3. В зависимости от способа управления различают сети:

1. «клиент-сервер» — в них выделяется один или несколько уз­лов (их название — серверы), выполняющих в сети управляю­щие или специальные обслуживающие функции, а остальные узлы (клиенты) являются терминальными, в них работают пользователи. Сети «клиент-сервер» различаются по характе­ру распределения функций между серверами, т. е. по типам сер­веров (например, файл-серверы, серверы баз данных). При специализации серверов по определенным приложениям име­ем сеть распределенных вычислений. Такие сети отличают так­же от централизованных систем, построенных на мэйнфреймах;

2. одноранговые — в них все узлы равноправны. Поскольку в общем случае под клиентом понимается объект (устройство или программа), запрашивающий некоторые услуги, а под сервером — объект, предоставляющий эти услуги, то каж­дый узел в одноранговых сетях может выполнять функции и клиента, и сервера.

4. В зависимости от того, одинаковые или неодинаковые ЭВМ применяют в сети, различают сети однотипных ЭВМ, называемые однородными, и разнотипных ЭВМ — неоднородные (гетероген­ные). В крупных автоматизированных системах, как правило, сети оказываются неоднородными.

5. В зависимости от прав собственности на сети последние могут быть сетями общего пользования (public) или частными (private). Среди сетей общего пользования выделяют телефонные сети (PSTN — Public Switched Telephone Network) и сети передачи дан­ных (PSDN — Public Switched Data Network).

6. Признаком различия сетей является также тип используемых в них протоколов обмена информацией.

7. По способам коммутации данных различают вычислительные сети с коммутацией каналов, сообщений и пакетов.

Способы коммутации данных

Под коммутацией данных понимается их передача, при кото­рой канал передачи может использоваться попеременно для об­мена информацией между различными пунктами информацион­ной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обыч­но закрепленные за определенными абонентами.

Различают следующие способы коммутации данных:

1) Коммутация каналов (circuit switching);

2) Коммутация сообщений (message switching);

3)Коммутация пакетов (packet switching).

Коммутация каналов — образование непрерывного физичес­кого канала из последовательно соединенных отдельных участков сети. 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.

Отдельные участки сети (каналы) соединяются между собой специальной аппаратурой — коммутаторами.

С целью увеличения пропускной способности линий связи ком­мутаторы, а также соединяющие их каналы должны обеспечивать мультиплексирование абонентских каналов.

В настоящее время для мультиплексирования абонентских ка­налов используются следующие технологии:

1. частотное мультиплексирование (Frequency Division Multip­ lexing, FDM);

2. временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM).

Коммутация каналов на основе частотного мультиплексирова­ния (FDM) была разработана для телефонных сетей, но применя­ется в настоящее время и для других сетей (кабельное телевиде­ние и др.).

Речевые сигналы имеют спектр шириной от 300 Гц до 20 кГц, однако основные гармоники находятся в диапазоне 300...3400 Гц. Таким образом, для качественной передачи речи между двумя со­беседниками достаточно организовать канал связи с полосой про­пускания 3,1 кГц. В то же время полоса пропускания кабельных систем, соединяющих телефонные коммутаторы, составляет сот­ни килогерц, что позволяет обеспечить одновременную передачу сигналов нескольких абонентов методом переноса каждого або­нентского канала в свой собственный ВЧ диапазон частот.

Принцип частотного мультиплексирования иллюстрирует рис.16.2.

60 кГц ... 108 кГц

Рис. 16.2. Коммуникация на основе частотного уплотнения

На входы FDM коммутатора поступают исходные сигналы от абонентов телефонной сети.

Коммутатор выполняет перенос частоты каждого канала в свой диапазон ВЧ. ВЧ- диапазон делится на полосы, которые отводятся для абонентских каналов. Чтобы спектральные составляющие або­нентских сигналов не смешивались между собой, абонентские ка­налы разделяют защитным промежутком в 900 Гц.

В канале между двумя FDM коммутаторами одновременно пере­даются сигналы всех абонентских каналов, каждый из которых за­нимает свою полосу частот. Такой канал называют уплотненным.

