Общие сведения о сетях, принципы построения компьютерных сетей

Тема. Сетевые информационные технологии

Лекция 1 Компьютерные сети

Общие сведения о сетях, принципы построения компьютерных сетей.

Классификация компьютерных сетей.

Программное обеспечение компьютерных сетей.

 

Общие сведения о сетях, принципы построения компьютерных сетей.

В настоящее время наиболее важным применением компьютеров является использование сетей, обеспечивающих единое информационное пространство для многих пользователей. Особенно наглядно этот процесс проявляется на примере всемирной компьютерной сети Internet.

Децентрализация процессов обработки данных реализовывалась по двум направлениям:

1. путем подключения к отдельным ЭВМ (или комплексу ЭВМ, объединенных в рамках вычислительного центра (ВЦ)) множества абонентских пунктов пользователей, т.е. создания систем телеобработки данных

2. путем создания вычислительных сетей, в которых осуществлялось объединение между собой множества территориально удаленных друг от друга ЭВМ или ВЦ.

Компьютерной сетью называется совокупность взаимосвязанных через каналы передачи данных компьютеров, обеспечивающих пользователей средствами обмена информацией и коллективного использования ресурсов сети: аппаратных, программных и информационных.

Объединение компьютеров в сеть позволяет совместно использовать дорогостоящее оборудование — диски большой емкости, принтеры, основную память, иметь общие программные средства и данные.

Основным назначением сети является обеспечение простого, удобного и надежного доступа пользователя к распределенным общесетевым ресурсам и организация их коллективного использования при надежной защите от несанкционированного доступа, а также обеспечение удобных и надежных средств передачи данных между пользователями сети.

Кроме того, компьютерные сети позволяют автоматизировать управление производством, транспортом, материально-техническим снабжением в масштабе отдельных регионов и страны в целом.

Возможность концентрации в сетях больших объемов данных, общедоступность этих данных, а также программных и аппаратных средств обработки и высокая надежность их функционирования позволяет улучшить информационное обслуживание пользователей и резко повысить эффективность применения вычислительной техники.

В условиях компьютерной сети предусмотрена возможность:

· организовать параллельную обработку данных многими компьютерами;

· создавать распределенные базы данных, размещаемые в памяти различных компьютеров;

· специализировать отдельные компьютеры (их группы) для эффективного решения определенных классов задач;

· автоматизировать обмен информацией и программами между отдельными компьютерами и пользователя сети;

· резервировать вычислительные мощности и средства передачи данных на случай выхода из строя отдельных из них с целью быстрого восстановления нормальной работы сети;

· перераспределять вычислительные мощности между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;

· стабилизировать и повышать уровень загрузки компьютеров и дорогостоящего периферийного оборудования;

· сочетать работу в широком диапазоне режимов: диалоговом, пакетном, режимах «запрос-ответ», а также сбора, передачи и обмена информацией.

Как показывает практика, за счет расширения возможностей обработки данных, лучшей загрузки ресурсов и повышения надежности функционирования системы в целом стоимость обработки данных в вычислительных компьютерных сетях не менее чем в полтора раза ниже по сравнению с обработкой аналогичных данных на автономных ЭВМ.

В общем случае, в сеть могут объединяться компьютеры разных модификаций, а каналы связи - иметь разные характеристики. Поэтому важными являются: 1) разработка единых правил обмена информацией в сети (протоколов) и 2) стандартизация оборудования. Приоритет в области стандартизации связи принадлежит Международному комитету по телеграфии и телефонии (МКТТ). Он. Действуя совместно с комитетом 802 Института инженеров по электротехнике и электронике США (IEEE), принял эталонную логическую модель сети, которая предусматривает выделение семи уровней со строго определенными задачами:

 

Рис.– Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI
(Open System Interconnection)

 

