Kandaurova_N_Vychislitelnye_sistemy_seti_i_telekommunikatsii

В качестве примера рассмотрим порядок кодирования и декодирования информации при использовании двоичного кода Хэмминга, обнаруживающего и исправляющего одиночные ошибки.

В этом коде контрольные символы занимают позиции, соответствующие значениям 20, 21, 22, 23 и т.д., т.е. позиции с номерами 1, 2, 4, 8 и т.д. (нумерация позиций кодовой комбинации – слева направо). Количество контрольных символов в кодовой комбинации должно быть таким, чтобы в процессе декодирования сформированное корректирующее число (в 2-ой системе счисления) могло указать позицию кодовой комбинации с максимальным номером. Например, для пяти информационных разрядов потребуется четыре контрольных. В полученной кодовой комбинации позиция с наибольшим номером будет 9-й, что записывается как 1001, т.е. требует четырех разрядов.

Значения контрольных символов при кодировании определяются путем контроля на четность количества единиц в информационных разрядах кодовой комбинации. Значение контрольного символа равно 0, если количество единиц будет четным, и равно 1 при нечетном количестве единиц.

При определении значения 1-го контрольного символа, размещаемого на 1-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т.е. проверяются позиции с нечетными номерами 3, 5, 7, 9, 11 и т.д. При определении значения 2-го контрольного символа, размещаемого на 2-й позиции кодовой комбинации, проверяются на четность те информационные позиции, двоичные изображения номеров которых содержат единицу во 2-м разряде, т.е. позиции с номерами 3, 6, 7, 10, 11 и т.д. Значение 3-го контрольного символа, размещаемого на 4-й позиции кодовой комбинации, определяется путем контроля на четность тех информационных позиций, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в 3-м разряде, т.е. позиции с номерами 5, 6, 7, 12 и т.д. Аналогично устанавливаются значения и других контрольных символов.

В процессе декодирования формируется корректирующее число (КЧ), разрядность двоичного изображения которого устанавливается по указанному выше правилу. Значения разрядов этого числа определяются по правилам, аналогичным тем, которые использовались для определения значений контрольных символов в процессе кодирования. Разница лишь в том, что при определении значений разрядов КЧ проверяются на четность не только информационные позиции, но и контрольные. Например, для определения значения младшего разряда КЧ проверяются на четность те позиции кодовой комбинации, двоичные изображения номеров которых содержат единицу в младшем разряде, т.е. позиции с нечетными номерами 1,

3, 5, 7 и т.д.

Значение корректирующего числа определяет номер позиции кодовой комбинации, в которой произошла ошибка. Для ее исправления необходимо значение кода в этой позиции изменить на противоположное (0 на 1 или 1 на

180

0). Если КЧ равно нулю, то это указывает на отсутствие ошибок в принятой кодовой комбинации. Процесс декодирования завершается выделением из кодовой комбинации информационных символов.

Заметим, что в ТКС корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляется путем повторной передачи искаженной информации. С этой целью в сетях используются системы передачи с обратной связью.

Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.

Особенностью систем с решающей обратной связью (систем с перезапросом) является то, что решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) принимает приемник. Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимаемой информации. При обнаружении ошибки на передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому информация передается повторно. Канал обратной связи используется также для посылки сигнала подтверждения правильности приема, автоматически определяющего начало следующей передачи.

В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв информацию по прямому каналу и зафиксировав ее в своей памяти, передает ее в полном объеме по каналу обратной связи передатчику, где переданная и возвращенная информация сравниваются. При совпадении передатчик посылает приемнику сигнал подтверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации. Здесь решение о необходимости повторной передачи принимает передатчик.

Литература

Список основной литературы

1.Бройдо В.Л., Ильина О.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2008.

2.Истомин Е.П., Неклюдов С.В., Чертков А.А. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник. – СПб.: Андреевский издательский дом, 2007.

3.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2005.

