Внешние интерфейсы компьютера
Com - последовательный порт LPT - параллельный порт USB порт SCSI PS/2 Bluetooth IEEE Интерфейс PC Card (РСMСIA)
Внутренние интерфейсы компьютера
Peripheral Component Interconnect (PCI) Accelerated Graphics Port (AGP) Integrated Drive Electronics (IDE)/ATA Hyper Transport (HT)
Одноранговые и серверные ЛВС. Компьютерные сети.
Одноранговая сеть
– это сеть равноправных компьютеров, каждый из которых имеет уникальное имя (имя компьютера) и обычно пароль для входа в него во время загрузки ОС. Имя и пароль входа назначаются владельцем компьютера средствами ОС. Каждый компьютер такой сети может одновременно являться и сервером и клиентом сети, хотя вполне допустимо назначение одного компьютера только сервером, а другого только клиентом.
Достоинством одноранговых сетей является их высокая гибкость: в зависимости от конкретной задачи сеть может использоваться очень активно, либо совсем не использоваться. Из-за большой самостоятельности компьютеров в таких сетях редко бывает ситуация перегрузки (к тому же количество компьютеров обычно невелико). Установка одноранговых сетей довольно проста, к тому же не требуются дополнительные дорогостоящие серверы. Кроме того, нет необходимости в системном администрировании, пользователи могут сами управлять своими ресурсами.
В одноранговых сетях допускается определение различных прав пользователей по доступу к сетевым ресурсам, но система разграничения прав не слишком развита. Если каждый ресурс защищен своим паролем, то пользователю приходится запоминать большое число паролей.
К недостаткам одноранговых сетей относятся также слабая система контроля и протоколирования работы сети, трудности с резервным копированием распределенной информации. К тому же выход из строя любого компьютера-сервера приводит к потере части общей информации, то есть все такие компьютеры должны быть по возможности высоконадежными. Эффективная скорость передачи информации по одноранговой сети часто оказывается недостаточной, поскольку трудно обеспечить быстродействие процессоров, большой объем оперативной памяти и высокие скорости обмена с жестким диском для всех компьютеров сети. К тому же компьютеры сети работают не только на сеть, но и решают другие задачи.
Сейчас считается, что одноранговая сеть наиболее эффективна в небольших сетях (около 10 компьютеров). При значительном количестве компьютеров сетевые операции сильно замедлят работу компьютеров и создадут множество других проблем. Тем не менее, для небольшого офиса одноранговая сеть – оптимальное решение.
Клиент-серверные локальные сети применяются в тех случаях, когда в сеть должно быть объединено много пользователей и возможностей одноранговой сети может не хватить. Тогда в сеть включается специализированный компьютер – сервер.
Сервером называется абонент сети, который предоставляет свои ресурсы другим абонентам, но сам не использует ресурсы других абонентов, то есть служит только сети. Выделенный сервер - это сервер, занимающийся только сетевыми задачами. Невыделенный сервер может заниматься помимо обслуживания сети и другими задачами. Специфический тип сервера - это сетевой принтер.
Серверы специально оптимизированы для быстрой обработки сетевых запросов на разделяемые ресурсы и для управления защитой файлов и каталогов. При больших размерах сети мощности одного сервера может оказаться недостаточно, и тогда в сеть включают несколько серверов. Серверы могут выполнять и некоторые другие задачи: сетевая печать, выход в глобальную сеть, связь с другой локальной сетью, обслуживание электронной почты и т.д.
Количество пользователей сети на основе сервера может достигать нескольких тысяч. Одноранговой сетью такого размера просто невозможно было бы управлять. Кроме того, в сети на основе серверов можно легко менять количество подключаемых компьютеров, такие сети называются масштабируемыми.
На сервере устанавливается специальная сетевая операционная система, рассчитанная на работу сервера. Эта сетевая ОС оптимизирована для эффективного выполнения специфических операций по организации сетевого обмена. На рабочих станциях (клиентах) может устанавливаться любая совместимая операционная система, поддерживающая сеть.
Клиентом называется абонент сети, который только использует сетевые ресурсы, но сам свои ресурсы в сеть не отдает, то есть сеть его обслуживает. Компьютер-клиент также часто называют рабочей станцией. В принципе каждый компьютер может быть одновременно как клиентом, так и сервером. Под сервером и клиентом часто понимают также не сами компьютеры, а работающие на них программные приложения. В этом случае то приложение, которое только отдает ресурс в сеть, является сервером, а то приложение, которое только пользуется сетевыми ресурсами, является клиентом.
Достоинством сети на основе сервера часто называют надежность. Это верно, но только с одной оговоркой: если сервер действительно очень надежен. В противном случае любой отказ сервера приводит к полному параличу сети в отличие от ситуации с одноранговой сетью, где отказ одного из компьютеров не приводит к отказу всей сети.
Бесспорное достоинство сети на основе сервера – высокая скорость обмена, так как сервер всегда оснащается быстрым процессором (или даже несколькими процессорами), оперативной памятью большого объема и быстрыми жесткими дисками. Так как все ресурсы сети собраны в одном месте, возможно применение гораздо более мощных средств управления доступом, защиты данных, протоколирования обмена, чем в одноранговых сетях.