Логическая модель передачи информации в сети

	УРОВЕНЬ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ (ПРИКЛАДНОЙ) Программы пользователя; обслуживание бесперебойной работы
	УРОВЕНЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ Преобразование информации; настройка задач на операционную среду
	УРОВЕНЬ ОБМЕНА (СЕАНСОВЫЙ) Организация и синхронизация диалога; процесс обмена информацией
	УРОВЕНЬ ПРИЕМА-ПЕРЕДАЧИ (ТРАНСПОРТНЫЙ) Обеспечение надежности обмена информацией между конечными пользователями
	СЕТЕВОЙ УРОВЕНЬ Конфигурация носителей информации при соединении участков сети
	УРОВЕНЬ КАНАЛА СВЯЗИ (КАНАЛЬНЫЙ) Обеспечение надежности передачи на участке сети
	ФИЗИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ Передача цифровых данных через физический носитель

 

 

Физический и канальный уровни образуют нижнюю группу и непосредственно связаны с каналом передачи данных: физический осуществляет сопряжение с каналом, а канальный – управление передачей информации по каналу. Сетевой и транспортный уровни «прокладывают» путь информации между системой-отправителем и системой-получателем и управляют процессом передачи по этому пути. Сеансовый, прикладной и уровень представления данных непосредственно связаны с организацией взаимодействия прикладных программ пользователей, а также с вводом, хранением, обработкой данных и выдачей результатов. Каждый из уровней выполняет указания уровня, расположенного над ним.

Сетевой протокол - набор правил и соглашений, используемых при передаче данных между компьютерами в сети. Протокольный стек – комплект протоколов нескольких смежных уровней (пример: TCP/IP).

Прикладной уровень – высший уровень модели, обеспечивающий прикладной программе пользователя доступ к сетевым ресурсам.

Примеры протоколов:

FTP (File Transfer Protocol) – пересылка файлов;

X.400 – передача сообщений электронной почты;

Telnet – эмуляция удаленного терминала.

Уровень представления данных обеспечивает преобразование кодов (например, из KOI8-P в Windows 1251), форматов файлов, сжатие и распаковку, шифрование и дешифрование.

Пример протокола: SSL (Secure Socket Layer) – обеспечивает конфиденциальность передачи данных в стеке TCP/IP.

Сеансовый уровень – обеспечивает инициализацию и завершение сеанса-диалога между устройствами, надежность соединения до конца сеанса, обработку ошибок, повторную передачу.

Пример протокола: NetBIOS (Network Basic Input/Output System).

Транспортный уровень – отвечает за передачу данных от источника к получателю. Здесь:

‒ данные разбиваются на несколько нумерованных пакетов;

‒ определяются пути передачи;

‒ на приемной стороне данные собираются и в нужном порядке передаются на сеансовый уровень

Примеры протоколов:

‒ TCP (Transmission Control Protocol) – протокол передачи данных с установлением соединения;

‒ UDP (User Datagram Protocol) - протокол передачи данных без установления соединения.

Сетевой уровень – отвечает за:

‒ адресацию;

‒ поиск пути от источника к получателю;

‒ установление и обслуживание логической связи между узлами.

Примеры протоколов:

‒ ARP (Address Resolution Protocol) – взаимное преобразование аппаратных и сетевых адресов;

‒ IP (Internet Protocol) - протокол доставки дейтаграмм, основа стека TCP/IP.

Канальный уровень – обеспечивает:

‒ формирование кадров, передаваемых через физический уровень;

‒ контроль ошибок;

‒ управление потоком данных.

Физический уровень – нижний уровень, обеспечивающий физическое кодирование бит кадра в электрические сигналы и передачу их по линиям связи. Определяет тип кабелей и разъемов,назначение контактов и формат физических сигналов.

Примеры протоколов:

IEEE 802.5 – Tokeng Ring;

IEEE 802.3 - Ethernet.

