Конспект лекций. Лекция История развития систем и сетей передачи данных Цель и задачи дисциплины, её место в направлении обучения и связь с другими дисциплинами. Цель преподавания дисциплины
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
Лекция 5. Процесс передачи сообщений в OSI-модели Транспортный, сеансовый, представительский и прикладной уровни (уровни 4-7) относятся к высшим уровням OSI-модели. В отличие от низших уровней (1 - 3) они отвечают за коммуникации типа "end-end", т.е. коммуникации между источником и приемником сообщения. В соответствии с OSI-моделью сообщения в передающем узлеА (компьютере) проходят вниз через все уровни от верхнего У7 до самого нижнего ух (рис. 1.20), причем многоуровневая организация управления процессами в сети порождает необходимость модифицировать на каждом уровне передаваемые сообщения применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Модификация заключается в добавлении к сообщению на каждом уровне соответствующих заголовков 3/ и концевиков К/, называемых обрамлением сообщения, в которых содержится информация об адресах взаимодействующих объектов, а также информация, необходимая для обработки сообщения на данном уровне.  Когда сообщение достигает низшего (физического) уровня Уь оно пересылается к другому узлуВ в виде потока битов, представляющего собой физические сигналы (электрические, оптические или радиоволны) передающей среды. В приемном узле (компьютере) сообщение от нижнего физического уровня Ух проходит наверх через все уровни, где от него отсекаются соответствующие заголовки и концевики. Таким образом, каждый уровень оперирует с собственным заголовком и концевиком, за счет чего обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений. IEEE-модель локальных сетей Институт инженеров по электронике и электротехнике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) предложил вариант OSI-модели, используемый при разработке и проектировании локальных сетей и получивший название IEEE-модели. В IEEE-модели канальный уровень разбивается на два подуровня (рис.1.21): • подуровень управления доступом к среде передачи (Medium Access Control, МАС-подуровень), описывающий способ доступа сетевого устройства к среде передачи данных; • подуровень управления логическим соединением (Logical Link Control, LLC-подуровень), описывающий способ установления и завершения соединения, а также способ передачи данных.
LLC-подуровень предоставляет более высоким уровням возможность управлять качеством услуг и обеспечивает сервис трех типов: 1) сервис без установления соединения и без подтверждения доставки; 2) сервис без установления соединения с подтверждением доставки; 3) сервис с установлением соединения. Сервис без установления соединения и подтверждения доставки не гарантирует доставку данных и обычно применяется в приложениях, использующих для контроля передачи данных и защиты от ошибок протоколы более высоких уровней. Сервис с установлением соединения обеспечивает надежный обмен данными. Главной функцией МАС-уровня является обеспечение доступа к каналу передачи данных. На этом уровне формируется физический адрес устройства, который называется МАС-адресом. Каждое устройство сети идентифицируется этим уникальным адресом, который присваивается всем сетевым устройствам. Понятие интерфейса и протокола Описание сетевой технологии и алгоритма функционирования компьютерной сети связано с описанием соответствующих интерфейсов и протоколов. Интерфейс - соглашение о взаимодействии (границе) между уровнями одной системы, определяющее структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями OSI-модели. Интерфейсы подразделяются на: 1) схемные - совокупность интерфейсных шин; 2) программные - совокупность процедур, реализующих порядок взаимодействия между уровнями. Протокол - совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры взаимодействия процессов одноименных уровней на основе обмена сообщениями. Описание протокола предполагает задание: 1) логической характеристики протокола, определяющей структуру (формат) и содержание (семантику) сообщений путём перечисления типов сообщений и их смысла; 2) процедурной характеристики протокола, представляющей собой правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия и задаваемых в форме: операторных схем алгоритмов, автоматных моделей, сетей Петри и др. Рис. 1.22 иллюстрирует понятия интерфейсов и протоколов и их соответствие уровням OSI-модели.  