4.Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование IP-сетей. – СПб.: Питер, 2000.

5.Поветкин С.Н. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации (краткий курс): учеб. пособие. – СПб.: Андреевский издательский дом,

2005.

181

6.Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика; ИНФРА-М, 2008.

7.Яковлев С.В. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учеб. пособие. – Ставрополь: Сев-КавГТУ, 2010.

Список дополнительной литературы

1.Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник. – 2-е изд. – СПб.: Питер, 2005.

2.Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети: учеб. пособие для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2003.

3.Информатика: учебник / под ред. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2004.

4.Компьютерные сети. Устройство, подключение и использование / М. Левин. – М.: Оверлей, 2000.

5.Мочалов В.П. Современные и перспективные технологии передачи данных: учеб. пособие / В.П. Мочалов, В.А. Галкина, С.В. Яковлев. – Ставрополь: Сев-КавГТУ, 2009.

6.Олифер В.Г. Основы сетей передачи данных / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – М.: ИНТУИТ.РУ «Интернет-Университет информационных технологий», 2005.

7.Основы современных компьютерных технологий: учебник / под ред. проф. А.Д. Хомоненко. – СПб.: КОРОНА принт, 2005.

8.Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика,

2005.

9.Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: учебник / А.П. Пятибратов, Л.П. Гудыно, А.А. Кириченко; под ред. А.П. Пятибратова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Финансы и статистика, 2002.

10.Семѐнов Ю.А. Алгоритмы телекоммуникационных сетей. Ч. 1, 2, 3. – М.: ИНТУИТ.РУ «Интернет-Университет информационных технологий»,

2007.

11.Танненбаум Э. Компьютерные сети. – СПб.: Питер, 2003.

Лекция № 14. ЛОКАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

14.1. Виды локальных компьютерных сетей

Локальной компьютерной сетью (ЛКС) называют сеть, элементы которой (компьютеры, терминалы и связная аппаратура) располагаются на сравнительно небольшом удалении друг от друга (до 10 км).

ЛКС предназначается для сбора, обработки распределенной информации и передачи еѐ в пределах одной лаборатории, отдела, офиса или фирмы. Часто ЛКС связана с региональными или глобальными вычислительными сетями [6, 9, 13, 15, 17, 23].

Локальные компьютерные сети можно классифицировать по целому ряду признаков (рисунок 14.1).

Рисунок 14.1 – Классификация локальных компьютерных сетей

Существует параллельная классификация локальных компьютерных сетей. Локальной сетью считается компьютерная сеть, обслуживающая нужды одного предприятия, одной корпорации. Среди таких компьютерных сетей выделяют:

Локальные сети рабочих групп, обычно объединяют ряд ПК,

работающих под управлением одной ОС. Среди компьютеров часто выделяют специализированные серверы, предназначенные для выполнения функций файлового сервера, сервера печати, факс-сервера.

Локальные сети отделов используются группой сотрудников предприятия, работающих в одном отделе. В отделе может насчитываться до 100 компьютеров. Чаще всего такая сеть имеет несколько выделенных серверов, специализированных для таких ресурсов, как программыприложения, базы данных, лазерные принтеры, модемы и т.д. Такие сети

183

используют одну сетевую технологию и максимум две ОС. Территориально они чаще всего расположены и в одном здании.

Сети кампусов (campus – студенческий городок) предназначены для объединения нескольких мелких сетей в одну. Они могут занимать большие территории и объединять много разнородных сетей. Их основное назначение

– обеспечить взаимодействие между сетями отделов, рабочих групп и создать доступ к базам данных и сетевым ресурсам предприятия.

Корпоративные сети – сети масштаба крупного предприятия, корпорации. Они могут охватывать большие территории и чаще всего используют коммуникационные возможности Интернета. Поэтому территориальное размещение для таких сетей роли не играет. Корпоративные сети относят к особой разновидности локальных сетей, имеющих значительную территорию охвата.