Задача всех семи уровней – обеспечить надежное взаимодействие прикладных (информационных) процессов. При этом каждый уровень выполняет возложенную на него задачу. Однако уровни работают так, чтобы в нужных случаях можно было проверить работу других уровней. Так, если канальный уровень случайно пропустит ошибку, появившуюся при передаче информации, то ее определит и исправит транспортный уровень.

Некоторое представление о различиях логических уровней сети можно получить при рассмотрении следующего примера. Представьте себе, что два человека (президенты разных стран) захотят обменяться своими мыслями и жизненным опытом, причем один из них живет в нашей стране, а другой - в США. Перед нашими героями возникнут две проблемы: язык общения и техническое обеспечение связи. Техническая сторона проблемы решается установлением связи, например, по проводной линии передач. Для решения проблемы языка придется прибегнуть к помощи двух переводчиков. В результате - на уровне президентов безразлично, какой язык общения выбрали для себя переводчики и как они об этом договорились, главное, что каждый президент общается со своим переводчиком на родном языке.

Для переводчиков безразлично то, как установлена связь: через спутник или через кабельную линию, главное, что они слышат друг друга. С точки зрения линии связи абсолютно не важно кто и что говорит, главное - обеспечить хорошую слышимость. Таким образом, у каждого уровня свои строго определенные функции, и каждый вышестоящий опирается на возможности нижестоящего.

Основная функция систем передачи данных в условиях функционирования компьютерных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее время произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объясняется главным образом тем, что затраты на техническое обеспечение компьютерных сетей сократились за этот период примерно в десять раз, тогда как затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только в два раза.

Аппаратные компоненты компьютерной сети:

– Рабочая станция – подключенный к сети компьютер, на котором пользователь выполняет свою работу. Каждая РС использует свою ОС.

– Сервер сети – мощный постоянно подключенный к сети компьютер, предоставляющий пользователям сети определенные услуги (хранение общих данных, печать заданий и т. д.)

Серверы сети.

Файловый сервер – компьютер, хранящий общие данные и обеспечивающий одновременный согласованный доступ пользователей к этим данным.

Сервер прикладных программ – компьютер, который используется для выполнения прикладных программ пользователей.

Сервер баз данных выполняет функции: хранение БД, поддержку их целостности, полноты, актуальности; прием, обработку запросов к БД и отправку результатов пользователям; обеспечение авторизованного доступа к БД, разграничение доступа; согласование изменений данных, вносимых разными пользователями; поддержку распределенных БД.

Коммуникационный сервер – компьютер, который предоставляет пользователям прозрачный доступ к своим последовательным портам ввода-вывода.

Сервер доступа – компьютер, позволяющий проводить удаленную обработку заданий.

Факс-сервер – компьютер, который осуществляет рассылку факсов.

Сервер резервного копирования данных – компьютер, который решает задачи создания, хранения и восстановления копий данных, расположенных на файловых серверах и рабочих станциях.

Коммуникационные узлы:

– повторитель – repeater (концентратор - hub) – устройство, усиливающее или регенерирующее пришедший сигнал;

– коммутатор – switch, (мост - bridge) – в отличие от повторителя, выполняет развязку присоединенных сегментов;

– маршрутизатор – router – соединяет сети с одинаковыми протоколами обмена данными. Анализируя адрес назначения, он выбирает оптимальный маршрут;

– шлюз – gateway – соединяет сети с разными протоколами обмена данными.

Устройства для подключения компьютеров к линиям связи:

– Сетевая карта (адаптер) – устройство для физического подключения компьютера к локальной сети. Имеет уникальный номер.

– Модем – устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи (выполняет преобразование компьютерных данных в звуковой аналоговый сигнал для передачи по телефонной линии (модуляция), а также обратное преобразование (демодуляция))

Линии связи:

– Кабели (коаксиальный, витая пара);

– Телефонные линии;

– Оптоволоконные линии;

– Радиосвязь, спутниковая связь.

