Информационные сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Конспект лекций

Информационные сети

Шишаев М.Г.

Основные понятия и классификация сетей ЭВМ

На сегодня нет общепризнанной таксономии сетей. Есть два общепризнанных фактора для их различения: технология передачи и масштаб.

Есть два основных типа технологий передачи, используемые в сетях:

вещание ( от одного ко многим);

точка-точка.

Сети типа вещание имеют единый канал передачи данных, который используют все машины сети. Короткое сообщение, называемое пакет, имеющее специальную структуру, отправленное какой-то машиной, получают все другие машины сети. В определенном поле пакета указан адрес получателя. Каждая машина проверяет это поле и если она обнаруживает в этом поле свой адрес, она приступает к обработке этого пакета; если в этом поле не ее адрес, то она просто игнорирует этот пакет.

Сети типа вещание, как правило, имеют режим когда один пакет адресуется всем машинам в сети. Это, так называемый, режим широкого вещания (broadcast). Есть в таких сетях режим группового вещания - один и тот же пакет получают машины принадлежащие к определенной группе в сети.

Сети точка-точка соединяют каждую пару машин индивидуальными каналом. Поэтому прежде чем пакет достигнет адресата он проходит через несколько промежуточных машин. В этих сетях возникает потребность в маршрутизации. От ее эффективности зависит скорость доставка сообщений, распределение нагрузки в сети.

Сети типа вещание как правило используются на географически небольших территориях. Сети точка-точка - для построения купных сетей, охватывающих большие регионы.

Масштаб сети - другой критерий для классификации сетей.

потоковая машина (плата)

многомашинный комплекс (система)

локальная сеть (комната, здание, комплекс)

районная сеть (город)

региональная сеть (страна, континент)

Internet (планета)

Локальная сеть

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) отличается от остальных по следующим характеристикам

размер (известна максимальная задержка при передачи)

способ передачи данных (вещание, скорость передачи 10-100Мbps)

топология (шина; звезда; кольцо)

Городская сеть

Городская вычислительная сеть (MAN - Metropolitan Area Network) охватывает несколько зданий в пределах одного города либо небольшой город целиком. Как правило поддерживает передачу как данных, так и голоса. Иногда объединяется с кабельной телевизионной сетью. Не имеет коммутаторов, базируется на одном - двух кабелях.

Основная причина выделения этой категории сетей - для них был создан специальный стандарт IEEE 802.6 - DQDB - двойная магистраль с распределенной очередью (Distributed Queue Dual Bus).

Региональная (глобальная) сеть

Региональная вычислительная сеть (WAN - Wide Area Network) охватывает крупные географические области, такие как страны, континенты.

Сеть состоит из множества машин, на которых пользователи запускают приложения. Эти машины мы будем называть хост-машинами (host). Хосты подсоединены к коммуникационной подсети ( или просто подсети). Назначение подсети обеспечить передачу данных от одного хоста к другому.

Подсеть состоит из коммуникационных каналов ( их также называют линиями, магистралями) и коммутирующих элементов. Коммутирующие элементы - это специализированные компьютеры, соединяющие два и более коммуникационных канала. Эти машины мы будем называть маршрутизаторы.

У термина подсеть есть и второй смысл, связанный с адресацией в сети.

Принцип коммутации пакетов - наиболе часто используемый при построении WAN.

Топология соединения маршрутизаторов - важный фактор конструкции сети.

Другой возможностью для организации коммуникационной подсети для WAN - спутниковые системы и радио системы.

Беспроводные сети

Появление notebook и PDA, используемых в автомобилях, самолетах, из гостиниц делают актуальной возможность соединения с LAN по беспроводной линии связи. Потребность в беспроводных системах связи возникает также там где прокладка кабеля сопряжена с большими трудностями. Беспроводная связь и мобильный узел - это разные проблемы, хотя и связные

Межсетевое взаимодействие (Internetworking)

Потребности в межсетевом взаимодействии (LAN-LAN, LAN-WAN).

Шлюз - машина с надлежащим программным обеспечением, обеспечивающая связь между сетями и необходимое форматирование передаваемых данных.

