Современные коммуникационные устройства персонального компьютера. Оборудование коммуникационных сетей Технические устройства для коммуникаций
3. Коммуникационные устройства локальных сетей
Ранее было показано, что работа в составе локальной сети требует корректного и эффективного выполнения определенных процедур канального уровня, начиная от формирования кадра с учетом алгоритмов контроля данных и восстановления искаженных или утерянных в процессе передачи данных (LLC подуровень) и заканчивая управлением доступом к разделяемой среде передачи данных (MAC подуровень). Все эти задачи канального уровня должны решаться каждым узлом локальной сети, поэтому все узлы обязательно содержат коммуникационные устройства (в компьютерных сетях – сетевые адаптеры, в CAN-сети – CAN-контроллеры), реализующие эти процедуры канального уровня. Зачастую задачи, решаемые этими устройствами, выходят за пределы канального уровня и, например, включают достаточно сложные процедуры контроля и диагностики работы элементов сети.
В локальных сетях, даже без разделения на логические сегменты, может потребоваться применение дополнительных коммуникационных устройств. Например, преобразование физической топологии «звезда» в логическую топологию «общая шина» или «кольцо» производится концентраторами (хабами). Хаб – наиболее простое коммуникационное устройство, его функции заключаются в ретрансляции поступающих на один из входных портов сообщений на другие выходные порты. Выполняя такие операции, хаб изменяет логическую топологию сети. Обычно порты хаба двунаправленные (вход / выход) и таких портов – несколько. Естественно, что хаб должен работать строго в соответствии с MAC-процедурами. Как правило, хабы выполняют дополнительные контрольные функции и могут отключать порты с некорректно работающими узлами сети. Хаб не является полноценным узлом локальной сети, т.е. он не имеет собственного MAC-адреса и не может быть ни отправителем, ни получателем сообщений. Таким образом, хаб объединяет отдельные физические сегменты сети в единую разделяемую среду передачи данных в соответствии с используемой сетевой технологией.
Для разделения единой среды передачи данных на логические сегменты в локальных сетях применяют более сложные коммуникационные устройства: мосты и коммутаторы. Мосты и коммутаторы также реализуют только MAC-процедуры и, следовательно, являются устройствами для решения задач канального уровня. Как правило, они тоже не имеют самостоятельных MAC-адресов и не могут быть ни отправителями, ни получателями сообщений. В отличие от хабов мосты и коммутаторы обеспечивают селективную ретрансляцию поступающих сообщений, разделяя локальную сеть на относительно самостоятельные логические сегменты. Если получатель сообщения находится в одном логическом сегменте с отправителем, поступившее сообщение не передается на другие выходные порты. Если поступившее сообщение адресовано в другой сегмент, оно либо повторяется на всех выходных портах, либо только на том, который соответствует адресуемому логическому сегменту. Для такой селективной ретрансляции мосты и коммутаторы должны производить анализ MAC-адресов всех поступающих сообщений. Очевидно, что эта необходимость существенно усложняет работу этих коммуникационных устройств. Обычно мост содержит один общий процессор обработки сообщений для всех портов и поэтому выполняет обработку сообщения только одного логического сегмента (порта). Остальные порты должны в это время принимать поступающие сообщения в буферные ЗУ и ожидать в очереди на обработку. Это может существенно снижать производительность сети.
Коммутаторы содержат процессоры обработки сообщений в каждом порту и поэтому обеспечивают независимую и одновременную обработку сообщений каждого логического сегмента (порта). Коммутаторы могут производить обработку сообщений с полной буферизацией или «на лету». Из-за относительно низкой производительности мосты в настоящее время практически не применяются.