Выходной коммутатор выделяет модулированные сигналы каж­дой несущей частоты и передает их на соответствующий выход­ной канал, к которому подсоединен абонентский телефон.

Коммутаторы FDM могут выполнять как динамическую, так и постоянную коммутацию.

При динамической коммутации один абонент инициирует со­единение с другим абонентом, посылая в сеть номер вызываемого абонента. Коммутатор выделяет данному абоненту одну из свобод­ных полос своего уплотненного канала.

При постоянной коммутации за абонентом полоса в 4 кГц зак­репляется на длительный срок путем настройки коммутатора по отдельному входу.

Коммутация каналов на основе временного мультиплексирова­ния (TDM) ориентирована на дискретный характер передаваемых данных. Рис. 15.3. поясняет принцип коммутации на основе разде­ления канала по времени.

Цикл работы оборудования TDM равен 125 мкс, что соответству­ет периоду следования временных каналов в цифровом абонентс­ком канале.

Каждому соединению выделяется часть времени цикла рабо­ты аппаратуры, называемая также тайм- слотом.

Длительность тайм- слота зависит от числа абонентских каналов, обслуживае­мых мультиплексором или коммутатором TDM. Мультиплексор принимает информацию по N входным каналам от абонентов, которые передают данные по абонентскому каналу со скоростью 64 кбит/с, т. е. 1 байт каждые 125 мкс.

В каждом цикле мульти­плексор обеспечивает:

1. прием от каждого канала очередного байта данных;

2. составление из принятых байтов плотненного кадра, называемого также обоймой;

3. передачу уплотненного кадра на канал с битовой скоростью Nx64 Кбит/с.

Порядок байт в обойме соответствует номеру входного канала, от которого этот байт получен. Количество обслуживаемых муль­типлексором абонентских каналов зависит от его быстродействия (первые мультиплексоры, работающие по технологии TDM поддер­живали 24 входных абонентских канала, создавали на выходе обой­мы, передаваемые с битовой скоростью 1,544 Мбит/с).

Демультиплексор выполняет обратную задачу — разбивает байты уплотненного кадра и распределяет их по своим выходным

ка­налам, при этом он считает, что порядковый номер байта в обойме соответствует номеру выходного канала.

Рис. 16.3. Коммутация на основе разделения канала по времени

Коммутатор принимает уплотненный кадр по скоростному каналу от мультиплексора и записывает каждый байт из него в отдельную ячейку своей буферной памяти, причем в том порядке, в котором эти байты были упакованы в уплотненный кадр.

Для вы­полнения операции коммутации байты извлекаются из буферной памяти не в порядке поступления, а в таком порядке, который со­ответствует поддерживаемым в сети соединениям абонентов.

Например, если первый абонент левой части сети на рис.16.3 должен соединиться со вторым абонентом в правой части сети, то байт, записанный в первую ячейку буферной памяти, будет извле­каться из нее вторым. «Перемешивая» нужным образом байты в обойме, коммутатор обеспечивает соединение любых абонентов в сети. Выделенный номер тайм- слота остается в распоряжении пары абонентов в течение всего времени существования этого соедине­ния, даже если передаваемый трафик является пульсирующим. Это означает, что соединение в сети TDM всегда обладает известной и фиксированной пропускной способностью, кратной 64 Кбит/с.

Адресом каждого байта данных в сети TDM является номер выделенного тайм- слота в мультиплексоре или коммутаторе, или порядковый номер временного канала в кадре.

Сети, использующие технику TDM, требуют синхронности ра­боты всего оборудования, что и определяет второе название этой технологии — синхронный режим передачи (STM). Нарушение синхронной работы всего оборудования разрушает требуемую коммутацию абонентов, так как при этом теряется адресная ин­формация.

Перераспределение тайм- слотов между разными каналами не­возможно, даже если в каком-то цикле работы мультиплексора один из временных каналов оказывается свободным (например, абонент телефонной сети молчит).

Рассмотрим обеспечение дуплексной работы на основе техно­логий FDM и TDM.