Для обеспечения надежной работы сети при авариях электропитания применяется бесперебойное электропитание сервера. В данном случае это гораздо проще, чем при одноранговой сети, где желательно оснащать источниками бесперебойного питания все компьютеры сети.
К недостаткам сети на основе сервера относятся ее громоздкость в случае небольшого количества компьютеров, зависимость всех компьютеров-клиентов от сервера, более высокая стоимость сети вследствие использования дорогого сервера.
Стек протоколов КС.
Стек протоколов — иерархически организованный набор сетевых протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети.
Стек протоколов TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol — протокол управления передачей) — набор сетевых протоколов разных уровней модели сетевого взаимодействия DOD, используемых в сетях. Протоколы работают друг с другом в стеке ( stack, стопка) — это означает, что протокол, располагающийся на уровне выше, работает «поверх» нижнего, используя механизмы инкапсуляции. Например, протокол TCP работает поверх протокола IP.
Стек протоколов TCP/IP основан на модели сетевого взаимодействия DOD и включает в себя протоколы четырёх уровней:
прикладного (application),
транспортного (transport),
сетевого (network),
канального (data link).
Протоколы этих уровней полностью реализуют функциональные возможности модели OSI. На стеке протоколов TCP/IP построено всё взаимодействие пользователей в IP-сетях. Стек является независимым от физической среды передачи данных.
Существуют разногласия в том, как вписать модель TCP/IP в модель OSI, поскольку уровни в этих моделях не совпадают.
К тому же, модель OSI не использует дополнительный уровень — «Internetworking» — между транспортным и сетевым уровнями. Примером спорного протокола может быть ARP или STP.
Вот как традиционно протоколы TCP/IP вписываются в модель OSI:
Распределение протоколов по уровням модели OSI |
||
7 |
Прикладной |
напр., HTTP, SMTP, SNMP, FTP, Telnet, SSH, SCP, SMB, NFS, RTSP, BGP |
6 |
Представления |
напр., XDR, AFP, TLS, SSL |
5 |
Сеансовый |
напр., ISO 8327 / CCITT X.225, RPC, NetBIOS, PPTP, L2TP, ASP |
4 |
Транспортный |
напр., TCP, UDP, SCTP, SPX, RTP, ATP, DCCP, GRE |
3 |
Сетевой |
напр., IP, ICMP, IGMP, CLNP, OSPF, RIP, IPX, DDP, ARP, RARP |
2 |
Канальный |
напр., Ethernet, Token ring, HDLC, PPP, X.25, Frame relay, ISDN, ATM, MPLS |
1 |
Физический |
напр., электрические провода, радиосвязь, волоконно-оптические провода, Wi-Fi |
Обычно в стеке TCP/IP верхние 3 уровня (прикладной, представительский и сеансовый) модели OSI объединяют в один — прикладной. Поскольку в таком стеке не предусматривается унифицированный протокол передачи данных, функции по определению типа данных передаются приложению. Упрощенно интерпретацию стека TCP/IP можно представить так:
Распределение протоколов по уровням модели TCP/IP |
||
5 |
Прикладной «7 уровень» |
напр., HTTP, RTP, FTP, DNS (RIP, работающий поверх UDP, и BGP, работающий поверх TCP, являются частью сетевого уровня) |
4 |
Транспортный |
напр., TCP, UDP, SCTP, DCCP (протоколы маршрутизации, подобные OSPF, что работают поверх IP, являются частью сетевого уровня) |
3 |
Сетевой |
Для TCP/IP это IP (IP) (вспомогательные протоколы, вроде ICMP и IGMP, работают поверх IP, но тоже относятся к сетевому уровню; протокол ARP является самостоятельным вспомогательным протоколом, работающим поверх физического уровня) |
2 |
Канальный |
Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS |
1 |
Физический |
напр., физическая среда и принципы кодирования информации, T1, E1 |
Физический уровень
Физический уровень описывает среду передачи данных (будь то коаксиальный кабель, витая пара, оптическое волокно или радиоканал), физические характеристики такой среды и принцип передачи данных (разделение каналов, модуляцию, амплитуду сигналов, частоту сигналов, способ синхронизации передачи, время ожидания ответа и максимальное расстояние).
Канальный уровень
Канальный уровень описывает, каким образом передаются пакеты данных через физический уровень, включая кодирование (то есть специальные последовательности бит, определяющих начало и конец пакета данных). Ethernet, например, в полях заголовка пакета содержит указание того, какой машине или машинам в сети предназначен этот пакет.
Примеры протоколов канального уровня — Ethernet, IEEE 802.11 Wireless Ethernet, SLIP, Token Ring, ATM и MPLS.
PPP не совсем вписывается в такое определение, поэтому обычно описывается в виде пары протоколов HDLC/SDLC.
MPLS занимает промежуточное положение между канальным и сетевым уровнем и, строго говоря, его нельзя отнести ни к одному из них.
Канальный уровень иногда разделяют на 2 подуровня — LLC и MAC.
Сетевой уровень
Сетевой уровень изначально разработан для передачи данных из одной (под)сети в другую. Примерами такого протокола является X.25 и IPC в сети ARPANET.