Достаточно часто возникает необходимость в использовании в разных логических сегментах сети различных сетевых технологий. В этих случаях коммуникационные устройства должны на разных выходных портах реализовывать различные MAC-процедуры. Устройств, позволяющие объединять в единую сеть сегменты с разными сетевыми технологиями, принято называть шлюзами (gate way). Шлюзы, кроме функций коммутаторов, должны выполнять преобразование форматов сообщений и реализовывать необходимые MAC-процедуры для каждого сегмента. Особенно актуальны такие задачи в сложных составных сетях.
4. Техническая реализация коммутаторов
Для эффективной работы в коммутаторах необходимо обеспечить одновременную передачу сообщений между разными портами, т.е. пропускная способность должна соответствовать суммарной пропускной способности портов. Каждый порт должен содержать буферное ЗУ для хранения сообщений в случаях, когда выходной порт (или его канал связи) занят передачей другого сообщения. Наиболее жесткие требования по быстродействию предъявляются к коммутаторам при обработке сообщений «на лету».
В настоящее время используется три основных схемы реализации коммутаторов: коммутационные матрицы, разделяемую память, общую шину. Достаточно часто эти схемы могут комбинироваться в одном коммутаторе. Но в любом варианте реализации все порты коммутатора должны образовывать полносвязаную конфигурацию, т.е. сообщения из каждого порта должны при необходимости поступать в любой другой порт.
Коммутационная матрица (рис. 2) обеспечивает самый быстрый способ взаимодействия портов и представляет собой комбинационную логическую схему, обеспечивающую передачу сигналов от каждого порта к любому другому порту. Очень часто ее строят подобно многоступенчатым матричным дешифраторам, сигналы управляющие направлением передачи формируются на основе анализа MAC – адреса и добавляются к исходному сообщению (так называемый тэг), быстродействие элементов матрицы соизмеримо со скоростью передачи данных. Однако сложность коммутационной матрицы очень существенно возрастает при увеличении количества портов коммутатора.
Рис. 2. Реализация коммутационной матрицы с помощью двоичных переключателей
В коммутаторах с общей шиной (рис. 3) порты связаны высокоскоростной шиной, обеспечивающей производительность большую, чем суммарная производительность портов. Сообщения по внутренней шине должны передаваться небольшими порциями – ячейками, это необходимо для предотвращения задержек передачи других сообщений. Общая шина не предусматривает буферизации ячеек. Каждый порт принимает все ячейки, с помощью тэгов накапливает в буфере те ячейки, которые адресованы ему и передает их в выходной канал.
Рис. 3. Архитектура общей шины
Взаимодействие портов коммутатора можно организовать с помощью двухвходовой разделяемой памяти (рис. 4). Запись в разделяемую память из входных портов осуществляется также ячейками с помощью менеджера очередей, аналогичным образом производится чтение данных для передачи в выходные порты.
Рис. 4. Архитектура разделяемой памяти
Два последних способа предъявляют весьма высокие требования по быстродействию элементов коммутатора.
CAN контроллерами. Эти контроллеры выпускаются либо в виде отдельных интегральных схем, либо являются встроенными элементами более сложных устройств. CAN контроллер в комплекте с ИС CAN трансивера обеспечивает работу локальной сети, реализуя все необходимые функции: от управления доступом к разделяемой среде передачи данных (MAC - процедуры) до передачи сигналов по линии связи. Для HLP протоколов...
Три типа адресов: локальные, IP-адреса и символьные доменные имена. Локальный адрес – это адрес, используемый автономной системой (подсетью составной сети). Предполагается, что каждая автономная система может строиться по своей сетевой технологии, может иметь независимую систему адресации и использовать свои внутренние адреса. Если автономная система также является IP-сетью, локальный (внутренний) ...
Как цели образования, содержание образования, преподаватель, студенты, технологическая подсистема, включающая в себя средства, методы и формы обучения. 2. Повышение качеств знаний с помощью телекоммуникационной среды на уроках информатики В последнее время получают распространение средства «виртуальных миров» в Интернет, трехмерных объектов, являющихся усовершенствованной...
