Модели и протоколы компьютерных сетей
13.6.1. Общее представление
Протокол в общем смысле представляет собой правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. То же самое представляют собой сетевые протоколы: правила поведения, известные обеим взаимодействующим сторонам. Что, в какой момент, в ответ на какое сообщение нужно сделать, какие данные
Для планомерного развития и стандартизации сетевых соединений, служб, технологии и устройств, необходимо некоторое всеобщее рамочное соглашение, определяющее основные принципы, параметры и термины, на основе которых можно будет разрабатывать конкретные решения. Такое рамочное соглашение, в общих чертах определяющее порядок приема и передачи информации на всех уровнях сетевого взаимодействия, получило название сетевой модели.
Известно несколько стеков протоколов, самыми широко распространенными из которых являются TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS/SMB. Мы ограничимся рассмотрением стека TCP/IP, поскольку на протоколах этого стека построен весь Интернет.
13.6.2. Стек протоколов TCP/IP
Уровень сетевых интерфейсов
Уровню сетевых интерфейсов не сопоставлен ни один протокол, но на нем реализована поддержка практически всех известных сегодня технологий и протоколов объединения компьютеров в сеть.
Уровень межсетевого взаимодействия
На уровне межсетевого взаимодействия решаются задачи маршрутизации данных. На этом уровне работают несколько протоколов.
□ IP (Internet Protocol - протокол межсетевого взаимодействия). Решает задачу передачи данных между сетями.
□ RIP (Routing Information Protocol - протокол маршрутной информации) и OSPF (Open Shortest Path First - выбор кратчайшего пути первым). Протоколы сбора и конфигурирования маршрутной информации, отвечающие за выбор оптимального маршрута передачи данных.
□ ICMP (Internet Control Message Protocol - протокол межсетевых управляющих сообщений). При помощи этого протокола собирается информация об ошибках доставки и длительности жизни пакетов, а также передаются тестирующие сообщения, подтверждающие наличие запрошенного узла в сети.
Транспортный уровень
Транспортный уровень предоставляет механизмы доставки данных.
□ TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей). Описывает правила создания логического соединения между удаленными процессами и механизм обработки ошибок доставки пакетов (механизм повторной передачи «сбойных» пакетов).
□ UDP (User Datagramm Protocol - протокол пользовательских датаграмм). Упрощенный вариант протокола доставки данных без установления логического соединения и проверки ошибок доставки пакетов.
Прикладной уровень
К прикладному уровню относятся протоколы, носящие прикладной характер. Большинство этих протоколов связано с соответствующими прикладными программами, работающими на их основе.
□ FTP (File Trancfer Protocol - протокол передачи файлов). В качестве транспортного протокола этот протокол использует TCP, что повышает надежность передачи файлов через большое количество промежуточных узлов.
□ TFTP (Trivial File Trancfer Protocol - простейший протокол передачи файлов). Этот протокол базируется на UDP и используется в локальных сетях.
□ SNMP (Simple Network Management Protocol - простой протокол управления сетью).
□ Telnet - протокол, используемый для эмуляции терминала удаленной станции.
□ SMTP (Simple Mail Transfer Protocol - простой протокол передачи сообщений). Передает сообщения электронной почты при помощи транспортного протокола TCP.
□ HTTP (Hiper Text Transfer Protocol - протокол передачи гипертекста). Базовый протокол Всемирной паутины, без которой сегодня невозможно представить себе Интернет. Именно он обеспечивает передачу страниц сайтов на наши компьютеры.
Кроме перечисленных базовых протоколов, в состав стека TCP/IP на прикладном уровне входит еще множество протоколов.
13.6.3. Сетевая модель OSI
Когда стек протоколов TCP/IP уже в полную силу обеспечивал функционирование самых разнообразных сетей, международная организация по стандартизации (International Organization for Standartization, ISO) разработала концептуальную модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Эта модель оказалась настолько удачной, что в настоящее время многие сетевые процессы и проблемы принято описывать именно в терминах модели OSI. В модели OSI три базовых понятия: уровень, интерфейс и протокол.
Уровни пронумерованы от 7-го (верхний уровень) до 1-го (нижний уровень). Чем выше уровень, тем более глобальны решаемые им задачи. Каждый вышестоящий уровень реализует свою функциональность, получая услуги от нижележащего уровня и управляя им. Управление и передача услуг осуществляются через стандартные интерфейсы, благодаря которым вышестоящий уровень изолируется от детализации того, как именно реализует услуги нижележащий уровень. Взаимодействие протоколов смежных уровней в одном узле осуществляется через интерфейсы.
3.1.1. Общая характеристика протоколов локальных сетей
При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например, наиболее популярный протокол канального уровня – Ethernet – рассчитан на параллельное подключение всех узлов сети к общей для них шине – отрезку коаксиального кабеля или иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями. Протокол Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию – соединение компьютеров в виде логического кольца.
Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабельных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной цели, которую ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов. Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры – появившиеся и быстро распространившиеся тогда мини-компьютеры стоимостью в 10 000-20 000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому предел в несколько десятков (максимум – до сотни) компьютеров представлялся вполне достаточным для роста практически любой локальной сети.
Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании кабелей всеми компьютерами сети в режиме разделения времени, то есть режиме TDM. Наиболее явным образом режим совместного использования кабеля проявляется в классических сетях Ethernet, где коаксиальный кабель физически представляет собой неделимый отрезок кабеля, общий для всех узлов сети. Но и в сетях Token Ring и FDDI, где каждая соседняя пара компьютеров соединена, казалось бы, своими индивидуальными отрезками кабеля с концентратором, эти отрезки не могут использоваться компьютерами, которые непосредственно к ним подключены, в произвольный момент времени. Эти отрезки образуют логическое кольцо, доступ к которому как к единому целому может быть получен только по вполне определенному алгоритму, в котором участвуют все компьютеры сети. Использование кольца как общего разделяемого ресурса упрощает алгоритмы передачи по нему кадров, так как в каждый конкретный момент времени кольцо занято только одним компьютером.
Использование разделяемых сред (shared media) позволяет упростить логику работы сети. Например, отпадает необходимость контроля переполнения узлов сети кадрами от многих станций, решивших одновременно обменяться информацией. В глобальных сетях, где отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рассматриваются как общий ресурс, такая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в протоколы обмена информацией вводятся весьма сложные процедуры управления потоком кадров, предотвращающие переполнение каналов связи и узлов сети.
Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и отрицательные последствия, из которых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежности. Наличие только одного пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способностью этого пути (которая делилась в среднем на число компьютеров сети), а надежность сети – надежностью этого пути. Поэтому по мере повышения популярности локальных сетей и расширения их сфер применения все больше стали применяться специальные коммуникационные устройства – мосты и маршрутизаторы, – которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделяемой среды передачи данных. Базовые конфигурации в форме общей шины и кольца превратились в элементарные структуры локальных сетей, которые можно теперь соединять друг с другом более сложным образом, образуя параллельные основные или резервные пути между узлами.
Тем не менее внутри базовых структур по-прежнему работают все те же протоколы разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработаны более 15 лет назад. Это связано с тем, что хорошие скоростные и надежностные характеристики кабелей локальных сетей удовлетворяли в течение всех этих лет пользователей небольших компьютерных сетей, которые могли построить сеть без больших затрат только с помощью сетевых адаптеров и кабеля. К тому же колоссальная инсталляционная база оборудования и программного обеспечения для технологий Ethernet и Token Ring способствовала тому, что сложился следующий подход: в пределах небольших сегментов используются старые протоколы в их неизменном виде, а объединение таких сегментов в общую сеть происходит с помощью дополнительного и достаточно сложного оборудования.
В последние несколько лет наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой подход предлагается в технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode), а в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switched (коммутируемый): switched Ethernet, switched Token Ring, switched FDDI, обычно используется смешанный подход, сочетающий разделяемые и индивидуальные среды передачи данных. Чаще всего конечные узлы соединяются в небольшие разделяемые сегменты с помощью повторителей, а сегменты соединяются друг с другом с помощью индивидуальных коммутируемых связей.
Существует и достаточно заметная тенденция к использованию в традиционных технологиях так называемой микросегментации, когда даже конечные узлы сразу соединяются с коммутатором индивидуальными каналами. Такие сети получаются дороже разделяемых или смешанных, но производительность их выше.
При использовании коммутаторов у традиционных технологий появился новый режим работы – полнодуплексный (full-duplex). В разделяемом сегменте станции всегда работают в полудуплексном режиме (half-duplex), так как в каждый момент времени сетевой адаптер станции либо передает свои данные, либо принимает чужие, но никогда не делает это одновременно. Это справедливо для всех технологий локальных сетей, так как разделяемые среды поддерживаются не только классическими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и всеми новыми – Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet.
В полнодуплексном режиме сетевой адаптер может одновременно передавать свои данные в сеть и принимать из сети чужие данные. Такой режим несложно обеспечивается при прямом соединение с мостом/коммутатором или маршрутизатором, так как вход и выход каждого порта такого устройства работают независимо друг от друга, каждый со своим буфером кадров.
Сегодня каждая технология локальных сетей приспособлена для работы как в полудуплексном, так и полнодуплексном режимах. В этих режимах ограничения, накладываемые на общую длину сети, существенно отличаются, так что одна и та же технология может позволять строить весьма различные сети в зависимости от выбранного режима работы (который зависит от того, какие устройства используются для соединения узлов – повторители или коммутаторы). Например, технология Fast Ethernet позволяет для полудуплексного режима строить сети диаметром не более 200 метров, а для полнодуплексного режима ограничений на диаметр сети не существует. Поэтому при сравнении различных технологий необходимо обязательно принимать во внимание возможность их работы в двух режимах. В данной главе изучается в основном полудуплексный режим работы протоколов, а полнодуплексный режим рассматривается в следующей главе, совместно с изучением коммутаторов.
Несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей Ethernet и Token Ring по прогнозам специалистов будут повсеместно использоваться еще по крайней мере лет 5-10, в связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры. Кроме того, некоторые современные высокопроизводительные технологии, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, в значительной степени сохраняют преемственность со своими предшественниками. Это еще раз подтверждает важность изучения классических протоколов локальных сетей, естественно, наряду с изучением новых технологий.
3.1.2. Структура стандартов IEEE 802.X
В 1980 году в институте IEEE был организован комитет 802 по стандартизации локальных сетей, в результате работы которого было принято семейство стандартов IEEE 802-х, которые содержат рекомендации по проектированию нижних уровней локальных сетей. Позже результаты работы этого комитета легли в основу комплекса международных стандартов ISO 8802-1…5. Эти стандарты были созданы на основе очень распространенных фирменных стандартов сетей Ethernet, ArcNet и Token Ring.