С развитием концепции глобальной сети в уровень были внесены дополнительные возможности по передаче из любой сети в любую сеть, независимо от протоколов нижнего уровня, а также возможность запрашивать данные от удалённой стороны, например в протоколе ICMP (используется для передачи диагностической информации IP-соединения) и IGMP (используется для управления multicast-потоками).
ICMP и IGMP расположены над IP и должны попасть на следующий — транспортный — уровень, но функционально являются протоколами сетевого уровня, и поэтому их невозможно вписать в модель OSI.
Пакеты сетевого протокола IP могут содержать код, указывающий, какой именно протокол следующего уровня нужно использовать, чтобы извлечь данные из пакета. Это число — уникальный IP-номер протокола. ICMP и IGMP имеют номера, соответственно, 1 и 2.
К этому уровню относятся: DHCP[1], DVMRP, ICMP, IGMP, MARS, PIM, RIP, RIP2, RSVP
Транспортный уровень
Протоколы транспортного уровня могут решать проблему негарантированной доставки сообщений («дошло ли сообщение до адресата?»), а также гарантировать правильную последовательность прихода данных. В стеке TCP/IP транспортные протоколы определяют, для какого именно приложения предназначены эти данные.
Протоколы автоматической маршрутизации, логически представленные на этом уровне (поскольку работают поверх IP), на самом деле являются частью протоколов сетевого уровня; например OSPF (IP идентификатор 89).
TCP (IP идентификатор 6) — «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения, предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.
UDP (IP идентификатор 17) протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом «ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи данных, используется протокол TCP.
UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем повторная отправка.
И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.
См. также: Список портов TCP и UDP
Прикладной уровень
На прикладном уровне работает большинство сетевых приложений.
Эти программы имеют свои собственные протоколы обмена информацией, например, HTTP для WWW, FTP (передача файлов), SMTP (электронная почта), SSH (безопасное соединение с удалённой машиной), DNS (преобразование символьных имён в IP-адреса) и многие другие.
В массе своей эти протоколы работают поверх TCP или UDP и привязаны к определённому порту, например:
HTTP на TCP-порт 80 или 8080,
FTP на TCP-порт 20 (для передачи данных) и 21 (для управляющих команд),
SSH на TCP-порт 22,
запросы DNS на порт UDP (реже TCP) 53,
обновление маршрутов по протоколу RIP на UDP-порт 520.
Эти порты определены Агентством по выделению имен и уникальных параметров протоколов (IANA).
К этому уровню относятся: Echo, Finger, Gopher, HTTP, HTTPS, IMAP, IMAPS, IRC, NNTP, NTP, POP3, POPS, QOTD, RTSP, SNMP, SSH, Telnet, XDMCP.
Протоколы с логическим соединением и надежной передачей данных.
Отличительной особенностью службы с установлением логического соединения является то, что клиент и сервер перед передачей данных (например, сообщений электронной почты) сначала обмениваются специальными управляющими пакетами. Эта процедура, иногда называемая рукопожатием, позволяет сторонам подготовиться к процессу основного обмена. Говорят, что по окончании процедуры рукопожатия соединение между оконечными системами является установленным.
Термин «логическое» отражает два аспекта. Во-первых, об установленном соединении известно только оконечным системам; коммутаторы (то есть маршрутизаторы) функционируют, «не зная», какие оконечные системы они обслуживают. Во-вторых, соединение представляет собой не что иное, как совокупность буферов обмена, выделенных в памяти оконечных систем, а также переменных состояния. Ни буферы, ни переменные также не содержат никакой информации о том, каким образом будет осуществляться передача пакетов.
С логическим соединением связаны несколько важных задач: надежной передачи данных, контроля потока данных и контроля перегрузки. Под надежной передачей данных понимается передача, в ходе которой не допускаются потери или искажения данных. Надежная передача в Интернете обеспечивается при помощи механизмов подтверждений и повторных посылок. Для того чтобы представить процесс надежной передачи данных, рассмотрим следующую ситуацию. Пусть установлено соединение между оконечными системами А и В. Каждый раз при завершении приема очередного пакета данных от системы А система В посылает подтверждение о том, что пакет был успешно принят. В случае, если система А не получает подтверждения, она инициирует повторную посылку пакета. Контроль потока данных требуется для того, чтобы ни одна сторона не превысила установленную частоту (или скорость) передачи пакетов. Это необходимо потому, что оконечные системы могут иметь разные скорости передач и, следовательно, отсутствие контроля может привести к ошибкам.
В случае вероятности таких ошибок протокол вынуждает одну из сторон снизить скорость передачи пакетов. Контроль перегрузки служит для предотвращения ситуаций взаимной блокировки передающих сторон. Когда маршрутизатор перегружен, возникает угроза переполнения его буферов и потери передаваемых пакетов. В Интернете эта проблема решается путем принудительного снижения частоты передачи пакетов в периоды перегрузки. Оконечные системы «узнают» о перегрузке по отсутствию подтверждений при передаче пакетов.
Логическое соединение не обязательно подразумевает надежную передачу данных, контроль потока данных и контроль перегрузки. Вполне допустимо существование компьютерных сетей, в которых наличие логического соединения не означает необходимость решать сразу все три задачи. В самом деле, службу с установлением логического соединения использует любая сеть, в которой перед передачей данных осуществляется процедура рукопожатия.