Подобная программа будет включена в план ФПКП, то оплата труда специалистов, проводящих повышение квалификации, будет производиться из средств ФПКП. Глава 2. Образовательные возможности компьютерной сети 2.1 Электронная почта Наиболее распространенной коммуникационной технологией и соответствующим сервисом в компьютерных сетях стала технология компьютерного способа пересылки и обработки...
Сетевой адаптер – это специальное устройство, которое предназначено для сопряжения компьютера с локальной сетью и для организации двунаправленного обмена данными в сети. Сетевая карта вставляется в свободный слот расширения на материнской плате и оборудована собственным процессором и памятью, а для подключения к сети имеет разъем типа RJ-45. Наиболее распространены карты типа PCI, которые вставляются в слот расширения PCI на материнской плате. В зависимости от применяемой технологии Ethernet, Fast Ethernet или Gigabit Ethernet и сетевой карты скорость передачи данных в сети может быть: 10, 100 или 1000 Мбит/с.
Сетевые кабели . В качестве кабелей соединяющих отдельные ПК и коммуникационное оборудование в локальных сетях применяются:
1. Витая пара – передающая линия связи, которая представляет собой два провода, перекрученных друг с другом с определенным шагом с целью снижения влияния электромагнитных полей.
2. Коаксиальный кабель – кабель, который состоит из одного центрального проводника в изоляторе и второго проводника расположенного поверх изолятора.
3. Оптический кабель – это кабель, в котором носителем информации является световой луч, распространяющийся по оптическому волокну.
Кроме того, в качестве передающей среды в беспроводных локальных сетях используются радиоволны в микроволновом диапазоне.
К коммуникационному оборудованию локальных сетей относятся : трансиверы, повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.
Часть оборудования (приемопередатчики или трансиверы, повторители или репитеры и концентраторы или hubs) служит для объединения нескольких компьютеров в требуемую конфигурацию сети . Соединенные с концентратором ПК образуют один сегмент локальной сети, т.е. концентраторы являются средством физической структуризации сети, так как, разбивая сеть на сегменты, упрощают подключение к сети большого числа ПК.
Другая часть оборудования (мосты, коммутаторы) предназначены для логической структуризации сети . Так как локальные сети являются широковещательными (Ethernet и Token Ring), то с увеличением количества компьютеров в сети, построенной на основе концентраторов, увеличивается время задержки доступа компьютеров к сети и возникновению коллизий. Поэтому в сетях, построенных на хабах, устанавливают мосты или коммутаторы между каждыми тремя или четырьмя концентраторами, т.е. осуществляют логическую структуризацию сети с целью недопущения коллизий.
Третья часть оборудования предназначена для объединения нескольких локальных сетей в единую сеть: маршрутизаторы (routers), шлюзы (gateways). К этой части оборудования можно отнести и мосты (bridges), а также коммутаторы (switches).
Повторители (repeater) – устройства для восстановления и усиления сигналов в сети, служащие для увеличения ее длины.
Приемопередатчики (трансиверы) – это устройства, предназначенные для приема пакетов от контроллера рабочих станций сети и передачи их в сеть. Трансиверы (конверторы) могут преобразовывать электрические сигналы в другие виды сигналов (оптические или радиосигналы) с целью использования других сред передачи информации.
Концентраторы или хабы (Hub) – устройства множественного доступа, которые объединяет в одной точке отдельные физические отрезки кабеля, образуют общую среду передачи данных или сегменты сети, т.е. хабы используются для создания сегментов и являются средством физической структуризации сети.
Мосты (bridges) – это программно – аппаратные устройства, которые обеспечивают соединение нескольких локальных сетей между собой. Мосты предназначены для логической структуризации сети или для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия.
Коммутаторы (switches) - программно – аппаратные устройства являются быстродействующим аналогом мостов, которые делят общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов с помощью одного или нескольких концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту коммутатора. При поступлении данных с компьютера - отправителя на какой-либо из портов коммутатор передаст эти данные, но не на все порты, как в концентраторе, а только на тот порт, к которому подключен сегмент, содержащий компьютер - получатель данных.
Маршрутизаторы (routers). Эти устройства обеспечивают выбор маршрута передачи данных между несколькими сетями, имеющими различную архитектуру или протоколы. Они обеспечивают сложный уровень сервиса, так как могут выполнять “интеллектуальные” функции: выбор наилучшего маршрута для передачи сообщения, адресованного другой сети; защиту данных; буферизацию передаваемых данных; различные протокольные преобразования. Маршрутизаторы применяют только для связи однородных сетей.
Шлюзы (gateway) – устройства (компьютер), служащие для объединения разнородных сетей с различными протоколами обмена. Шлюзы выполняют протокольное преобразование для сети, в частности преобразование сообщения из одного формата в другой.
Эффективность функционирования ЛВС определяется параметрами, выбранными при конфигурировании сети. Конфигурация сети базируется на существующих технологиях и мировом опыте, а также на принятых во всем мире стандартах построения ЛВС и определяется требованиями, предъявляемыми к ней, а также финансовыми возможностями организаций.
Исходя из существующих условий и требований, в каждом отдельном случае выбирается топология сети, кабельная структура, коммуникационное оборудование, протоколы и методы передачи данных, способы организации взаимодействия устройств, сетевая операционная система.
- (acoustic coupler) Устройство, используемое для подсоединения компьютера к обыкновенному телефону и позволяющее компьютеру посылать информацию по телефонной линии и получать информацию, отправленную через телефонную сеть другими компьютерами. Для … Словарь бизнес-терминов
мобильное (беспроводное) устройство - 3.23 мобильное (беспроводное) устройство : В контексте требований настоящего стандарта беспроводное коммуникационное устройство, которое в процессе использования удерживается возле уха в непосредственной близости к… …
СТО НОСТРОЙ 2.15.9-2011: Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Устройство систем распределенного управления. Монтаж, испытания и наладка. Требования, правила и методы контроля - Терминология СТО НОСТРОЙ 2.15.9 2011: Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Устройство систем распределенного управления. Монтаж, испытания и наладка. Требования, правила и методы контроля: 3.1 автоматизированная система (АС) : Система … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Древние (англ. Ancients) Вид Люди (первая эволюция) Родной мир Селестис (Галактика Орай) Земля (Млечный Путь) … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Орай. Орай (англ. Ori) Вид Люди (первая … Википедия
- (modem) Сокращение понятия модулятор демодулятор. Устройство позволяет компьютеру передавать и получать информацию, используя средства связи, такие, как телефонная. Модемы необходимы, поскольку цифровые электросигналы, производимые компьютером,… … Словарь бизнес-терминов
ГОСТ Р МЭК 62209-1-2008: Воздействие на человека радиочастотных полей от ручных и располагаемых на теле беспроводных устройств связи. Модели человека, измерительные приборы и процедуры. Часть 1. Порядок определения коэффициента удельного поглощения энергии для ручных устройств, используемых в непосредственной близости к уху (полоса частот от 300 МГц до 3 ГГц) - Терминология ГОСТ Р МЭК 62209 1 2008: Воздействие на человека радиочастотных полей от ручных и располагаемых на теле беспроводных устройств связи. Модели человека, измерительные приборы и процедуры. Часть 1. Порядок определения коэффициента… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Голограмма Млечного Пути Млечный Путь (лат. Via Lactea) или Авалон, как её называли Древние галактика в Местной Группе. Млечный Путь является родиной для многих рас, которые повлияли на историю Вселенной, включая Гоа’улдов, Тау’ри и… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Судьба (значения). Судьба «Судьба» на сверхсветовой скорости Первое появление «Воздух. Часть 1» Последнее появление … Википедия
Electronics Pty Ltd Год основания 1995 Расположение Перт (Австралия) Ключевые фигуры Mr Rod Macduff: Chairman and MD Отрасль радиокоммуникации, шифрование … Википедия
К коммуникационному оборудованию (сетевым устройствам) относятся специальные устройства для соединения линий связи, усиления сигнала, образования нужной сетевой топологии, адресной пересылки данных, защиты информации и т. д.
