телекоммуникации. 1. элементы теории передачи информации информация, сообщение, сигнал Понятие информация
 Скачать 1.36 Mb.
|
5. СЕТИ ЭВМВ настоящее время в мире существует свыше 100 миллионов компьютеров, большая часть из которых объединена в различные информационно-вычислительные сети от малых локальных сетей в офисах и домах до глобальных сетей типа Internet. Настоящий раздел посвящен рассмотрению принципов построения и основных характеристик локальных вычислительных сетей. 5.1. Назначение локальных вычислительных сетей Локальная вычислительная сеть (ЛВС) – это сеть, объединяющая два или более компьютеров, с целью совместного использования программных и/или аппаратных ресурсов: принтеров, файлов, приложений, баз данных и т.п. Понятие локальная вычислительная сеть - (англ. LAN - Loсal Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям. В первых ЛВС объединялись от нескольких компьютеров до нескольких десятков компьютеров, расположенных на сравнительно небольшом удалении друг от друга: в одном офисе, на одном этаже здания, в одном здании. Рассмотрим преимущества, получаемые при объединении персональных компьютеров в ЛВС. Совместное использование аппаратных ресурсов Совместное использование аппаратных ресурсов позволяет использовать периферийные устройства, например, лазерные принтеры, со всех компьютеров, входящих в состав данной ЛВС. При этом повышается загрузка устройств и отпадает необходимость их дублирования на каждом компьютере. Совместное использование ресурсов процессора Объединение компьютеров в ЛВС позволяет обеспечить доступ каждого из компьютеров к использованию вычислительных мощностей одного или нескольких более производительных компьютеров, входящих в состав этой же сети. Также же, как и в предыдущем случае, это позволяет повысить загрузку и улучшить использование дорогостоящих устройств, а также исключить необходимость дублирования таких устройств на каждом рабочем месте. Совместное использование данных Совместное использование данных предоставляет возможность доступа и управления базами данных с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации. Совместное использование программных средств Объединение компьютеров в ЛВС позволяет использовать совместно не только аппаратные ресурсы, но и программные средства. Это преимущество становится особенно ощутимым в случае, когда та или иная программа требует при работе повышенных ресурсов компьютера (оперативной памяти, памяти накопителя на жестком диске, быстродействия процессора и т.п.). 5.2. Классификация ЛВС ЛВС принято делить на одноранговые сети и сети на основе выделенного сервера. В одноранговых сетях все пользователи компьютеров обладают одинаковыми правами. Право доступа других участников (пользователей) ЛВС к ресурсам того или иного компьютера определяет его владелец. Одноранговые сети способны эффективно функционировать, когда число компьютеров в сети не превышает нескольких десятков. При дальнейшем росте количества компьютеров в сети целесообразно использовать сети на основе выделенного сервера. Работа таких сетей строится на основе использования специального программного обеспечения – сервера, устанавливаемого на одном из компьютеров и предназначенного для обслуживания запросов, поступающих от других компьютеров сети- клиентов. Руководит работой сети на основе выделенного сервера администратор, который регистрирует пользователей сети, назначает им права доступа к сетевым ресурсам, отвечает за проведение грамотной политики безопасности сети, а также решает многие другие вопросы, необходимые для нормального функционирования сети. Количество компьютеров в сети на основе выделенного сервера может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен и больше. На практике при решении вопроса о доступе к различным ресурсам ЛВС на основе выделенного сервера очень часто реализуется комбинированный подход, при котором общие сетевые ресурсы находятся в ведении администратора, а ресурсами конкретного компьютера, как и в случае одноранговых сетей, распоряжается пользователь этого компьютера. 5.3. Базовая модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection) В общем случае передача сообщений в любых сетях реализуется на основе модели взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI). Эта модель была разработана в 1984 г. Международной организацией по стандартизации (англ. ISO - International Standards Organization). В соответствии с принятой терминологией открытыми системами называют любые устройства, принимающие участие в обмене сообщениями и реализованные на основе общепринятых международных стандартов. Соблюдение указанных стандартов является необходимым условием для того, чтобы эти устройства могли "понимать" друг друга Эталонная модель OSI делит общую проблему передачи сообщений между компьютерами через среду сети на семь менее крупных составных частей. Такая структуризация позволяет упростить решение каждой из составных частей и, следовательно, упростить до определенного уровня проблему передачи сообщений. Каждая из семи составных частей проблемы решается с помощью одного из уровней модели (рис.5.1).
