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.
5. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ
С развитием вычислительной техники и информационных технологий возникает не — обходимость в более совершенных средствах обработки информации . В эпоху централизо — ванного использования ЭВМ с пакетной обработкой пользователи приобретали компьютеры , на которых можно было решать почти все классы задач . Однако принцип централизованной обработки данных не отвечал высоким требованиям к надёжности процесса обработки , не обеспечивал временные параметры при диалоговой системе обработки в многопользователь — ском режиме . Выход из строя центральной ЭВМ был роковым для системы в целом . Поэтому стали появляться системы , представляющие собой большое количество от — дельных , но связанных между собой компьютеров , которые могли обмениваться информаци — ей . Такие системы называются компьютерными сетями . В процессе эксплуатации и эволюции возникло несколько типов компьютерных сетей . Первый этап перехода от централизованной к распределённой обработке данных – появление многомашинных ассоциаций . Эта система , выполняемая на независимых , но связанных меж — ду собой компьютерах , осуществляющих распределённую обработку данных . Многомашинный вычислительный комплекс – группа установленных рядом вычисли — тельных машин , объединённых с помощью специальных средств сопряжения и выполняю — щих совместно единый информационно — вычислительный процесс . Дальнейшее развитие многомашинных вычислительных комплексов привело к созда — нию качественно новой системы – компьютерных сетей . Компьютерная ( вычислительная ) сеть – совокупность компьютеров и терминалов , соединённых с помощью каналов связи в единую систему , удовлетворяющую требованиям распределённой обработки данных . Основные отличия компьютерных сетей от многомашинных вычислительных ком — плексов следующие : ∙ размерность . Многомашинный вычислительный комплекс состоит обычно из двух — трёх ЭВМ , сеть может содержать десятки и даже сотни ЭВМ ; ∙ распределение функций ЭВМ внутри сети . В многомашинных вычислитель — ных комплексах все ЭВМ вычисляют одно и то же и лишь страхуют друг дру — га , в сети функции обработки данных распределены между различными ЭВМ ; ∙ в сети присутствует маршрутизация сообщений , т . к . сообщение от одной ЭВМ к другой может быть передано по различным маршрутам . В компьютерных сетях появляются специальные обозначения и термины . Абоненты сети – это объекты , генерирующие или потребляющие информацию в сети . Станция в се — ти – это аппаратура , выполняющая функции приёма и передачи информации . Физическая передающая среда ( ФПС ) – линии связи или пространство , в котором распространяются электрические сигналы , и находится аппаратура передачи данных . На базе ФПС строится коммуникационная сеть , обеспечивающая передачу информации между абонентскими сис — темами . Эта сеть представляет собой обобщённую структуру компьютерной сети . Компьютерные сети могут классифицироваться по разным параметрам , например , по технологии передачи информации , по размерам и т . п . Существуют два типа технологии передачи информации : ∙ широковещательные сети ; ∙ сети с передачей от узла к узлу . В широковещательных сетях по одному общему каналу связи сообщения посылаются пакетами . Пакеты посылает одна ЭВМ , а принимаются пакеты всеми машинами , которые проверяют их адреса и обрабатывают им адресованные пакеты . Сети с передачей от узла к узлу состоят из большого количества соединённых пар машин . В такой сети пакету необходимо пройти через ряд промежуточных машин , чтобы до —
браться до пункта назначения . Часто при этом существует несколько возможных путей от источника к получателю . По размерам сети делятся на три класса : q глобальные сети (WAN – Wide Area Network); q региональные сети (MAN – Metropolitan Area Network); q локальные сети (LAN – Local Area Network). Глобальные сети объединяют абонентов , расположенных в различных странах и кон — тинентах . Взаимодействие осуществляется на базе телефонной связи , радиосвязи и систем спутниковой связи . Региональная сеть может включать абонентов внутри большого города , отдельной страны . Расстояния между абонентами достаточно велики . Локальная сеть обычно привязана к конкретному месту . Это фирма , предприятие , лаборатория ( см . рис . 5.1).
| Глобальная сеть | Региональная сеть | ЛВС |
| № 1 |
| ЛВС | ЛВС |
Региональная сеть
| № 2 | |
| ЛВС | |
| ЛВС | ЛВС |
Рис . 5.1. Иерархия компьютерных сетей
5.2. Режимы передачи данных в компьютерных сетях
В состав любой коммуникационной сети входят следующие основные компоненты : передатчик , сообщение , средства передачи , приёмник . Передатчик и приёмник – это технические устройства , которые являются источником или приёмником данных . Это могут быть компьютер , терминал или цифровое устройство . Средства передачи – физическая передающая среда и специальная аппаратура , обеспечи — вающая передачу сообщений . Для передачи сообщений нужны каналы связи : телефонные , радиоканалы и каналы спутниковой вязи . Эти каналы характеризуются режимом передачи , кодом передачи и ти — пом синхронизации . Используется три режима передачи : ∙ симплексный ; ∙ полудуплексный ; ∙ дуплексный . При симплексном режиме передача данных происходит только в одном направлении . В вычислительных сетях этот режим используется крайне редко . Полудуплексный режим – это режим попеременной передачи информации . В этом случае источник и приёмник после — довательно меняются местами . Наконец , при дуплексном режиме происходит одновременная передача и приём сообщений . Примером такой передачи служит телефонный разговор . Дуп — лексный режим является наиболее скоростным и употребительным .