Тема 7: Организация сложных связей в вычислительных сетях, характеристика протоколов сетей
Протоколы сети. Уровни протоколов. Решаемые задачи.
Протокол передачи данных (сетевой протокол) – свод правил взаимодействия объектов одноименного уровня, а также форматы, передаваемые между объектами блоков данных (сообщений).
Международная организация по стандартизации (ISO) предложила концепцию архитектуры открытых систем, которая представляет собой эталонную модель взаимодействия с другими вычислительными системами. В соответствии с этим вычислительная сеть может рассматриваться как среда, включающая в себя различные программные и аппаратные средства. Эта среда представляется рядом логических уровней, на каждый из которых возложено решение одной из задач. Каждый уровень подразделяется на две части. По-вертикали – специализация услуг, определяющих, что делает уровень. По-горизонтали – спецификация протокола, определяющая, как он это делает.
Протокол передачи данных (сетевой протокол) – набор правил, по которым осуществляется взаимодействие открытых систем одного и того же уровня. Протокол не является программой, а лишь определяет правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией. Данные правила реализуются в виде программ.
Протоколы определяют формат, способ синхронизации, порядок следования, методы обработки ошибок передачи данных. Учитывая сложность обмена информацией между рабочими станциями вычислительных сетей, протоколы разбиваются на 7 уровней.
Основные выполняемые функции
С помощью специальных приложений создание документа
Преобразование данных в формат, используемый конкретной ИС (трансляция, шифрование, сжатие, порядок следования битов). Операционная система ЭВМ фиксирует местонахождение данных (оперативная память, файл на жестком диске и т.д.) и обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем.
Протокол межсетевого взаимодействия (IP).
Проверка прав пользователя на вход в сеть и взаимодействие с ней (ЛВС, РВС, ГВС).
Определение начала и конца сеанса связи, продолжительности. Контроль ошибок и восстановление передаваемых трансакций. Обработка транзакций. Передача документа на следующий уровень. Построение таблиц маршрутизаторов.
Сегмент, дейтаграмма, пакет
Надежность передачи и доставки. Мультиплексирование сообщений (одновременная передача по нескольким линиям) и соединений (передача в одном пакете нескольких сообщений). Преобразование документа в форму, необходимую для передачи данных в используемой сети (формирование пакетов стандартного размера). Протокол контроля передачи (TCP).
Определяет маршрут движения данных в сети и присваивает адреса доставки подготовленных на верхнем уровне пакетов. Маршрутизация. Фрагментация и сборка данных. Передача пакетов с помощью дейтограмм (доставка сообщения адресату по различным маршрутам) и виртуальных соединений (определение маршрута с помощью запроса на соединение).
Доставка по физическому адресу устройства. Синхронизация кадров, обнаружение и коррекция ошибок. Доступ к среде, корректность передачи. Модулирует сигналы физического уровня в соответствии с данными, полученными от сетевого уровня (сетевая карта или модем).
Синхронизация битов. Форма представления (аналоговая или цифровая). Электрическая и механическая спецификации. Передача данных только на уровне битов.
- Прикладной уровень. Цель – поддержка прикладных задач. Создается документ (сообщение, рисунок, таблица) с помощью совокупности программ, реализующих заданную функцию в определенной области.
- Представительский уровень. Осуществляется преобразование данных в определенный формат, используемый для передачи конкретной рабочей станции. На этом уровне осуществляется кодирование и декодирование данных. Оперативная система подготавливает данные для передачи в вычислительную сеть и распределяет их в заданных местах (оперативная память, жесткие диски и т.п.) для обеспечения взаимодействия со следующим уровнем.
- Сеансовый уровень. Цель – проверка прав пользователя на вход в сеть и определение возможности взаимодействия с ней. На этом уровне определяется начало и конец сеанса связи, его продолжительность, а также синхронизация, обеспечивающая контроль и восстановление передаваемых данных.
- Транспортный уровень. Преобразование документа в форму, необходимую для передачи данных в используемой (выбранной) сети. На этом уровне производится разделение информации по длине пакета стандартного размера. Осуществляется мультиплексирование сообщений (одновременная передача данных по нескольким линиям связи). Мультиплексирование соединений (передача в одном пакете сообщений по одной линии связи). Стек-протоколов(стек) – несколько протоколов, лежащих на разном уровне (TCP/IP).
- Сетевой уровень. Определение маршрута движения данных между двумя абонентами сети. Для использования пакетов используют процедуру дейтаграмм (доставка сообщения адресату по разным маршрутам) и виртуальных соединений (определение маршрута с помощью запроса на соединения). На этом уровне пакету присваивается адрес доставки.
- Канальный уровень. Цель – доставка по физическому адресу конкретной рабочей станции. На этом уровне сигналы (биты) группируются в определенные порции, которые называются кадрами. При этом к этим кадрам добавляется дополнительные импульсы, обеспечивающие обнаружение и коррекцию ошибок. Это позволяет передать каждый кадр, обеспечивая надежность сохранения передаваемого сообщения.
