Учебное пособие по информатике 2014. Основы информатики
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
Уровень 1. Физический. На физическом уровне определяются электрические, механические, функциональные и процедурные параметры для физической связи в системах. Физическая связь и неразрывная с ней эксплуатационная готовность являются основной функцией 1-го уровня. Стандарты физического уровня включают рекомендации V.24 МККТТ 213 (CCITT), EIA RS232 и Х.21,а так же стандарт ISDN (Integrated Services Digital Network). В качестве среды передачи данных используют трехжильный медный провод (экранированная витая пара), коаксиальный кабель, оптоволоконный проводник и радиорелейную линию. Уровень 2. Канальный. Канальный уровень формирует из данных, передаваемых 1-м уровнем, так называемые «кадры» и последовательности кадров. На этом уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой несколькими ЭВМ, синхронизация, обнаружение и исправление ошибок. Уровень 3. Сетевой. Сетевой уровень устанавливает связь в вычислительной сети между двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличия сетевого адреса в пакете. Сетевой уровень должен также обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирование, управление потоками данных. Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства (маршрутизаторы) условно называют устройствами третьего уровня (по номеру уровня в модели OSI). Протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6 (Internet Protocol), IPX (Internetwork Packet Exchange, протокол межсетевого обмена), X.25 (частично этот протокол реализован на уровне 2), CLNP (сетевой протокол без организации соединений), IPsec (Internet Protocol Security). Протоколы маршрутизации - RIP (Routing Information Protocol), OSPF (Open Shortest Path First) Рисунок 5.16 – Передача IP-пакетов на сетевом уровне не зависит от того, как соединены абоненты Уровень 4. Транспортный. Транспортный уровень поддерживает непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом пользовательскими процессами. Качество транспортировки, безошибочность передачи, независимость вычислительных сетей, сервис транспортировки из конца в конец, минимизация затрат и адресация связи гарантируют непрерывную и безошибочную передачу данных. 214 Протокол UDP (User Datagram Protocol) является одним из двух основных протоколов транспортного уровня, расположенных непосредственно над IP. Он предоставляет прикладным процессам транспортные услуги, которые не многим отличаются от услуг, предоставляемых протоколом IP. Протокол UDP обеспечивает ненадежную доставку датаграмм и не поддерживает соединений из конца в конец. Другими словами, его пакеты могут быть потеряны, продублированы или прийти не в том порядке, в котором они были отправлены. К заголовку IP- пакета он добавляет два поля, одно из которых, поле "порт", обеспечивает мультиплексирование информации между разными прикладными процессами, а другое поле - "контрольная сумма" - позволяет поддерживать целостность данных. Примерами сетевых приложений, использующих UDP, являются NFS и SNMP. Рисунок 5.17 – Особенности протокола UDP В стеке протоколов TCP/IP протокол TCP (Transmission Control Protocol) работает, как и протокол UDP, на транспортном уровне. Протокол TCP предоставляет транспортные услуги, отличающиеся от услуг UDP. Вместо ненадежной доставки датаграмм без установления соединений, он обеспечивает гарантированную доставку с установлением соединений между прикладными процессами в виде байтовых потоков. Протокол TCP используется в тех случаях, когда требуется надежная доставка сообщений. Он освобождает прикладные процессы от необходимости использовать таймауты и повторные передачи для обеспечения надежности. Наиболее типичными прикладными процессами, использующими TCP, являются FTP и TELNET. Кроме того, TCP используют система X-Window, rcp (remote copy - удаленное копирование) и другие "r- 215 команды". Реализация TCP требует большой производительности процессора и большой пропускной способности сети. Внутренняя структура модуля TCP гораздо сложнее структуры модуля UDP. Рисунок 5.18 – Особенности протокола TCP Уровень 5. Сеансовый. Сеансовый уровень координирует прием, передачу и выдачу одного сеанса связи. Для координации необходимы: контроль рабочих параметров, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу имеющихся в распоряжении данных. Кроме того, сеансовый уровень содержит дополнительно функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасположенных уровнях. Уровень 6. Представления данных. Уровень представления данных предназначен для интерпретации данных; а также подготовки данных для пользовательского прикладного уровня. На этом уровне происходит преобразование данных из кадров, используемых для передачи данных в экранный формат или формат для печатающих устройств оконечной системы. Уровень 7. Прикладной. В прикладном уровне необходимо предоставить в распоряжение пользователей уже переработанную информацию. С этим может справиться системное и пользовательское прикладное программное обеспечение. 