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.
2.Стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей
Под архитектурой вычислительной сети принято понимать совокупность стандартов, топологий и протоколов, необходимых для ее функционирования.
Ранее уже отмечалось, что разработка стандартов локальных вычислительных сетей возложена на комитет 802 международного института IEEE, который почти за четверть века своего существования разработал и утвердил, по крайней мере, три наиболее распространенные на сегодняшний день стандартные архитектуры локальных вычислительных сетей (рис. 2.1):
Рисунок 2.1. — Стандартные локальные вычислительные сети
Архитектура Ethernet — IEEE 802.3
Общая характеристика архитектуры сетей стандарта IEEЕ 802.3 такова:
— информационный блок — кадр;
— размер кадра — до 1518 байт (без учета преамбулы (8 байт) и завершителя кадра (1 байт);
— обмен кадрами — широковещательный с проверкой адресата;
— среда передачи — коаксиальный кабель (тонкий, толстый), витая пара (3,4, 5-й категории), оптоволоконный кабель;
— доступ к среде передачи — множественный доступ с обнаружением несущей (CSMA/CD);
— скорость передачи данных — 10-1000 Мбит/с;
— физическая топология — «шина», «звезда»;
— логическая топология — «шина»;
— размеры сетей — от нескольких метров до нескольких километров (при использовании повторителей).
В зависимости от среды передачи данных IEЕЕ 802.3 определяет несколько различных стандартов физических подключений локальных сетей, каждый из которых имеет наименование, в котором отражены такие его важнейшие характеристики:
— 1 Base5 — неэкранированная витая пара категории 2;
— 10Base5 — толстый коаксиальный кабель;
— 10Base2 — тонкий коаксиальный кабель;
— 10 Base-T — неэкранированная витая пара категории 3;
— 10 Base-F — волоконно-оптический кабель.
Высокоскоростные сети класса Ethernet (Fast Ethernet и Gigabit Ethernet) определены стандартами IEEE 802.3u и IEEE 802.3z соответственно. В первом случае различают варианты 100 мегабитовых сетей:
— 100Base-TX — 2 неэкранированные витые пары категории 5;
— 100Base-T4 — 4 неэкранированные витые пары категории 5;
— 100 Base-FX — волоконно-оптический кабель.
Для Gigabit Ethernet стандартом определены следующие стандартные физические подключения сети:
— 1000Base-SX — многомодовый волоконно-оптический кабель с длиной волны 830 нм;
— 1000Base-LX — одномодовый (с длиной волны 1270 нм) или многомодовый волоконно-оптический кабель;
— 1000Base-CX-экранированная витая пара;
— 1000Base-T-неэкранированная витая пара категории 5.
2.1.Общая шина
Рисунок 2.2. Шинная топология
При использовании шинной топологии (рис.2.2.) компьютеры (РС – рабочая станция) соединяются в одну линию, на концах которой устанавливают терминаторы (заглушки). Терминаторы представляют собой резисторы, устанавливаемые на обоих концах сегмента для согласования волнового сопротивления кабеля. Сигнал, дошедший до конца сегмента, поглощается терминатором — это позволяет избавиться от паразитных отраженных сигналов в сети. Если терминаторы не устанавливать, отраженный от конца кабеля сигнал снова попадает в кабель — этот отраженный сигнал будет являться в данном случае помехой и может породить множество проблем вплоть до полной неработоспособности сети. Преимущества шинной топологии заключаются в простоте организации сети, низкой стоимости и в случае выхода из строя станции на работу сети это не влияет. Недостатком является низкая устойчивость к повреждениям — при любом обрыве кабеля вся сеть перестает работать, а поиск повреждения весьма затруднителен, небольшая дальность передачи, нельзя использовать разный тип кабеля на разных участках сети.