутацией каналов, коммутацией сообщений и коммутацией пакетов (рис. 9) . Выбор метода зависит от назначения сети и характера передаваемых данных.
Рис. 9 – Фрагмент сети передачи данных (а) и процедуры передачи данных с коммутацией каналов (б), сообщений (в) и пакетов (г)
Коммутация каналов. В 60-х годах основным средством связи были телефонные линии, использующие принцип коммутации каналов. При этом методе в сети передачи данных устанавливается физическое соединение между пунктами отправления и назначения (источником и адресатом) путем образования составного' канала из последовательно соединенных отдельных канальных участков. Установление связи между источником и адресатом производится путем посылки пунктом отправления сигнализирующего сообщения, которое, перемещаясь по сети передачи данных от одного узла коммутации каналов к другому и занимая пройденные каналы, прокладывает путь от источника к пункту назначения. Этот путь (составной канал) состоит из физических каналов, имеющих одну и ту же скорость передачи данных. Об установлении физического соединения из пункта назначения в источник посылается сигнал обратной связи. Затем из источника передается сообщение по установленному пути с одновременным использованием всех образующих его каналов, которые оказываются недоступными для других передач, пока источник их не освободит.
Недостаток: нельзя освободить канал в период простоя. Под каждый сеанс разговора между двумя абонентами выделяется отдельный канал на всем протяжении линии. Он устанавливается в момент соединения и занят, пока есть соединение. Если нет свободных каналов, то линия становится перегруженной.
Основные способы организации каналов, по которым могут разговаривать много пользователей:
частотное мультиплексирование (разделение) – для каналов выделяются частотные поддиапазоны. Например, этот метод используется в технологии X-DSL. По кабелю передаются сигналы различной частоты: телефонный разговор-0,3-3,4 Кгц а для передачи данных используется полоса от 28 до 1300 Кгц.
временное мультиплексирование – используются все частоты, но в определенное время, т.е. канал используется попеременно каждым абонентом. Вся пропускная способность выходного канала предоставляется в течение фиксированных интервалов времени каждому входному каналу. Недостаток: даже если какой-то входной канал не использует для передачи выделенный ему интервал, другие каналы не могут передавать данные в это время.
При коммутации сообщений и пакетов информация передается с запоминанием в промежуточных узлах сети передачи данных без установления физического соединения между пунктами отправления и назначения. Между ними устанавливается виртуальное или логическое соединение.
Коммутация сообщений. При этом методе физическое соединение устанавливается только между соседними узлами сети (называемыми центрами или узлами коммутации сообщений) и только на время передачи сообщения. Каждое сообщение снабжается заголовком и транспортируется по сети как единое целое. Поступившее в узел сообщение запоминается в его буферном ЗУ и в подходящий момент, когда освободится соответствующий канал связи, передается в следующий соседний узел. Сообщение как бы прыгает от одного узла к другому, занимая в каждый момент передачи только канал между соседними узлами. При этом виртуальный канал между источником и адресом может состоять из физических каналов с разной скоростью передачи данных. Коммутация сообщений по сравнению с коммутацией каналов позволяет ценой усложнения аппаратуры узла коммутации уменьшить задержку при передаче данных и повысить общую пропускную способность сети передачи данных.
Рис. 10. Пакетирование сообщений
Коммутация пакетов является развитием метода коммутации сообщений. Она позволяет добиться дальнейшего увеличения пропускной способности сети, скорости и надежности передачи данных.
Поступающее от абонента сообщение подвергается в интерфейсных процессорах пакетированию – разбивается на пакеты, имеющие фиксированную длину, например 1 Кбайт (рис. 10). Пакеты метятся служебной информацией – заголовком, указывающим адрес пункта отправления, адрес пункта назначения и номер пакета в сообщении. Пакеты транспортируются в сети как независимые сообщения и поступают в узел коммутации пакетов, где накапливаются в буферах каналов связи. Затем они передаются в выходной буфер, где вперемежку накапливаются пакеты различных сообщений, которые выдаются на скоростной канал связи для передачи в соседний узел коммутации. В пункте назначения интерфейсный процессор формирует из пакетов исходное сообщение.
Важным достоинством коммутации пакетов является возможность одновременной передачи пакетов одного и того же сообщения разными маршрутами, что уменьшает время и увеличивает надежность передачи сообщения.
При передаче короткими пакетами уменьшаются вероятность появления ошибок и время занятости каналов повторными передачами. Как видно из рис. 9, при коммутации каналов имеется наибольшая задержка в передаче информации, что определяется сравнительно большим временем установления связи из-за ожидания освобождения промежуточных каналов. Монополизация источником на все время связи каналов, образующих путь от него к адресату, снижает общую пропускную способность сети передачи данных. Однако коммутация каналов обладает важной особенностью: если связь источник - адресат установлена, то при передаче сохраняются неизменными временные соотношения между элементами передаваемой информации (временная прозрачность), что имеет значение для систем, работающих в реальном масштабе времени. Если в таких системах недопустимы задержки с установлением связи, то используют сравнительно дорогие некоммутируемые (постоянно выделенные) каналы связи.
Метод коммутации пакетов по сравнению с другими методами обеспечивает наименьшую задержку при передаче данных и наибольшую пропускную способность сети передачи данных, особенно заметную при передаче коротких сообщений, характерных для диалогового режима. Использование коммутации пакетов способствует повышению надежности и живучести сети вследствие того, что облегчается адаптация управления передачей данных к отказам и перегрузкам отдельных участков. Поэтому в настоящее время коммутация пакетов является основным методом передачи данных в вычислительных сетях, но во многих случаях этот метод оказывается непригодным для систем, работающих в реальном времени.
Для выбора маршрута пакета в сети могут использоваться статические процедуры, основанные на наличии таблиц предпочтительных маршрутов в узлах коммутации, и различные варианты адаптивной процедуры. В отказоустойчивых сетях часто используется лавинный метод, согласно которому пакет посылается из каждого исходного узла во все соседние. Если пакет попадает в узел, где он уже был, то пакет уничтожается.