Реферат. Учебное пособие санктПетербург 2012 министерство образования и науки российской федерации
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
В.М.БЕЛЬФОР, В.Н.СУРИКОВ СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АСУ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ  Санкт-Петербург 2012 МИНИСТЕРСТВО образования и науки РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙУНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ» 80-летию СПбГТУРП посвящается В.М.Бельфор, В.Н.Суриков СЕТЕВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АСУ Учебное пособие Рекомендовано Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» в качестве учебного пособия для специалистов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Санкт-Петербург 2012 ББК 32.968 я 7 Б 442 УДК 681.3 (075) Бельфор В.М., Суриков В.Н. Сетевые иформационные технологии АСУ : учебное пособие / СПбГТУРП. - СПб., 2012. -118 с.: ил.57. –ISBN 978-5-91646-029-2 Учебное пособие содержит 3 части, в которых рассмотрены вопросы построения систем, организации передачи информации в компьютерных и телекоммуникационных сетях, технологии сетей и повышения пропускной способности каналов связи, физические среды передачи информации, правовые основы работ по проектированию и модернизации информационных сетей предприятий и корпораций. Приводится пример построения сети на предприятии. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств». Рецензенты: зав. кафедрой «Информационно-измерительные технологии и системы управления, ИИТ и СУ» СПб ГТУРП, д-р техн. наук, профессор Кондрашкова Г.А.; профессор кафедры «Системы управления и автоматики» НИУ СПб ГУ ИТМО, д-р техн. наук Ушаков В.А. Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия. ISBN 978-5-91646-029-2 © Бельфор В.М., Суриков В.Н., 2012 © ГОУВПО Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, 2012 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие...................................................................................……....... 4 Введение ..........................................................................................…… 5 Часть I. Компьютерные сети в управлении ………………………… 7 Тема 1. Сети: их архитектура, принцип работы, сравнительныеХарактеристики ..................................................................... - Тема 2. Организация обмена информацией в сетях на базе модели ВОС/МОС ..............................................................16 Тема 3. Обмен в локальных вычислительных сетях ...................... 21 Тема 4. Представление информации в каналах связи ................... 29 Тема 5. Физические среды передачи данных ..................................38 Тема 6. Типовые технологии локальных вычислительных сетей ..................................................................................... 50 Часть II. Телекоммуникации общего пользования …………………. 58 Тема 7. Основы телефонии ................................................................ -Тема 8. Организация передачи информации в телефонной сети ……………………………............ 64 Тема 9. Коммутация и коммутаторы в телефонных и вычислительных сетях ....................................................... 72 Тема 10. Технологии сетей общего пользования ......................... 78 Тема 11. Мобильные телесистемы .................................................. 89 Тема 12. Интегрированные информационные сети……………… 97 Часть III. Модельное построение сети …………………………… 105 Тема 13. Правовые основания строительства промышленных сетей .................................................................................... - Тема 14. Пример построения сети на предприятии ................... 111 Библиографический список ……………………………………....... 118 ПРЕДИСЛОВИЕВ настоящем учебном пособии отражены вопросы применения современных информационных технологий для развития и модернизации АСУ технологическими процессами и производствами, которые часто строятся как модули в более масштабных вычислительных и телекоммуникационных сетях. Учебное пособие может быть использовано и для студентов непрофильных специальностей других вузов. Авторы выражают глубокую благодарность профессору СПбГУ телекоммуникаций им. проф. М.А.Бонч-Бруевича, доктору технических наук, академику «Международной академии «Информация, связь, управление» (МАИСУ)» и «Международной академии фундаментального образования (МАФО)» Я.С. Дымарскому за рекомендации в подборе материала для нового курса. Теплой признательности заслуживает преподавательский коллектив кафедры автоматизации технологических процессов и производств факультета АСУ ТП за поддержку при введении новой дисциплины в учебный процесс. Отдельное спасибо А.С. Навдаевой, А.А. Лукиной и М.В.