По назначенною ЛКС их можно разделить на следующие:

вычислительные – для расчетных работ;

информационно-вычислительные – для расчетных работ и информационного обслуживания пользователей;

информационные – для информационного обслуживания пользователей (создание документов и доставка пользователю нужной ему информации);

информационно-поисковые – для поиска информации в сетевых хранилищах по нужной пользователю тематике;

информационно-советующие – для обработки текущей организационной, технической и технологической информации и выработки результирующей информации для поддержки принятия пользователем правильных решений;

информационно-управляющие – для обработки текущей технической и технологической информации и выработки результирующей информации, на базе которой автоматически вырабатываются воздействия на управляемую систему и т.д.

По количеству подключенных к сети компьютеров сети можно разделить: малые (≤ 10-15 компьютеров); средние (≤ 50 компьютеров); большие (≥ 50 компьютеров).

По территориальной расположенности ЛКС делятся на компактно размещенные (компьютеры в одном помещении) и распределенные (компьютеры в разных помещениях).

По пропускной способности ЛКС делятся на три группы:

ЛКС с малой пропускной способностью (скорости передачи данных до 10 Мбит/с), использующие в качестве каналов связи тонкий коаксиальный кабель или витую пару;

ЛКС со средней пропускной способностью (скорости передачи данных несколько 10 Мбит/с), использующие в качестве каналов связи толстый коаксиальный кабель или экранированную витую пару;

184

ЛКС с большой пропускной способностью (скорости передачи данных 100 и даже 1000 Мбит/с), использующие чаще всего в

качестве каналов связи волоконно-оптические кабели.

По топологии ЛКС делятся на шинные, петлевые, радиальные, полносвязные, иерархические и смешанные.

По типам используемых компьютеров они делятся на однородные и неоднородные. В однородных ЛКС используются одинаковые типы компьютеров, имеющие одинаковые ОС и однотипный состав абонентских средств.

По организации управления ЛКС делятся на:

ЛКС с централизованным управлением;

ЛКС с децентрализованным управлением.

В этих классах ЛКС важными являются два структурнофункциональных звена: рабочие станции и серверы. Не все ЛКС имеют в своем составе выделенные серверы, в некоторых случаях функции сервера оказываются распределенными между рабочими станциями сети. С этой точки зрения можно говорить о двух типах ЛКС: с централизованным управлением и без централизованного управления.

14.2. Одноранговые и серверные локальные компьютерные сети

Одноранговые локальные компьютерные сети (одноранговые сети) [6, 13, 15, 17, 19, 23]. В сетях без централизованного управления нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Функции управления сетью передаются от одной станции к другой. Сетевая ОС распределена по всем рабочим станциям (на каждом компьютере должны быть программные средства администрирования сетью). Каждая станция сети может выполнять функции клиента и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть. Пользователю сети доступны все периферийные устройства, подключенные к другим станциям. Но отсутствие серверов в сети не позволяет администратору централизованно управлять ресурсами. Каждый компьютер, включенный в одноранговую сеть, имеет свои собственные сетевые программные средства, а необходимость прямого взаимодействия компьютеров друг с другом по мере расширения системы приводит к слишком большому количеству связей между рабочими станциями. Эффективно управлять такой системой практически невозможно.

Достоинства одноранговых сетей:

низкая стоимость;

высокая надежность. Недостатки одноранговых сетей:

возможность подключения небольшого числа рабочих станций (≤10);

сложность управления сетью;

185

трудности обновления и изменения программного обеспечения РС;

сложность обеспечения защиты информации.

Одноранговые сети создаются на базе таких сетевых ОС, как Artisoft LANtastic, Novell NetWare Lite и др.

Серверные локальные компьютерные сети (двухранговые или серверные сети) [6, 13, 15, 17, 19, 23]. В сетях с централизованным управлением один из компьютеров (сервер) реализует процедуры, предназначенные для использования всеми рабочими станциями, управляет взаимодействием рабочих станций и выполняет целый ряд сервисных функций. В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для выполнения тех или иных процедур: чтение файла, поиск информации в базе данных, печать файла и т.п.

