Архитектура компьютерных сетей
Назначение всех видов компьютерных сетей определяется двумя функциями:
· Обеспечение совместного использования аппаратных и программных ресурсов сети;
· Обеспечение совместного доступа к ресурсам данных.
Так, например, все участники локальной сети могут совместно использовать одно общее устройство печати (сетевой принтер) или, например, ресурсы жестких дисков одного выделенного компьютера (файлового сервера). Это же относится и к программному, и к информационному обеспечению.
Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является:
· обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам;
· обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных.
Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System InterConnection). Она создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).
(Макарова, стр.219)Архитектура вычислительной сети –описание ее общей модели.Открытая система – система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.
Согласно модели ISO/ OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней – до семи).
Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов).
Самый верхний – прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.
Рис. Модель обмена данными в компьютерной сети
1. На Прикладном уровне (7 ой уровень) с помощью специальных приложений пользователь создает документ (сообщение, рисунок, аудиоданные и т.п). На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Ответственна за этот уровень та прикладная программа, которая посылает сообщение, а служебная информация используется той прикладной программой, которая сообщение получает. Например, к прикладному уровню относится обработка сообщений электронной почты. Протоколы электронной почты: SMTP – отправка сообщений, POP3 – прием.
2. На уровне Представления (6-ой) ОС компьютера пользователя фиксирует, где находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске, и т.п.), и обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем. Этот уровень задает формат представления данных в сообщении, их кодирование и сжатие, на этом будет основываться расшифровка данных принимающей стороной. Так, если в состав сети входят рабочие станции с разным внутренним представлением данных (например, ПК и мэйнфреймы), необходимо выполнить преобразование кодов символов. Кодировка текста ASCII, Unicode, графика RGB, видео AVI.
3. На Сеансовом уровне (5-ый) компьютер пользователя взаимодействует с локальной или глобальной сетью. Протоколы этого уровня проверяют права пользователя на «выход в эфир» и передают документ к протоколам транспортного уровня, реализует и поддерживает сеанс связи между двумя абонентами через коммуникационную сеть. Сеансовый уровень поддерживает и завершает сеанс связи.
4. На Транспортном уровне (4-ом) документ преобразуется в ту форму, в которой положено передавать данные в используемой сети. Например, он может нарезаться на небольшие пакеты стандартного размера. Пакет –группа байтов, передаваемых абонентами друг другу. Транспортный уровень может выполнять разделение передаваемых сообщений на пакеты на передающем конце и сборку на приемном. Тран-спортный уровень представлен протоколами TCP и UDP (User Datagram Protocol). TCP протокол предназначен для контроля передачи и целостности передаваемой информации.
5. Сетевой уровень (3-ый) определяет маршрут движения данных в сети (протокол маршрутизации). Если на транспортном уровне данные были «нарезаны» на пакеты, то на сетевом уровне каждый пакет должен получить адрес, по которому он должен быть доставлен независимо от прочих пакетов. Он также отвечает за связь между сетями – реализует межсетевое взаимодействие. К этому уровню в системе протоколов относится протокол IP. Обычно эти функции выполняет сетевая ОС или сетевая оболочка.
6. Канальный (Уровень соединения) (2-ой) управляет линией передачи данных, управляет передачей пакетов в локальной сети. При помощи канальных протоколов проверяется наличие соединения между компьютерами. Канальный уровень необходим для того, чтобы промодулироватьсигналы, циркулирующие на физическом уровне, в соответствии с данными, полученными с сетевого уровня.Функции модулирования выполняет сетевая карта или модем. (Цифровая информация преобразовывается в аналоговую и наоборот). Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, в которые упаковываются информационные пакеты, обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных
(МГУ, 190) Протоколы из семейства протоколов ТСР / IP: SLIP или PP
7. Физический уровень(1-ый) реально передает данные. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Ответственным за этот уровень является аппаратное и программное обеспечение сетевого адаптера или модема. Здесь нет ни документов, ни пакетов, ни даже байтов – только биты, то есть элементарные единицы представления данных. Восстановление документа из них произойдет постепенно, при переходе с нижнего на верхний уровень на компьютере клиента. (Характеристики физической среды: напряжение, сила тока, число контактов на разъемах)
Средства физического уровня лежат за пределами компьютера. В локальных сетях это оборудование самой сети. При удаленной связи с использованием телефонных модемов — это линии телефонной связи, коммуникационное оборудование телефонных станций и т.д.