Фоминой за компьютерный набор текста настоящего пособия. ВВЕДЕНИЕ В настоящее время практически не существует области производственных или общественных отношений, которая не использовала бы возможности информационных технологий. Их технической базой являются сети – компьютерные и телекоммуникационные. Да и сами компьютерные сети называют также сетями передачи данных, а в сетях телекоммуникаций все большую долю составляет оборудование цифровой вычислительной техники. Как в одних, так и в других сетях применяются одинаковые методы повышения производительности каналов передачи информации и ее маршрутизации. Поэтому можно говорить о нарождающемся более широком классе – классе информационных (инфокоммуникационных) сетей. Информационные сети – технические системы для хранения, передачи и генерации информации. Под информацией же принято понимать содержание, смысл сообщения, сделанного любым отправителем любому одному или многим получателям в любой форме с использованием подходящего носителя. Изучение обмена информацией в биологических системах основывается на выявлении сигналов – носителей информации, изучении их характеристик и закономерностей. Так обстоят дела, например, при работе с дельфинами. В технических же системах все регламентируется жестко: для перевода любого смысла в последовательность сигналов фиксированной природы применяется известный алгоритм, сигналы передаются от отправителя к получателю, принимающая сторона с использованием известного алгоритма (обратного примененному при отправлении) восстанавливает содержание, т.е. получает информацию. Именно такая жесткая регламентация позволила отождествить информацию и цифровые сигналы в технических системах и измерять их в одинаковых единицах – битах. Информацию же в биологических системах измерять еще не научились. И еще на один термин, широко используемый в технических системах передачи информации, хотелось бы обратить внимание. Когда сигналы, их группы или другие объекты следуют один за другим сплошным потоком переменной интенсивности по одному из фиксированного числа маршрутов, то сам поток с его характеристиками называют трафиком. Поэтому журналистский штамп о “наркотрафике”, применяемый к событиям эпизодического характера с неопределенным числом путей их осуществления, является некорректным. Предлагаемый курс носит, с одной стороны, информационный характер, знакомит с тем, что происходит в вычислительных сетях, как это обычно бывает и какова правовая база этих процессов. С другой стороны, в курсе содержатся сведения и рекомендации, связанные с размещением, выбором физической среды передачи информации в сетях управления как отдельными производствами, так и предприятиями и их объединениями в целом. Именно поэтому общие представления об организации сетей на различных этапах их жизненного цикла включают и вопросы подготовки технического задания, и основы прокладки кабельных линий с целью минимизации последующих затрат на развитие сети, и эксплуатационные характеристики сред передачи данных. В курсе рассматриваются способы формирования и представления информации с целью ее транспортировки. Особое внимание уделяется собственно средам передачи информации: их свойствам, вариантам использования, сравнительным характеристикам. Это объясняется значительной долей кабельной продукции и стоимости ее «выноса в натуру» в общих затратах на строительство любой сети. По той же причине в качестве модельного примера проектирования сети приводится проект размещения каналов связи между узлами сети управления предприятием. ЧАСТЬ I. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ В УПРАВЛЕНИИТЕМА 1. СЕТИ: ИХ АРХИТЕКТУРА, ПРИНЦИП РАБОТЫ, СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Вычислительная сеть – территориально распределенная вычислительная система, состоящая из взаимодействующих вычислительных машин, абонентских пунктов и терминалов (узлов сети), связанных между собой каналами передачи данных с целью коллективного использования аппаратных, программных и информационных ресурсов. Как следует из определения, любая вычислительная сеть состоит из набора абонентских систем (это ответ на вопрос: “что?”) и сети передачи данных (а это уже ответ на вопрос: “как?”). В качестве первых могут выступать любые генераторы, хранители, переработчики или потребители информации. “Начальник” любой из этих систем – абонент. Сеть связи состоит из физических средств передачи информации и аппаратно-программных средств сопряжения абонентских систем. Физические средства передачи – приемопередатчики, повторители и собственно среда передачи сигнала – носителя информации. К средствам сопряжения относятся модемы, контроллеры, коммутаторы, разветвители, бриджи и программы-протоколы, регламентирующие работу связных устройств (средств сопряжения). Определение, кроме того, отвечает и на вопрос: “во имя чего?”. Ведь своевременно достигнутая цель построения и эксплуатации вычислительной сети позволяет не только получить больший результат с меньшими затратами, но и повысить живучесть всей системы. Сети могут быть однородными и неоднородными, централизованными и децентрализованными, глобальными, региональными и локальными, с коммутацией каналов, сообщений, пакетов. Различаются они и по размещению, т.