Как сказано выше, каждая сетевая технология характеризуется совокупностью протоколов и интерфейсов разных уровней OSI-модели. Совокупность протоколов всех уровней некоторой сетевой технологии называется стеком протоколов. В настоящее время существует большое количество разнообразных сетевых технологий и соответствующих им стеков протоколов, наиболее известными и распространёнными среди которых являются стеки протоколов: TCP/IP, XNS, IPX, AppleTalk, DECnet, SNA. Краткое описание перечисленных стеков протоколов приводится в конце данного раздела (см. п.1.7). Протокольные блоки данных (PDU) Данные, передаваемые на разных уровнях в сети, формируются в виде блоков, называемых протокольными блоками данных (Protocol Data Unit - PDU). PDU представляет собой единицу данных, передаваемую как единое целое и имеющую обрамление в виде заголовка со служебной информацией (адрес отправителя, адрес получателя, длина блока и т.п.) и, возможно, концевика. На разных уровнях OSI-модели используются разные PDU, имеющие специальные названия. Наибольшее распространение получили следующие названия блоков данных: сообщение, дейтаграмма, пакет, кадр (рис. 1.23).  Сообщение (message) - блок данных, рассматриваемых как единое целое при передаче между двумя пользователями (процессами) и имеющих определенное смысловое значение. Сообщения используются на 7-м уровне OSI-модели для передачи данных между прикладными процессами и могут иметь произвольную длину. Кадр (frame) - блок данных 2-го (канального) уровня OSI-модели, имеющий ограниченную длину и передаваемый как единое целое в локальной сети или по выделенному каналу связи между двумя узлами. Пакет (packet) - блок данных на 3-го (сетевого) уровня OSI-модели, имеющий ограниченную длину и представляющий собой единицу передачи данных в СП Д. Дейтаграмма (datagram) - блок данных 4-го (транспортного) уровня OSI-модели, передаваемый дейтаграммным способом без установления соединения. Предельный размер кадра, пакета и дейтаграммы зависит от сетевой технологии и устанавливается соответствующими протоколами, определяющими формат и допустимый размер блока данных. Кроме перечисленных названий в стеке протоколов TCP/IP блок данных протокола TCP называется сегментом, который получается путём вырезания из неструктурированного потока байтов, поступающих к протоколу TCP в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня. Для блоков данных 5-го и 6-го уровней OSI-модели нет устоявшихся общепринятых названий, что в значительной степени обусловлено отсутствием этих уровней в наиболее распространённом стеке протоколов TCP/IP. Отметим, что в ATM-сетях данные передаются в виде блоков фиксированного размера в 53 байта, которые называются ячейками (cell). Лекция 6. Сетевая операционная система Основной задачей сетевой операционной системы (ОС) является организация процессов обработки и передачи данных в компьютерной сети, связанная, в том числе, с разделением ресурсов сети (например, дискового пространства) и администрированием сети (определение разделяемых ресурсов, паролей и прав доступа для каждого пользователя или группы пользователей). Для решения этих задач сетевая операционная система, в отличие от операционной системы ЭВМ, должна обладать встроенными возможностями для работы в сети за счёт дополнительных функций, таких как: • поддержка функционирования сетевого оборудования -маршрутизаторов, коммутаторов, шлюзов и т.п.; • поддержка сетевых протоколов, включая протоколы маршрутизации и протоколы авторизации; • реализация доступа к среде передачи данных и к удалённым ресурсам сети и т.д. Совокупность операционных систем отдельных ЭВМ, входящих в состав вычислительной сети можно рассматривать как составную часть сетевой операционной системы. При этом разные ЭВМ могут работать под управлением как одинаковых, так и разных ОС (Windows ХР, Windows Vista, UNIX, NetWare, Solaris и т.д.). Последнее характерно для современных вычислительных сетей, объединяющих обычно множество компьютеров разных типов различных производителей. Все эти ОС обеспечивают управление вычислительным процессом и распределением ресурсов в каждой из конкретной ВС, выполняя следующие функции: • управление памятью, включая распределение и защиту памяти; • планирование и управление пользовательскими и системными процессами; • управление файлами и внешними устройствами; • защита данных и администрирование, включая поддержку отказоустойчивости аппаратных и программных средств; • обеспечение удобного интерфейса для прикладных программ и пользователей и т.