Характеристики линий связи:

– амплитудно-частотная характеристика

– полоса пропускания

– затухание

– помехоустойчивость

– перекрестные наводки на ближнем конце линии

– пропускная способность

– достоверность передачи данных

– удельная стоимость.

Основная характеристика: пропускная способность – Бит/с (кБит/с, МБит/с).

Важнейшая характеристика сетей передачи данных — время доставки информации — зависит от структуры сети передачи даны, пропускной способности линий связи, а также от способа соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. В настоящее время различают системы передачи данных: 1) с постоянным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и 2) с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

1) При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и компьютеры постоянно соединены между собой, т.е. находятся в режиме «on-line». В этом случае отсутствуют потери времени на коммутацию, обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как следствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры передачи данных и линии связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность подобных сетей достигается только при условии достаточно полной загрузки этих каналов.

2) При коммутации абонентских пунктов и компьютеров только на время передачи информации (т.е. нормальным режимом, для которых является режим «off-line») принцип построения узла коммутации определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных. Существуют три основных способа подготовки и передачи информации в сетях, основанных на коммутации: каналов, сообщений и пакетов

Коммутация каналов. Способ коммутации каналов заключается в установлении физического канала связи для передачи данных непосредственно между абонентами сети. При использовании коммутируемых каналов тракт (путь) передачи данных образуется из самих каналов связи и устройств коммутации, расположенных в узлах связи

Установление соединения заключается в том, что абонент посылает в канал связи заданный набор символов, прохождение которых по сети через соответствующие узлы коммутации вызывает установку нужного соединения с вызываемым абонентом. Этот транзитный канал образуется в начале сеанса связи, остается фиксированным на период передачи всей информации и разрывается только после завершения передачи информации.

Такой способ соединения используется в основном в сетях, где требуется обеспечить непрерывность передачи сообщений (например, при использовании телефонных каналов связи и абонентского телеграфа). В этом случае связь абонентов возможна только при условии использования ими однотипной аппаратуры, одинаковых каналов связи, а также единых кодов.

К достоинствам данного способа организации соединения абонентов сети следует отнести:

· гибкость системы соединения в зависимости от изменения потребностей;

· высокую экономичность использования каналов, достигаемую за счет их эксплуатации только в течение времени установления связи и непосредственно передачи данных;

· невысокие расходы на эксплуатацию каналов связи (на порядок.меньше, чем при эксплуатации некоммутируемых линий связи).

Способ коммутации каналов более оперативный, так как позволяет вести непрерывный двусторонний обмен информацией между двумя абонентами.

Недостатками коммутируемых каналов связи является необходимость использования специальных и коммутирующих устройств, которые снижают скорость передачи данных и достоверность передаваемой информации. Использование специальных методов и средств, обеспечивающих повышение достоверности передачи информации в сети, влечет за собой снижение скорости передачи данных за счет:

· увеличения объема передаваемой информации, вызванного необходимостью введения избыточных знаков;

· потерь времени на кодирование информации в узле-передатчике и декодирование, логический контроль и другие преобразования — в узле-приемнике.

Наконец, сокращение потоков информации ниже пропускной способности аппаратной части и каналов связи ведет к недогрузке канала, а в период пиковой нагрузки может вызвать определенные потери вызовов.

Коммутация сообщений. При коммутации сообщений поступающая на узел связи информация передается в память узла связи, после чего анализируется адрес получателя. В зависимости от занятости требуемого канала сообщение либо передается в память соседнего узла, либо становится в очередь для последующей передачи. Таким образом, способ коммутации сообщений обеспечивает поэтапный характер передачи информации, В этом случае сообщения содержат адресный признак (заголовок), в соответствии с которым осуществляется автоматическая передача информации в сети от абонента-передатчика к абоненту-приемнику. Все функции согласования работы отдельных участков сети связи, а также управление передачей сообщений и их соответствующую обработку выполняют центры (узлы) коммутации сообщений. Основное функциональное назначение центра коммутации сообщений — обеспечить автоматическую передачу информации от абонента к абоненту в соответствии с адресным признаком сообщения и требованиями к качеству и надежности связи.