е. по топологии. На практике применяются пять базовых видов топологии вычислительных сетей: звездообразная, кольцевая, шинная, древовидная и многосвязная. Выбор той или иной топологии сети определяется такими критериями, как надежность, расширяемость, стоимость, пропускная способность, скорость работы (задержка сети). Большинство критериев выбора топологии в пояснениях не нуждаются. А под задержкой сети подразумевается время между выдачей сообщения абонентом-источником (отправителем) и получением этого сообщения абонентом-получателем (адресатом). Выбор топологии – это лишь один из шагов проектирования сети. Эффективность связи в большей степени зависит как от характеристик каналов связи, так и от мощности оборудования в узлах сети, а также от параметров нагрузки, характеристик потока передаваемых сетью данных - трафика. Тем не менее, проектные решения, принятые в отношении каналов связи, зачастую наиболее долгосрочны, так как для их изменения могут потребоваться большие затраты. Это позволяет нам рассматривать каналы связи как фактор, наиболее полно характеризующий сеть на каждом этапе ее жизненного цикла. Рассмотрим каждый из базовых видов топологии вычислительной сети. Звезда  Рис.1.1.Топология «Звезда» В сетях этой топологии (рис.1.1) каждый абонент, будь то отправитель или получатель, непосредственно каналом связи соединен с центральным узлом сети, который и является регулировщиком всех информационных потоков сети. При этом сначала идет запрос на соединение (физическое или логическое), после установления соединения – обмен, по окончании обмена – снова запрос на разрыв связи. С точки зрения надежности сети отказ центрального узла равносилен отказу всей сети. Отказ одного из лучей звезды не влияет на функционирование всех остальных. Расширяемость определяется емкостью центрального узла, который сам по себе довольно дорог. В этой топологии достаточно высока цена собственно кабелей и их прокладки, больше, чем в сетях других топологий с тем же числом узлов (больше шести). Пропускная способность определяется производительностью центрального узла – коммутатора и нагрузкой, создаваемой абонентами. Современные электронные учрежденческие коммутационные станции обеспечивают порядка 4000 соединений в секунду со скоростью обмена по каналу 64 кбит/с (это без уплотнения, а с использованием уплотнения – до 128 кбит/с). Приведенные и другие оценки характеристик сети топологии “Звезда” представим в виде табл. 1.1. Таблица 1.1 Характеристики сети топологии “Звезда”
Окончание табл. 1.1
Кольцо  Рис.1.2. Топология сети типа “Кольцо” В таких (рис.1.2) сетях каждый узел подключен к повторителю (одному или двум), которые объединены кабельным кольцом с однонаправленным потоком. Таких колец может быть два с противоположными направлениями движения (как на Кольцевой линии московского метро). Это ускоряет доставку сообщений, но удорожает сеть. При отправке каждое сообщение снабжается адресом получателя, который опознается каждым повторителем кольца. В случае несовпадения с собственным адресом сообщение идет дальше, иначе – повторитель принимает его и либо только поглощает для своего узла, либо поглощает и посылает дальше до поглощения узлом- источником сообщения в качестве квитанции доставки адресату. По типу доступа к сети различают методы маркерного кольца и тактовой последовательности. Вращающийся по кольцу управляющий маркер разрешает передачу от своего владельца. Если узел, имеющий сообщение для передачи, получил маркер, он его захватывает и удерживает, пока не получит от адресата подтверждение о получении его отправления (посланное сообщение сделало круг и вернулось к отправителю). Отпущенный маркер идет к следующему узлу. Если по кольцу вращается тактовая последовательность, то каждый такт снабжается флажком занятости. Дисциплина заполнения тактов может либо быть свободной, либо состоять в закреплении одного такта за одним узлом. Если число вагонов поезда метро (тактов в последовательности) равно числу станций (узлов в кольце), то на каждой станции сесть можно либо в “свой“ вагон, либо в свободный, но в “занятый” – нельзя, так как он не открывается не на “своей” станции. Наименее надежным элементом в кольце является повторитель. Он либо лишает свой узел входа в сеть, либо стопорит весь поток. Поэтому повторители включают в себя резервирование с питанием от автономного источника. Резервная схема шунтирует повторитель и просто исключает “свой” узел из сети. Расширять кольцо легко, но включение каждого нового повторителя увеличивает задержку сети на 4,8 мкс. Пропускная способность и задержка определяются организацией работы повторителя. Скорость передачи носителей информации в кольце может превышать 100 Мбит/с. Для сети кольцевой топологии составим аналогичную таблицу характеристик (табл. 1.2). Таблица 1.2 Характеристики сети топологии “Кольцо”
Окончание табл. 1.2