д. Для обеспечения функций по обмену данными между ЭВМ сети операционные системы всех ЭВМ имеют в своём составе дополнительные компоненты - сетевые средства, организующие взаимодействие процессов, выполняющихся в разных ЭВМ, и разделение общих ресурсов между пользователями сети. Сетевые средства можно рассматривать как совокупность трёх составляющих: • серверная часть ОС, предназначенная для предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование; • клиентская часть ОС, обеспечивающая реализацию запросов доступа к удалённым ресурсам и услугам; • коммуникационная(транспортная) часть ОС, обеспечивающая совместно со средствами телекоммуникаций передачу данных в виде сообщений между пользователями вычислительной сети. Состав сетевой ОС показана на рис.1.24. Существуют специальные сетевые ОС, которым приданы функции обычных систем (например Windows NT) и обычные ОС, которым приданы сетевые функции (например Windows ХР). Сегодня практически все современные ОС имеют встроенные сетевые функции.  Примерами сетевых операционных систем могут служить: • Microsoft Windows (95, NT и более поздние); • Novell NetWare; • различные UNIX системы, такие как Solaris, и т.д. Реализация обмена данными между удаленными пользователями -одна из основных функций вычислительной сети. Эффективность передачи данных характеризуется совокупностью показателей (характеристик), в частности, временем и надежностью доставки сообщений, и в значительной степени зависит от структурной и функциональной организации вычислительной сети. Принципы структурной организации компьютерных сетей Структурная организация компьютерной сети определяется: 1) составом узлов (номенклатура и количество сетевых устройств, компьютеров и терминалов) и топологией сети передачи данных; 2) производительностью узлов обработки и передачи данных и пропускной способностью каналов связи. Одной из важнейшей составляющей структурной организации компьютерной сети является её топология, оказывающая существенное влияние как на качество передачи, так и на эффективность обработки данных. Ниже рассматриваются типовые топологии, используемые при построении компьютерных сетей, и проводится их сравнительный анализ. Сетевые топологии Многообразие типов компьютерных сетей обусловливает многообразие топологий, обеспечивающих выполнение заданных требований к качеству их функционирования. В современных компьютерных сетях наибольшее распространение получили следующие топологии (рис. 1.25): а) «Общая шина»; б) «Дерево»; в) «Звезда (узловая)»; г) «Кольцо»; д) «Полносвязная»; е) «Многосвязная (ячеистая)»; ж) «Смешанная». Следует различать физическую и логическую топологию сети. Физическая (структурная) топология отображает структурную взаимосвязь узлов сети. Логическая (функциональная) топология определяется функциональной взаимосвязью узлов сети, то есть отображает последовательность передачи данных между узлами сети. Физическая и логическая топологии сети, как мы увидим ниже, могут различаться. Топология «общая шина» (рис. 1.25,а), представляет собой кабель, называемый шиной или магистралью, к которому подсоединены компьютеры сети. Данные, передаваемые любым компьютером, занимают шину на всё время передачи, при этом остальные компьютеры, имеющие данные для передачи, должны ждать освобождения общей шины. Таким образом, в каждый момент времени передавать данные может только один компьютер сети, и пропускная способность общей шины некоторым образом распределяется между всеми компьютерами. Основным достоинством топологии «общая шина» является простота структурной и функциональной организации и, как следствие, дешевизна, что делает её наиболее привлекательной для локальных сетей. Недостаток этой топологии заключается в низкой надёжности сети - выход из строя общей шины приводит к полной остановке сети.  