В Интернете протокол, использующий службу с установлением логического соединения, имеет название TCP (Transmission Control Protocol — протокол управления передачей). Первая версия TCP была определена в документе RFC 793. Как следует из сказанного ранее, протокол TCP решает три задачи: надежной передачи данных, контроля потока данных и контроля перегрузки. Обратим внимание на то, что приложения никак не связаны с механизмами функционирования TCP; другими словами, они «не знают», каким образом протокол решает поставленные перед ним задачи. Разумеется, для нас, в отличие от сетевых приложений, принципы работы TCP представляют значительный интерес, и мы займемся их детальным рассмотрением в другой главе.
Классификация КС.
Компьютерная сеть (вычислительная сеть, сеть передачи данных) — система связи компьютеров и/или компьютерного оборудования (серверы, маршрутизаторы и другое оборудование). Для передачи информации могут быть использованы различные физические явления, как правило — различные виды электрических сигналов, световых сигналов или электромагнитного излучения.
По территориальной распространенности
PAN (Personal Area Network) — персональная сеть, предназначенная для взаимодействия различных устройств, принадлежащих одному владельцу.
LAN (Local Area Network) — локальные сети, имеющие замкнутую инфраструктуру до выхода на поставщиков услуг. Термин «LAN» может описывать и маленькую офисную сеть, и сеть уровня большого завода, занимающего несколько сотен гектаров. Зарубежные источники дают даже близкую оценку — около шести миль (10 км) в радиусе. Локальные сети являются сетями закрытого типа, доступ к ним разрешен только ограниченному кругу пользователей, для которых работа в такой сети непосредственно связана с их профессиональной деятельностью.
CAN (Campus Area Network — кампусная сеть) — объединяет локальные сети близко расположенных зданий.
MAN (Metropolitan Area Network) — городские сети между учреждениями в пределах одного или нескольких городов, связывающие много локальных вычислительных сетей.
WAN (Wide Area Network) — глобальная сеть, покрывающая большие географические регионы, включающие в себя как локальные сети, так и прочие телекоммуникационные сети и устройства. Пример WAN — сети с коммутацией пакетов (Frame relay), через которую могут «разговаривать» между собой различные компьютерные сети. Глобальные сети являются открытыми и ориентированы на обслуживание любых пользователей.
Термин «корпоративная сеть» также используется в литературе для обозначения объединения нескольких сетей, каждая из которых может быть построена на различных технических, программных и информационных принципах.
По типу среды передачи
Проводные (телефонный провод, коаксиальный кабель, витая пара, волоконно-оптический кабель)
Беспроводные (передачей информации по радиоволнам в определенном частотном диапазоне)
По скорости передач, По сетевым операционным системам, По функциональному назначению
По типу сетевой топологии
Топология типа общая ши́на, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала. При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину связи между узлами, в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами — повторителями, концентраторами или хабами. Например, технология Ethernet позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров. Достоинства
Небольшое время установки сети;
Дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств);
Простота настройки;
Выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети.
Недостатки
Неполадки в сети, такие как обрыв кабеля и выход из строя терминатора, полностью блокируют работу всей сети;
Сложная локализация неисправностей;
С добавлением новых рабочих станций падает производительность сети.
Шинная топология представляет собой топологию, в которой все устройства локальной сети подключаются к линейной сетевой среде передачи данных. Такую линейную среду часто называют каналом, шиной или трассой. Каждое устройство, например, рабочая станция или сервер, независимо подключается к общему шинному кабелю с помощью специального разъема. Шинный кабель должен иметь на конце согласующий резистор, или терминатор, который поглощает электрический сигнал, не давая ему отражаться и двигаться в обратном направлении по шине.
Решётка — понятие из теории организации компьютерных сетей. Это топология, в которой узлы образуют регулярную многомерную решётку. При этом каждое ребро решётки параллельно её оси и соединяет два смежных узла вдоль этой оси.
Одномерная «решётка» — это цепь, соединяющая два внешних узла (имеющие лишь одного соседа) через некоторое количество внутренних (у которых по два соседа — слева и справа). При соединении обоих внешних узлов получается топология «кольцо». Двух- и трёхмерные решётки используются в архитектуре суперкомпьютеров.
Ячеистая топология — базовая полносвязная топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция сети соединяется с несколькими другими рабочими станциями этой же сети. Характеризуется высокой отказоустойчивостью, сложностью настройки и переизбыточным расходом кабеля. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами. Обрыв кабеля не приведёт к потере соединения между двумя компьютерами.
П
олучается
из полносвязной путем удаления некоторых
возможных связей. Эта топология допускает
соединение большого количества
компьютеров и характерна, как правило,
для крупных сетей.
Звезда́ — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно коммутатор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе не возможны, потому что управление полностью централизовано.
Рабочая станция, с которой необходимо передать данные, отсылает их на концентратор. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета, обе посылки оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует на сетевом устройстве более высокого уровня — коммутаторе, который, в отличие от концентратора, подающего пакет на все порты, подает лишь на определенный порт — получателю. Одновременно может быть передано несколько пакетов. Сколько — зависит от коммутатора.
Достоинства
выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;
хорошая масштабируемость сети;
лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;
высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);
гибкие возможности администрирования.
