Логическая организация сети

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Волгоградский государственный социально- педагогический университет»
Факультет дошкольного и начального образования

 

Уровни организации сетей

Реферат

 

Исполнитель:

Ташкова Татьяна

Гр. Д-ПБ-21 (ОЗО)

 

Руководитель:

Терещенко Анна

Владимировна

 

 

Волгоград

Введение

Наряду с автономной работой значительное повышение эффективности использования компьютеров может быть достигнуто объединением их в компьютерные сети (network).

Под компьютерной сетью в широком смысле слова понимают любое количество компьютеров, связанных между собой каналами связи для передачи данных.

Существует ряд веских причин для объединения компьютеров в сети.

 

Во-первых, совместное использование ресурсов позволяет нескольким ЭВМ или другим устройствам осуществлять совместный доступ к отдельному диску (файл-серверу), дисководу CD-ROM, стримеру, принтерам, плоттерам, к сканерам и другому оборудованию, что снижает затраты на каждого отдельного пользователя.

 

Во-вторых, кроме совместного использования дорогостоящих периферийных устройств, имеется возможность аналогично использовать сетевые версии прикладного программного обеспечения.

 

В-третьих, компьютерные сети обеспечивают новые формы взаимодействия пользователей в одном коллективе, например при работе над общим проектом.

 

В-четвертых, появляется возможность использовать общие средства связи между различными прикладными системами (коммуникационные услуги, передача данных и видеоданных, речи и т. д.). Особое значение имеет организация распределенной обработки данных. В случае централизованного хранения информации значительно упрощаются процессы обеспечения ее целостности, а также резервного копирования.

 

В компьютерной сети существует 7 уровней взаимодействия между компьютерами: физический, логический, сетевой, транспортный, уровень сеансов связи, представительский и прикладной.

 

Компьютерная сеть в физическом смысле это совокупность компьютеров, аппаратуры связи компьютеров между собой и пользователей, работающих на компьютерах.

 

 

Теория построения сетей

Прежде чем перейти к подробному описанию организации компьютерных сетей, следует рассмотреть некоторые общие положения. Выясним, какие задачи необходимо решить человеку, перед которым встала задача организации сети передачи данных между компьютерами.

 

1. Определение типа носителя данных, то есть среды передачи данных. Передача может вестись по медным проводам различных типов, по оптоволокну, по радиоволнам, или, например, при помощи голубиной почты --- как предлагает один юмористический стандарт.

Чем больше размер сети, тем больше вероятность того, что в ней используется различные типы носителей данных.

Предположим для определенности, что данные в сети передаются по кабелю с четырьмя проводам. Тогда необходимо также выяснить, как выглядит этот носитель, какие его физические характеристики, какие провода используются для передачи, а какие --- для приема данных, и как выглядит представление двоичных данных в носителе. Кроме того, нужно отличать факт передачи от отсутствия передачи: допустим, наличие напряжения --- есть данные (+5 вольт --- единица, -5 вольт --- ноль), отсутствие напряжения --- нет данных.

Но до тех пор, пока носитель не подключен к компьютеру, мы все равно не можем организовать передачу данных. Поэтому следующая проблема --- организация интерфейса.

 

2. Интерфейс между компьютером и средой передачи данных обеспечивается сетевой картой, часто интегрированной в материнскую плату компьютера. После создания адаптера, преобразующего электрический сигнал в среде передач данных в передаваемые на системную шину данные и наоборот, уже можно обмениваться данными между двумя компьютерами. Но изначально планировалось обеспечить доступ к среде передачи данных для множества машин, а не только двух. Для решения этой проблемы надо разработать

дисциплину доступа нескольких компьютеров к общей среде передачи данных. Даже если к среде подключены только два компьютера, то всё равно надо договориться, например, о том, как выглядит отсутствие данных (как абонент поймет, что сейчас передача не идет), и как определяется начало передачи. Например, для начала передачи можно использовать некие

последовательности из нулей и единиц. Когда же компьютеров несколько, то надо точно указывать адресата передаваемых данных. Также дисциплина должна обеспечивать одновременную (или псевдо-одновременную) передачу данных от нескольких компьютеров друг другу.

