Учебное пособие по дисциплине. Учебное пособие в оронеж 2006 Воронежский государственный технический университет Е. И. Воробьева

• Название: Учебное пособие в оронеж 2006 Воронежский государственный технический университет Е. И. Воробьева
• Дата: 17.11.2022
• Размер: 5.5 Mb.
• Имя файла: Учебное пособие по дисциплине.doc
• Тип: Учебное пособие; #792926
• страница: 18 из 21

4. СЕТИ СВЯЗИ И СИСТЕМЫ КОММУТАЦИИ

4.1 Общие сведения о сетях связи

4.1.1 Модель взаимосвязи открытых систем OSI / ISO

В 1977 году Международная Организация по Стандартизации (International Organization for Standartization, ISO) образовала подкомитет, задачей которого стала разработка стандарта сетевой архитектуры с целью поддержки совместимости при проекти­ровании сетей. Подкомитету была поставлена цель – определить набор наиболее характерных функций, которые могли бы управлять всеми возможными видами соединений между компьютерами.

Название организации ISO – это не сокращение от полного названия. Оно произведено от древнегреческого слова isos, означающего «равенство».

В 1983 г. был опубликован документ “The Basic Reference Model for Open System Interconnection”, где была описана распределённая модель сетевого взаимодействия между 7 различными уровнями. Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI):

• 
  четко определяет различные уровни взаимодействия систем;
  
• 
  дает им стандартные имена;
  
• 
  указывает, какую работу должен делать каждый уровень.
  

Модель OSI () – это «модель моделей», она представляет сеть как иерархию семи уровней. На Рис. 4,1 в обобщенном виде представлены функции, выполняемые на различных уровнях сетевых коммуникаций. Но модель OSI так и не стала основой нового стека протоколов. Напротив, модель OSI используется с существующими стеками в качестве обучающего и справочного пособия.



Рис. 4.1 - Модель взаимодействия открытых систем (двигаясь по стеку протоколов вниз, данные «обрастают» заголовками и трейлерами)
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами, не касаясь приложений конечных пользователей. Приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень модели OSI..

Модель OSI представляет архитектуру передачи данных посредством протоколов, определенных таким образом, что компьютер-получатель на уровне nполучает в точности то сообщение, которое было отправлено с уровня n компьютера-источника.

Потоки информации организованы таким образом, что каждый уровень предполагает, что он напрямую взаимодействует с одноименным уровнем другого узла. На самом деле каждый уровень может взаимодействовать с соседними уровнями на своем компьютере.

В сетевом взаимодействии следует различать понятия «информация» и «данные».

Информация (information) характеризуется структурой, значением и полнотой. Это данные в форме, пригодной для ис­пользования. Данные не имеют ничего.

Данные (data) есть произвольный набор байтов.

Каждый уровень оперирует с собственной информацией, а всё, что он получает с верхнего уровня, рассматривается как данные. Прикладная задача отправляет в сеть блок информации, имеющей определенную длину, структуру и значения. Для сетевых компонентов информация не более, чем данные, которые могут быть произвольно разбиты на фрагменты в процессе доставки и вновь собраны воедино при передаче приложению-приемнику.

Когда данные от передающего компьютера проходят по уровням, они инкапсулируются (вкладываются) во все больший блок, по мере того как каждый уровень добавляет заголовочную информа­цию. Когда данные поступают на принимающий компьютер, этот процесс выполняет­ся в обратной последовательности. Информация передается вверх по уровням. При этом каждый уровень удаляет инкапсулирующую информацию (рис. 1.42).



Рис. 4.2 - Функции семи уровней модели OSI. Уровни 1,2,3 являются соответственно физическим, канальным и сетевым уровнями
Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловому сервису. На основании этого запроса службы прикладного уровня формируют сообщение стандартного формата, в которое помещают служебную информацию (заголовок) и передаваемые данные. Некоторые реализации протоколов предусматривают наличие в сообщении не только заголовка, но и концевика (trailer).

Процесс добавления заголовков к запросу, сгенерированному приложением, называется инкапсуляцией данных (data encapsulation).

Далее сообщение направляется уровню представления. Представительный уровень добавляет к сообщению свой заголовок и передает результат вниз сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок и т.д. Наконец, сообщение достигает самого низкого, физического уровня, который действительно передает его по линиям связи. Говорят, что для взаимодействия одноименных уровней организуется «сессия».

Когда сообщение по сети поступает на другую машину, оно последовательно перемещается с физического уровня вверх до прикладного уровня. Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет инкапсулирующую информацию своего уровня, выполняет соответствующие данному уровню функции и передает сообщение вышележащему уровню.

Когда данные прошли все уровни в принимающем компьютере, вся заголовочная информация оказывается удаленной, и данные принимают исходную форму (как они были созданы приложением на передающей стороне). В этом виде они предоставляются принимающему приложению.

