Передача данных в компьютерных сетях и устройство компьютерных сетей

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:

1. по одной и той же линии можно передавать данные для нескольких получателей, указывая их адреса в заголовочной части пакетов;
2. 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.

Источник

Тема 4. Основы сетевых технологий Лекция 4.2. Передача данных в компьютерных сетях и оборудование компьютерных сетей

Цель теми ­– рассмотреть структуру эталонной модели взаимодействия открытых систем – OSI; познакомиться с функциями каждого уровня в рамках модели OSI; рассмотреть этапы обработки информации в разрезе модели OSI; инкапсуляция данных.

Ключевые понятия: эталонная модель OSI; взаимодействие между уровнями в модели OSI; инкапсуляция данных.

Структура модели osi

За долгие годы существования компьютерных сетей было создано большое количество различных сетевых протоколов. Сетевой протокол – набор правил, позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами. Протоколы бывают как открытые (опубликованные для бесплатного применения), так и закрытые (разра­ботанные коммерческими компаниями и требую­щими лицензирования для их использования). Одна­ко все эти протоколы принято соотносить с так называемой эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection Reference Model), или просто моделью OSI. Ее опи­сание было опубликовано в 1984 г. Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO), поэтому для нее часто используется другое название модель ISO/OSI. Эта модель представляет собой набор специфика­ций, описывающих сети с неоднородными устрой­ствами, требования к ним, а также способы их взаимодействия.

Модель OSI имеет вертикальную структуру, в кото­рой все сетевые функции распределены между се­мью уровнями (рис. 4.2.1). Каждому такому уровню соответствуют строго определенные операции, обо­рудование и протоколы.

Реальное взаимодействие уровней, т. е. переда­ча информации внутри одного компьютера, возможно только по вертикали и только с соседними уровнями (выше- и нижележащими).

Логическое взаимодействие (в соответствии с правилами того или иного протокола) осуществ­ляется по горизонтали с аналогичным уровнем другого компьютера на противоположном конце линии связи. Каждый более высокий уровень поль­зуется услугами нижележащего уровня, зная, в ка­ком виде и каким способом (т. е. через какой интер­фейс) нужно передать ему данные.

Рисунок 4.2.1 – Взаимосвязи между уровнями модели OSI

Задача более низкого уровня – принять данные, добавить cвою информацию (например, форматиру­ющую или адресную, которая необходима для пра­вильного взаимодействия с аналогичным уровнем на другом компьютере) и передать данные дальше. Только дойдя до самого нижнего, физического уров­ня сетевой модели, информация попадает в среду пе­редачи и достигает компьютера-получателя. В нем она проходит сквозь все уровни в обратном порядке, пока не достигнет того же уровня, с которого была послана компьютером-отправителем.

Теперь познакомимся поближе с уровнями моде­ли OSI и определим сетевые услуги, которые они предоставляют смежным уровням.

Уровни модели osi

Уровень 0. Он не определен в общей схеме (риc. 4.2.1), но весьма важен для понимания. Здесь представлены посредники, по которым собственно и происходит передача сигналов: кабели различных типов, радиосигналы, ИК-сигналы и т. д. На этом уровне ничего не описывается, уровень 0 предоставляет физическому уровню 1 только среду передачи.

Уровень 1 – Физический (Physical). Здесь осу­ществляется передача неструктурированного потока битов, полученных от вышележащего канального уровня 2, по физической среде – например, в виде электрических или световых сигналов. Физический уровень отвечает за под­держание связи (link) и детально описывает электрические, оптические, механические и функциональные интерфейсы со средой переда­чи: напряжения, частоты, длины волн, типы коннекторов, число и функциональность кон­тактов, схемы кодирования сигналов и т. д.

Уровень 2 – Канальный (Data Link). Обеспе­чивает безошибочную передачу данных, полу­ченных от вышележащего сетевого уровня 3, через физический уровень 1, который сам по себе отсутствия ошибок не гарантирует и мо­жет искажать данные (рис. 4.2.2).

Канальный уровень довольно сложен, поэтому в соответствии со стандартами IEEE (Institute of Elect­rical and Electronics Engineers), выпущенными в фев­рале 1980 г. в рамках «Проекта 802» (Project 802), его часто разбивают на два подуровня (рис. 4.2.3): управле­ния доступом к среде (Media Access Control, MAC) и управления логической связью (Logical Link Control, LLC).

Рисунок 2.2.3 – Разделение канального уровня на под уровни LLC и MAC

Уровень MAC обеспечивает совместный доступ сетевых адаптеров к физическому уровню, опреде­ление границ кадров, распознавание адресов назна­чения кадров (эти адреса часто называют физически­ми, или MAC-адресами).

Уровень LLC, действующий над уровнем MAC, отвечает за установление канала связи и за безоши­бочную посылку и прием сообщений с данными.

Уровень 3 – Сетевой (Network). Отвечает за обеспе­чение связи между любыми, даже находящимися в разных концах земного шара, абонентами в сети. Этот уровень осуществляет проводку сообщений по сети, которая может состоять из множества отдельных се­тей, соединенных множеством линий связи. Такая доставка требует маршрутизации, т. е. определения пути доставки сообщения, а также решения задач управления потоками данных и обработки ошибок передачи.

Уровень 4 – Транспортный (Transport). Гаранти­рует доставку информации от одного компьютера другому. На этом уровне компьютера-отправителя большие блоки данных разбиваются на более мел­кие пакеты, которые доставляются компьютеру-получателю в нужной последовательности, без по­терь и дублирования. На транспортном уровне компьютера-получателя пакеты вновь собираются в исходные блоки данных. Таким образом, транспорт­ный уровень завершает процесс передачи данных, скрывая от более высоких уровней все детали и проблемы, связанные с доставкой информации лю­бого объема между любыми абонентами во всей сети.

Уровень 5 – Сеансовый (Session). Позволяет двум сетевым приложениям на разных компьютерах уста­навливать, поддерживать и завершать соединение, называемое сетевым сеансом. Этот уровень также отвечает за восстановление аварийно прерванных се­ансов связи. Кроме того, на пятом уровне выполняет­ся преобразование удобных для людей имен компью­теров в сетевые адреса (распознавание имен), а также реализуются функции защиты сеанса.

Уровень 6 – Представительский, или Уровень представления данных (Presentation). Определяет форматы передаваемой между компьютерами ин­формации. Здесь решаются такие задачи, как пере­кодировка (перевод информации в вид, понятный для всех участвующих в обмене компьютеров), сжа­тие и распаковка данных, шифрование и дешифров­ка, поддержка сетевых файловых систем и т. д.

Уровень 7 – Прикладной (Application), или Уро­вень Приложений. Обеспечивает интерфейс взаимо­действия программ, работающих на компьютерах в сети. Именно с помощью этих программ пользова­тель получает доступ к таким сетевым услугам, как обмен файлами, передача электронной почты, уда­ленный терминальный доступ и т. д.

Источник