Метод коммутации сообщений обеспечивает независимость работы отдельных участков сети, что значительно повышает эффективность использования каналов связи при передаче одного и того же объема информации (которая в этом случае может достигать 80 — 90% от максимального значения). В системе с коммутацией сообщений происходит сглаживание несогласованности в пропускной способности каналов и более эффективно реализуется передача многоадресных сообщений (так как не требуется одновременного освобождения всех каналов между узлом-передатчиком и узлом-приемником). Передача информации может производиться в любое время, так как прямая связь абонентов друг с другом необязательна.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Для более полной загрузки каналов и их эффективного использования возможно совместное применение перечисленных методов коммутации, основой которого служат следующие условия:

· использование в одном и том же узле связи аппаратуры для коммутации каналов и для коммутации сообщений (того или иного способа коммутации в узле осуществляется в зависимости от загрузки каналов связи);

· организация сети с коммутацией каналов для узлов верхних уровней иерархии и коммутации сообщений для нижних уровней.

Коммутация пакетов. Еще один способ коммутации абонентов сети — так называемая коммутация пакетов. Этот способ сочетает в себе ряд преимуществ методов коммутации каналов и коммутации сообщений. При коммутации пакетов перед началом передачи сообщение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. В пункте назначения эти пакеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их длительное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. В этом отношении указанный метод близок методу коммутации каналов.

При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффективность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значительно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, т.е. скорость передачи информации превышает аналогичную скорость при методе коммутации сообщений.

К недостаткам метода следует отнести односторонний характер связи между абонентами сети.

Различают два основных типа систем связи с коммутацией пакетов:

· в системах первого типа устройство коммутации анализирует адрес места назначения каждого принятого пакета и определяет канал, необходимый для передачи информации;

· в системах второго типа пакеты рассылаются по всем каналам и терминалам, каждый канал (терминал), в свою очередь, проанализировав адрес места назначения пакета и сравнив его с собственным, осуществляет прием и дальнейшую передачу (обработку) пакета либо игнорирует его.

Первый тип систем коммутации пакетов характерен для глобальных сетей с огромным числом каналов связи и терминалов, второй тип применим для сравнительно замкнутых сетей с небольшим числом абонентов.

Сопряжение компьютеров и устройств в сетях. Существенное влияние на организацию систем обработки данных оказывают технические возможности средств, используемых для сопряжения (комплексирования) компьютеров и других устройств. Основным элементом сопряжения является интерфейс, определяющий число линий, используемых для передачи сигналов и данных, а также способ (алгоритм) передачи информации по линиям связи.

Все интерфейсы, используемые в ВТ и сетях, разделяются на три вида: параллельные, последовательные, связные.

Параллельный интерфейс состоит из большого числа линий, по которым передача данных осуществляется в параллельном коде (обычно в виде 8—128 разрядных слов). Параллельный интерфейс обладает большой пропускной способностью: порядка 10⁴—10⁵ бод (бит/с). Столь большие скорости передачи данных обеспечиваются за счет ограниченной длины интерфейса (обычно от нескольких метров до десятков (очень редко до сотни) метров).

Последовательный интерфейс состоит, как правило, из одной линии, данные по которой передаются в последовательном коде. Пропускная способность последовательного интерфейса составляет 10³— 10⁴ бит/с при длине линии интерфейса от десятков метров до километра.

Связные интерфейсы содержат каналы связи, работа которых обеспечивается аппаратурой передачи данных, повышающей (в основном с помощью специальных физических методов) достоверность передачи данных. Связные интерфейсы обеспечивают передачу данных на любые расстояния, однако с небольшой скоростью (в пределах 10² —10³ бит/с). Применение связных интерфейсов экономически целесообразно на расстоянии не менее километра.