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.
Лекция 8 §14 Принципы передачи информации в сети
Основной функцией сети является соединение между собой различного оборудования, поэтому проблема обеспечения открытости сетей (возможность расширения и реконфигурации, стандартизации) имеет особое значение.
В 70-е годы в связи с расширяющимися масштабами разработки и внедрения телекоммуникационных и вычислительных сетей было решено сформулировать единую модель взаимодействия систем и сетей. Это было поручено Комитету по вычислительной технике и обработке информации Международной организации по стандартизации (ISO – International Standards Organization).
В 1979 году ISO опубликовала модель архитектуры вычислительной сети, так называемую «модель взаимодействия открытых систем» (OSI – Open System Interconnection). Эта модель является международным стандартом для передачи данных, основой как для анализа существующих систем, так и для создания новых стандартов и систем.
П.1 Семиуровневая модель osi
Модель OSI содержит семь отдельных уровней – подзадач. Каждому уровню отводится конкретная роль. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные простые задачи. При этом взаимодействие осуществляется только между соседними уровнями. Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц текста.
Для сетевого взаимодействия устройств необходимо согласовать между собой электрические уровни сигналов, задержки и длительности импульсов, типы соединителей, способы кодирования информации, способы обеспечения достоверности передачи, формы и форматы адресации, форматы данных, способы доступа к сети, способы буферизации данных, способы деления их на пакеты и восставновления целостности сообщений и др.
Протокол – необходимые соглашения для связи одного уровня с рядом расположенными. То есть это набор правил, которые управляют обменом информацией. Он определяет синтаксис и семантику сообщений, операции управления, синхронизацию и состояния при коммуникации. Стек протоколов – набор связанных коммуникационных протоколов, которые функционируют совместно и используют некоторые или все семь уровней модели OSI.
Модель OSI описывает только средства, реализуемые операционной системой, системными утилитами и аппаратурой. Стандартизируются не интерфейсы между уровнями, а протоколы связи соответствующих устройств между уровнями.
1) физический – битовые протоколы передачи информации;
2) канальный – формирование кадров, управление доступом к среде;
3) сетевой – маршрутизация, управление потоками данных;
4) транспортный – обеспечение взаимодействия удаленных процессов;
5) сеансовый – поддержка диалога между удаленными процессами;
6) представления данных – интерпретация передаваемых данных;
7) прикладной – пользовательское управление данными.
Первые четыре уровня образуют транспортную сеть, а три последних – сеть обработки данных.
Каждый уровень базовой модели OSI обслуживает уровни, расположенные выше, и пользуется услугами нижних уровней. Данные проходят в направлении вниз от источника данных (от седьмого уровня к первому) и в направлении вверх от приемника данных (от первого уровня к седьмому уровню). Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний уровень. На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень (рис.24).
Сеансовый уровень и уровень представления на практике используются редко, тогда как сетевой и канальный уровень практически всегда сильно перегружены.
Большинство уровней модели OSI имеют смысл только в сетях с коммутацией пакетов.