Сервер выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего использования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту. Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. Обработка данных может быть выполнена и на сервере.

Следует отметить, что в серверных сетях клиенту непосредственно доступны ресурсы сети, имеющиеся только на сервере. Данные и программы, хранящиеся на дисках чужих рабочих станций, могут быть доступны пользователю только через сервер или с помощью установленной в сети специальной программы доступа к ресурсам рабочих станций.

Системы, в которых сервер выполняет только процедуры организации, хранения и выдачи клиентам нужной информации, называются «файлсервер» или сетями с выделенным сервером. Системы, в которых на сервере наряду с хранением выполняется и обработка информации, принято называть «клиент-сервер».

В системе «клиент-сервер» сервер играет активную роль: он выдает на запрос весь файл и может предварительно обработать информацию и выдать клиенту результаты решения задачи или отобрать именно те записи файла, которые и интересуют клиента, в удобном для клиента представлении. Такая технология способствует и меньшей загрузке каналов сети связи.

Клиент-серверные системы иногда подразделяют также на две группы:

системы, в которых клиент, решая свои задачи на сервере, использует свое прикладное программное обеспечение (системы с толстым клиентом);

системы, в которых клиент, решая свои задачи на сервере, использует прикладное программное обеспечение сервера (системы с тонким клиентом).

Сервер, работающий по технологии «файл-сервер», сам называется файл-сервером; работающий по технологии «клиент-сервер» – сервером приложений.

Достоинства серверных локальных компьютерных сетей:

186

отсутствие ограничений на число рабочих станций;

простота управления по сравнению с одноранговыми сетями;

высокое быстродействие;

надежная система защиты информации.

Недостатки серверных локальных компьютерных сетей:

высокая стоимость из-за выделения одного или нескольких компьютеров под сервер;

зависимость быстродействия и надежности сети от сервера;

меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

Серверные сети являются весьма распространенными; примеры сетевых ОС для таких сетей: MS LAN Manager, IBM, Novell NetWare и др.

14.3. Устройства межсетевого интерфейса

Созданная ЛКС с течением времени перестает удовлетворять потребности всех пользователей и возникает необходимость расширения ее функциональных возможностей или границ охватываемой ею территории. Может возникнуть необходимость объединения внутри фирмы ЛКС различных отделов и филиалов для организации обмена данными. Наконец, стремление получить выход на новые информационные ресурсы может потребовать подключения ЛКС к сетям более высокого уровня [6, 13, 15, 17, 23].

Использование устройств межсетевого интерфейса по уровням управления показано на рисунке 14.2.

Рисунок 14.2. Использование устройств межсетевого интерфейса

В качестве межсетевого интерфейса для соединения сетей между собой используются повторители, мосты, маршрутизаторы и шлюзы.

Повторители – устройства, усиливающие электрические сигналы и обеспечивающие сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большие расстояния. Повторители описываются протоколами канального уровня модели ВОС (OSI) и могут объединять сети, отличающиеся протоколами лишь на физическом уровне OSI (с одинаковыми протоколами

187

управления выше физического). Они выполняют лишь регенерацию пакетов данных, обеспечивая тем самым электрическую независимость сопрягаемых сетей и защиту сигналов от воздействия помех. Использование усилителей позволяет расширить протяженность одной сети, объединяя несколько сегментов сети в единое целое. При установке усилителя создается физический разрыв в линии связи, при этом сигнал воспринимается с одной стороны, регенерируется и направляется в другую часть линии связи.

Мосты – описываются протоколами сетевого уровня OSI, регулируют трафик (передачу данных) между сетями, использующими одинаковые протоколы передачи данных на сетевом уровне и выше, выполняя фильтрацию информационных пакетов в соответствии с адресами получателей. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых ОС. Мосты могут быть локальными и удаленными. Локальные мосты соединяют сети, расположенные на ограниченной территории в пределах уже существующей системы. Удаленные мосты соединяют разнесенные территориально сети с использованием внешних каналов связи и модемов.