Недостатки
выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом;
для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;
к
онечное
число рабочих станций в сети (или
сегменте сети) ограничено количеством
портов в центральном концентраторе.
Кольцо́ — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов.
Работа в сети кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в роли репитера, потому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Четко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако достаточно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надежность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует весь обмен.
Достоинства
Простота установки;
Практически полное отсутствие дополнительного оборудования;
Возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий.
Недостатки
Выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети;
Сложность конфигурирования и настройки;
Сложность поиска неисправностей.
Необходимость иметь две сетевые платы, на каждой рабочей станции.
Компьютерная сеть с коммутацией пакетов. Принципы сегментирования сообщений.
Протяженные телекоммуникационные сети с коммутацией каналов при разработке оптимизировались для достижения наилучших характеристик при передаче голоса, и подавляющая доля потока данных в этих сетях связывалась именно с голосовой передачей. Ключевая характеристика таких сетей в том, что ресурсы внутри сети выделяются под определенные телефонные вызовы. Для голосового соединения это не плохо, поскольку один из абонентов обычно говорит, и канал не простаивает. Можно сказать, что дуплексный канал при телефонной связи используется на 50%. Полоса пропускания для канала также оптимизирована и установлена как раз такой, чтобы можно было обеспечить приемлемое качество передачи речи. Однако при использовании таких телекоммуникационных сетей для передачи данных между компьютерами, появляются два очевидных недостатка.
1. При типовом соединении (например, терминал-хост) значительную часть времени канал связи может быть свободен. Но телекоммуникационная сеть выделяет вполне определенную полосу пропускания под этот канал и не может использовать его для другого приложения. Таким образом, подход с коммутацией каналов не эффективен.
2. В сетях с коммутацией каналов соединение обеспечивает передачу на постоянной скорости. Поэтому любой паре устройств терминал-хост будет предоставлена одна и та же фиксированная скорость, что ограничивает возможности сети при подключении разнообразных хостов и терминалов.
Сеть с коммутацией пакетов способна устранить эти недостатки. Данные в такой сети передаются в виде блоков, называемых пакетами (или кадрами). Обычно верхний предел длины пакета в зависимости от стандарта может быть от тысячи до нескольких тысяч байт. Если устройство – источник передачи желает передать данные размером больше максимальной длины пакета, то данные разделяются на несколько пакетов, рис. 5.12.
Рис. 5.12. Пакеты
Каждый пакет имеет поле данных, заголовок, другие служебные поля, расположенные в начале или в конце пакета. Поле заголовка, как минимум, включает информацию, необходимую узлу сети для перенаправления (маршрутизации) пакетов в нужный канал. Возможна буферизация пакетов на узле.
На рис. 5.13 показаны основные операции. Рабочая станция или другое сетевое устройство посылает сообщение (например, файл данных) в виде последовательности пакетов (а). Каждый пакет наряду с данными содержит управляющую и/или контрольную информацию, в частности, адрес станции назначения, или идентификатор маршрута. Пакет первоначально посылается на узел, к которому подключена передающая станция. Узел, получая пакет, определяет по контрольной информации направление маршрута и на основание этого перенаправляет пакет в выходной порт соответствующего канала. Если связь между узлами по этому каналу исправна, пакет передается на соседний узел. Все пакеты последовательно “отрабатывают” свои пути, двигаясь через сеть к нужной станции назначения. Коммутация пакетов имеет несколько преимуществ над коммутацией каналов.
1. Эффективность использования линии при пакетной коммутации выше, поскольку один сегмент от узла к узлу может динамически распределять свои ресурсы между многими пакетами от разных приложений. Если на передающем узле пакетов, предназначенных для отправки по определенному каналу, собирается больше, чем емкость этого канала, то пакеты помещаются в буфер, и устанавливается очередность передачи пакетов. Напротив, в сетях с коммутацией канала время, предназначенное для каждого приложения, выделяется в виде определенного тайм-слота на основе синхронного временного мультиплексирования. Максимальная скорость передачи определяется полосой этого тайм-слота, а не всей полосой канала.
2. Сеть с пакетной коммутацией может осуществлять преобразование скорости передачи данных. Так способны обмениваться между собою пакетами станции, подключенные к соответствующим узлам сети каналами разной полосы пропускания. 3. Когда поток через сеть с коммутацией каналов возрастает, сеть может оказаться перегруженной, и в установлении каналов связи между новыми станциями может быть отказано. При перегруженности телефонной сети попытка дозвона может быть блокирована. В сетях с пакетной коммутацией при большой загруженности передача пакетов сохраняется, хотя и могут возникать задержки с доставкой пакетов, или может уменьшаться скорость передачи.
4. В сетях с пакетной коммутацией можно использовать систему приоритетов. Если узел хочет передать несколько пакетов, то он может, в первую очередь, передать пакеты имеющие наивысший приоритет. Пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с меньшей задержкой, чем пакеты с низким приоритетом. Пусть одна станция хочет послать сообщение другой в виде файла, размер которого превосходит максимальный размер пакета. Станция распределяет содержимое файла между несколькими пакетами и последовательно направляет пакеты в сеть. И здесь возникает вопрос, каким образом сеть должна обрабатывать эту последовательность пакетов, чтобы доставить их нужному адресату. В современных сетях с коммутацией пакетов используются два различных подхода, получившие название: дейтаграммные сети и сети с виртуальными каналами;
Дейтаграммная КС.