Множество соединенных сетей называется internetwork.

Примером internetwork может служить набор LAN, соединенных через WAN.

Понятия протокола и интерфейса. Основные вопросы организации уровней взаимодействия.

Иерархия протоколов

В целях борьбы со сложностью сеть, как правило, организована в виде иерархии слоев или уровней. В разных сетях число уровней, их название, содержание и функции могут быть разными. Однако, во всех сетях назначение каждого уровня одно и тоже:

обеспечить определенный сервис верхним уровням;

сделать независимыми эти верхние уровни от деталей реализаций сервиса на уровне.

Уровень n на одной машине обеспечивает связь с уровнем n на другой машине. Правила и соглашения по установлению связи и ее поддержанию между уровнями называются протоколом уровня.

Уровень n непосредственно с уровнем n не взаимодействует. Он передает данные нижележащему уровню.

Между каждой парой уровней есть интерфейс. Интерфейс определяет какие примитивы - элементарные операции - и какие услуги (сервис) нижележащий уровень должен обеспечивать для верхнего уровня.

Набор уровней и протоколов называется архитектурой сети .

Спецификация архитектуры сети должна содержать достаточно информации, чтобы разработчик сетевого программного обеспечения мог написать надлежащие программы для каждого уровня, а инженер электронщик - надлежащую аппаратуру.

Конкретный набор протоколов, используемый на конкретной машине, называется стеком протоколов. Архитектуры сетей, стеки протоколов, сами протоколы - вот основные предметы, рассматриваемые в данном курсе.

Здесь на каждом уровне к сообщению добавляется заголовок. Заголовок содержит управляющую информацию - кому адресовано сообщение, время, дата, порядковый номер и т.д.

Виртуальное и фактическое взаимодействие; протокол и интерфейс - это принципиально разные сущности.

Основные вопросы организации уровней

на каждом уровне нужен механизм для определения отправителей и получателей;

правила передачи данных

simplex, half-duplex, duplex - направление передачи

количество виртуальных каналов через одно соединение и приоритеты между ними

обнаружение и исправление ошибок

сохранение исходной последовательности данных при передаче

на каждом уровне нужен механизм предотвращающий ситуацию когда получатель начинает "захлебываться"

не все процессы на любом уровне могут работать с сообщениями произвольной длины

разбиение, передача и сборка сообщений

как быть если процесс работает со столь короткими сообщениями, что их раздельная пересылка не эффективна

мультиплексирование и демультиплексирование виртуальных каналов

когда между получателем и отправителем есть несколько маршрутов:какой выбрать?

Виды сервиса. Набор примитивов сервиса

Интерфейсы и сервис

Назначение каждого уровня обеспечить надлежащий сервис для вышележащего слоя.

Активные элементы уровня будем называть активностями. Активности могут быть программными и аппаратными. Активности одного и того же уровня на разных машинах называются равнозначными активностями. Активности уровня n+1 являются пользователями сервиса, создаваемого активностями уровня n, которые называются поставщиками сервиса. Сервис может подразделяться на классы, например, быстрая и дорогостоящая связь или медленная и дешевая.

Доступ к сервису осуществляется через, так называемые, точки доступа к сервису - SAPs ( service access points). Каждая точка доступа к сервису имеет уникальный адрес. Например, телефонная розетка на стене - это точка доступа к сервису АТС. Каждой розетке сопоставлен определенный номер - номер телефона.

Для того чтобы осуществить обмен информации между двумя уровнями надо определить интерфейс между ними. Типичный интерфейс: активность на уровне n+1 передает IDU(Interface Data Unit - интерфейсную единицу данных) активности на уровне n через SAP. IDU состоит из SDU (Service Data Unit - сервисной единицы данных) и управляющей информации. SDU передается по сети равнозначной сущности, а затем - на уровень n+1. Управляющая информация нужна нижележащему уровню, чтобы правильно передать SDU, но она не является частью передаваемых данных.