Наиболее простым вариантом организации дуплексного режи­ма является использование двух независимых физических кана­лов (две пары проводников в кабеле, каждый из которых работает в симплексном режиме, т. е. передает данные в одном направле­нии). Такая идея лежит в основе реализации дуплексного режима во многих сетевых технологиях (например, ATM — асинхронный режим передачи).

Если такое решение неэффективно (например, имеется только один физический канал связи с АТС, а прокладывать второй неце­лесообразно), то дуплексный режим работы может быть органи­зован на основе разделения каналов на два логических подканала с помощью технологии FDM или TDM.

При использовании технологии FDM модемы для организации дуплексного режима работы на одной двухпроводной линии рабо­тает на четырех частотах:

1. две частоты применяются для кодирования нолей и единиц в одном направлении;

2. две другие частоты используются для передачи данных в другом направлении.

При цифровом кодировании дуплексный режим на двухпровод­ной линии организуется на базе TDM: часть тайм - слотов применя­ется для передачи данных в одном направлении, а часть — в дру­гом. Тайм - слоты противоположных направлений чередуются, из-за чего такой способ называют «пинг-понговой» передачей.

Коммутация пакетов позволяет добиться дальнейшего увели­чения пропускной способности сети, скорости и надежности пе­редачи данных.

Суть метода заключается в следующем. Поступающее от абонен­та сообщение подвергается пакетированию, т. е. разбивается на па­кеты, имеющие фиксированную длину, например 1 Кбит (рис. 16.4.). Каждый пакет снабжается заголовком (3), в котором находится ад­ресная информация, а также номер пакета, необходимый для сбор­ки сообщения. Пакеты транспортируются сетью как независимые информационные блоки

Источник сообщения Получатель сообщения

П 1

П2

П3

Рис. 16.4. Принцип коммутации пакетов

Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в ко­нечном итоге получателю сообщения. Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выход­ной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, то он передается следующему коммутатору.

Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсации трафика на магистральных линиях между коммутаторами и тем самым использовать их более эффективно для повышения пропус­кной способности сети в целом.

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 запоми­нающем устройстве 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 адреса­том 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.

В компьютерных сетях под методом коммутации сообщений понимают передачу единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера.

Буферизация (buffering) — процесс использования буфера или бу­феров для размещения передаваемых данных, например направляе­мых в устройства ввода-вывода или из этих устройств.

Буфер — место промежуточного хранения данных: зарезервиро­ванная область памяти, в которой данные хранятся до их перемеще­ния в запоминающее устройство или из него либо в другую область памяти.

Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими ограничениями, а со­держанием информации, составляющей сообщение. Сообщением может быть текстовый документ, электронное письмо и т. п. Тран­зитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сооб­щение хранится в транзитном компьютере на диске, причем вре­мя хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами либо сеть перегружена.

По такой схе­ме передают сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем и протоколы обмена.

Задача согласованного взаимодействия различных ресурсов сети (ЭВМ и периферийных устройств, являющихся источниками и приемниками данных) решается с помощью системы специаль­ных процедур, называемых протоколами.

Протокол — совокупность соглашений относительно способа представления данных, обеспечивающего их передачу в нужных на­правлениях и правильную интерпретацию данных всеми участника­ми процесса информационного обмена.

Поскольку информационный обмен — процесс многофункци­ональный, то протоколы делятся на уровни. К каждому уровню относится группа родственных функций. Для правильного взаи­модействия узлов различных вычислительных сетей их архитек­тура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.

Наибольшее распространение получила в настоящее время эта­лонная модель обмена информацией открытой системы OSI (Open System Interchange). Под термином «открытая система» в данном случае понимается незамкнутая в себе система, имеющая возмож­ность взаимодействия с какими-то другими системами (в отличие от закрытой системы).

Модель OSI была предложена в 1984 г. Международной органи­зацией стандартов ISO (International Standards Organization). Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточ­на и не слишком гибка, поэтому реальные сетевые средства, пред­лагаемые различными фирмами, не обязательно придерживают­ся принятого разделения функций.