216 Архитектура ЛВС Архитектура сети описывает не только физическое расположение сетевых устройств, но и тип используемых адаптеров и кабелей. Кроме того, сетевая архитектура определяет методы передачи данных по кабелю. Одноранговая сеть. В одноранговой сети все компьютеры равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера, и, как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент и как сервер. Все пользователи самостоятельно решают, какие данные на своем компьютере сделать доступными для всех. Одноранговую сеть называют также рабочей группой. Рабочая группа - это небольшой коллектив, поэтому в одноранговой сети, как правило, не более 10 компьютеров. Одноранговые сети относительно просты. Поскольку каждый компьютер является и клиентом и сервером, нет необходимости в мощном центральном сервере или в других компонентах, обязательных для более сложных сетей. Одноранговые сети обычно дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных и дорогих компьютеров. В одноранговой сети требования к производительности и к уровню защиты для сетевого программного обеспечения, как правило, ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Выделенные серверы функционируют исключительно в качестве серверов, но не клиентов или рабочих станций. Практически во все современные операционные системы встроена поддержка одноранговых сетей. Поэтому, чтобы установить одноранговую сеть дополнительного программного обеспечения не требуется. Одноранговая компьютерная сеть в общем виде выглядит так: компьютеры расположены на рабочих столах пользователей; пользователи сами выступают в роли администраторов и сами обеспечивают защиту информации; для объединения компьютеров в сеть применяется простая кабельная система. Если эти условия выполняются, то, скорее всего, выбор одноранговой сети будет правильным. Защита подразумевает установку пароля на разделяемый ресурс, например, на каталог. Централизованно управлять защитой в одноранговой сети очень сложно, так как каждый пользователь устанавливает ее самостоятельно, да и общие ресурсы могут находиться на всех компьютерах, а не только на центральном сервере. Такая ситуация представляет серьезную угрозу для всей сети, кроме того некоторые пользователи могут вообще не устанавливать защиту. Сети на основе сервера. Если к сети подключено более 10 пользователей, то одноранговая сеть, где компьютеры выступают в роли клиентов, и серверов, может оказаться 217 недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей используют выделенные серверы. Выделенным (dedicated)называется такой сервер, который функционирует только как сервер. Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом. С увеличением размеров сети и объемов сетевого трафика необходимо увеличивать количество серверов. Распределение задач среди нескольких серверов гарантирует, что каждая задача будет выполняться самым эффективным способом из всех возможных. Круг задач, которые должны выполнять серверы, многообразен и сложен. Чтобы приспособиться к возрастающим потребностям пользователей, серверы в больших сетях стали специализированными. Например, в сети на базе ОС Windows существуют различные типы серверов. Файл-серверы и принт-серверы управляют доступом соответственно к файлам и принтерам, на серверах приложений выполняются прикладные части клиент-серверных приложений, а так же находятся данные, доступные клиентам. Например, чтобы упростить извлечение данных, серверы хранят большие объемы информации в структурированном виде. Эти серверы отличаются от файл-серверов и принт-серверов. В принт-серверах файл или данные целиком копируются на запрашиваемый компьютер. А в сервере приложений на запрашиваемый компьютер посылаются только результаты запроса. Приложение-клиент на удаленном компьютере получает доступ к данным, хранимым на сервере приложений. Однако вместо всей базы данных на ваш компьютер с сервера загружаются только результаты запроса. В расширенной сети использование серверов различных типов становится наиболее актуальным. Поэтому необходимо учитывать всевозможные нюансы, которые могут проявиться при разрастании сети, с тем, чтобы изменение роли определенного сервера в дальнейшем не отразилось на работе всей сети. Основным аргументом при работе в сети на основе выделенного сервера является, как правило, защита данных. В таких сетях проблемами безопасности может заниматься один администратор. Поскольку жизненно важная информация расположена централизованно, то есть сосредоточена на одном или нескольких серверах, нетрудно обеспечить ее регулярное резервное копирование. Благодаря избыточным системам данные на любом сервере могут дублироваться в реальном времени, поэтому в случае повреждения основной области хранения данных информация не будет потеряна – легко воспользоваться резервной копией. Сети на основе сервера могут поддерживать тысячи пользователей. Сетью такого размера, будь она одноранговой, невозможно было бы управлять. Так как компьютер пользователя не выполняет функции сервера, требования к его характеристикам зависят от самого пользователя. 218 Топологии вычислительной сети Топология типа «звезда» Концепция топологии сети в виде звезды (star) пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети, который представляет собой коммутатор (ранее – концентратор). Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает. Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей могут быть довольно высокими, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии. Рисунок 5.19 – Топология в виде звезды При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи; к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети. Топология в виде звезды является наиболее популярной и самой быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях. Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности коммутатора. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Вместе с тем при обрыве связи с одной из станций вся остальная сеть будет 219 работать без малейших проблем. Кольцевая топология При кольцевой (ring) топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, 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. Коммуникационная связь замыкается в кольцо. Рисунок 5.20 – Кольцевая топология Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию). Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять «в дорогу» по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть. 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 вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко. Часто используют двойное двунаправленное кольцо для того, чтобы проблема со станцией или обрыв провода не приводил к параличу всей сети. Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями. 220 Шинная топология При шинной (bus) 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 5.21 – Шинная топология 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. К окончанию магистрального провода с двух сторон подключены специальные устройства - терминаторы, представляющие собой резисторы сопротивлением 50 Ом для согласования нагрузки и предотвращения отражения сигнала. В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кабель (от англ. Cheap - дешевый) с тройниковым соединителем (или Т-соединением). Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы. Любой обрыв шины также приводит к остановке обмена информацией в сети. В настоящее время топология "шина" практически не встречается. Смешанная структура ЛВС Наряду с известными топологиями вычислительных сетей - кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированная, например, гибридная структура. Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Вычислительные сети с гибридной структурой применяются там, где нерационально (или невозможно) непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде. Ячеистая (mesh) топология сети напоминает структуру соединения узлов в Internet, т.е. между узлами существует два и более маршрутов прохождения пакетов. 221 Рисунок 5.22 – Гибридная топология Рисунок 5.23 – Ячеистая топология Сетевые устройства и средства коммуникаций В качестве средств коммуникации наиболее часто используются витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконные линии. При выборе типа кабеля учитывают следующие показатели: стоимость монтажа и обслуживания; скорость передачи информации; ограничения на величину расстояния передачи информации без дополнительных усилителей-повторителей (репитеров/repeater); безопасность передачи данных. Главная проблема заключается в одновременном обеспечении этих показателей, например, наивысшая скорость передачи данных ограничена максимально возможным расстоянием передачи данных, при котором еще обеспечивается требуемый уровень защиты данных. Легкая наращиваемость 222 и простота расширения кабельной системы влияют на ее стоимость. Виды используемых кабелей и сетевого оборудования Оптоволоконные линии. Наиболее дорогими являются оптопроводники, называемые также стекловолоконным кабелем. Скорость распространения информации по ним достигает десятков гигабит в секунду. Допустимое удаление более 50 км. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. На данный момент это наиболее дорогостоящее соединение для ЛВС. Применяются они там, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей. Они обладают противоподслушивающими свойствами, так как техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна. Оптопроводники объединяются в ЛВС с помощью звездообразного соединения. а) б) Рисунок 5.24 – а) оптоволоконный кабель для внешней прокладки; б) SC- и FC-коннекторы Защитный слой (бронирование) Изолирующая оболочка Медная фольга Токоведущие жилы Стальная защитная трубка Оптические волокна 223 Витая пара. Наиболее дешевым и самым популярным в настоящее время кабельным соединением является витое двухжильное проводное соединение часто называемое «витой парой» (twisted pair или unshielded twisted pair/UTP). Она позволяет передавать информацию со скоростью до 1000 Мбит/с, легко наращивается, однако не защищена от помех. Длина кабеля не может превышать 1000 м при скорости передачи 1 Мбит/с (ограничение для ЛВС обычно составляет 100 м). Преимуществами являются низкая цена и простота установки. Для повышения помехозащищенности информации часто используют экранированную витую пару (shielded twisted pair/STP), т.е. витую пару, помещенную в экранирующую оболочку, подобно экрану коаксиального кабеля. Это увеличивает стоимость витой пары, однако позволяет достичь скоростей в десятки Гигабит/с (рисунок 5.25). Разъемы 8P8C (обычно называемые RJ-45) очень компактны, имеют пластмассовый корпус и восемь миниатюрных контактных площадок. Рисунок 5.25 – Неэкранированная и экранированная витая пара |