Помимо IEEE в работе по стандартизации протоколов локальных сетей принимали участие и другие организации. Так, для сетей, работающих на оптоволокне, американским институтом по стандартизации ANSI был разработан стандарт FDDI, обеспечивающий скорость передачи данных 100 Мб/с. Работы по стандартизации протоколов ведутся также ассоциацией ЕСМА, которой приняты стандарты ЕСМА-80, 81, 82 для локальной сети типа Ethernet и впоследствии стандарты ЕСМА-89,90 по методу передачи маркера.
Стандарты семейства IEEE 802.X охватывают только два нижних уровня семи-уровневой модели OSI – физический и канальный. Это связано с тем, что именно эти уровни в наибольшей степени отражают специфику локальных сетей. Старшие же уровни, начиная с сетевого, в значительной степени имеют общие черты как для локальных, так и для глобальных сетей.
Специфика локальных сетей также нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня, которые часто называют также уровнями. Канальный уровень (Data Link Layer) делится в локальных сетях на два подуровня:
· логической передачи данных (Logical Link Control, LLC);
· управления доступом к среде (Media Access Control, MAC).
Уровень MAC появился из-за существования в локальных сетях разделяемой среды передачи данных. Именно этот уровень обеспечивает корректное совместное использование общей среды, предоставляя ее в соответствии с определенным алгоритмом в распоряжение той или иной станции сети. После того как доступ к среде получен, ею может пользоваться более высокий уровень – уровень LLC, организующий передачу логических единиц данных, кадров информации, с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных локальных сетях получили распространение несколько протоколов уровня MAC, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде. Эти протоколы полностью определяют специфику таких технологий, как Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, l00VG-AnyLAN.
Уровень LLC отвечает за передачу кадров данных между узлами с различной степенью надежности, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем. Именно через уровень LLC сетевой протокол запрашивает у канального уровня нужную ему транспортную операцию с нужным качеством. На уровне LLC существует несколько режимов работы, отличающихся наличием или отсутствием на этом уровне процедур восстановления кадров в случае их потери или искажения, то есть отличающихся качеством транспортных услуг этого уровня.
Протоколы уровней MAC и LLC взаимно независимы – каждый протокол уровня MAC может применяться с любым протоколом уровня LLC, и наоборот.
Стандарты IEEE 802 имеют достаточно четкую структуру, приведенную на рис. 3.1:
Рис. 3.1. Структура стандартов IEEE 802.X
Эта структура появилась в результате большой работы, проведенной комитетом 802 по выделению в разных фирменных технологиях общих подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В результате канальный уровень был разделен на два упомянутых подуровня. Описание каждой технологии разделено на две части: описание уровня MAC и описание физического уровня. Как видно из рисунка, практически у каждой технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько вариантов протоколов физического уровня (на рисунке в целях экономии места приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все сказанное справедливо также и для остальных технологий, таких как ArcNet, FDDI, l00VG-AnyLAN).
Над канальным уровнем всех технологий изображен общий для них протокол LLC, поддерживающий несколько режимов работы, но независимый от выбора конкретной технологии. Стандарт LLC курирует подкомитет 802.2. Даже технологии, стандартизованные не в рамках комитета 802, ориентируются на использование протокола LLC, определенного стандартом 802.2, например протокол FDDI, стандартизованный ANSI.
Особняком стоят стандарты, разрабатываемые подкомитетом 802.1. Эти стандарты носят общий для всех технологий характер. В подкомитете 802.1 были разработаны общие определения локальных сетей и их свойств, определена связь трех уровней модели IEEE 802 с моделью OSI. Но наиболее практически важными являются стандарты 802.1, которые описывают взаимодействие между собой различных технологий, а также стандарты по построению более сложных сетей на основе базовых топологий. Эта группа стандартов носит общее название стандартов межсетевого взаимодействия (internetworking). Сюда входят такие важные стандарты, как стандарт 802. ID, описывающий логику работы моста/коммутатора, стандарт 802.1Н, определяющий работу транслирующего моста, который может без маршрутизатора объединять сети Ethernet и FDDI, Ethernet и Token Ring и т. п. Сегодня набор стандартов, разработанных подкомитетом 802.1, продолжает расти. Например, недавно он пополнился важным стандартом 802.1Q, определяющим способ построения виртуальных локальных сетей VLAN в сетях на основе коммутаторов.
Стандарты 802.3,802.4,802.5 и 802.12 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу. Так, основу стандарта 802.3 составила технология Ethernet, разработанная компаниями Digital, Intel и Xerox (или Ethernet DIX), стандарт 802.4 появился | как обобщение технологии ArcNet компании Datapoint Corporation, а стандарт 802.5 в основном соответствует технологии Token Ring компании IBM.