Пассивное коммуникационное оборудование - всевозможные соединители, разъемы, терминаторы (заглушки) и т. д. К активным оконечным сетевым устройствам относится сетевая карта (сетевой адаптер) и модем - устройства, соединяющие компьютер с линией связи. К активным промежуточным устройствам (на рис. 10 узлы, обозначенные символом «x ») относятся:
повторители и концентраторы - простейшие устройства для усиления сигнала и образования сетевых топологий «звезда» и «дерево»;
мосты и коммутаторы - устройства с функциями концентраторов, дополнительно выполняющие коммутацию (соединение) между станцией-источником и станцией-приемником для увеличения эффективной пропускной способности сети;
маршрутизаторы (роутеры) - сложные программируемые устройства, выполняющие функции маршрутизации - поиска оптимального пути прохождения данных, соединения сетей различных технологий.
Ранее маршрутизаторы часто называли шлюзами , теперь под шлюзом понимается специальный компьютер или аппаратное устройство на стыке двух сетей. Одной из функций шлюзов является перевод данных между сетями с отличающимися протоколами. Маршрутизация в шлюзах сводится только к соединению двух подсетей.
Межсетевой экран (брандмауэр) - это шлюз, фильтрующий трафик, поступающий в сеть, для борьбы с несанкционированным доступом из внешних по отношению к ней сетей.
3.6. Модель межсетевого взаимодействия iso/osi
Изложенный в данном пункте материал предназначен для более глубокого понимания процессов сетевого взаимодействия и является первой темой, изучаемой будущими разработчиками сетевого программного обеспечения, сетевым инженерами и системными администраторами.
Поскольку задача передачи информации на большие расстояния и между большим количеством станций сложнее проблемы ввода-вывода в отдельно стоящем компьютере, эта задача разбивается на отдельные подзадачи различного уровня. Процесс разбиения задачи на подзадачи называется её декомпозицией .
Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какую работу должен делать каждый уровень. Эта модель называется моделью взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) или моделью ISO/OSI .
Рис. 11 Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI.
Опишем кратко процесс передачи информации в компьютерных сетях, опираясь на модель OSI (рис. 11).
Уровни 1-2 - это, в основном, коммуникационное оборудование и их драйверы. Уровень 3 представлен маршрутизаторами и сетевым программным обеспечением. Уровни 4-7 - различные сетевые программы.
При появлении в Вычислительной системе 1 (ВС1) необходимости передачи информации по сети для Вычислительной системы 2 (ВС2) сетевая программа в ВС1 автоматически передает ее вниз по уровням, начиная с прикладного. Формат данных, правила их преобразования при переходе между двумя соседними уровнями называются интерфейсом .
При переходе на представительский уровень сообщение преобразуется другой служебной программой. К нему добавляется различная служебная информация в виде заголовков и иногда концевиков, содержащих, в числе прочего, информацию для контроля правильности доставки. Сообщение также может различным образом кодироваться. Затем сообщение передается программе сеансового уровня, на котором также происходит вложение сообщения в «конверт» из заголовка и концевика. Такой процесс вложения называется инкапсуляцией сетевых блоков данных.
То же происходит на транспортном и сетевом уровнях. Здесь для эффективной передачи по сети сообщение может быть разбито на более мелкие блоки - пакеты . В заголовки пакетов, в числе прочего, включается такая важнейшая для доставки информация, как адрес узла назначения - какой станции нужно доставить пакет.