 Шина Рис.1.3. Топология сети типа “Шина” Узлы сети этой топологии (рис.1.3) подключаются к одному каналу связи с помощью приемо-передатчиков. С концов канал заглушается пассивными терминаторами, поглощающими (убивающими) сигналы для исключения эха. В большинстве случаев передающая среда представляет собой одну или несколько секций кабеля, связанных специальными соединителями, и образующих так называемый сегмент кабеля. Подключиться к шине означает создать контакт приемо-передатчика узла с информационным каналом. Это удобно сделать в точке соединения двух секций кабеля. Однако, если для шины применен коаксиальный кабель, то подключение узла в любом месте (эти места на кабеле с шагом 2,5 м отмечены цветовыми метками) может обеспечить “врезка” - игла, прокалывающая кабель до центральной жилы. Каждый узел имеет свой уникальный адрес и принимает сообщение только при совпадении адреса получателя со своим адресом или в случае передачи сообщения “для всех”. Для организации общего пользования каналом вводится дисциплина – метод доступа. Он может быть детерминированным, подчиненным заранее выбранному порядку, или инициализация обмена генерируется узлом в случайные моменты времени. Маркерный доступ – пример детерминированного метода доступа. При этом все узлы логически упорядочены в кольцо, каждый узел “знает” соседа слева и справа, владелец маркера (как в кольцевой топологии) имеет право на передачу. Если узлу нечего передавать, маркер переходит к соседу. Один узел владеет маркером, остальные – нет (почти как в футболе, хоккее и других игровых видах спорта). Это и означает детерминированность, определенность. Наибольшее распространение среди методов случайного доступа получил метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК). Наличие в канале несущей (колебаний несущей частоты, подверженных модуляции того или иного вида) – сигнал занятости канала. Если несущей нет, то канал свободен, т.е. можно начать передачу. Но любой сигнал имеет конечную скорость распространения. И другой узел, пока до него не дошел сигнал от узла, начавшего передачу, также может начать свою передачу. Вот здесь и возникает конфликт (наложение передач). Узлы, “узнав” о конфликте (приняв сигнал “для всех” от узла, обнаружившего конфликт первым), откладывают свои передачи и через случайное время ожидания повторяют их вновь. Эта ситуация иллюстрируется схемой на рис. 1.4.  Рис.1.4.Конфликт в сети и его разрешение Узел А без конфликта передал сообщение узлу В. Узел С начал передачу сообщения узлу А, но вскоре узел В начал свою передачу в адрес узла С. Как только сигнал передачи от С дошел до В, передающий узел В прекратил передачу сам и сформировал сигнал “затора” “для всех”. Узел С, приняв сигнал “затора”, тоже прекратил передачу. Наступила пауза. Она была нарушена через случайное время Тож узлом В. В этот раз передача прошла бесконфликтно. Узел С решил сделать паузу Тож С, более продолжительную (она столь же случайна), и для него сеанс связи завершился благополучно. В шине сигнал затухает, поэтому на большое количество абонентов такую сеть не строят. По этой же причине подключения и общее число узлов имеют ограничения. Например, для сети Ethernet на коаксиальном кабеле общее число врезок и соединителей не должно превышать 100; сами врезки должны отстоять друг от друга не менее, чем на 2,5 м (как уже отмечалось, на кабеле Ethernet имеются специальные цветные метки) при общей длине сегмента до 500 м. Пропускная способность шины и задержка зависят от метода доступа, полосы пропускания, числа узлов, длины сообщений и т.д. В случайной шине (в шине со случайным методом доступа) коэффициент использования канала может достигать 95 %, но он резко падает при увеличении длины сообщений, общей длины кабеля и росте числа конфликтов при повышении нагрузки на сеть. Эффективность маркерной шины близка к эффективности маркерного кольца. Древовидные сети Сети этой топологии (рис.1.5) строятся на базе техники кабельного телевидения. Это означает применение аналоговых устройств – частотных ретрансляторов, двунаправленных усилителей, объединителей - расщепителей, ответвителей, радиочастотных модемов, фильтров. Основное преимущество этой топологии – большая протяженность (до 50 км) и возможность параллельной передачи изображений, речи, данных за счет частотного, а не временного, как в сетях других топологий, уплотнения канала. Оба эти приема уплотнения будут рассмотрены ниже. Наращивание сети с передачей голоса и картинки связано с установкой дорогих и сложных аналоговых компонентов, требующих к тому же периодической настройки. Поэтому перспектива расширения должна быть заложена при проектировании мест установки аппаратуры и трассировке кабеля. Надежность сети достигается за счет структурного резервирования технических средств с временем наработки на отказ до 400 тыс. ч. Полоса пропускания 400 МГц и более позволяет реализовать уже упомянутое частотное уплотнение. Оценки характеристик сетей двух последних топологий весьма близки, поэтому для них будет общая таблица (табл. 1.3).  Рис.1.5. Топология сети типа «Дерево» Таблица 1.3 Характеристики сетей топологий “Шина ” и “Дерево”
Многосвязные сетиГлобальные сети строятся на многосвязной, смешанной топологии (рис. 1.6). Их характеристики часто суммируют показатели использованных схем. Это, в частности, связано с неоднозначностью пути следования сообщения от отправителя к адресату и проблемами маршрутизации. Но в то же время повышается надежность доставки сообщений – не одним, так другим путем. Кроме того, смешанная топология более адекватно отражает структуру информационных потоков между узлами, а также более полно учитывает требования аппаратного резервирования и комплекс расходов, связанных с установкой, эксплуатацией и развитием сети.  Рис.1.6. Топология многосвязной сети Вопросы для самопроверки: Дайте определение вычислительной сети и объясните его структуру. Перечислите базовые топологии сетей. Задержка сети. В какой топологии она наименьшая, а в какой наибольшая? Оцените время ожидания отправки в кольце с маркерным доступом протяженностью 1,5 км и числом узлов – 20. Оцените сверху время риска столкновения (конфликта) в случайной шине 100 м. Приведите пример массового производства устройства с организацией по шинной топологии. 7. Назовите качественное отличие одной из топологий от всех остальных. ТЕМА 2. ОРГАНИЗАЦИЯ ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ В СЕТЯХ НА БАЗЕ МОДЕЛИ ВОС/МОС Для наведения “порядка” в правилах обмена информацией между абонентами одной или разных сетей Международная Организация по Стандартизации ISO (МОС) разработала модель Взаимодействия Открытых Систем (ВОС), именуемую “модель ВОС/МОС”, которая описана в документе ISO IS7498. Тождественную рекомендацию выпустил Международный Консультативный Комитет по Телеграфии и Телефонии (МККТТ). Она имеет шифр Х.200. Мы не ставим своей целью подробно разобраться в этих документах, поэтому ограничимся основными архитектурными и функциональными моментами. Модель предусматривает 7 уровней открытой сети, и для каждого их них вводятся стандарты протокола, определяющие функции уровня в процессе обмена, чтобы одноименные уровни различных узлов сети (сетей) могли понимать друг друга. Процедуры обмена между соседними уровнями одного узла моделью не регламентируются, так как процесс обмена между узлами сети не определяют. Архитектура сети в терминах эталонной модели ВОС/МОС выглядит так. Представим каждый узел, связанный сетью, столбиком в 7 “этажей” (рис.2.1). Для связи различных узлов могут потребоваться специальные связные устройства. Набор их функций определяется типом связываемых узлов.  Рис.2.1. Архитектура сети в модели ВОС /МОС Так, близко расположенным узлам А и В ничего дополнительного не надо, если они из одной однородной сети (сеть из однотипных вычислительных машин в узлах однородна). Но если подобные узлы В и С находятся на значительном расстоянии, может потребоваться повторитель – усилитель мощности передаваемых сигналов. Для объединения двух однородных сетей одинаковой топологии в одну большую сеть через узлы С и D применяется мост. Это устройство для соединения двух полностью идентичных сетей, когда физические или логические ограничения не позволяют сделать одну сеть с узлами обеих сетей. Например, объединить две Ethernet, когда длина кабеля не позволяет этого сделать. В бытовом понимании мост также соединяет однородные объекты, будь то мост через реку, через железнодорожные пути или зубной протез. Если связываются однородные сети различных топологий, в качестве связного устройства применяется коммутатор, который может выполнять роль центрального узла в топологии “Звезда”. В том случае, когда соединяемые сети отличаются по всем уровням (разнородные сети), необходима оконечная система типа шлюз, в которой согласование осуществляется на уровне прикладных программных систем. Шлюз – устройство для соединения двух неоднородных сетей и обычно заметное пользователям этих сетей (в отличие от моста, который им не заметен). Введение шлюза необходимо для учета различий соединяемых сетей. К таким отличиям можно отнести: а) различия в адресации, тогда шлюз преобразует их; б) различие способов оплаты, тогда в шлюзе идут проверка полномочий пользователя и учет использования ресурсов; в) различие протоколов, тогда шлюз осуществляет необходимые преобразования или предотвращает попытку пользователя одной сети воспользоваться недоступными для него средствами другой сети, о чем выдается соответствующее сообщение. В речном судоходстве шлюз выполняет ту же функцию согласования, выравнивания уровня воды внутри шлюза и вне его в направлении движения судна. Каждое связное устройство выполняет объем работ и использует ресурсы, необходимые для выполнения его функций. Функции распределяются между уровнями в соответствии с моделью ВОС/МОС. Самый верхний, седьмой уровень, называется прикладным. Прикладной уровень обеспечивает преобразование данных, специфичных