Однако и после решения этих проблем задача объединения большого количества компьютеров в одну вычислительную сеть еще не решена. Мы решили задачу объединения лишь небольшого числа компьютеров в рамках одной среды, внутри которой каждый компьютер может непосредственно связаться с каждым, или, другими словами, каждый

виден другому. Как только появится несколько таких сред передачи данных, то мы вернемся к первой из описываемых нами проблем, а именно: придется снова налаживать передачу между абонентами этих сред. Для этого необходимо всех подключенных абонентов проидентифицировать.

 

3. Класс задач уровня организации сети содержит две задачи.

 

• Идентификация всех компьютеров сети, например, присвоение им уникального номера.

 

• Объединение разных сред передачи данных.

Когда сетей много, в каждой всеподключенные устройства пронумерованы, и возникает задача передача информации от компьютера одной сети компьютеру другой, то, очевидно, что данные будут переброшены через несколько сред передачи. В частности, на пути будут несколько устройств, которые и занимаются передачей из одной среды в другую. Такие устройства в ряде случаев называются маршрутизаторами, а данная задача называется задачей маршрутизации.

Фактически, после решения указанных проблем возможен обмен информацией в больших сетях и между ними, но целостность передаваемой информации и безопасность обмена все еще не обеспечена. У нас есть способ связаться между любыми двумя машинами, мы это делаем, но мы не проверяем, насколько качественно происходит передача. Можно сказать,

что речь идет о работе с каналом передачи данных. То есть фактически мы забываем, что у нас есть какой-то маршрут и компьютеры перекидывают друг другу массивы данных, и представляем себе канал, открытый между отправителем и получателем. Соответственно, следующей проблемой является обеспечение гарантии доставки.

 

4. Контроль за доставкой информации. Способов нарушить сохранность данных немного:

данные можно либо изменить при передаче, т.е. испортить, либо вообще потерять, т.е.адресат их не получит. Есть и такой изощренный способ, когда вы отправляете один массив данных, а приходит два. Такое случается, когда какое-либо устройство послало данные, а ему вдруг пришло сообщение об ошибке и оно отправило их еще раз, а на самом деле ошибки не

случилось. Потому в задачу контроля качества доставки (QoS --- Quality of Service) входят следующие компоненты.

 

• Доставка в целости и сохранности (security & integrity). Данные должны быть защищены от случайных изменений при передаче, а так же, желательно, от преднамеренных изменений и от просмотра третьими лицами. Сюда также входят такие компоненты, как обязательное оповещение отправителя об успешной доставке или наоборот, запрос на повторную посылку в случае неудачи.

• Отслеживание состояния канала передачи данных. Приведем пример ситуации, когда это жизненно важно: пусть отправитель подключен в сеть через очень быстрый интерфейс и извергает гигабитный поток данных, а на стороне получателя находится обычный модем. Было бы неплохо не только сообщать отправителю, его данные никуда не пришли и произошла ошибка по дороге, но еще и отслеживать параметры качества этого виртуального канала, организованного между двумя компьютерами, и

регулировать скорость передачи данных соответствующим образом.

 

• Управление потоками данных (идентификация разных потоков и предотвращение их смешивания). Между двумя компьютерами могут передаваться несколько независимых потоков данных: например, программа-броузер загружает параллельно несколько изображений на одной странице. Эта задача решается при пакетной передаче данных. Если в потоке есть несколько элементов (пакетов), которые передаются от одного компьютера другому, то каждый пакет содержит информацию о том, к какому потоку он сам относится.

 

5. Интерпретация полученных при передаче данных является последней задачей. Обмен данными не является самоцелью, а принятые данные обычно имеют свою собственную семантику: это может быть электронное письмо или веб-страница. За эту задачу отвечает соответствующая прикладная программа

 

Компьютерная сеть в физическом смысле это совокупность компьютеров, аппаратуры связи компьютеров между собой и пользователей, работающих на компьютерах. Цель построения сетей — предоставить пользователям информационные и вычислительные ресурсы, рассредоточенные в пространстве.

 

Как сложная система она представляет собой совокупность взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонент. Изучение сети как целого должно опираться на знании принципов организации отдельных элементов сети:

· компьютеров,

· коммуникационного оборудования,

· операционных систем,

· сетевых приложений.

 

Сетевые приложения — это сетевые базы данных, почтовые системы, средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и другие программные продукты подобного назначения.

Инструменты для создания сетевых приложений — это системы программирования, СУБД и др., в том числе средства для нужд Интернета. Целью данного курса является знакомство с применяемыми в настоящее время инструментариями и их применением в Интернете.

Иными словами можно сказать, что цель курса — знакомство с Интернет-технологиями.

 

Физическая структура сети включает

· информационную сеть — сеть хост-компьютеров или рабочих станций. Задача — предоставление информационных и вычислительных услуг для пользователей

· сеть передачи данных (СПД) — сеть коммутационного оборудования, компьютеров, коммуникационного оборудования и линий связи. Задача: доставка сообщений для информационной сети

 

Основная схема работы Интернета опирается на так называемую модель «клиент-сервер». Информационная сеть состоит из клиентов, которые нуждаются в предоставлении информационных услуг, и серверов, которые эти услуги предоставляют. Ля обеспечения этих возможностей необходимо определить язык их общения. Этот язык определяется набором так называемых протоколов.

 

Прежде чем начать знакомиться с ними, рассмотрим формальную логическую модель компьютерной сети.

Логическая организация сети

 

Основные требования, которым должна удовлетворять организация сетей:

- открытость - возможность включения дополнительных рабочих станций, терминалов, узлов и линий связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов;

- гибкость - сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя ЭВМ, линий и узлов связи, а также возможность работы любых рабочих станций с терминалами различных типов;

- эффективность - обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.

Для обеспечения указанных требований организация управления работой сети строится по многоуровневой схеме, в основе которой лежат понятия процесса, уровня управления, интерфейса и протокола.

 

Процессы

Функционирование сети представляется в терминах процессов.

Процесс— это динамический объект, реализующий собой целенаправленный акт обработки данных. Процессы подразделяются на два класса: прикладные и системные.

Прикладной процесс заключается в выполнении прикладной программы или обрабатывающей программы операционной системы, а также в функционировании терминала, т.е. пользователя, работающего на терминале.

Системный процесс — заключается в выполнении программы (алгоритма), реализующей вспомогательную функцию, связанную с обеспечением прикладных процессов: активизация терминала для прикладного процесса, организация связи между процессами и др.

Процесс порождается программой или пользователем и связан с данными, поступающими извне в качестве исходных и формируемыми процессом для внешнего использования.

 

Сообщение. Ввод данных, необходимых процессу, и вывод данных производится в форме сообщений - последовательностей данных, имеющих законченное смысловое значение.

 

Порт. Ввод сообщений в процесс и вывод сообщений из процесса производится через логические (программно-организованные) точки, называемые портами. Порты подразделяются на входные и выходные. Таким образом, процесс как объект представляется совокупностью портов, через которые он взаимодействуете другими процессами сети.

Взаимодействие процессов сводится к обмену сообщениями, которые передаются по каналам, создаваемым средствами сети.

 

Сеанс. Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом (сессией). Важно подчеркнуть, что в компьютере взаимодействие процессов обеспечивается за счет доступа к общим для них данным (общей памяти) и обмена сигналами прерывания. В вычислительных сетях единственная форма взаимодействия процессов - обмен сообщениями. Это отличие связано с территориальной распределенностью процессов в вычислительных сетях, а также с тем, что для физического сопряжения компонентов сети используются каналы связи, которые обеспечивают передачу сообщений, но не отдельных сигналов.

 

Уровни управления

Основная задача компьютерной сети — обеспечение надежного взаимодействия прикладных процессов. Под прикладными процессами понимают процессы ввода, хранения, обработки и выдачи информации для пользователя.

Для обеспечения этой задачи необходимо выполнить чрезвычайно много разнообразных операций. Эта задача чрезвычайно сложная и для ее решения потребуется объединение большого числа разработчиков. А это станет возможным лишь после предварительного разбиения требуемых функций на отдельные подфункции и создание спецификаций их и принципов их согласованного взаимодействия. В результате решения этой задачи были предложены так называемые многоуровневые модели, описывающие функционирование сети.

За каждым уровнем закрепляется фиксированная часть функций и в соответствии с ними уровню присвоено определенное название, отражающее его назначение. Уровни подстраховывают и проверяют работу друг друга.

Рассмотренная семиуровневая модель, именуемая архитектурой взаимодействия открытых систем (модели OSI), принята в качестве стандарта Международной организации по стандартизации (МОС / ISO) и используется как основа при разработке вычислительных сетей. (Создана в период 1977 по 1984 год)

Каждый уровень OSI-модели отвечает за отдельные специфические

функции в коммуникациях и реализуется техническими и программными

средствами вычислительной сети.