Все сетевые функции в модели разделены на 7 уровней (рис. 16.5.). При этом вышестоящие уровни выполняют более сложные, гло­бальные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня — пре­доставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестояще­му уровню не важны детали выполнения этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые, более конкретные функции. В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше него и ниже него).

Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в данный момент приложению, нижний — непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Абонент А Абонент В

Абонент В Пр.Пр

Линия связи Линия связи

Рис. 16.5. Эталонная модель OSI

Функции, входящие в показанные на рис. 15.5. уровни, реализу­ются каждым абонентом сети. При этом каждый уровень на од­ном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с со­ответствующим уровнем другого абонента, т. е. между одноимен­ными уровнями абонентов сети существует виртуальная связь. Реальную же связь абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне.

В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчи­вая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему.

Ниже приведены номера уровней модели OSI, названия и вы­полняемые функции.

7-й уровень — прикладной (Application): включает в себя сред­ства управления прикладными процессами; эти процессы могут объединяться для выполнения поставленных заданий, обменивать­ся между собой данными. Другими словами, на этом уровне опре­деляются и оформляются в блоки те данные, которые подлежат передаче по сети. Уровень состоит например из таких средств для взаимодействия прикладных программ, как прием и хранение па­кетов в «почтовых ящиках» (mail-box).

6-й уровень — представительный (Presentation): реализуются функции представления данных (кодирование, форматирование, структурирование). Например, на этом уровне выделенные для передачи данные преобразуются из кода EBCDIC в ASII и т. п.

5-й уровень — сеансовый (Session): предназначен для организа­ции и синхронизации диалога, ведущегося объектами (станциями) сети. На этом уровне определяются тип связи (дуплекс или полу­дуплекс), начало и окончание заданий, последовательность и режим обмена запросами и ответами взаимодействующих партнеров.

4-й уровень — транспортный (Transport): предназначен для уп­равления сквозными каналами в сети передачи данных; на этом уров­не обеспечивается связь между оконечными пунктами (в отличие от следующего сетевого уровня, на котором обеспечивается передача данных через промежуточные компоненты сети). К функциям транс­портного уровня относятся мультиплексирование и демультиплекси­рование (сборка-разборка пакетов), обнаружение и устранение оши­бок в передаче данных, реализация заказанного уровня услуг (напри­мер, заказанной скорости и надежности передачи). На транспортном уровне пакеты обычно называют сегментами.

3-й уровень — сетевой (Network): на этом уровне происходит управление передачей пакетов через промежуточные узлы и сети, контроль нагрузки на сеть с целью предотвращения перегрузок, отрицательно влияющих на работу сети, маршрутизация пакетов, т. е. определение и реализация маршрутов, по которым передают­ся пакеты. Маршрутизация сводится к определению логических каналов. Логическим каналом называется виртуальное соединение двух или более объектов сетевого уровня, при котором возможен обмен данными между этими объектами. Понятию логического канала необязательно соответствие некоего физического соеди­нения линий передачи данных между связываемыми пунктами. Это понятие введено для абстрагирования от физической реализации соединения.

2-й уровень — канальный (Link, уровень звена данных): предо­ставляет услуги по обмену данными между логическими объек­тами предыдущего сетевого уровня и выполняет функции, свя­занные с формированием и передачей кадров, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на следующем, физическом уровне. Кадром называется пакет канального уровня, поскольку пакет на предыдущих уровнях может состоять из одного или мно­гих кадров.

В ЛВС функции канального уровня подразделяют на два подуровня: управление доступом к каналу (MAC — Medium Access Control) и управление логическим каналом (LLC — Logical Link Control). К подуровню LLC относится часть функций канального уровня, не связанных с особенностями передающей среды. На по­дуровне MAC осуществляется доступ к каналу передачи данных;

1-й уровень — физический (Physical): предоставляет механичес­кие, электрические, функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разъединения логических соединений между логическими объектами канального уровня; реализует функ­ции передачи битов данных через физические среды. Именно на физическом уровне осуществляются представление информации в виде электрических или оптических сигналов, преобразования фор­мы сигналов, выбор параметров физических сред передачи данных.