для каждой прикладной системы. Например, формирование документов в соответствии с принятым у себя и для себя стандартом (нормалями), служба каталогов. Шестой уровень – представлений, осуществляет преобразование данных в формат, согласованный для общего понимания (русский с китайцем должны договориться об общем языке, например, английском), сжатие, шифрование (для сохранения, например, коммерческой тайны). Пятый уровень – сеансовый. Управляет диалогом на протяжении сессии, добавляет своему соседу снизу удобства обращения, например, NETBIOS. Здесь термины “сеанс” и “сессия” несут общеупотребительный смысл. Сеанс – выполнение определенного требуемого объема работы (врачебные процедуры, демонстрация кинофильма), сессия – временной интервал для выполнения работы в полном или частичном объеме. В экзаменационную сессию не все студенты, к сожалению, успевают сдать все экзамены. Четвертый – транспортный уровень, выполняет управление сквозной передачей сообщений с контролем и исправлением ошибок. В том числе, при необходимости, разбивает сообщение на меньшие сегменты – пакеты (кадры). Третий - сетевой уровень обеспечивает маршрутизацию пакетов и управляет загрузкой канала передачи информации. Второй - канальный уровень приспосабливает формат данных к конкретному каналу, осуществляет свободную от ошибок передачу по отдельному каналу связи. Самый нижний физический уровень является средой передачи бит данных. Локальные сети охватываются тремя нижними уровнями. Рассмотрим процесс общения между должностными лицами абонентов А и В. Отправитель, пусть для определенности это будет А, считает, что для доставки сообщения получателю В достаточно сообщить на соседний нижний уровень своему помощнику по административной работе имя адресата. Помощник предполагает, что сообщение будет отправлено следующим нижним уровнем – курьером, если документ поместить в конверт, написать полный адрес и наклеить почтовую марку (поставить штемпель). Курьерский уровень передаст конверт вместе с другими, накопившимися за два дня, на следующий нижний уровень. В конце концов, некоторый уровень отвечает за физическую доставку пакета. Во всей этой цепи автор послания может не иметь никакого понятия о технологии системы доставки. Он целиком полагается на сервисы, предоставляемые нижележащими уровнями, и не беспокоится о том, как именно они реализуются. А это означает, что уровень волен в выборе способа реализации своей функции. “Что” - уровню задано, а вот “как” - не регламентируется. Приедет курьер на автомобиле, велосипеде или придет пешком - пакет все равно будет доставлен без повреждений и в срок. С другой стороны, схема работы каждого нижнего уровня может быть сведена к процедуре инкапсуляции. Это – упаковка данных формата верхнего уровня в формат протокола своего уровня, т.е. обрамление данных служебной информацией. Эта оболочка (капсула) не открывается и не считывается нижележащими уровнями, через которые она передается. Процесс инкапсуляции проиллюстрируем следующей схемой (рис.2.2). Пусть А хочет передать В файл F. Это значит, что на прикладной уровень узла А поступил блок F. Уровневый протокол принимает его и добавляет свою информацию с помещением ее в заголовок прикладного уровня (Application Head). Уровень VI воспринимает эти два блока как один и снабжает его заголовком PH.  Рис.2.2. Технология общения в сети Аналогично действуют уровни V, IV, III. Только на канальном уровне добавляется как заголовок DH, так и трейлер DT (прицеп) для обнаружения ошибок. Так что трейлер – не автопоезд, а только прицеп к тягачу. В узле В в процессе получения послания от А одноименные уровни отделяют то, что добавляли их “коллеги” у отправителя, и передают на свой верхний уровень вплоть до адресата. Как уже отмечалось, модель ВОС/МОС определяет стандарты протокола и стандарты интерфейса. Однако регламентированы в модели только стандарты протокола. Например, TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol – Протокол управления передачей) или SNA (IBM). Протокол – это соглашение, касающееся управления процедурами информационного обмена между участниками взаимодействия. Если после саммита глав государств подписывается протокол, то он содержит перечень задач, которые согласны решать обе стороны. Однако он не обязывает использовать конкретный способ их решения. Протокол о намерениях в бизнесе также не несет никаких последствий для сторон. Термин “интерфейс” употреблен в смысле “сопряжение на границе раздела двух устройств или программ”. Естественно, у каждого абонента сети может быть свой набор интерфейсов, отличный от аналогичного набора других абонентов. Это на осуществление процесса взаимодействия влияния не оказывает. Поэтому интерфейсы не регламентированы моделью ВОС/МОС. Примером интерфейса может быть стандарт МККТТ V/35 для сопряжения терминального оборудования с устройством канала связи (например, модемом), более известный как интерфейс RS-232C (рис. 2.3). По стандарту используется разъем DB-25, но в IBM применяют DB – 9. Этот интерфейс предназначен для поддержания высокоскоростной передачи со скоростями до 64 кбит/с. Он включает управляющие сигналы, синхронизирующие и сигналы данных.  Рис. 2.3. Интерфейс RS –232С Вопросы для самопроверки: Для чего необходима модель ВОС/МОС? Перечислите уровни модели ВОС/МОС и их функции. Проведите качественное сравнение “сеанса” и “сессии”. Перечислите уровни ЛВС. Каковы схема и механизм прохождения сообщения между узлами сети? Что такое “трейлер”? Что такое “интерфейс”? ТЕМА 3. ОБМЕН В ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ЛВС была разработана как способ соединения компьютеров, сначала мини-ЭВМ, а затем и РС. ЛВС решали проблему распределения ресурсов, так как вычислительных мощностей тогда не хватало. Сегодня ЛВС используются как в технологическом цикле, так и в управлении производством в целом. И даже объединение нескольких ЛВС в одну сеть не переводит общую сеть в разряд региональных, а тем более глобальных, она остается локальной совокупной сетью. Для функционирования ЛВС требуется интеграция многих различных компонентов, которые определяют, как узлы сети соединяются, какая среда передачи будет использоваться, в каком формате будут передаваться данные и как обеспечить одновременную передачу данных между несколькими узлами с сохранением основного свойства ЛВС – высокой скорости. ЛВС охватывают нижние три уровня модели ВОС/МОС. Рассмотрим как и с помощью каких аппаратных средств они реализуются. Физический уровень связан с передачей бит нулей и единиц между узлами. Связи на физическом уровне могут описываться в терминах “передача - прием” (симплексная, полу- и дуплексная), а по своему характеру могут быть отнесены либо к последовательным, либо к параллельным (рис.3.1).  Рис.3.1. Последовательный и параллельный интерфейс Параллельный интерфейс – более скоростной, но из-за различных условий прохождения сигнала по конкретным физическим проводам нельзя гарантировать одновременный приход сигналов в В при одновременной их отправке из А. Такое рассогласование возрастает с длиной пути прохождения сигналов. Поэтому параллельный интерфейс ограничивается по длине. В IBM, например, не более 120 м (400 футов), а кабель к принтеру – вообще 1,5 м. При последовательной схеме сигналы следуют один за другим, что ограничивает скорость, но не расстояние. Рассогласования данных нет, но зато есть проблема синхронизации работы передатчика и приемника. Значит, в последовательной передаче информация о синхронизации должна быть “спрятана” среди данных. При любой организации сопряжения узлов основой является среда передачи. Чаще всего это проводная среда в виде электрического или оптоволоконного кабеля. Не углубляясь в физические аспекты разных сред (это будет сделано позже), отметим, что существует целая технология по проводке кабеля внутри одного здания или группы зданий. Крупные компании (например, АТ&Т) предлагают продукт, который так и называется – Структурированная Кабельная Система (СКС). Для тщательно спроектированной и построенной структурированной сети гарантируется, что в течение длительного периода (до 15-20 лет) даже появление новых технологий не потребует серьезных дорогостоящих изменений в кабельной системе. СКС представляет собой иерархическую кабельную систему здания или группы зданий, разделенную на структурные подсистемы. Она состоит из набора медных и оптических кабелей, кросс-панелей, кабельных разъемов, информационных розеток и вспомогательного оборудования. СКС эксплуатируется по определенным правилам и обеспечивает подключение локальной АТС, одновременную работу компьютерной и телефонной сети, охранно–пожарной сигнализации, управление инженерными системами зданий и сооружений. И все это с использованием общей среды передачи. Проектирование СКС регламентировано стандартом США EIA/TIA - 568А 1991 г. (новая редакция – в 1995 г.). На физическом уровне обычно применяется один из четырех типов среды передачи: кабель “витая пара” (или симметричный кабель), коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель, окружающее пространство. Каждая из этих сред отличается друг от друга необходимым для ее использования оборудованием, пропускной способностью, помехозащищенностью и многими другими параметрами. В частности, вот как соотносятся границы пропускных способностей разных кабельных сред (рис.3.2):  Рис. 3.2. Полосы пропускания различных кабелей В качестве физического интерфейса между компьютером и сетевым кабелем выступает устройство, называемое сетевым адаптером (СА). Это плата (карта, слот) расширения, имеющая разъем для установки на материнской плате РС и специальный разъем, выводимый на заднюю панель РС, для подключения сетевого кабеля. При помощи сетевого адаптера осуществляются: преобразование данных, поступающих от РС, для их передачи по сетевому кабелю и обратное преобразование; пересылка данных другому РС в сети; управление потоком данных между