Маршрутизаторы – выполняют свои функции на транспортном уровне протоколов OSI и обеспечивают соединение логически не связанных сетей (имеющих одинаковые протоколы на сеансовом уровне и выше). Они анализируют сообщение, определяют его дальнейший наилучший путь, выполняют его некоторое протокольное преобразование для согласования и передачи в другую сеть, создают нужный логический канал и передают сообщение по назначению. Маршрутизаторы обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса: они могут соединять сети с разными методами доступа; могут перераспределять нагрузки в линиях связи, направляя сообщения в обход наиболее загруженных линий и т.д.

Шлюзы – устройства, позволяющие объединить вычислительные сети, использующие различные протоколы OSI на всех ее уровнях. Они выполняют протокольное преобразование для всех 7-ми уровней управления модели OSI. Кроме функций маршрутизаторов они выполняют еще и преобразование формата информационных пакетов и их перекодирование, что особенно важно при объединении неоднородных сетей.

Мосты, маршрутизаторы и шлюзы в локальной компьютерной сети – это, как правило, выделенные компьютеры со специальным программным обеспечением и дополнительной связной аппаратурой.

14.4.Методы доступа к каналам связи

ВЛКС, использующих для передачи информации моноканал (одновременно несколькими абонентами: шина, кольцо, звезда), актуальным

является вопрос доступа клиентов к этому каналу. Чтобы сделать доступ эффективным, необходимы специальные механизмы – методы доступа. Методы доступа обеспечиваются протоколами на нижних уровнях модели

OSI [6, 13, 15, 17, 23].

188

Для организации эффективного доступа к моноканалу используются принципы частотной или временной модуляции. Наибольшее применение в простых сетях получили принципы временной модуляции, т.е. временного разделения сообщений, передаваемых по моноканалу.

Существует несколько групп методов доступа, основанных на временном разделении:

централизованные и децентрализованные;

детерминированные и случайные.

Централизованный доступ управляется из центра управления сетью

(из сервера). Децентрализованные методы доступа функционируют на основе протоколов, принятых к исполнению всеми рабочими станциями сети, без каких-либо управляющих воздействий со стороны центра.

Детерминированный доступ обеспечивает более полное использование моноканала и описывается протоколами, дающими гарантию каждой рабочей станции на определенное время доступа к моноканалу. При случайном доступе обращения станций к моноканалу могут выполняться в любое время, но нет гарантий, что каждое такое обращение позволит реализовать эффективную передачу данных.

При централизованном доступе каждый клиент может получать доступ

кмоноканалу:

по заранее составленному расписанию – статическое разделение времени канала;

по жесткой временной коммутации через определенные промежутки времени (например, через каждые 0,5 с), задаваемые электронным коммутатором – динамическое детерминированное разделение времени канала;

по гибкой временной коммутации, реализуемой в процессе выполняемого из центра сети опроса рабочих станций на предмет выяснения необходимости доступа – динамическое псевдослучайное разделение канального времени;

при получении полномочий в виде специального пакета – маркера.

Первые два метода не обеспечивают эффективную загрузку канала, ибо при предоставлении доступа некоторые клиенты могут быть не готовы к передаче данных, и канал в течение выделенного им отрез ка времени будет простаивать.

Метод опроса используется в сетях с явно выраженным центром управления и иногда даже в сетях с раздельными абонентскими каналами связи (например, в сетях с радиальной топологией для обеспечения доступа к ресурсам центрального сервера).

Метод передачи полномочий использует пакет, называемый маркером. Маркер – служебный пакет определенного формата, в который клиенты сети могут помещать свои информационные пакеты. Последовательность передачи маркера по сети от одной рабочей станции к другой задается сервером (управляющей станцией). Рабочая станция,

189