Для того чтобы передать SDU по сети нижележащему уровню может потребоваться разбить его на части. Каждая часть снабжается заголовком (header) и передается как самостоятельная единица данных протокола - PDU (Protocol Data Unit). Заголовок в PDU используется равнозначной активностью чтобы реализовать равнозначный протокол. Он определяет какой PDU содержит управляющую информацию, а какой данные, порядковый номер и т.д.

Возможна такая аналогия с языками программирования. Сервис подобен абстрактному типу данных или объектам в объектно-ориентированных языках программирования. Он определяет операции, выполнимые над данным объектом, но ничего не говорит как эти операции реализованы. Протокол относиться к реализации сервиса и, как таковой, не виден пользователю сервиса.

В старых протоколах это различие не поддерживалось либо поддерживалось не до конца.

Cервис с соединением и сервис без соединения

Уровни могут предоставлять вышележащим уровням два вида сервисов: ориентированный на соединение и без соединения.

Сервис с соединением предполагает, что между получателем и отправителем сначала устанавливается соединение, и только потом доставляется сервис. Пример - телефонная сеть.

Сервис без соединения действует подобно почтовой службе. Каждое сообщениеимеет адрес получателя. В надлежащих точках оно маршрутизируется по нужному маршруту. Независимо от других сообщений. При таком сервисе вполне возможно, что сообщение позже посланное придет раньше. В сервисе с соединением - это невозможно.

Любой сервис характеризуется качеством. Например, надежный сервис, гарантирующий доставку данных без потерь, предполагает подтверждение получения каждого сообщения. Несомненно, это требует определенных накладных расходов. Это- плата за качество. Пример надежного сервиса с соединением - передача файлов. Ясно, что вряд ли кто-то рискнет передавать файл, пусть даже быстрее, при возможности потерять часть битов или нарушить их порядок.

Надежный сервис с соединением имеет две разновидности: последовательность сообщений и поток байтов. В первом случае четко различаются границы каждого сообщения. Если было послано два сообщения по 1МВ, то получено будет два сообщения по 1МВ. Ни при каких условиях у получателя не окажется одно сообщение в 2МВ. В случае потока байтов, получатель получит 2МВ. У него нет способа распознать, то ли это 2 сообщения по 1МВ, 1 в 2МВ и 2048 по 1 байту.

Если мы захотим передать книгу на фотонаборное устройство, то нам надо проследить, чтобы каждая страница имела четкие границы. В то же время, для поддержки соединения между терминалом и сервером в режиме командной строки - потока байтов вполне достаточно. Для некоторых приложений задержки из-за уведомления получения данных неприемлемы. Примерами таких приложений являются - цифровая, телефонная связь, цифровые видео конференции. При телефонном разговоре, люди готовы смириться с шумом на линии, искажениями слов, но паузы из-за уведомлений будут просто не приемлемы. Аналогично, при видео конференции или передаче видео фильма. Небольшие дефекты картинки допустимы, но подергивание экрана из-за уведомлений будет раздражать зрителя.

Пример приложения, не требующего соединения, - электронная почта. Вряд ли отправитель второстепенного сообщения захочет ждать установки и разрыва соединения, чтобы передать второстепенное сообщение. Ему вряд ли требуется стопроцентная гарантия доставки , особенно, если это связано с увеличением стоимости. Все, что ему нужно - простой способ передать сообщение, которое с большой вероятностью будет принято, но без всяких гарантий. Ненадежный сервис (т.е. без уведомления) часто называют дейтаграммным (datagramm), по аналогии с телеграммным без уведомления. Однако, для тех приложений, где необходима гарантия доставки даже небольшого сообщения, используется datаgramm сервис с подтверждением, подобно телеграмме с уведомлением о получении.

Другой разновидностью дейтаграммного сервиса является запрос-ответ сервис. Он типичен для взаимодействия между клиентами и сервером.

Примитивы сервиса

Сервис формально определяется набором примитивных операций (или примитивов), с помощью которых пользователь или какая-либо активность получает доступ к сервису.

Эти примитивы сообщают сервису о необходимости выполнить некоторое действие или о действии, выполненном равнозначной активностью. Один из способов классифицировать примитивы сервиса - разделить их на четыре класса.