Рисунок 5.1 Модель OSI Два самых низших уровня модели OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением; остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением. Кроме того, первые 3 уровня являются сетезависимыми. То есть их программная и аппаратная (для уровней 1 и 2) реализация зависит от конкретных характеристик сети. Остальные 4 уровня являются сетенезависимыми. Модель OSI описывает, каким образом сообщение проделывает путь через физический канал сети от одной прикладной программы (например, программы моделирования радиоэлектронных устройств) до другой прикладной программы, находящейся в другом компьютере. Т.к. сообщение, которое должно быть отослано, проходит вниз через уровни системы, по мере этого продвижения оно утрачивает привычную для человека форму представления и все больше приобретает ту форму, которую понимают компьютеры, а точнее протоколы, определяющие правила обработки сообщений на передающей и приемной сторонах. Уровень 1 расположен в основании модели и выполняет наиболее простые функции. Как правило, по мере увеличения номера уровня усложняются его функции. После того, как стали понятными основные особенности принципа деления на уровни модели OSI, можно приступить к обсуждению каждого отдельного уровня и его функций. Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для того, чтобы связь могла состояться. Физический уровень В функции физического уровня входит согласование таких характеристик, как типы используемых сигналов и скорость их передачи, уровни напряжений сигналов, типы разъемов и другие аналогичные характеристики. Канальный уровень Канальный уровень решает вопросы: - формирования кадров, включающих блоки данных пользователя, которые требуется передать по сети, и необходимую для их передачи служебную информацию, - проверки правильности передачи кадров, - передачи подтверждений на правильно переданные кадры, - отправки запросов на повторную передачу кадров, искаженных в процессе доставки, - управления доступом к среде передачи данных и ряд других важных вопросов. Сетевой уровень Сетевой уровень обеспечивает возможность передачи сообщений между двумя конечными системами, подключенными к разным сетям. Т.к. две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное расстояние и множество сетей, протоколы маршрутизации, находящиеся на сетевом уровне, отвечают за выбор оптимального маршрута через последовательность соединенных между собой сетей. Транспортный уровень В протоколах сетевого уровня, отвечающих за доставку сообщений между конечными системами, обменивающимися сообщениями, не предусмотрено никаких механизмов, обеспечивающих надежную доставку. Эту функцию берут на себя протоколы транспортного уровня. Для обеспечения надежной доставки сообщений, транспортный уровень предусматривает механизмы для установления, 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). Сеансовый уровень Как указывает его название, сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами вышележащего уровня и управляет обменом информации между ними. Уровень представления Данный уровень отвечает за то, чтобы сообщения, приходящие с прикладного уровня одной конечной системы (компьютера), были читаемыми для прикладного уровня другой конечной системы (компьютера) при условии, что они могут иметь различные операционные системы, аппаратную платформу и т.д.. При необходимости протоколы данного уровня осуществляют трансляцию между множеством форматов представления сообщений путем использования общего метаформата. Прикладной уровень Протоколы прикладного уровня отвечают за реализацию функций, относящихся к общесетевым приложениям: передачу файлов (FTP), передачу почтовых сообщений (POP-3, SMTP и др.), передачу сообщений в формате разметки гипертекста (HTTP) и другие. 5.4. Топологии вычислительной сети. Топология "Звезда" Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети – концентратор (hub).  Рисунок 5.2. Топология "звезда" Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла. Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии. При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети. Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от характеристик концентратора. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Топология "Кольцо" При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой последовательно, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Маршрут, по которому осуществляется передача сообщений, замыкается в кольцо.  Рисунок 5.3. Кольцевая топология Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них, если не предпринять специальных мер, вся сеть может оказаться неработоспособной. Топология "Общая шина" При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.  Рисунок 5.4. Топология "Общая шина" Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции. Иерархическая топология Наряду с известными топологиями вычислительных сетей: "кольцо", "звезда" и "шина", на практике применяется и комбинированная, например, иерархическая (древовидная) топология. Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где непосредственное применение базовых сетевых структур ("кольцо", "звезда", "шина"), в чистом виде реализовать затруднительно. Для подключения большого числа рабочих станций применяют концентраторы (рис. 5.4). Концентраторы могут быть пассивными или активными. Пассивный концентратор обычно используют как разветвитель. Он не осуществляет усиления сигнала. При этом сигнал, поступивший на один из портов (входов/выходов), передается одновременно на все остальные порты. Активный концентратор в отличие от пассивного осуществляет восстановление первоначального уровня сигнала и его формы. Эта процедура носит название регенерации сигнала.  Рисунок 5.5. Иерархическая топология Внешний вид концентратора показан на рис. 5.6. В зависимости от фирмы производителя и модели, его вид может изменяться.  