1.3. Принципы передачи данных в компьютерных сетях
Асинхронная передача. В 1969 г. появился стандарт асинхронной передачи RS-232-C 3 [2]. В соответствии с этим стандартом данные должны быть представлены в виде отдельных знаков (длиной 7 или 8 бит). Каждый знак обрамляется стартовыми и стоповым битами. Знаки передаются и принимаются в произвольные моменты времени. Два знака должны быть разделены минимальным временным интервалом. Принимающая сторона начинает вырабатывать тактовые сигналы, как только обнаруживает начало знака. Асинхронная передача не требует дорогостоящего оборудования и поэтому широко применяется для соединения компьютеров с периферийным оборудованием (НМЛ, НМД, принтеры, клавиатура, терминалы).
Модемы. В 1960-е годы разработаны модемы для передачи цифровых данных по аналоговым телефонным линиям. Модемы осуществляют преобразование потока битов в сигналы звукового диапазона и обратное преобразование.
Синхронная передача. В середине 1960-х годов для быстрой передачи цифровых данных между двумя компьютерами по линиям «точка-точка» появились протоколы канального уровня с контролем ошибок (протоколы звена данных) SDLC, LAP, LAPB, HDLC 4 . Передаваемые данные разбиваются на отдельные блоки – пакеты. Формат пакета представлен на рис. 1.5.
Заголовок содержит адрес отправителя и получателя пакета, а также может содержать порядковый номер пакета в передаваемом сообщении. Хвостовик содержит биты контроля. При поступлении в среду передачи пакеты оформляются в виде кадров, а именно, обрамляются специальными управляющими символами (флагами), содержащими информацию для синхронизации. Синхронизация передачи осуществляется в пределах каждого кадра 5 . Так же как и знаки при асинхронной передаче, кадры должны быть разделены минимальным интервалом времени. Однако скорость синхронной передачи значительно выше асинхронной, поскольку суммарное время передачи заголовка и хвостовика пакета, а также флагов кадра, как правило, значительно меньше времени передачи блока данных, помещенных в пакет.
Передача с промежуточным накоплением (store and forward). Развитие протоколов канального уровня привело к идее непрямого соединения компьютеров [6]. На рис. 1.6 компьютеры A и B, а также B и C соединены линиями «точка-точка». При передаче сообщения от A к C через B сообщение сначала поступает в B, а затем, после освобождения линии BC, от B к C.
Если передача сообщения от A к B занимает времяTС, то передача от A к C займет TС +TП, где TП – время передачи одного пакета. При N промежуточных узлах сквозная передача займет TС +NTП.
Поскольку источник посылает пакеты время от времени, на одной линии можно чередовать передачу пакетов для нескольких независимых соединений, что экономичнее по сравнению с резервированием линии между источником и получателем на все время передачи сообщения.
При передаче данных на канальном уровне используются как процедуры без установления соединения (connectionless), так и процедуры с установлением соединения (connection-oriented).
Установление соединения заключается в том, что узел-отправитель посылает узлу-получателю служебный кадр – предложение установить соединение. Если получатель согласен на установление соединения, он высылает соответствующий служебный кадр, в котором предлагает некоторые параметры для данного логического соединения, например, идентификатор соединения и максимальное значение поля данных кадров (MTU – Maximum Transfer Unit). Узел-отправитель подтверждает предлагаемые параметры, начинает передачу сообщения и, после завершения передачи, посылает служебное сообщение о разрыве соединения.
При дейтаграммной передаче кадр посылается в сеть «без предупреждения», и протокол не несет ответственности за утерю кадра.
Дейтаграммный метод работает быстрее, так как никаких предварительных действий по установлению соединения не требуется.
Технология глобальных сетей с коммутацией пакетов X.25, которая появилась в 80-е годы, обеспечивает хорошую работу на аналоговых телефонных каналах со скоростью доступа 1,2 64 Кбит/с. Позднее появились технологии Frame Relay, ATM и TCP/IP. «Сетью сетей» в наше время называют глобальную сеть Интернет. Термин “Интернет” происходит от английского «Internetworking» – «межсетевое взаимодействие». В основе технологии Интернет лежит стек (набор) протоколов TCP/IP.
Передача информации в компьютерных сетях
Последовательный и параллельный способы передачи информации
Информация в компьютерах представлена в форме последовательностей двоичных чисел. Обмен данными как внутри вычислительного устройства между его узлами, так и между автономными машинами, может производиться двумя способами:
- последовательная передача: имеется только одна линия, состояние на ее передающей стороне отправляется только тогда, когда предыдущее обработано принимающей, т.е. данные передаются побитно;
- параллельная передача; при таком способе организуются сразу несколько линий, состояние на концах которых меняется одновременно; таким образом, можно передать за один раз столько бит, сколько имеется линий между передатчиком и приемником.