В
дейтаграммной сети каждый передаваемый
пакет содержит информацию об адресе
получателя, который, как и почтовый
адрес, имеет иерархическую структуру.
Каждый раз при получении пакета коммутатор
анализирует фрагмент адреса пакета и
направляет пакет в соответствующую
линию связи. Говоря точнее, коммутатор
снабжен таблицей маршрутизации,
связывающей конечные адреса или их
фрагменты с линиями связи. После
считывания заголовка происходит
выделение адреса, который используется
в качестве индекса таблицы маршрутизации.
Дей-таграммную передачу можно сравнить
с водителем, который ведет автомобиль,
не ориентируясь по карте, а получая
указания относительно дальнейшего
направления движения от диспетчера.
В дейтаграммной сети каждый пакет передается без ссылки на пакеты, которые идут до или после него, рис. 5.13.
Рис. 5.13. Пакетная коммутация – дейтаграммная сеть
Каждый узел на основании контрольной информации заголовка пакета и собственных данных об окружающих узлах сети выбирает следующий узел, на который перенаправляется пакет. Пакеты с одним и тем же адресом назначения могут следовать от станции отправителя к станции назначения разными маршрутами. Конечный узел маршрута восстанавливает правильную последовательность пакетов и уже в этой последовательности передает их станции назначения. В некоторых дейтаграммных сетях может отсутствовать функция упорядочения пакетов на выходном узле – тогда эту функцию берет на себя станция назначения. Пакет может повредиться при передаче по сети. Например, если один из узлов в сети вышел из строя, то все пакеты, находящиеся на этом узле в очереди на передачу, будут потеряны. Опять же, функцию обнаружения потерянных пакетов может брать на себя как конечный узел маршрута, так и станция-получатель. В такой сети каждый пакет передается независимо от остальных и называется дейтаграммой.
Преимущества дейтаграммной сети. Первое – при передаче пакетов в дейтаграммной сети отсутствует фаза установления логического виртуального канала. Второе – дейтаграммная служба более примитивна и допускает большую гибкость. Например, если один из узлов в сети с использованием виртуальных каналов становится перегруженным, то “открытые” виртуальные каналы, проходящие через этот узел, невозможно перестроить. В дейтаграммной сети при перегрузке одного из узлов другие узлы могут перенаправить приходящие пакеты в обход перегруженного узла. Третье – доставка самой дейтаграммы более надежна. При использовании виртуальных каналов, если узел повреждается, все проходящие через него виртуальные каналы также разрушаются.
Коммуникационная модель КС.
К
оммуникационная
модель Интернета состоит из пяти уровней:
физического, канального, сетевого,
транспортного и прикладного. Вместо
терминов «единица обмена сетевого
уровня», «единица обмена канального
уровня» и т. д. мы будем использовать
специальные имена. Единицы обмена
канального уровня мы назовем кадрами,
единицы обмена сетевого уровня —
дейтаграммами, единицы обмена транспортного
уровня — сегментами, а единицы обмена
прикладного уровня — сообщениями. Для
единиц обмена физического уровня обычно
не предусматривается специального
имени, и мы будем придерживаться этой
традиции на нашем сайте. Коммуникационная
модель Интернета и единицы обмена ее
уровней изображены на рис. 1.23.
Поддержка протоколов может быть аппаратной, программной или смешанной. Протоколы прикладного уровня, такие как HTTP и SMTP, а также протоколы транспортного уровня практически всегда поддерживаются программно. Напротив, протоколы физического и канального уровней, тесно связанные со средой передачи данных, поддерживаются аппаратно сетевой интерфейсной картой. Сетевой уровень, находящийся в центре коммуникационной модели, может поддерживаться как аппаратно, так и программно.
Главная функция транспортного уровня заключается в передаче сообщений прикладного уровня между клиентом и сервером. В Интернете существуют два транспортных протокола: TCP и UDP. Протокол TCP обеспечивает передачу с установлением логического соединения, то есть надежную передачу с контролем переполнения. Кроме того, TCP производит разбиение длинных сообщений на более короткие и контролирует перегрузку. Контроль перегрузки сводится к принудительному снижению скорости передачи оконечной системы при высокой загрузке сети. Протокол UDP обеспечивает передачу сообщений без установления логического соединения, то есть ненадежный вид связи, где допускаются искажения и потери данных.
Сетевой уровень обеспечивает передачу пакета через серию маршрутизаторов между оконечными системами. Для перемещения пакета (дейтаграммы) от одного узла к другому сетевой уровень прибегает к службам канального уровня. Таким образом, основная функция канального уровня заключается в передаче дейтаграмм между узлами на маршруте.
Канальный уровень использует специальный протокол, ориентированный на используемую линию связи. Иногда протоколы канального уровни обеспечивают надежную передачу между узлами. Обратите внимание на различие надежной передачи на транспортном и канальном уровнях: протокол TCP обеспечивает надежность на всем пути следования сообщения, а протокол канального уровня — лишь между парой узлов. К протоколам канального уровня относятся Ethernet и РРР; иногда аналогичные функции несут технологии асинхронной передачи данных (ATM) и ретрансляции кадров. Поскольку путь от отправителя до адресата обычно состоит из цепочки разнородных линий связи, передача дейтаграммы может осуществляться различными канальными протоколами.
Сетевой уровень обеспечивает передачу дейтаграмм между двумя хостами и базируется на двух основных протоколах. Первый протокол определяет поля дейтаграммы и интерпретацию их содержимого маршрутизаторами и оконечными системами. Этот протокол является единственным протоколом сетевого уровня в Интернете и имеет название IP. Вторым протоколом является один из многочисленных протоколов маршрутизации, предназначенных для определения путей дейтаграмм от отправителя до адресата. Число протоколов маршрутизации огромно. Как мы неоднократно говорили, Интернет представляет собой сеть сетей, а каждая сеть поддерживает собственный протокол маршрутизации, обычно определяемый администратором сети. Несмотря на функциональные различия между протоколом IP и протоколами маршрутизации, а также на широкое разнообразие последних, их обычно объединяют под общим именем IP, подчеркивая этим их связующую роль в организации глобальной Сети.
Протокол транспортного уровня (TCP или UDP) передает сегмент и адрес назначения протоколу IP сетевого уровня подобно тому, как вы опускаете письмо в почтовый ящик, а протокол IP сетевого уровня доставляет сегмент конечному хосту и передает его обратно транспортному уровню.
Если назначением канального уровня является передача кадров между соседними узлами сети, то физический уровень обеспечивает передачу между узлами отдельных битов информации. Протоколы физического уровня также напрямую зависят от использующейся линии связи (медной витой пары, одномодового оптоволокна и т. п.). Технология Ethernet поддерживает множество протоколов физического уровня, предназначенных для поддержки витой пары, коаксиального кабеля, оптоволоконного кабеля и некоторых других видов линий. В каждой из линий связи механизмы передачи бита различны.
Прикладной уровень, как следует из его названия, предназначен для поддержки сетевых приложений. Имеется множество протоколов прикладного уровня, из которых наиболее важными являются HTTP (для путешествий по web-страницам), SMTP (для электронной почты) и FTP (для обмена файлами).
Семиуровневая модель OSI/ISO.
При передаче по сети вся передаваемая информация проходит много этапов обработки. Прежде всего она разбивается на блоки, каждый из которых снабжается управляющей информацией. Полученные блоки оформляются в виде сетевых пакетов, эти пакеты кодируются, передаются с помощью электрических или световых сигналов по сети в соответствии с выбранным методом доступа, затем из принятых пакетов вновь восстанавливаются заключенные в них блоки данных, блоки соединяются в данные, которые и становятся доступны другому приложению.
Часть из указанных процедур реализуется только программно, другая - аппаратно, а какие-то операции могут выполняться как программами, так и аппаратурой. Упорядочить все выполняемые процедуры, разделить их на уровни и подуровни, взаимодействующие между собой, как раз и призваны модели сетей.
Модель OSI (Open Systems Interconnection) предложена Международной организацией стандартов ISO (International Organization for Standardization) в 1984 году для унификации сетевых продуктов. Семиуровневая модель содержит следующие уровни: Прикладной; Представительский; Сеансовый; Транспортный; Сетевой; Канальный; Физический. Стандарты, определяемые моделью ISO (спецификации 802), делятся на двенадцать категорий 802.1 - 802.12.
-
№
Уровень OSI
PDU
Функция
Протоколы
7
Прикладной (application)
Данное
Определяет способы передачи информации между приложениями.
HTTP, FTP, DNS, SMTP, POP3, IMAP4
6
Представи- тельский
(presentation)
Данное
Определяет способы шифрования, кодирования и сжатия данных.
XDR, SSL
5
Сеансовый
(session)
Данное
Отвечает за установку, поддержку и разрыв соединения.
SMPP, NetBIOS
4
Транспортный
(transport)
Сегмент
Обеспечивает доставку между конечными точками.
TCP, UDP
3
Сетевой
(network)
Пакет
Отвечает за адресацию и маршрутизацию при межсетевом обмене.
IP
(IPv4, IPv6)
2
Канальный
(data link)
Кадр
Отвечает за прием, передачу, локальную адресацию и контроль ошибок.
PPP, ATM, STM
1
Физический
(phisical)
Бит
Определяет связь на уровне аппаратуры.
Ethernet
Примечание. PDU (Protocol Data Unit) - обозначения единиц данных на разных уровнях модели OSI/ISO.
Использование протоколов коллективного доступа.
Протоколы произвольного доступа.
Второй широкий класс протоколов коллективного доступа составляют так называемые протоколы произвольного доступа. В протоколе произвольного доступа передающий узел всегда передает данные в канал с максимальной скоростью, то есть R бит/с. Когда возникает коллизия, каждый вовлеченный в нее узел передает свой кадр повторно до тех пор, пока ему не удастся пройти по каналу без коллизий.
Однако, испытав коллизию, узел, как правило, не повторяет передачу тут же, а выжидает в течение случайного интервала времени. Благодаря разной длительности случайных интервалов времени существует ненулевая вероятность того, что интервал, выбранный одним из узлов, окажется меньше, чем у других вовлеченных в коллизию узлов, и он успеет «пропихнуть» свой кадр в канал без коллизии.