Исходные фирменные технологии и их модифицированные варианты – стандарты 802.х в ряде случаев долгие годы существовали параллельно. Например, технология ArcNet так до конца не была приведена в соответствие со стандартом 802.4 (теперь это делать поздно, так как где-то примерно с 1993 года производство оборудования ArcNet было свернуто). Расхождения между технологией Token Ring и стандартом 802.5 тоже периодически возникают, так как компания IBM регулярно вносит усовершенствования в свою технологию и комитет 802.5 отражает эти усовершенствования в стандарте с некоторым запозданием. Исключение составляет технология Ethernet. Последний фирменный стандарт Ethernet DIX был принят в 1980 году, и с тех пор никто больше не предпринимал попыток фирменного развития Ethernet. Все новшества в семействе технологий Ethernet вносятся только в результате принятия открытых стандартов комитетом 802.3.
Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения. Так произошло с технологиями Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet. Группа заинтересованных компаний образовывала сначала небольшое объединение, а затем по мере развития работ к нему присоединялись другие компании, так что процесс принятия стандарта носил открытый характер.
Сегодня комитет 802 включает следующий ряд подкомитетов, в который входят как уже упомянутые, так и некоторые другие:
· 802.1 – Internetworking – объединение сетей;
· 802.2 – Logical Link Control, LLC – управление логической передачей данных;
· 802.3 – Ethernet с методом доступа CSMA/CD;
· 802.4 – Token Bus LAN – локальные сети с методом доступа Token Bus;
· 802.5 – Token Ring LAN – локальные сети с методом доступа Token Ring;
· 802.6 – Metropolitan Area Network, MAN – сети мегаполисов;
· 802.7 – Broadband Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по широкополосной передаче;
· 802,8 – Fiber Optic Technical Advisory Group – техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям;
· 802.9 – Integrated Voice and data Networks – интегрированные сети передачи голоса и данных;
· 802.10 – Network Security – сетевая безопасность;
· 802.11 – Wireless Networks – беспроводные сети;
· 802.12 – Demand Priority Access LAN, l00VG-AnyLAN – локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами.
Выводы
· При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится классическим технологиям Ethernet, Token Ring, FDDI, разработанным более 15 лет назад и основанным на использовании разделяемых сред.
· Разделяемые среды поддерживаются не только классическими технологиями локальных сетей Ethernet, Token Ring, FDDI, но и новыми – Fast Ethernet, l00VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet.
· Современной тенденцией является частичный или полный отказ от разделяемых сред: соединение узлов индивидуальными связями (например, в технологии АТМ), широкое использование коммутируемых связей и микросегментации. Еще одна важная тенденция – появление полнодуплексного режима работы практически для всех технологий локальных сетей.
· Комитет IEEE 802.X разрабатывает стандарты, которые содержат рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей – физического и канального. Специфика локальных сетей нашла свое отражение в разделении канального уровня на два подуровня – LLC и MAC.
· Стандарты подкомитета 802.1 носят общий для всех технологий характер и постоянно пополняются. Наряду с определением локальных сетей и их свойств, стандартами межсетевого взаимодействия, описанием логики работы моста/коммутатора к результатам работы комитета относится и стандартизация сравнительно новой технологии виртуальных локальных сетей VLAN.
· Подкомитет 802.2 разработал и поддерживает стандарт LLC. Стандарты 802.3, 802.4,802.5 описывают технологии локальных сетей, которые появились в результате улучшений фирменных технологий, легших в их основу, соответственно Ethernet, ArcNet, Token Ring.
· Более поздние стандарты изначально разрабатывались не одной компанией, а группой заинтересованных компаний, а потом передавались в соответствующий подкомитет IEEE 802 для утверждения.
При обмене информацией в сети каждый уровень модели взаимодействия открытых систем реагирует на свой заголовок, то есть происходит взаимодействие между однолинейными уровнями модели в различных абонентских ЭВМ.
Протокол (стандарт) – это набор правил, определяющий взаимодействие двух однолинейных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных абонентских ЭВМ.
Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы в программном обеспечении. Обычно функции протоколов различных уровней реализуются в драйверах для различных ВС. Таким образом, следует говорить о необходимости существования протоколов для каждого из семи уровней.
Легче всего подвергаются стандартизации протоколы трех первых нижних уровней, так как они определяют действия и процедуры, свойственные для ВС любого класса. Труднее стандартизируются остальные, особенно прикладной, из-за множественности прикладных задач.
Примеры протоколов:
· Протоколы физического уровня – х.21, х.21 бис и т.д.
· Канального уровня – SDLC, 802.2, 802.3, 802.4 (маркерная шина), 802.5 (маркерное кольцо) и т.д.
· Сетевого уровня – х.25.
Довольно часто протокол определяет взаимодействие нескольких уровней.
Например, протокол 802.3 содержит физический и канальный уровни взаимодействия.
Уровень представления данных – ASCII.
Прикладной уровень – х.400 (электронная почта), FTAM (File Transfer Access and Management – передача файлов, доступ к файлам и управление файлами).
Рассмотрим особенности сетевых протоколов канального уровня, которые делятся на две основные группы: байт-ориентированные и бит-ориентированные.
Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения по информационному каналу в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов в канал передаются также управляющие и служебные байты. Такой тип протокола удобен для ЭВМ, так как она ориентирована на обработку данных, представленных в виде двоичных байтов. Для коммуникационной среды он менее удобен, поскольку требуется использование дополнительного сигнала для разделения информационного потока на байты, что в конечном итоге снижает пропускную способность канала связи.