- Физический уровень. Осуществляется передача по каналам связи. На этом уровне нет ни кадров, ни пакетов, а только биты (последовательность сигналов).
Восстановление документа осуществляется по мере перехода с одного уровня на другой.
Организация сложных связей в вычислительных сетях. Особенности их построения.
1) Сетевой адаптер. Сегментирование ЛВС. Общие принципы обмена банными в ЛВС.
2) Организация сложных связей в ВС-х (повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, шлюзы)
3) Источники бесперебойного питания брандмауэра, бранд-мауор.
Сетевой адаптер – программно-аппаратное устройство, функции которого реализуются электронными схемами и специальной программой драйвера, котрый выполняется процессором ЭВМ.
Работа определённых ЭВМ и серверов ВС-й, а также организация их взаимодействия предполагает наличие целого ряда специальных дополнительных устройств, которые обеспечивают взаимодействие между элементами сети.
ЭВМ и иные устройства обычно соединяются между собой через сетевые платы (адаптеры), кот. Выполняется в виде отдельного узла и устанавливается на материнскую плату ЭВМ.
Ф-ии сетевого адаптера:
1) обеспечение питающим напряжением элементов сети
2) формирование объекта данных и передача его в сеть
3) буферизация и согласование скорости обмена данными через сеть
4) кодирование данных и идентификация принимаемого пакета
Виды сетевых адаптеров:
При имеющихся ресурсах ЛВС расширение ее возможностей м.б. обеспечена без выхода во внешнюю среду. Если эти ресурсы исчерпаны, то возникает необходимость создания еще одной ЛВС.
Одним из наиболее распространенных путей решения этой задачи является сегментирование, кот. заключается в разделении ЛВС на группы, кот. Называются сегментами.
Сегментирование повышает производительность сети поскольку при обмене между рабочими станциями сегмента не загружаются линии связи, по кот. осуществляется обмен данных в др. сегментах, кроме того повышается обмен работы такой сети и удобство эксплуатации.
Для физического соединения нескольких сегментов сети и увеличения общей длинны линии связи использ-ся специальные устройства, кот. наз повторителями. Он вкл. в разрыв проводника, принимает поступившие искаженные сигналы, повторяет (усиливает и формирует) и передает в следующий сегмент.
Повторитель, имеющий несколько портов и соединяющий множество ЭВМ называется концентратором или хабом.
Концентраторы применяются при реализации практически всех технологий базовых и ЛВС.
Наиболее совершенные концентраторы позволяют:
1) отключать порты отказавшей ЭВМ
2) при поступлении большого объёма данных о ЭВМ – сохранять их данные в буфера для дальнейшей передачи в сеть
3) создавать резервный порт, на котором будет переключаться ЭВМ после отказа основного порта.
Для организации взаимодействия сегментов и сетей, и оптимизации обмена данными применяются мосты, маршрутизаторы и коммутаторы.
Мост – программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий между собой сегментов ЭВМ или ЛВС, позволяя им взаимодействовать друг с другом.
Мост по своему уровню выше чем концентратор.
Мосты более интеллектуальные устройства. Они обладают способностью самообучения, анализируя приходящие сообщения, самостоятельно вносят адреса рабочих станций в память, что важно при перемещении ЭВМ или при подключении новых ЭВМ.
Коммутатор — устройство, конструктивно выполненный в виде концентратора и работающее как высоко скоростной, многопортовый мост.
Коммутатор, в отличие от предыдущих адаптеров позволяет:
1) осуществить быструю пересылку данных без контроля на ошибку.
2) создавать очереди кадров при перегрузке сети
3) реализовывать различные алгоритмы коммутации
Наиболее важное преимущество коммутатора – повышенная скорость передачи данных.
Маршрутизатор – (позволяет прослушивать сеть)- это устройство, обеспечивающее соединение разнотипных ВС-й, исполняющих одну и туже операционную систему. На основе известных адресов маршрутизатор выбирает наилучший путь для передачи информации на конкретную рабочую станцию.
Шлюз – устройство, обеспечивающееорганизацию и обмен данными между ВС-ми и имеющими различный протокол взаимодействия и операционной системы
Шлюз выполняет свои ф-ии на уровня выше сетевого и позволяет подключить ВС кГВС.
Основные задачи рассмотренных выше сетевых адаптеров – обеспечение надёжного физического обмена между различными станциями сети.
При эксплуатации ЛВС возникла необходимость защиты информационных потоков от несанкционированного доступа из вне и контроля за входящими сигналами.
В настоящее время эта проблема решается специальными прораммнно- аппаратными устройствами, называемыми брандмауэрами.
Для обеспечения устойчивой работы элементов ЛВС используются источники бесперебойного питания, кот. позволяют обеспечить необходимый наминал напряжения питания, а при нарушении энергопитания обеспечить необходимое время для сохранения информации в ЭВМ и ее выключения.