РС и кабельной системой. Плата сетевого адаптера состоит из аппаратной части и встроенных программ, записанных в ПЗУ. Эти программы реализуют функции канального уровня модели ВОС/МОС. В частности, протокол управления доступом к среде передачи данных МАС (Media Access Control). Это означает, что любой адаптер ЛВС подходит только для одного вида ЛВС: адаптеры Ethernet и Token Ring не взаимозаменяемы. В состав аппаратной части адаптера должна входить и память для использования в качестве буфера. Это необходимо при передаче на время получения доступа к сети и при приеме для проверки правильности принятой серии сигналов, например, вычисления контрольной суммы и сравнения со значением, присланным в трейлере. В общем, этот адаптер – целый контроллер. СА принимает данные по внутренней шине компьютера - это параллельная связь, и организует их для последовательной побитовой передачи в сеть. Конечной фазой этого процесса является перевод цифры РС в электрический (или оптический) сигнал, пересылаемый по сетевым кабелям. Этот приемо-передатчик (преобразование осуществляется в обоих направлениях) называется трансивером. Но вот СА получил из РС набор данных. Что происходит дальше? Перед пересылкой данных СА проводит электронный диалог с принимающим СА, во время которого достигаются соглашения о размере блока данных, об интервалах между передачей блоков, о скорости передачи, о времени ожидания подтверждения правильности приема. Уже после выполнения подстройки друг к другу, например, по скорости (а это элемент управления потоком данных), к данным добавляются адреса отправителя и получателя, и все вместе посылается в кабельную сеть, если она свободна. При отправке в сеть вычисляется контрольное число, которое добавляется в качестве трейлера. На приемной стороне СА читает передачу, пока не считает полностью адрес получателя. Если он совпадает со своим уникальным номером, присвоенным фирмой - производителем, чтение продолжается с одновременным определением контрольного числа. В случае совпадения вычисленного контрольного числа с содержанием трейлера данные пересылаются в принимающий РС, в противном случае – отбрасываются. По соглашению посылается или не посылается сигнал – квитанция СА отправителя. Графически канал может быть изображен так (рис.3.3):  Рис. 3.3. Канал (линия) связи Одной из классических проблем производительности ЛВС является рост задержек и частоты возникновения конфликтов (коллизий) с увеличением числа абонентских пунктов, подключенных к сетевому кабелю. Как бороться со снижением скорости обмена? Можно использовать более скоростные кабели или можно снизить количество абонентских пунктов, имеющих доступ к разделяемой среде. Второй вариант называется сегментацией. Пусть большая сеть разделена на много сегментов. А как абонентам одного сегмента использовать ресурс абонента другого сегмента? Значит, необходимо специальное устройство для межсегментного обмена, но с высокой скоростью. И таким устройством является мост. Аналогично повторителям – усилителям мощности с помощью мостов можно увеличить число абонентов сети (выполнять передачу на большее расстояние). Но имеются и существенные отличия. Во-первых, повторители транслируют через себя все сообщения, а мосты – только те, которые направлены в другой сегмент. Отбраковка осуществляется по адресам отправителя и получателя (в памяти моста есть списки адресов абонентов соединяемых сегментов). Во-вторых, сегменты, соединенные повторителем, образуют свою среду, где меньше абонентов и меньше возникает конфликтов. Значит, мост обеспечивает преимущества как с точки зрения расширения сети, так и обеспечения большей полосы (больше пространства) для каждого абонента. Это особенно актуально в связи с переходом в Ethernet от шинной топологии к “Звезде” в технологии 10 Base-T с использованием дешевого кабеля с неэкранированной витой парой вместо коаксиального кабеля, но в радиусе не более 100 м от центрального узла. Схематично использование моста показано на (рис.3.4):  Рис.3.4. Варианты использования мостаМост, аналогично СА, – устройство с промежуточным хранением, значит, создает задержку. Еще один способ борьбы за скорость обмена между большим количеством узлов локальной сети – применение высокоскоростных коммутаторов. Коммутатор ЛВС демонстрирует подход, основанный на функции моста, но в его предельном варианте (один сегмент – один порт). Коммутатор выделяет каждому подключенному к нему сегменту его собственное Ethernet–соединение. Его часто называют “выделенный Ethernet для каждого рабочего места”. Что значит соединиться по телефону через коммутатор, известно по литературе и фильмам начала ХХ в. “Барышня, соедините меня…”. Аналогичные наборные доски использовались до 70-х гг. ХХ века, например, для набора программы в машине ЭВ-80. Производились эти доски в г. Паневежис, Литва. Основное неудобство такой коммутации – невозможность установления другого соединения, пока линия занята первым (рис. 3.5).  |