 

Физический уровень

Уровень 1 – физический (physical layer) – самый низкий уровень

OSI-модели, определяющий процесс прохождения сигналов через среду

передачи между сетевыми устройствами (узлами сети).

 

.Реализует управление каналом связи:

• подключение и отключение канала связи;

• формирование передаваемых сигналов и т.п.

 

Описывает:

• механические, электрические и функциональные характеристики

среды передачи;

• средства для установления, поддержания и разъединения

физического соединения.

 

Обеспечивает при необходимости:

• кодирование данных;

• модуляцию сигнала, передаваемого по среде.

 

Данные физического уровня представляют собой поток битов

(последовательность нулей или единиц), закодированные в виде

электрических, оптических или радио сигналов.

 

Из-за наличия помех, воздействующих на электрическую линию

связи, достоверность передачи, измеряемая как вероятность искажения

одного бита, составляет 10-4 – 10-6. Это означает, что в среднем на 10000 – 1000000 бит передаваемых данных один бит оказывается искажённым.

 

Канальный уровень

Канальный уровень или уровень передачи данных (data link layer)

является вторым уровнем OSI-модели.

 

Реализует управление:

• доступом сетевых устройств к среде передачи, когда два или более

устройств могут использовать одну и ту же среду передачи;

• надежной передачей данных в канале связи, позволяющей

увеличить достоверность передачи данных на 2-4 порядка.

 

Описывает методы доступа сетевых устройств к среде передачи,

основанные, например, на передаче маркера или на соперничестве.

 

Обеспечивает:

• функциональные и процедурные средства для установления,

поддержания и разрыва соединения;

• управление потоком для предотвращения переполнения

приемного устройства, если его скорость меньше, чем скорость

передающего устройства;

• надежную передачу данных через физический канал с

вероятностью искажения данных 10-8 – 10-9 за счёт применения методов и

средства контроля передаваемых данных и повторной передачи данных

при обнаружении ошибки.

 

Таким образом, канальный уровень обеспечивает достаточно

надежную передачу данных через ненадежный физический канал.

Блок данных, передаваемый на канальном уровне, называется

кадром (frame).

 

На канальном уровне появляется свойство адресуемости

передаваемых данных в виде физических (машинных) адресов, называемых

также MAC-адресами и являющихся обычно уникальными

идентификаторами сетевых устройств.

 

Как будет показано в разделе 3, универсальные МАС-адреса в ЛВС

Ethernet и Token Ring являются 6-байтными и записываются в

шестнадцатеричном виде, причём байты адреса разделены дефисом,

например: 00-19-45-A2-B4-DE.

 

К процедурам канального уровня относятся:

• добавление в кадры соответствующих адресов;

• контроль ошибок;

• повторная, при необходимости, передача кадров.

На канальном уровне работают ЛВС Ethernet, Token Ring и FDDI.

 

Сетевой уровень

 

Сетевой уровень (network layer), в отличие от двух предыдущих,

отвечает за передачу данных в СПД и управляет маршрутизацией

сообщений – передачей через несколько каналов связи по одной или

нескольким сетям, что обычно требует включения в пакет сетевого адреса

получателя.

 

Блок данных, передаваемый на сетевом уровне, называется пакетом

(packet).

 

Сетевой адрес – это специфический идентификатор для каждой

промежуточной сети между источником и приемником информации.

 

Сетевой уровень реализует:

• обработку ошибок,

• мультиплексирование пакетов;

• управление потоками данных.

 

Самые известные протоколы этого уровня:

• Х.25 в сетях с коммутацией пакетов;

• IP в сетях TCP/IP;

• IPX/SPX в сетях NetWare.

 

Кроме того, к сетевому уровню относятся протоколы построения

маршрутных таблиц для маршрутизаторов: OSPF, RIP, ES-IS, IS-IS.

 

Транспортный уровень

Транспортный уровень (transport layer) наиболее интересен из

высших уровней для администраторов и разработчиков сетей, так как он

управляет сквозной передачей сообщений между оконечными узлами сети

("end-end"), обеспечивая надежность и экономическую эффективность

передачи данных независимо от пользователя. При этом оконечные узлы

возможно взаимодействуют через несколько узлов или даже через

несколько транзитных сетей.

 

На транспортном уровне реализуется:

1) преобразование длинных сообщений в пакеты при их передаче в

сети и обратное преобразование;

2) контроль последовательности прохождения пакетов;

3) регулирование трафика в сети;

4) распознавание дублированных пакетов и их уничтожение.