На канальном уровне блоки данных имеют название кадры . На физическом уровне информация кодируется в электромагнитные сигналы , которые передаются по линиям связи. При приеме сигнала в ВС2 происходит обратное прохождение информации по уровням от 1 до 7. Программы и аппаратура ВС2 преобразуют информацию согласно установленным правилам. После прикладного уровня сообщение приобретает вид, пригодный для использования программами или пользователем.
Таким образом, сетевым программам и драйверам каждого из уровней 2-7 не нужно вникать в подробности проблем доставки нижних уровней. Программы ВС1 работают с такими же программами в ВС2, используя виртуальную связь, каждая на своем уровне. Формат данных, правила их передачи между двумя узлами на одном уровне называются сетевым протоколом . Компьютеры с различными протоколами несовместимы для передачи данных. Виды сетевых протоколов будут описаны ниже в этой главе.
Стеком (семейством) протоколов называется стандартизованный набор протоколов, охватывающий нескольких уровней. Раньше фирмы выпускали компьютеры и сетевое оборудование, поддерживающие только свои стеки протоколов, из-за чего возникали проблемы несовместимости. Сейчас все популярные стеки протоколов стали включаться в состав сетевых операционных систем различных производителей. Наиболее распространенные стеки коммуникационных протоколов - TCP/IP, NetBIOS/SMB, IPX/SPX.
Рассмотрим назначение и функции каждого уровня модели OSI более детально. Рекомендуется также доступное объяснение, приведенное в работе .
1) Физический уровень 1)определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активации, поддержания и дезактивации физического канала связи между конечными системами. Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, синхронизацию изменения напряжений, физическую (битовую) скорость передачи информации, максимальные расстояния передачи информации, физические соединители и другие аналогичные характеристики.
Этот уровень имеет дело с передачей сигналов по физическим каналам, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара или оптоволоконный кабель. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие, как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, такие как требования к фронтам импульсов, уровням напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются оконечными активными сетевыми устройствами - сетевой картой и модемом. Повторители являются единственным типом оборудования, которое работает только на физическом уровне.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский код для представления данных на кабеле, и другие характеристики среды и электрических сигналов.
2) Канальный уровень (формально называемый информационно-канальным уровнем) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой, логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления о неисправностях, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.
Так как на физическом уровне пересылаются просто сигналы, при этом не учитывается, что в некоторых сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другой его задачей является реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frame). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность битов в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.
В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместными усилиями сетевых адаптеров и их драйверов.
3) Сетевой уровень - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными узлами, подключенными к разным «подсетям», которые могут находиться в разных географических пунктах.
Так как две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, важнейшая задача сетевого уровня - маршрутизация. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей.
Протокол канального уровня обеспечивает доставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией (звезда, кольцо, дерево). Это очень жесткое ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой (ячеистые, смешанные), например, сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того чтобы с одной стороны сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой стороны допустить использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.
На этом уровне вводится более узкое понятие «сеть». В данном случае термин сеть (или подсеть ) означает совокупность компьютеров, соединенных между собой в соответствии с одной из типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.
Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется канальным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень. Блоки данных сетевого уровня принято называть «пакетами» (packet). При организации доставки пакетов на сетевом уровне используется понятие «номер сети». В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера компьютера в этой сети.
Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.Маршрутизатор - это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач («хопов» – hops) между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.
Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией , и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.
На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид определяет правила передачи пакетов конечных узлов. Другой вид протоколов - служебные протоколы обмена маршрутной информацией, с помощью которых маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений.
Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы реализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы.
Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.
4) Транспортный уровень. Граница между транспортным и сеансовым уровнями может быть представлена как граница между протоколами прикладного уровня и протоколами низших уровней. В то время как прикладной, представительский и сеансовый уровни заняты прикладными вопросами, четыре низших уровня решают проблемы транспортировки данных.
Канальный уровень занимается доставкой данных, сетевой - маршрутизацией, общая задача 2 и 3 уровня - доставка пакета к станции назначения. Одной из важнейших задач 4-го, транспортного уровня является доставка пакета нужному процессу, запущенному на данной станции, так как таких процессов может быть несколько.