В информатике и криптографии коллизия хеш-функции — это равенство значений хеш-функции на двух различных блоках данных.
Протокол - это набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления связи. Все компьютеры, участвующие в обмене, должны работать по одним и тем же протоколам, чтобы по завершении передачи вся информация восстанавливалась в первоначальном виде.
Прикладные протоколы:
HTTP (HyperText Transfer Protocol) - протокол передачи гипертекста.
FTP (File Transfer Protocol) - протокол для передачи файлов.
SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) - простой протокол передачи элек-тронной почты. Используется совместно с POP3 и IMAP.
POP3 (Post Office Protocol Version 3) - протокол почтового отделения, используемый почтовым клиентом для получения сообщений электронной почты с сервера (служит для работы с входящими письмами).
IMAP4 (Internet Message Access Protocol) - протокол доступа к электронной почте Интернета (служит для работы с исходящими письмами).
Представительские протоколы:
XDR (External Data Representation) — международный стандарт передачи данных в Интернете, позволяющий организовать, не зависящую от архитектуры, передачу данных между компьютерами.
SSL (Secure Sockets Layer, уровень защищённых сокетов) - криптографический протокол, который обеспечивает установление безопасного соединения между клиентом и сервером.
Сеансовые протоколы:
SMPP (Short message peer-to-peer protocol) - протокол, описывающий взаимодействие конечного клиента с сервером.
NetBIOS (Network Basic Input/Output System) - протокол для работы в ло-кальных сетях, разработанный в виде интерфейса, не зависящий от производителя.
Транспортные протоколы:
TCP (Transmission Control Protocol) - протокол для гарантированной доставки данных, разбитых на последова¬тельность фрагментов.
UDP (User Datagram Protocol) - протокол пользовательских дейтаграмм для передачи данных в сетях IP без установления логического соединения.
Сетевые протоколы:
IP (Internet Protocol) - протокол для передачи дан¬ных.
IPv4, IPv6 - протоколы для передачи дан¬ных (четвертая и шестая версии).
Канальные протоколы:
PPP (Point-to-Point Protocol) - двухточечный протокол канального уровня.
ATM (Asynchronous Transfer Mode, асинхронный способ передачи данных) - сетевая высокопроизводительная технология коммутации и мультиплексирования.
STM (Synchronous Transfer Mode) - синхронный способ передачи данных.
Физические протоколы:
Ethernet (ether - эфир, net - сеть) - пакетная технология передачи данных пре-имущественно локальных компьютерных сетей.
Протокол TCP/IP используется в глобальных и локальных сетях.
Методы обнаружения и исправления ошибок
Для передачи дискретной информации по компьютерным сетям, используются специальные коды, обеспечивающие синхронизацию передающего и приемного узлов. Такие коды называются самосинхронизирующимся. К самосинхронизирующимся кодам относятся: RZ, Манчестер-II, 4В/5В и др.
Синхронизация передатчика и приемника необходима для того, чтобы приемник считывал новую информацию с линии связи в заданные моменты времени.
Кодирование информации определяет соотношение максимальной скорости передачи и пропускной способности линии связи. При разных кодах предельная скорость передачи по одному и тому же кабелю может отличаться в два раза. От кода зависит сложность сетевой аппаратуры и надежность передачи информации.
Контроль достоверности передачи информации в КС
При передаче данных по компьютерным сетям от передающего узла к приемному узлу, принимаются меры по защите информации от воздействия помех. Помехи могут искажать данные, приводя к изменению одного или нескольких битов на противоположное значение (0 на 1 или 1 на 0). Для повышения достоверности передаваемых данных применяют помехоустойчивое кодирование.
Помехоустойчивое кодирование основано на теории кодов, контролирующих ошибки, техническая задача, которых состоит в защите цифровых данных от появляющихся в процессе передачи по каналам связи ошибок.
При помехоустойчивом кодировании в передаваемые данные вводятся дополнительные биты контрольного (поверочного) кода, приводящие к избыточности. Вероятность обнаружения ошибки зависит от алгоритма (схемы) контроля и соотношения размеров информационного и контрольного полей. Помехоустойчивое кодирование позволяет обойтись меньшей избыточностью и за счет этого повысить скорость передачи информации.
Взаимодействие передающего и принимающего узлов можно упрощенно представить в виде следующих действий:
- кодирование данных и передача по линии связи;
- прием и проверка данных на наличие ошибки.
Гарантированная доставка данных обеспечивается:
- получением подтверждения при отсутствии ошибки;
- повторной передачей при наличии ошибки.
Помехоустойчивое кодирование используются также для данных, хранимых в памяти и других носителях информации.
По способу работы с данными коды, исправляющие ошибки, делятся на блоковые и сверточные. Блоковые линейные коды делят информацию на фрагменты постоянной длины и обрабатывают каждый из них в отдельности. Сверточные коды работают с данными как с непрерывным потоком.
Для контроля достоверности используются следующие методы: дублирование информации, контрольная сумма, контроль паритета, код Хемминга, избыточный циклический контроль CRC, коды Рида-Соломона, коды БЧХ (Боуза-Чоудхури-Хоквингема) и др.