 

Способ коммуникации "end-end" облегчается еще одним способом

адресации – адресом процесса, который соотносится с определенной

прикладной программой (прикладным процессом), выполняемой на

компьютере. Компьютер обычно выполняет одновременно несколько

программ, в связи с чем необходимо знать какой прикладной программе

(процессу) предназначено поступившее сообщение. Для этого на

транспортном уровне используется специальный адрес, называемый

адресом порта. Сетевой уровень доставляет каждый пакет на конкретный

адрес компьютера, а транспортный уровень передаёт полностью собранное

сообщение конкретному прикладному процессу на этом компьютере.

 

Транспортный уровень может предоставлять различные типы

сервисов, в частности, передачу данных без установления соединения или

с предварительным установлением соединения. В последнем случае перед

началом передачи данных с использованием специальных управляющих

пакетов устанавливается соединение с транспортным уровнем компьютера,

которому предназначены передаваемые данные. После того как все данные

переданы, подключение заканчивается. При передаче данных без

установления соединения транспортный уровень используется для

передачи одиночных пакетов, называемых дейтаграммами, не гарантируя

их надежную доставку. Передача данных с установлением соединения

применяется для надежной доставки данных.

 

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень (session layer) обеспечивает обслуживание двух

"связанных" на уровне представления данных объектов сети и управляет

ведением диалога между ними путем синхронизации, заключающейся в

установке служебных меток внутри длинных сообщений. Эти метки

позволяют после обнаружения ошибки повторить передачу данных не с

самого начала, а только с того места, где находится ближайшая

предыдущая метка по отношению к месту возникновения ошибки.

Сеансовый уровень предоставляет услуги по организации и

синхронизации обмена данными между процессами уровня представлений.

 

На сеансовом уровне реализуется:

1) установление соединения с адресатом и управление сеансом;

2) координация связи прикладных программ на двух рабочих

станциях.

 

Уровень представления

Уровень представления (presentation layer) обеспечивает

совокупность служебных операций, которые можно выбрать на

прикладном уровне для интерпретации передаваемых и получаемых

данных. Эти служебные операции включают в себя:

• управление информационным обменом;

• преобразование (перекодировка) данных во внутренний формат

каждой конкретной ЭВМ и обратно;

• шифрование и дешифрование данных с целью защиты от

несанкционированного доступа;

• сжатие данных, позволяющее уменьшить объём передаваемых

данных, что особенно актуально при передаче мультимедийных данных,

таких как аудио и видео.

 

Служебные операции этого уровня представляют собой основу всей

семиуровневой модели и позволяют связывать воедино терминалы и

средства вычислительной техники (компьютеры) самых разных типов и

производителей.

 

Прикладной уровень

Прикладной уровень (application layer) обеспечивает

непосредственную поддержку прикладных процессов и программ

конечного пользователя, а также управление взаимодействием этих

программ с различными объектами сети. Другими словами, прикладной

уровень обеспечивает интерфейс между прикладным ПО и системой связи.

Он предоставляет прикладной программе доступ к различным сетевым

службам, включая передачу файлов и электронную почту

 

Заключение

Такая многоуровневая организация обеспечивает независимость управления на уровне п от порядка функционирования нижних и верхних уровней. В частности, управление каналом (уровень 2 ) происходит независимо от физических аспектов функционирования канала связи, которые учитываются только на уровне 1. Управление сетью базируется на использовании надежных каналов передачи данных и не зависит от способов, применяемых для обеспечения надежности на уровне 2.

 

Управление сетью реализует специфичные процессы передачи данных по сети, но транспортный уровень взаимодействует с сетью передачи данных как единой системой, обеспечивающей доставку сообщений абонентам сети.

В конечном результате прикладной процесс создается только для выполнения определенной функции обработки данных без учета структуры сети, типа каналов связи, способа выбора маршрутов и т. д. Этим обеспечивается открытость и гибкость системы.

 

Взаимодействие между процессами организуется средствами управления сеансами (уровень 5), которые работают на основе транспортного канала, обеспечивающего передачу сообщений в течение сеанса. Транспортный канал, создаваемый на уровне 4, включает в себя сеть передачи данных, которая организует связи, т. е. требуемые каналы, между любыми заданными абонентами сети.

 

Список литературы