Наиболее известный байт – протокол BSC (Binary Synchronous Communication) - протокол двоичной синхронной связи, разработанный IBM. Протокол обеспечивает передачу двух типов данных: информационных и управляющих. В управляющих кадрах передаются управляющие и служебные символы, в информационных – сообщения (отдельные пакеты, последовательность пакетов). Работа протокола BSC осуществляется в три фазы: установление соединения, поддержание сеанса передачи сообщений, разрыв соединения. Протокол требует на каждый переданный кадр посылки квитанции о результате его приема. Кадры, переданные с ошибкой, передаются повторно. Протокол определяет максимальное число повторных передач. Передача последующего кадра возможна тогда, когда получена положительная квитанция на прием предыдущего. Это существенно ограничивает быстродействие протокола и предъявляет высокие требования к качеству канала связи.
Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов, не разделенных на байты. Поэтому для разделения кадров используются специальные последовательности - флаги. В начале кадра ставится флаг открывающий, а в конце - флаг закрывающий.
Бит-ориентированный протокол удобен относительно коммуникационной среды, для ЭВМ – менее удобен. Тем не менее, учитывая высокую производительность ЭВМ, протоколы данного типа являются более высокоскоростными по сравнению с байт-ориентированными и более популярны в ВС.
Протокол HDLC (High-Level Data Link Control – высший уровень управления каналом связи) и его подмножества – типичные представители протоколов данного типа. Протокол HDLC управляет информационным каналом с помощью специальных кадров, в которых передаются команды. Информационные кадры нумеруются. HDLC позволяет без получения положительной квитанции передавать в канал до трех – пяти кадров. Такой алгоритм работы обеспечивает более высокое быстродействие протокола.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Лекция 1. Введение. Понятие информатики
Структура информатики.. Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных.. Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей технических средств..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Понятие информатики
Термин информатика возник в 60-х гг. во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский
Информационное общество
Информационная культура - умение целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи компьютерной информационную технологию, современные те
История развития рынка информационных услуг
С середины 50-х гг. началось формирование устойчивого рынка информационных услуг. Основными поставщиками информационных услуг являлись: информационные службы академических, профессиональных и научн
Информация, сообщения, сигналы
Информация наряду с материей и энергией является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Можно лишь перечислить ее основные свойства, например такие как:
Синтаксическая мера информации
Эта мера количества информации оперирует с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту. На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информаци
Семантическая мера информации
Для измерения смыслового содержания информации, т.е. ее количества на семантическом уровне, наибольшее признание получила тезаурусная мера, которая связывает семантические свойства информации со сп
Прагматическая мера информации
Эта мера определяет полезность информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цепи. Эта мера также величина относительная, обусловленная особенностями использования этой информации
Качественные характеристики информации
Возможность и эффективность использования информации обусловливаются такими основными ее потребительскими показателями качества, как репрезентативность, содержательность, достаточн
Кодирование текстовой информации
В настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др.
Традиционно, для тог
Кодирование графической информации
Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой или дискретной. Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно - это при
Растровое изображение
При помощи увеличительного стекла можно увидеть, что черно-белое графическое изображение, например из газеты, состоит из мельчайших точек, составляющих определенный узор - растр. Во Франции в 19 ве
Модель CMYK
В основе этой модели лежит субтрактивное цветовоспроизведение (характерное для отражающих объектов). Каждому из основных цветов ставится в соответствие дополнительный цвет (дополняющий основной до
Графические режимы
Различают несколько режимов представления цветной графики:
· полноцветный (True Color) - для кодирования яркости каждой из составляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов
Векторное и фрактальное изображения
Векторное изображение - это графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изображения является линия. Как и любой объект, она обладает
Кодирование звуковой информации
На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту где-то в пределах от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых л
Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование звуковой информации
Звуковые волны при помощи микрофона превращаются в аналоговый переменный электрический сигнал. Он попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, которое переводит сигнал в цифровую
Параметры семплирования
Частота - количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду.
Если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней грани
Сжатие информации
Кодирование делится на три большие группы - сжатие (эффективные коды), помехоустойчивое кодирование и криптография.
Коды, предназначенные для сжатия информации, делятся, в свою очередь, на
Сжатие без потерь
Один из самых простых способов сжатия информации – групповое кодирование. В соответствии с этой схемой серии повторяющихся величин (например, число) заменяются единственной величин
Сжатие с потерей информации
используется для упаковки графических изображений. Этот метод основан на особенности человеческого восприятия изображений. Для человеческого глаза яркость более существенна, чем информация о цветов
Информационные революции
В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций - преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием этих преобр
Понятие информационной системы
Под системой понимают любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как объединённая в интересах достижения поставленных целей совокупность разнородных элементов. Системы
Этапы развития информационных систем
История развития информационных систем и цели их использования на разных периодах представлены в таблице 1:
Таблица 1. Изменение подхода к использованию информационных систем
Процессы в ИС
Процессы, обеспечивающие работу ИС любого значения, условно можно представить в виде схемы.
ИС состоит из блоков:
· ввод информации из внешних или внутренних источников;
Структура информационной системы
Общую структуру ИС можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. Таким образом, структура любой ИС может быть представлена следующим образом.
Устаревание ИТ
Для ИТ является вполне естественным то, что они устаревают и заменяются новым.
Пример. На смену технологии пакетной обработки программ на большой ЭВМ в вычислительном центре пришла техноло
Методология использования ИТ
Централизованная обработка информации на ЭВМ вычислительных центров была первой исторически сложившейся технологией. Создавались крупные вычислительные центры (ВЦ) коллективного использовани
Система команд некоторой ЭВМ – это совокупность команд, которую может выполнить данная ЭВМ
Последовательность команд, предложенную ЭВМ для исполнения, называют программой.
Несмотря на разнообразие современных ЭВМ, их структура основана на общих логических
Основные блоки ПК и их значение
Рис. Структурная схема персонального компьютера
Микропроцессор (МП). Это центральны
Шины расширений
Шина ISA (Industry Standard Architecture–архитектура промышленного стандарта) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая частота 16 МГц, но мож
Локальные шины
Локальные шины подключаются непосредственно к шине МП, работают на тактовой частоте МП и обеспечивают связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памя
Назначение и типы МП
МП выполняет следующие функции:
· чтение и дешифрацию команд из ОП;
· чтение данных из ОП и регистров адаптеров ВУ;
· прием и обработку запросов и команд от адаптеров на
Структура МП
Микропроцессоры состоят из двух частей:
· операционной, содержащей УУ, АЛУ и МППС, за исключением нескольких адресных регистров;
· интерфейсной, содержащей адресные регистры МПП,
Кэш-память
Кэш-память – высокоскоростная память, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш–памяти недоступны для пользователя; отсюда и название «кэш»
Физическая структура ОП
ОП содержит RAM и ROM, т. е. ОЗУ и ПЗУ.
ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей на текущем этапе функционирования ПК.
Логическая структура ОП
Распределение одномегабайтовой области ОЗУ приведено на рис. 3.4. Логическая структура всей ОП показана на рис. 3.5. Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех других) адрес.
Дисковые накопители внешней памяти
Устройства памяти на дисках относятся к устройствам с прямым доступом. Быстрый доступ к любой части диска обеспечивается:
· быстрым вращением диска (гибкий – около 300 об/мин, жесткий – ок
Видеотерминальные устройства
Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (адаптера). Видеоконтроллеры входят в состав системного блока ПК (находятся на видеокарте, устанавливаемой в разъем материнской п
Принтеры
Принтеры (печатающие устройства) - это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие э
Сканеры
Сканер - это устройство ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую графическую информацию.
Сканеры вес
СуперЭВМ
К суперЭВМ относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов - десятки миллиардов операций в секунду.
Типовая модель суперЭВМ 2000 г имеет
Переносные компьютеры
Переносные компьютеры - быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров. По прогнозу специалистов, в 1998 г. более 50% пользователей будут использовать именно переносные машины, а к
Процесс передачи информации
Любая коммуникационная сеть должна включать следующие компоненты: передатчик, средства передачи, приемник.
Передатчик – устройство, являющееся источником данных.
Формы взаимодействия абонентских ЭВМ
Существуют следующие основные формы взаимодействия абонентских ЭВМ.
1. Терминал-удаленный процесс – предусматривает обращение с терминала одной из абонентских ЭВМ к процес
Модель взаимодействия открытых систем
Многообразие производителей ВС сетей и сетевого ПО породило проблему объединения сетей различных архитектур. Для этого была разработана модель архитектуры открытых систем.
Открытая
Локальные вычислительные сети
Основное назначение любой компьютерной сети - представление информационных и вычислительных ресурсов подключенным к ней пользователям.
С этой точки зрения ЛВС можно рассматривает как совок
Основные топологии ЛВС
Топология ЛВС – это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети.
ВС можно рассматривать как совокупность узлов – устройств, непосредственно подключенных к перед
Физическая передающая среда ЛВС
Физическая передающая среда ЛВС может быть представлена тремя типами.
1. Витая пара. Состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внеш
Методы доступа к передающей среде
Метод доступа к передающей среде – метод, обеспечивающий выполнение совокупности правил, в соответствии с которыми узлы сети получают доступ к ресурсу сети.
Существуют два основных класса
Способы объединения ЛВС
Причины применения различных способов объединения ЛВС следующие: исчерпаны технические возможности ЛВС, нужно создать еще одну ЛВС, подключив новых пользователей и объединив ее с уже существующей Л
Глобальная сеть Internet
Internet – это сеть, объединяющая отдельные сети. Логическая структура Internet представляет собой некое виртуальное объединение, имеющее свое виртуальное пространство. Основные яч
Системное программное обеспечение
Системное ПО – совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и вычислительных сетей.
Системное ПО направлено:
· на создание операционной среды ф
Инструментарий технологии программирования
Инструментарий технологии программирования обеспечивает процесс разработки программ и включает специализированное ПО, которое является инструментальными средствами разработки. ПО данного класса при
Пакеты прикладных программ
Прикладное ПО служит программным инструментарием для решения функциональных задач и являются самым многочисленным классом ПО. В данный класс входят программные продукты, выполняющие обработку инфор
Защита программного обеспечения
Защита ПО преследует следующие цели:
· ограничение несанкционированного доступа к программам или их преднамеренное разрушение и хищение;
· исключение несанкционированного копирова
В настоящей главе описываются различные методы доступа к среде передачи, методы передачи данных, а также топологии и устройства, используемые в локальных серое (Jocal-Siwa network - LAN). Особое внимание уделяется методам и устройствам, используемым в стандартах Ethernet/IEEE 802.3, Token Ring/IEEE 802.5 и Fiber fitistributed Dat* Iaterface (Fiber Distributed Data Interface - FDDI). В части II этой книги данные протоколы будут описаны более подробно. Базовые схемы этих трех вариантов реализации LAN-сетей показаны на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Три наиболее часто используемые конфигурации локальных сетей
Что такое локальная сеть?