Сетевыми специалистами для обозначения единицы обмена данными используется термин "сообщение" (message). Существуют и другие названия. В стандартах ISO для протоколов любого уровня используется такой термин, как "протокольный блок данных" - Protocol Data Unit (PDU).

Кроме этого, используются термины кадр (frame), пакет (packet), дейтаграмма (datagram).

4.1.2 Классификация сетей по области действия

Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, на чаще всего сети делятся по территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть. При этом выделяют следующие типы компьютерных сетей:

• 
  локальные сети (Local Area Network – LAN);
  
• 
  городские (Metropolian Area Network – MAN);
  
• 
  глобальные(Wide Area Network – WAN).
  

Обычно LAN < MAN < WAN. Менее существенным признаком является размер сети, то есть количество подключенных компьютеров.

4.1.2.1 Локальные сети

Предметом нашего изучения являются широко распространенные локальные вычислительные сети (ЛВС) - LocalAreaNetwork(LAN). В толковом словаре локальный означает "местный, но не выходящий за определен­ные пределы". Аналогично этому термин "локальная сеть" означает сеть, охватываю­щую ограниченную площадь. Компьютеры, принадлежащие локальной сети, располо­жены недалеко один от другого.

ЛВС позволяют с минимальными затратами осуществить оперативное взаимодействие компьютеров од­ной организации, находящихся в одном здании или в нескольких кило­метрах друг от друга, обычно в радиусе не более 1-2 км (Рис. ).

Количество компьютеров локальной сети может быть ограничено архитектурой сети и типом кабеля. Предельные допустимые расстояния зависят от протоко­лов, которые управляют разделением среды передачи в ЛВС. Эти протоколы не могут эффективно работать на больших расстояниях из-за задержек распространения сигнала.


Рис. 4.3 Пример простой локальной сети
Наиболее широко распространены ЛВС Ethernet, Token Ring, FDDI (fiber distributed data interface, волоконно-оптический распределенный интерфейс данных). Эти ЛВС объединяют до нескольких сотен узлов. Мы ограничимся анализом этих и сетей.

Большую часть ЛВС составляют сети Ethernet, в основном раз­деляемые 10-мегабитные сети. Сети Ethernet недороги и просты в установке, имеют шинную топологию. Многие уже установленные сети Ethernet модернизируются с целью организации коммутируемых сетей со скоростями передачи до100 Мбит/с (последние на­зываются Fast Ethernet). В июне 1998 года утверждён стандарт IEEE 802.3z на гигабитную сеть Ethernet.

Чтобы облегчить управление большими локальными сетями, их иногда разделяют на рабочие группы. В этом случае в рабочую группу входят пользователи, имеющие доступ к одним и тем же ресурсам, таким как файлы, принтеры или приложения. Например, локальная сеть некоторой компании может быть разделена на рабочие группы в соответствии с такими ее подразделениями, как финансовый отдел, отдел продаж или отдел кадров и т.д.

Городские или глобальные сети могут образоваться путем соединения двух или более локальных сетей.

Характеристики ЛВС

Во-первых, из-за коротких расстояний в локальных сетях можно использовать относительно дорогие высококачественные линии связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена и высокой надёжности (безошибочности) передачи.

Во-вторых, любой механизм управления обменом может гарантированно работать только при заранее известном количестве узлов, которое может быть подключено к сети. При включении непредвиденно большого числа абонентов любой механизм забуксует вследствие перегрузки.

Основные характеристики ЛВС:

• 
  Высокая скорость передачи, большая пропускная способ­ность.
  
• 
  Малые задержки распространения сигналов.
  
• 
  Тип прокладки сети и ее протяженность (не более 1-2 км).
  
• 
  Защищенность и надежность передачи (вероятность ошибок 10^-7 – 10^-8).
  

Пропускная способность - это средняя общая скорость передачи в случае предельной загрузки ЛВС. Знание «пропускной способности» позволяет определить сред­нее время, которое придется ждать приложению при приеме боль­шого файла от другого компьютера.

В ЛВС с разделяем канала связи пропускная способность составляет долю от скорости передатчиков. Эта доля называется эффективностью про­токола MAC. Например, сеть, которая использует протокол MAC с эффективностью 65 % и 10-Мбитные передатчики, имеет пропускную способность 6,5 Мбит/с. Такое значение типично для разделяемой сети Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/с. Пропускные способности сетей Token Ring и FDDI близки к их скоростям передачи.

Задержка - это время, которое требуется пакету для преодоления расстояния от сетевого интерфейса отправителя до узла назначения.