Рисунок 1. Последовательная и параллельная передача данных. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
При параллельной передаче технологически трудно избежать взаимовлияния токов, протекающих по близко расположенным проводникам. Поэтому такой способ используется там, где расстояния невелики: между узлами компьютера (т.н. шина данных), между компьютером и монитором (VGA-порт), между компьютером и принтером (параллельный порт).
Последовательная передача, хотя и уступает параллельной по скорости, обеспечивает более эффективную обработку ошибок и менее затратна в случае отправки данных на большие расстояния: двужильный кабель дешевле и надежнее многожильного.
Американские фермеры в начале XX в. использовали огораживавшую пастбища колючую проволоку и заземление для организации телефонной связи. Таким образом, для передачи информации они обходились всего одним проводом.
Для передачи информации в компьютерных сетях в подавляющем большинстве случаев используется последовательная передача данных. Хотя с развитием технологий стало возможным одновременно передавать несколько потоков (разнесение по частотам в wifi, передача по оптоволокну лучей с разным углом наклона), такие способы нельзя назвать параллельной передачей, т.к. данные в каждой такой линии обрабатываются независимо друг от друга.
Пакетный принцип организации данных и маршрутизация
При последовательной передаче данные в сетях принято передавать не непрерывным потоком, а пакетами (порциями, сериями). Такой подход обладает следующими преимуществами:
- по одной и той же линии можно передавать данные для нескольких получателей, указывая их адреса в заголовочной части пакетов;
- получив определенный объем информации, можно убедиться, что содержащиеся в них данные точно соответствуют тому, что было отправлено; для этого в последовательность пакетов добавляются так называемые контрольные суммы — особым образом подсчитанные числа, на которые влияет каждый бит переданной информации; если хотя бы один бит на стороне приемника будет отличаться (например, из-за помех на линии), то контрольные суммы приемника и передатчика не совпадут и станет понятно, что информация принята с искажениями, следует повторить ее отправку/прием.
Пакетный принцип положен в основу протоколов (правил обмена информацией), используемых в современных компьютерных сетях. В большинстве из них используется семейство TCP/IP — набор протоколов для обмена данными в глобальной сети Интернет, представляющей собой объединение локальных сетей.
Ключевым методом, позволяющим компьютерам, подключенным к разным сетям обмениваться информацией, является маршрутизация. Пакеты, отправляемые внутри локальной сети, принимаются всеми компьютерами, но каждый обрабатывает лишь те, в которых находит свой адрес. Частью адреса является еще и номер сети, который тоже анализируется каждым получателем. Этот номер должен совпадать с заранее настроенным номером, хранящимся в памяти компьютера. Однако среди компьютеров есть такие, которые подключены одновременно к более чем одной сети. Они называются маршрутизаторами (в англоязычной традиции роутерами, а также шлюзами). Если роутер обнаруживает, что пакет предназначен компьютеру чужой по отношению к отправителю сети, он отправляет его во внешнюю сеть. Соседняя сеть также может передать пакет дальше, пока через цепочку шлюзов он не достигает адресата или не вернется с пометкой, что доставка невозможна.
Рисунок 2. Структура заголовка IP-пакета. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Маршруты, по которым идут пакеты от отправителя к получателю, могут меняться. Интернет — децентрализованная система, в которой нет единого центра управления. Поэтому при повреждении части глобальной сети информация по ней все равно будет передаваться по альтернативным маршрутам, хотя, возможно, и с более низкой скоростью.
Служба доменных имен (DNS)
Структура пакетов протокола TCP/IP, а также правила адресации и маршрутизации в Интернете достаточно сложны для обычного пользователя. Для удобства обращения к ресурсам глобальной сети разработана система доменных имен.
Домен — совокупность сетевых сервисов, принадлежащих организации или частному лицу.
Домен характеризуется особыми именем, регистрируемым в международной организации ICANN, например, yandex.ru. Последние две буквы имени домена обозначают национальную принадлежность (ru — Россия, by — Беларусь, kz — Казахстан, us — Соединенные Штаты и т.п.) или назначение домена (biz — для бизнеса, org — некоммерческие организации, academy — образование и т.п.).
Для преобразования удобных для человеческого запоминания доменных имен в IP-адреса, обрабатываемые компьютерами, предназначена служба доменных имен (DNS, Domain Name Service).
Рисунок 3. Принцип работы DNS. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Сервисы, принадлежащие домену, могут размешаться на разных компьютерах и даже в разных сетях. Поэтому фраза «компьютер принадлежит домену» не совсем корректна. На одном компьютере могут быть запущены сервисы, принадлежащие разным доменам.