Транспортный уровень пытается обеспечить услуги по транспортировке данных, которые избавляют высшие слои от необходимости вникать в ее детали. В частности, заботой транспортного уровня является решение таких вопросов, как выполнение надежной транспортировки данных через объединенную сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия виртуальных каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).
На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется.
В качестве примера транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.
5) Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления (сеансовый уровень обеспечивает своими услугами представительский уровень). Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительского уровня и управляет обменом информации между ними. В дополнение к основной регуляции диалогов (сеансов) сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительского и прикладного уровней.
Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того, чтобы начинать все с начала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он редко реализуется
6) Представительский уровень отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. В случаях необходимости уровень представления выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а на приеме, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных. На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
7) Прикладной уровень - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.
Прикладной уровень - это в действительности просто набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message) .
Существует очень большое разнообразие сервисов прикладного уровня. Приведем в качестве примеров протоколов прикладного уровня хотя бы несколько наиболее распространенных реализаций файловых сервисов: NCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.
Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.
Три нижних уровня - физический, канальный и иногда сетевой - являются сетезависимыми , то есть протоколы этих уровней тесно связаны с технической реализацией сети, с используемым коммуникационным оборудованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровня во всех узлах сети.
Три верхних уровня - сеансовый, уровень представления и прикладной - ориентированы на приложения и мало зависят от технических особенностей построения сети и являютсясетезависимыми . На протоколы этих уровней не влияют никакие изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию АТМ не потребует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного, представительного и сеансового уровней.
Транспортный и сетевой уровни являются промежуточными, они скрывают все детали функционирования нижних уровней от верхних уровней. Это позволяет разрабатывать приложения, независящие от технических средств, непосредственно занимающихся транспортировкой сообщений.
Рис. 11 показывает уровни модели OSI, на которых работают различные элементы сети. Компьютер с установленной на нем сетевой ОС, взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это взаимодействие компьютеры осуществляют через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа, коммуникационное устройство может работать либо только на физическом уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост и коммутатор), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транспортный уровень (маршрутизатор).
Проблемы совместимости.
Модель OSI представляет наиболее общую модель коммуникаций. Существуют другие модели и связанные с ними конкретные стеки протоколов, которые отличаются количеством уровней, их функциями, форматами сообщений, сервисами, предоставляемыми на верхних уровнях и прочими параметрами.
Эталонная модель OSI не является реализацией конкретной сети. Она только определяет функции каждого уровня. В этом отношении она напоминает план для постройки корабля. Точно так же, как для выполнения фактической работы по плану могут быть заключены контракты с любым количеством кораблестроительных компаний, любое число поставщиков сети могут построить протокол реализации по спецификации протокола. И если этот план не будет предельно понятным, корабли, построенные различными компаниями, пользующимися одним и тем же планом, пусть незначительно, но будут отличаться друг от друга. Примером самого незначительного отличия могут быть гвозди, забитые в разных местах.
Чем объясняется разница в реализациях одного и того же плана корабля (или спецификации протокола)? Частично эта разница вызвана невозможностью учесть в спецификации все возможные детали реализации. Кроме того, разные люди, реализующие один и тот же проект, всегда интерпретируют его немного по-разному. И, наконец, неизбежные ошибки реализации приводят к тому, что изделия разных реализаций отличаются исполнением. Этим объясняется то, что реализация протокола одной компании не всегда взаимодействует с реализацией этого же протокола, осуществленной другой компанией.
В коммуникационном оборудовании выделяют пассивное и активное оборудование. К пассивному оборудованию относят структурированную иерархическую кабельную систему. К активному коммуникационному оборудованию относят множество типов средств, среди них:
Оборудование для локальных компьютерных сетей;
Оборудование глобальных компьютерных сетей – межсетевое оборудование.