Основными требованиями, которым должна удовлетворять организация ИВС, являются следующие:
1. Открытость – возможность подключения дополнительных абонентских ЭВМ, а также линий (каналов) связи без изменения технических и программных средств существующих компонентов сети.
2. Гибкость – сохранение работоспособности при изменении структуры в результате выхода их строя ЭВМ или линии связи.
3. Эффективность – обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей при минимальных затратах.
Архитектура компьютерной сети
· Ethernet (англ. ether – эфир) – широковещательная сеть. Это значит, что все станции сети могут принимать все сообщения. Топология – линейная или звездообразная. Скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/сек.
· Arcnet (Attached Resource Computer Network – компьютерная сеть соединённых ресурсов) – широковещательная сеть. Физическая топология – дерево. Скорость передачи данных 2,5 Мбит/сек.
· Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) – кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов – маркера – из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/сек.
· FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи – 100 Мбит/сек. Топология – двойное кольцо или смешанная (с включением звездообразных или древовидных подсетей). Максимальное количество станций в сети – 1000. Очень высокая стоимость оборудования.
· АТМ (Asynchronous Transfer Mode) – перспективная, дорогая архитектура, обеспечивает передачу цифровых данных, видеоинформации и голоса по одним и тем же линиям. Скорость передачи до 2,5 Гбит/сек. Линии связи оптические.
Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель взаимодействия открытых систем – Model of Open System Interconnections). Модель OSI была создана на основе технических предложений Международного института стандартов ISO (International Standards Organization).
Согласно модели OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней – до семи). Самый верхний уровень – прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний.
Рис. 8. Уровни управления и протоколы модели OSI
Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами.
Каждый уровень архитектуры подразделяется на две части:
Спецификация услуг определяет, что делает уровень, а спецификация протокола – как он это делает, причем каждый конкретный уровень может иметь более одного протокола.
Рассмотрим функции, выполняемые каждым уровнем программного обеспечения:
1. Физический уровень осуществляет соединения с физическим каналом, так, отсоединения от канала, управление каналом. Определяется скорость передачи данных и топология сети.
2. Канальный уровень добавляет в передаваемые массивы информации вспомогательные символы и контролирует правильность передаваемых данных. Здесь передаваемая информация разбивается на несколько пакетов или кадров. Каждый пакет содержит адреса источника и места назначения, а также средства обнаружения ошибок.
3. Сетевой уровень определяет маршрут передачи информации между сетями, обеспечивает обработку ошибок, а так же управление потоками данных. Основная задача сетевого уровня – маршрутизация данных (передача данных между сетями).
4. Транспортный уровень связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами. Этот уровень разделяет средства формирования данных в сети от средств их передачи. Здесь осуществляется разделение информации по определенной длине и уточняется адрес назначения.
5. Сеансовый уровень осуществляет управление сеансами связи между двумя взаимодействующими пользователями, определяет начало и окончание сеанса связи, время, длительность и режим сеанса связи, точки синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных; восстанавливает соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных.
6. Представительский – управляет представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, производит компрессию и декомпрессию данных. Задачей данного уровня является преобразование данных при передаче информации в формат, который используется в информационной системе. При приеме данных данный уровень представления данных выполняет обратное преобразование.
7. Прикладной уровень взаимодействует с прикладными сетевые программами, обслуживающими файлы, а также выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации, передачу почтовых сообщений и т.п. Главная задача этого уровня – обеспечить удобный интерфейс для пользователя.
На разных уровнях обмен происходит различными единицами информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения.