Захаров_ССПИ
Министерство образования и науки Российской Федерации Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова Кафедра радиофизики А. С. Захаров Архитектура информационно-вычислительных сетей Методические указания Рекомендовано Научно-методическим советом университета для студентов, обучающихся по направлению Физика Ярославль ЯрГУ 2013
УДК 004.072.4(072) ББК З973.2я73 З38 Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного издания. План 2013 года Рецензент кафедра радиофизики ЯрГУ Захаров, А. С. Архитектура информационно-вычисли- З38 тельных сетей : методические указания / А. С. Захаров; Яросл. гос. ун-т им. П. Г. Демидова. – Ярославль: ЯрГУ, 2013. – 48 с. В методических указаниях рассмотрены принципы организации сетей передачи информации, их состав и структура. Представлены описания топологий сетей на основе моноканала, циклические и узловые подсети. Основное внимание уделено описанию принципов организации взаимодействия информационных систем на основе уровневой организации сетей и базовой эталонной модели OSI. Вводится понятие протокола и его свойств. Рассмотрены способы подключения абонентских систем к коммуникационным подсетям с использованием базовых функциональных профилей. Данные методические указания предназначены для студентов, обучающихся по направлению 011200.62 Физика (дисциплина «Информационно-вычислительные комплексы», цикл Б3), очной формы обучения. УДК 004.072.4(072) ББК З973.2я73 © ЯрГУ, 2013
Структура информационной сети Любая информационно-вычислительная система создается для выполнения ею прикладных задач пользователей. Первые компьютеры были автономными устройствами, работали отдельно, независимо от других. Для решения множества практических задач требовалось организовать информационное взаимодействие между ними. Необходимо было найти решение, которое бы удовлетворяло трем перечисленным ниже требованиям, а именно: а) устраняло дублирование оборудования и ресурсов; б) обеспечивало эффективный обмен данными между устройствами в реальном времени; в) снимало проблему управления соединениями. Было найдено два решения, выполняющих поставленные условия, – локальные и глобальные сети . Локальные сети служат для объединения рабочих станций, периферии, терминалов и других устройств. Локальная сеть позволяет повысить эффективность работы компьютеров за счет совместного использования ими общих ресурсов, например файл-серверов с базами данных, принтеров. Характерными особенностями локальной сети являются: • ограниченные географические пределы; • обеспечение многим пользователям доступа к общим ресурсам и обмена информацией между собой по каналам с высокой пропускной способностью; • постоянное подключение к локальным сервисам; • физическое соединение рядом стоящих устройств. Быстрое распространение компьютеров привело к увеличе- нию числа локальных сетей. Они появились в каждом отделе и учреждении. В то же время каждая локальная сеть – это отдельный электронный остров, возможно, работающая по своим правилам и не имеющая связи с другими себе подобными. Стало очевидным, что использования технологии локальных сетей уже недостаточно. Требовалось найти способ передачи информации от одной локальной сети к другой. Решить эту задачу помогло создание глобальных сетей. Глобальные сети служат для объединения локальных сетей и обеспечиваютсвязьмеждукомпьютерами,находящимисявлокаль-
ных сетях. Глобальные сети охватывают значительные географические пространства и дают возможность связать устройства, расположенныенабольшомудалениидруготдруга.Приподключении локальныхсетей,отдельныхкомпьютеровидругихустройствкглобальным сетям возникает возможность совместного использования информации и ресурсов, а также доступа к сети Internet. При выполнении различных прикладных задач пользователей в распределённых информационных системах выполняется множество прикладных процессов (рис. 1).
| • | |||||
| — | |||||
| — | |||||
| • | |||||
| « » | |||||
| ( ••, •) | |||||
Рис. 1. Виды прикладных процессов Все системы, входящие в состав информационной сети, в зависимости от решаемых ими задач можно разделить на 3 класса: – абонентские – выполняют прикладные процессы для нужд пользователей; – административные – управляют процессами взаимодей- ствия абонентских систем; – ассоциативные – совместно с каналами передачи данных обеспечивают прокладку трактов, соединяющих прикладные процессы пользователей в различных абонентских системах. Информационная сеть является совокупностью абонентских систем, взаимодействующих друг с другом через коммуникационную подсеть, которая включает в себя физическую среду , пе- редающие сигналы, а также программные и технические средства, обеспечивающие передачу блоков информации по адресам их назначения.
Информационная сетьпо функциональным признакамсостоит из 3 частей, входящих одна в другую (рис. 2): – коммуникационная подсеть – обеспечивает взаимодей- ствие абонентских систем без учета информации об их местонахождении и расстояниях между ними; – подсеть взаимодействия – обеспечивает взаимодействие прикладных процессов (ПП) независимо от того, в каких системах они расположены и где эти системы находятся; – информационная сеть – включает подсеть взаимодействия и прикладные процессы пользователей. Рис. 2. Структура информационной сети Современный подход к построению информационных сетей заключается в частичном выполнении функций области взаимодействия в специальных ассоциативных устройствах, например маршрутизаторах. Коммуникационные подсети (КП) Коммуникационная подсеть предназначена для передачи информации между большим числом абонентских систем и создается на основе стандартных компонентов (рис. 3): – физических средств соединения (ФСС); – ассоциативных систем (АС).