Локалщая сеть (Local Area Network - LAN) представляет собой сеть с высокой скоростью; ,дередачи данных, ограниченную относительно небольшой географической областью. Обычно в такую сеть объединяются рабочие станции, персональные компьютеры, принтеры, серверы и другие устройства. Локальные сети предоставляют пользователям компьютеров много преимуществ, включая совместный доступ к устройствам и приложениям, обмен файлами между пользователями, общение по электронной почте и другие приложения.
Протоколы локальных сетей и эталонная модель OSI
Как отмечалось в главе 1 "Основы теории объединенных сетей", протоколы локальных сетей работают на двух самых нижних уровнях эталонной модели OSI - между физическим и канальным. Соответствие нескольких наиболее распространенных протоколов локальных сетей уровням модели OSI показано на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Соответствие распространенных протоколов локальных сетей уровням модели 0S1
Методы доступа к среде передачи в локальных сетях
Если сразу несколько сетевых устройств пытаются одновременно отправить данные, то возникает конфликт доступа к среде передачи. Поскольку несколько устройств не могут одновременно передавать данные по сети, требуется какой-либо метод, позволяющий в каждый момент времени обращаться к сетевой среде передачи данных только одному устройству. Для этого обычно применяется один из двух способов: множественный доступ с обнаружением несушей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect - CSMA/CD) и передача маркера.
В сетях, использующих технологию CSMA/CD, таких как сети Ethernet, сетевые устройства "соперничают" за доступ к сетевой среде передачи данных. Когда устройству требуется отправить данные, оно сначала прослушивает сеть, чтобы узнать, не использует ли ее в данный момент какое-либо другое устройство. Если сеть свободна, то устройство начинает передавать свои данные. После того как передача данных закончится, устройство снова прослушивает сеть, чтобы узнать, не возникло ли коллизии. Коллизия возникает, когда два устройства посылают данные одновременно. Если коллизия произошла, то каждое из этих устройств ожидает в течение некоторого случайно выбираемого промежутка времени, а затем отправляет данные повторно. В большинстве случаев коллизия между этими двумя устройствами не повторяется. Вследствие такого "соперничества" устройств увеличение нагрузки в сети вызывает увеличение числа коллизий. Поэтому при увеличении количества устройств в сети Ethernet ее производительность резко падает.
В сетях с передачей маркера (token-passing), таких как Token Ring и FDDI, по всей сети, от устройства к устройству, передается специальный пакет, называемый маркером (token). Если устройству требуется отправить данные, то оно ждет, пока не будет получен маркер, и только затем посылает данные. Когда передача данных окончена, маркер освобождается, и тогда сетевая среда может быть использована другими устройствами. Основное преимущество таких сетей состоит в том, что происходящие в них процессы в них детерминированы, т.е., легко подсчитать максимальное время, в течение которого устройство должно ожидать возможности отправить данные. Этим объясняется популярность сетей с передачей маркера в некоторых средах, работающих в режиме реального времени, например, в сфере производства, где необходимо обеспечить обмен данными между устройствами через строго определенные интервалы времени.
В сетях множественного доступа CSMA/CD могут использоваться коммутаторы, которые сегментируют сеть на несколько коллизионных доменов. Это уменьшает количество устройств, "соперничающих" за среду передачи, в каждом сегменте сети. За счет создания более мелких коллизионных доменов можно существенно увеличить производительность сети без изменения системы адресации.
Обычно соединения сети CSMA/CD являются полудуплексными. Термин "полудуплексное соединение" означает, что устройство не может одновременно отправлять и получать информацию. Пока устройство передает данные, оно не может следить за поступающими данными. Это очень напоминает устройство "walkie-talkie": при необходимости что-либо сказать нажимается кнопка передачи и, пока говорящий не закончит, никто другой не может говорить на этой же частоте. Когда говорящий заканчивает, он отпускает кнопку передачи и тем самым освобождает частоту для остальных.
При использовании коммутаторов становится возможной реализация режима полного дуплекса. Полнодуплексное соединение работает так же, как и телефон: можно одновременно и слушать, и говорить. Если сетевое устройство подключено непосредственно к порту сетевого коммутатора, то эти два устройства смогут работать в режиме полного дуплекса. В этом режиме производительность сети может увеличиться. Сегмент Ethernet 100 Мбит/с способен передавать данные со скоростью 200 Мбит/с, но из них в одном направлении только 100 Мбит/с. Поскольку большинство соединений асимметричны (в одном направлении передается больше данных, чем в другом), то выигрыш оказывается не столь велик, как полагают некоторые. Однако работа в полнодуплексном режиме все же увеличивает пропускную способность многих приложений, поскольку в этом случае сетевая среда передачи уже не является общей.
Используя полнодуплексное соединение, два устройства, могут начать отправку данных сразу же после его установки.
В сетях с передачей маркера, таких как Token Ring, также можно воспользоваться преимуществами коммутаторов. В больших сетях после отправки фрейма задержка перед следующим получением маркера может оказаться весьма значительной, поскольку он передается через всю сеть.