Рисунок 5.6. Концентратор ЛВС Подключение к портам концентратора, показанного на рис.5.6, осуществляется с помощью 8-контактного разъема RJ-45, используемого с кабелем "витая пара" (рис.5.7).  Рисунок 5.7. Разъем RJ-45 Для того, чтобы компьютер мог передавать и принимать сообщения из сети, он должен иметь специальную плату – сетевой адаптер (синоним – сетевая карта). Эта плата устанавливается в слот расширения материнской платы компьютера. Ее типичный вид показан на рисунке 5.8. Если в качестве среды передачи ЛВС используется коаксиальный кабель, то для его подключения к сетевой карте применяются тройниковые соединители (T-connectors) (рис. 5.9).  Рисунок 5.9. Тройниковый соединитель для коаксиального кабеля 5.5. ЛВС стандарта Ethernet Сети стандарта Ethernet используют топологию "общая шина". В сетях Ethernet используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий (carrier-sense-multiple-access with collision detection, CSMA/CD). Этот метод используется исключительно в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения – это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Говорят, что кабель, к которому подключены все станции, работает в режиме коллективного доступа (multiple-access,MA). Все данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции, подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер для дальнейшей обработки. При описанном подходе возможна ситуация, когда две или более станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (рис. 5.10). Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует распространяющиеся в нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать. Но даже при таком алгоритме две станции практически одновременно (с учетом конечного времени распространения сигнала в кабеле) могут решить, что по шине в данный момент времени нет передачи, и начать одновременно передавать свои кадры. Говорят, что при этом происходит коллизия, так как сигналы обоих кадров накладываются друг на друга в общем кабеле, что приводит к их искажению. При этом ни один из сигналов, участвующих в коллизии, не будет принят правильно. Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collision detection, CD). Для увеличения вероятности немедленного обнаружения коллизии всеми станциями сети, ситуация коллизии усиливается посылкой в сеть станциями, начавшими передачу своих кадров, специальной последовательности битов, называемой jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция обязана прекратить передачу и ожидать в течение короткого случайного интервала времени, а затем может снова сделать попытку передачи кадра. Из описания метода доступа видно, что он носит случайный характер, и вероятность успешного получения в свое распоряжение общей среды зависит от загруженности сети, то есть от интенсивности возникновения в станциях потребности передачи кадров. При разработке этого метода предполагалось, что скорость передачи данных в 10 Мбит/с очень высока по сравнению с потребностями компьютеров во взаимном обмене данными, поэтому загрузка сети будет всегда небольшой. Это предположение остается часто справедливым и по сей день, однако уже появились приложения, работающие в реальном масштабе времени с мультимедийной информацией, для которых требуются гораздо более высокие скорости передачи данных. Поэтому наряду с классическим Ethernet'ом растет потребность и в новых высокоскоростных технологиях. Метод CSMA/CD определяет основные временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети:
 Рисунок 5.10. Схема возникновения коллизии в методе случайного доступа CSMA/CD (tp – задержка распространения сигнала между станциями A и B) Четкое распознавание коллизий всеми станциями сети является необходимым условием корректной работы сети Ethernet. Если какая-либо передающая станция не распознает коллизию и решит, что кадр данных ею передан верно, то этот кадр данных будет утерян, так как информация кадра исказится из-за наложения сигналов при коллизии, он будет отбракован принимающей станцией (скорее всего из-за несовпадения контрольной суммы). Конечно, скорее всего, искаженная информация будет повторно передана каким-либо протоколом верхнего уровня, например, транспортным или прикладным, работающим с установлением соединения и нумерацией своих сообщений. Но повторная передача сообщения протоколами верхних уровней произойдет через гораздо более длительный интервал времени (десятки секунд) по сравнению с микросекундными интервалами, которыми оперирует протокол Ethernet. Поэтому, если коллизии не будут надежно распознаваться узлами сети Ethernet, то это приведет к заметному снижению полезной пропускной способности данной сети. Все параметры протокола Ethernet подобраны таким образом, чтобы при нормальной работе узлов сети коллизии всегда четко распознавались. Именно для этого минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт (что вместе со служебными полями дает минимальную длину кадра в 72 байта или 576 бит). Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел бы распространиться до самого дальнего узла сети. Поэтому для скорости передачи данных 10 Мбит/с, используемой в стандартах Ethernet, максимальное расстояние между двумя любыми узлами сети не должно превышать 2500 метров. С увеличением скорости передачи кадров, что имеет место в новых стандартах, базирующихся на том же методе доступа CSMA/CD, например, Fast Ethernet, в котором передача сообщений осуществляется со скоростью 100 Мбит/с, максимальная длина сети уменьшается пропорционально увеличению скорости передачи. В стандарте Fast Ethernet она составляет 210 м, а в "гигабитном" Ethernet (1000 Мбит/с) ограничена 25 метрами. Независимо от реализации физической среды, в классическом Ethernet (10 Мбит/с) должны быть выполнены два ограничения, связанные с методом доступа:
Кроме того, каждый вариант физической среды добавляет к этим ограничениям свои ограничения, которые также должны выполняться. Значения основных параметров процедуры передачи кадра стандарта "Ethernet" приведено в таблице 5.1. Таблица 5.1.
|