Топология «дерево» (рис. 1.25,6) формируется по принципу «минимума суммарной длины связей между узлами сети» и является основой для построения иерархических сетей. В таких сетях для передачи данных существует только один путь между двумя любыми узлами, что делает процедуру маршрутизации тривиальной. Топология «звезда» (рис. 1.25,в) содержит один центральный узел, к которому присоединяются все остальные узлы сети. В качестве центрального узла может выступать мощный компьютер, к которому присоединены менее мощные периферийные компьютеры. В этом случае центральный компьютер может предоставлять свои ресурсы (файлы, дисковое пространство, ресурсы процессора) периферийным компьютерам, либо выполнять функции маршрутизатора при обмене данными между компьютерами сети. Возможна и другая организация топологии «звезда», когда в качестве центрального узла используется сетевое устройство (например, концентратор или коммутатор), с помощью которого все компьютеры связаны в единую сеть и которое обеспечивает только обмен данными между компьютерами. Если в качестве центрального узла сети используется концентратор, то логическая топология сети может быть как «звезда», так и «общая шина». В топологии «кольцо» каждый узел связан с двумя другими узлами так, как это показано на рис.1.25,г), при этом данные, переданные каким-либо узлом, пройдя через все другие узлы сети, могут вернуться в исходный узел. Основным достоинством этой топологии по сравнению с рассмотренными выше топологиями является возможность передачи данных по двум направлениям, то есть наличие в каждом узле альтернативного пути, по которому могут быть переданы данные при отказе основного пути. При этом стоимость сети при небольшом количестве узлов соизмерима со стоимостью сетей с топологиями «звезда» и «дерево». Однако с увеличением количества узлов в сети стоимость может оказаться значительной. Топология «полносвязная» (рис. 1.25,д) формируется по принципу «каждый с каждым», то есть каждый узел сети имеет связь со всеми другими узлами. Такая топология является наиболее эффективной по всем основным показателям качества функционирования: надёжности, производительности и т.д., но из-за большой стоимости практически не используется. Топология «многосвязная» или «ячеистая» (рис. 1.25,е) представляет собой топологию произвольного вида, которая формируется по принципу «каждый узел сети связан с не менее чем двумя другими узлами», то есть для каждого узла сети всегда должен быть хотя бы один альтернативный путь. Такая топология может быть получена путем удаления из полносвязной топологии некоторых каналов связи (например, не использующихся для передачи данных или мало загруженных), что во многих случаях существенно снижает стоимость сети. Топология «смешанная» представляет собой любую комбинацию рассмотренных выше топологий и образуется обычно при объединении нескольких локальных сетей, например так, как это показано на рис.1.25,ж), где 3 сети с топологией «звезда» связаны в сеть с топологией «кольцо». Лекция 7. Сравнительный анализ топологии Сравнительный анализ топологий компьютерных сетей будем проводить на основе следующих признаков: 1) простота структурной организации, измеряемая количеством каналов связи между узлами сети; 2) надежность, определяемая наличием «узких мест», при отказе которых сеть перестаёт функционировать или же резко падает её эффективность, а также наличием альтернативных путей, благодаря которым, при отказах отдельных каналов и узлов, передача данных может осуществляться в обход отказавших элементов; 3) производительность сети, измеряемая количеством блоков данных (сообщений или пакетов), передаваемых в сети за единицу времени с учётом возможного снижения эффективной скорости передачи данных из-за конфликтов в сети; 4) время доставки сообщений (пакетов), измеряемое, например, в хопах (hop), представляющих собой число промежуточных каналов или узлов на пути передачи данных; 5) стоимость топологии, зависящая как от состава и количества оборудования (например, каналов при заданном количестве узлов), так и от сложности реализации. Перечисленные признаки взаимосвязаны. Естественно, что более эффективные топологии с позиций надёжности, производительности и времени доставки являются более сложными в реализации и, как следствие, более дорогими. Сравнение рассмотренных выше топологий будем проводить на качественном уровне, результаты которого представлены в виде табл. 1.1. В таблице наилучшему показателю соответствует значение 1, заключённое в фигурные скобки, а наихудшему показателю - значение 5. Таблица 1.1
|