Методы передачи данных в локальных сетях
Все пересылки данных в локальных сетях можно разделить на три категории: од- ноадресатная, многоадресатная и широковещательная передача. В каждом из этих случаев один пакет отправляется одному или нескольким узлам.
При одноадресатной передаче (unicast transmission) пакет пересылается по сети от источника только одному получателю. Узел-источник адресует пакет, используя адрес узла-получателя. Затем этот пакет посылается в сеть и передается получателю.
При многоадресатной передаче (multicast transmission) пакет данных копируется и отправляется некоторому подмножеству узлов сети. Узел-источник адресует пакет, используя групповой адрес. Затем пакет посылается в сеть, которая делает с него копии и отправляет по одной копии каждому узлу, соответствующему групповому адресу.
При широковещательной передаче (broadcast transmission) пакет данных копируется и отправляется всем узлам в сети. При передаче такого типа узел-источник адресует пакет, используя широковещательный адрес. Затем пакет отправляется в сеть, которая делает с него копии и посылает по одной копии каждому узлу сети.
Литература:
Руководство по технологиям объединенных сетей, 4-е издание. : Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2005. - 1040 с.: ил. – Парал. тит. англ.
Взаимодействие между одноименными уровнями модели в различных абонентских ЭВМ должно выполняться по определенным правилам.
Протокол -– это набор правил, определяющий взаимодействие двух одноименных уровней модели взаимодействия открытых систем (ВОС) в различных абонентских ЭВМ.
Протокол не является программой. Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы в программе.
Легче всего поддаются стандартизации протоколы трех нижних уровней модели архитектуры открытых систем, так как они определяют действия и процедуры, свойственные для вычислительных сетей любого класса.
Труднее всего стандартизовать протоколы верхних уровней, особенно прикладного, из-за множественности прикладных задач и в ряде случаев их уникальности. Если по типам структур, методам доступа к физической передающей среде, используемым сетевым технологиям и некоторым другим особенностям можно насчитать примерно десяток различных моделей вычислительных сетей, то по их функциональному назначению пределов не существует.
Интернет. Принципы построения
Интернет - соединение, объединение различных сетей. При объединении в единое целое нескольких сетей используют специальный межсетевой протокол. Межсетевой протокол , по-английски – Internet Protocol (IP ) , и дал название сети Интернет. Обмен данными в этой глобальной сети осуществляется при помощи протокола управления передачей данных – Transmission Control Protocol (TCP ) . Таким образом, траспортировка информации в Интернет осуществляется по так называемому стеку протоколов TCP/IP.
Интернет - глобальная компьютерная сеть, соединяющая отдельные сети, которые работают согласно протоколу TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), объединены через шлюзы и используют единое адресное пространство и пространство имен.
В основе Интернета лежит система магистральных сетей, называемых опорными. Региональные сети среднего уровня обеспечивают подключение отдельных территорий к высокоскоростной опорной сети.
В Интернет обмен данными между узлами может осуществляться по разным маршрутам, по разным линиям связи. Выход из строя отдельного телекоммуникационного канала не ведет к полному прекращению связи.
История появления Интернет
В 60-х годах ХХ века, после Карибского кризиса, специалисты Rand Corporation (мозговой центр США) преложили создать децентрализованную компьютерную сеть, покрывающую всю страну. Идея заключалась в том, что даже в случае ядерной атаки не была разрушена связь между военными компьютерами научных и образовательных учреждений, подключенных в эту сеть. Такая структура могла быть осуществлена только в том случае, если между узлами сети существуют множественные связи, то есть все узлы должны иметь одинаковый статус, каждый узел полномочен порождать, передавать и получать сообщения от любого другого узла. Если в обычной сети сервер, выходя из строя, выводил из строя всю сеть, то в новой сети, должно было существовать произвольное количество серверов, каждый из которых сам мог выбирать путь посылки информации.
Предполагалось, что данные, предназначенные для передачи, должны быть разбиты на небольшие стандартные блоки данных, называемые пакетами . Каждый пакет должен иметь адрес назначения и его доставка обеспечивается тем, что каждый узел имеет возможность посылать (или переадресовывать) пакеты по сети к месту назначения.
В 1968 году одно из подразделений Пентагона, – агентство ARPA, начало финансирование этого проекта и осенью 1969 года появилась сеть ARPANET, состоявшая всего из четырех узлов: SDS SIGMA (Калифорнийский университет), SDS-940 (Стэндфордский исследовательский институт), IBM-360 (Калифорнийский институт Санта-Барбары), DEC PDP-10 (университет штата Юта). Днем рождения Интернет принято считать 29 октября 1969 года, когда была предпринята первая попытка дистанционного подключения к компьютеру в исследовательском центре Стэндфордского университета с другого компьютера, который стоял в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. "Отцом-основателем" Интернета иногда называют Винтона Серфа. В 1971 году в составе было уже 15 узлов, а в 1972 г. – 37 узлов. В 1973 году к сети были подключены зарубежные узлы – в Лондоне и Норвегии. В 1974 г. NSF (National Science Foundation) опубликовал стандарт протокола TCP/IP, который стал стандартным в ARPANET в 1983 году. К этому году сеть имела уже устоявшееся название INTERNET. В 80-е годы начался бурный рост Интернет. Схема соединения компьютеров в сеть с децентрализованным управлением распространилась по всему миру.