В состав коммуникационной подсети входят один или несколько комплексов фи зических средств соединений. В последнем случае они соединяются при помощи АС. Комплекс ФСС состоит из одного либо группы параллельно прокладываемых каналов передачи данных. ФСС имеют также оконечные устройства, образующие интерфейсы для подключения к этим средствам абонентских систем. Одна из возможных структурных схем коммуникационной подсети показана на рис. 4.
| 1 | N | |||||||
Рис. 3. Состав коммуникационной подсети Рис. 4. Структура коммуникационной сети Виды коммуникационных подсетей различаются способами доставки информации конкретным адресатам. Их классификация представлена на рис. 5. Коммуникационная подсеть с селекцией
информации характеризуется тем, что любой блок данных пере- даетсяотоднойсистемы-отправителявсемабонентскимсистемам, которые проверяют адрес его назначения. Система, которой адресован блок, принимает его, остальные отвергают этот блок. В результатепроисходитселекцияинформации.Примеромтакихсетей являлисьсетипейджинговойсвязи,авнастоящеевремяпроцедура селекцииинформациииспользуетсявканалахуправлениябазовых станций сотовой связи. В сетях эфирного вещания и кабельного телевидения также широко используется метод селекции информационных потоков, передаваемых в различных полосах частот. Рис. 5. Классификация коммуникационных подсетей Подсети с селекцией информации делятся на две группы: моноканальные и циклические. Отличия между ними заключа- ются в следующем: – в моноканальной подсети каждый посланный блок данных попадает ко всем абонентским системам практически одновременно, с задержкой, не превышающей времени физического распространения сигнала между абонентскими станциями; – в циклической подсети блоки информации доставляются абонентским системам последовательно (по очереди), проходя мимо каждой из них. Моноканальные подсети Моноканалом является коммуникационная подсеть , в которой любой блок данных, переданный АС, достигает, с точностью задержки распространения в ней сигналов, одновременно всех
АС. Моноканал построен на основе общего канала, к которому через специальные устройства подключаются все абонентские системы сети (рис. 6). Рис. 6. Коммуникационная подсеть на основе моноканала Принципиальным отличием моноканальных подсетей от других является наличие только одного пути между любыми двумя абонентскими системами. Этот признак определяет три вида топологии моноканала, представленные на рис. 7. Рис. 7. Виды топологий моноканала Моноканал состоит из двух частей: общего канала и его оконечных устройств – блоков доступа (БД), которые необходимы для стыковки абонентских станций с моноканалом в точках его интерфейса (рис. 8). Выбор физических средств, на основе которых строится моноканал, зависит от предъявляемых к нему требований: скорости передачи сигналов; надежности работы; стоимости. Моноканалы делятся на 2 вида – физический и частотный. В первом возможна одновременная передача только одного сигнала, а во втором за счет создания частотных полос одновременно передается группа сигналов: в каждой полосе по сигналу
(рис. 9). Физический моноканал используется в локальных компьютерных сетях, а на основе частотного моноканала работают системы телерадиовещания, радиотелефонной связи. Рис. 8. Структура моноканала Рис. 9. Частотный моноканал: ∆ f 1,2 – используемые полосы частот Для повышения скорости передачи данных по физическому моноканалу применяются два подхода: • создание в одном моноканале нескольких общих каналов; • создание иерархии моноканалов. В первом случае производится передача информационных блоков по различным логическим каналам, организованным путём использования для передачи канальных сигналов различных временных интервалов, кодовых последовательностей, видов поляризации, а блоки доступа станций осуществляют селекцию
их и объединение в один общий информационный поток. Такой подход применяется, например, в системах спутниковой связи, цифровых системах мобильной радиотелефонной связи GSM и CDMA, системах абонентского доступа к сетям передачи данных на основе технологии xDSL. Построение иерархической структуры моноканалов широко применяется в локальных сетях. Такой подход позволяет путём использования ассоциативных систем разделить трафик относительно независимых групп пользователей, и таким образом существенно увеличить общую производительность сети. Циклические подсети Характерной особенностью циклической подсети является кольцевой канал, в который, разделяя его на сегменты, включены абонентские системы. Простейшая топология циклической подсети, получившая название простого циклического кольца, представлена на рис. 10. Каждый блок данных последовательно, по очереди, доставляется всем абонентским системам. Передача информационных сигналов осуществляется в кольце циклами в одном направлении через все блоки доступа. В каждом из них передаваемый кадр задерживается побитно, для того чтобы соответствующая система могла прочесть адрес кадра, записать его содержимое и сделать отметки в кадре. Существенным недостатком такой топологии является его ненадёжность. Разрыв кольца в любой точке либо авария в любом блоке доступа приводит к прекращению работы всей коммуникационной подсети. Устранить этот недостаток можно путем построения коммуникационной подсети по топологии циклического кольца с центральным коммутатором (рис. 11). В этом случае при обрывах в линиях передачи между центральным коммутатором и абонентской станцией либо при нарушении работы её блока доступа неисправная ветвь кольца центральным коммутатором отключается, и подсеть продолжает работу без неё. «Узким» местом в работе такой сети является сам центральный коммутатор. Но обеспечить надёжную работу одного устройства гораздо легче и дешевле, чем всей коммуникационной подсети.