Задержка почти всегда не превы­шает долей секунды, а зачастую бывает намного меньше. Подобная задержка обычно приемлема для большей части прило­жений. Тем не менее, в аудио- и видеоприложениях во время перего­воров максимально допустимая задержка составляет около 100 мс.
Тип и протяженность проводной сети
Одни ЛВС используют металлические кабели типа «витая пара», другие - оптическое волокно. Старые ЛВС, а также ЛВС, предназначенные для работы в особых условиях, используют коаксиальные кабели. Максимальная протяженность соединений зависит от типа ЛВС и используемой технологии. Обычно их величины составляют 100 метров для витой пары и несколько километров для волоконно-оптического кабеля. Тонкий коаксиал – до 150 м, толстый коаксиал – до 500 м.
Безопасностьсети
Подключиться к оптическому волокну существенно сложнее, чем к витой паре, и это улучшает его «физическую» защищенность. Тем не менее, подслушивающему вовсе не обязательно напрямую «вре­заться» в канал для получения доступа к информации. Более распро­страненный способ атаки - использовать один из подключенных к ЛВС компьютеров и настроить его на прием всех пакетов, проходящих в сети. Как правило, коммутируемые ЛВС более безопасны, чем разделяемые ЛВС, поскольку компьютеры таких сетей видят только пакеты, пред­назначенные для них.
Надежность сети
Наша зависимость от сетей постоянно растет. Соответственно, вопросы надежности сетей становятся все более существенными. Сеть FDDI разработана таким образом, что­бы сохранить работоспособность в условиях выхода из строя канала или узла. Сеть Ethernet продолжает работать, если выходят из строя некоторые каналы или узлы сети. Сети Token Ring могут быть реали­зованы таким образом, чтобы обеспечить подобную надежность.

4.1.2.2 Городские сети

Городская компьютерная сеть - MetropolianAreaNetwork (MAN) состоит из двух или большего количества локальных сетей, расположенных на площади, приблизительно соответствующей большому горо­ду, откуда и происходит их название. Обычно городская сеть представляет собой об­щедоступную компьютерную сеть с высокими параметрами производительности.

Термин "городская сеть" используется не так часто, как "локальная" и "глобальная", потому что городские сети встречаются значительно реже. Большинство сетей ограничены пределами здания или нескольких зданий, следовательно, они по­падают в категорию локальных. Если же они простираются на большее расстояние, то, скорее всего, их узлы достигают других городов, штатов или стран, переходя, таким образом, в категорию глобальных сетей. Максимальное расстояние между узлами го­родской сети приблизительно равно 80 километрам (Рис. ).



Рис. 4.4 - Городская сеть покрывает более широкие пространства, чем локальная сеть, однако, в отличии от глобальной сети, она географически ограничена

4.1.2.3 Глобальные сети

Глобальными называются компьютерные сети, охватывающие большие географические пространства. Глобальные сети – WideAreaNetwork (WAN) – объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах на расстоянии в сотни или тысячи км. Глобальная сеть состоит из многих соединенных вместе локальных сетей.

Лучшим и наиболее знакомым примером глобальной сети является Internet. Многие крупные компании с офисами в разных странах имеют корпоративные глобальные сети, соединяющие удаленные офисы посредством телефонных линий, спутниковых и других средств связи.

В глобальных сетях для соединения составляющих их частей чаще всего используются общедоступные средства свя­зи, например система телефонной связи. Поэтому скорость передачи данных в глобальных сетях значительно ниже, чем в локальных. Типичная пропускная способ­ность телефонного канала с использованием самого совершенного модема не может превысить 50 Кбит/с. Даже высокоскоростные линии глобальных сетей стандарта Т1, кабельные модемы и цифровые абонентские линии DSL могут достичь лишь 1—6 Мбит/с. Между тем в самой медленной локальной сети Ethernet скорость передачи составляет 10 Мбит/с.

Другой характерной особенностью глобальных сетей является то, что их соедине­ния не могут быть постоянными, как в кабельных локальных сетях. В глобальных сетях могут использоваться как частные, так и обще­доступные средства связи, как выделенные каналы связи, так и коммутируемые связи. Связи глобальных сетей обычно значительно "медлительнее", чем связи локальных сетей.

Глобальные сети подразделяются на распределенные и централизованные. У распределенных глобальных сетей (например, Internet) нет центрального пункта управления. С другой стороны, централизованная глобальная сеть имеет централь­ный сервер, или центральный узел (обычно в штаб-квартире - компании), к кото­рому подключены остальные сети (Рис. ).

Глобальные сети отличаются от локальных сетей тем, что рассчитаны на неограниченное число абонентов. В них используются, как правило, не слишком качественные каналы связи и сравнительно низкая скорость передачи. Механизм управления обменом не может быть гарантированно быстрым. Для устойчивой передачи дискретных данных применяются более сложные методы и оборудование, чем в ЛВС.

В глобальных сетях гораздо важнее не качество связи, а сам факт её существования.



Рис. 4.5 - Пример организации централизованной глобальной сети