Основными компонентами локальных сетей являются (рисунок 7.6):
1. Сетевой сервер, который играет важную роль в управлении ЛВС. Он должен управлять накопителями на жестких дисках и поддерживать коллективные периферийные устройства. Большое значение имеет производительность сервера, при управлении информацией больших объемов и при большом количестве рабочих станций.
2. Рабочие места – автономные компьютерные системы, связанные в сеть и называемые рабочими станциями, автоматизированными рабочими местами и сетевыми станциями. В ЛВС персональный компьютер используется как рабочее место, располагающее своим собственным процессором с собственным внутренним накопителем и устройством ввода-вывода.
3. Сетевые усилители, или коммутаторы, а также концентраторы (хабы) используют для подключения большего количества рабочих станций.
4. Модем может связывать удаленных пользователей.
5. Периферийное оборудование (лазерные устройства печати, графопостроители, устройства факсимильной связи, модемы), подключенное к файловому серверу (или другому серверному устройству), можно использовать с любой рабочей станции.
6. Сетевые адаптеры. Центральный процессор соединяется с периферийным оборудованием специальным устройством. Для подключения одного ПК к другому требуется устройство сопряжения, которое называется сетевым адаптером или сетевым интерфейсом, модулем, картой. Оно вставляется в свободное гнездо материнской платы.
Рисунок 7.6 – Компоненты ЛВС
Межсетевое оборудование может включать следующие устройства:
1. Репитер - устройство согласования физических параметров частей (называемых сегментами) однотипной сети, увеличивающее протяженность тракта передачи информации. Он обеспечивает восстановление межсегментных пакетов, соединение разных сегментов, усиление ослабленного сигнала до необходимого уровня и фильтрацию его от шумов и помех.
2. Коммутаторы (хабы) расширяют топологические, функциональные и скоростные возможности компьютерных сетей. Хаб с набором разнотипных портов позволяет объединять сегменты сетей с различными кабельными системами. К порту хаба можно подключать как отдельный узел сети, так и другой хаб или сегмент кабеля.
3. Мост (bridge) – средство (аппаратное либо программное) логического соединения на канальном уровне двух сетей. В пределах допустимой длины строится отрезок сети – сетевой сегмент. Для объединения сетевых сегментов используются мосты – устройства, соединяющие две сети, использующие одинаковые методы передачи данных. Для сети персональных компьютеров мост – отдельная ЭВМ со специальным программным обеспечением и дополнительной аппаратурой. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем.
4. Маршрутизатор (router) объединяет сети с общим протоколом более эффективно, чем мост. Он позволяет, например, расщеплять большие сообщения на более мелкие куски, обеспечивая тем самым взаимодействие локальных сетей с разным размером пакета. Маршрутизатор может пересылать пакеты на конкретный адрес (мосты только отфильтровывают ненужные пакеты), выбирать лучший путь для прохождения пакета и многое другое. Чем сложней и больше сеть, тем больше выгода от использования маршрутизаторов.
5. Мостовой маршрутизатор (brouter) – это гибрид моста и маршрутизатора, который сначала пытается выполнить маршрутизацию, где это только возможно, а затем, в случае неудачи, переходит в режим моста.
6. Шлюз (gateway) в отличие от моста применяется в случаях, когда соединяемые сети имеют различные сетевые протоколы. Поступившее в шлюз сообщение от одной сети преобразуется в другое сообщение, соответствующее требованиям следующей сети. Таким образом, шлюзы не просто соединяют сети, а позволяют им работать как единая сеть. C помощью шлюзов также локальные сети подсоединяются к мэйнфреймам – универсальным мощным компьютерам.
Кроме коммуникационного оборудования любая компьютерная сеть нуждается в программных средствах, объединенных в операционную систему. Всемирно известной операционной системой вычислительных сетей является NetWare фирмы Novell. Функциями операционных систем наделены системы на платформе Windows.