Для иллюстрации работы примитивов рассмотрим, как соединение устанавливается и разрывается. Сначала активность выполняет CONNECT.request, в результате чего в сеть выпускается пакет. Получатель получает CONNECT.indication, указывающий на то, что с ним хотят установить соединение. В ответ получатель через примитив CONNECT.response сообщает, готов ли он установить соединение или отказывает в установлении соединения. В результате, активность - инициатор установления соединения получает ответ, чего следует ожидать через примитив CONNECT.confirm.

Большинство примитивов имеет параметры. Параметры примитива CONNECT.request определяют машину соединения, желаемый тип обслуживания и максимальный размер сообщения, допустимый для данного соединения. Параметры примитива CONNECT.indication указывают, кто обратился, желаемый уровень обслуживания, предлагаемый размер сообщений. Если активность, к которой обратились, не согласна, например, с предлагаемым размером сообщений, то она предлагает свой размер через response, который становится известным активности, добивающейся соединения, через примитив confirm. Подробности этих переговоров - существо протокола. Например, в случае конфликта при установлении максимального размера сообщения, протокол может установить, что выбирается наименьший из предложенных. Услуга может быть либо с подтверждением, либо без подтверждения. При услуге с подтверждением, действуют все четыре примитива request, indication, response, confirm. При услуге без подтверждения, используются только два примитива request и indication.

Услуга CONNECT обязательно должна быть с подтверждением. Услуга DATA_TRANSFER может быть как с подтверждением, так и без, в зависимости от того, нужно отправителю уведомление или нет. Оба вида услуг используется в сетях.

В следующем примере CONNECT - услуга c подтверждением, а вот DISCONNECT - без подтверждения:

CONNECT.request - Вы набираете номер друга.

CONNECT.indication - Он слышит звонок.

CONNECT.response - Он берет трубку.

CONNECT.confirm - Вы слышите, что гудки прекратились.

DATA.request - Вы предлагаете ему встретиться.

DATA.indication - Он слышит Ваше приглашение.

DATArequest - Он говорит, что согласен.

DATA.indication - Вы слышите его ответ.

DISCONNECT.request - Он кладет трубку.

DISCONNECT.indication - Вы слышите, что он положил трубку и кладете трубку.

На рис. показана эта последовательность действий. На этом рисунке Вы и Ваш друг - уровень n+1 - пользователи услуг, а уровень n - телефонная компания - поставщик услуг.

Взаимосвязь сервиса и протоколов

Сервис и протоколы - понятия разные, хотя их часто путают. Различие между ними настолько важно, что рассмотрим его еще раз. Сервис - это набор примитивов, которые уровень предоставляет уровню над ним. Сервис определяет, какие операции данный уровень предназначен выполнить по поручению его пользователей, но он ничего не говорит о том, как эти операции реализованы. Сервис относится к интерфейсу между уровнями. Нижележащий уровень является поставщиком сервиса, а вышележащий - пользователем услуг.

Протокол - это набор правил, определяющих формат, назначение фреймов, пакетов, сообщений, которыми обмениваются равнозначные активности на уровне. Активности используют протоколы для реализации определения их сервиса. Они могут изменить протокол, но не сервис, видимый их пользователями. Отсюда ясно, что сервис и протокол - не связаны. Методы - сервис, реализация - протокол.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ВОС). Функции уровней взаимодействия

Эталонная модель OSI

Модель OSI (модель взаимодействия открытых систем - ВОС) была разработана в Международной Организацией по Стандартизации (ISO) в целях разработки международных стандартов для вычислительных сетей. Это модель систем, открытых для взаимодействия с другими системами.

Модель ВОС имеет семь уровней. Принципы выделения этих уровней таковы:

Каждый уровень отражает надлежащий уровень абстракции.

Каждый уровень имеет строго определенную функцию.

Эта функция выбиралось прежде всего так, чтобы можно было определить международный стандарт.

Границы уровней выбирались так, чтобы минимизировать поток информации через интерфейсы.

Число уровней должно быть достаточно большим, чтобы не объединять разные функции на одном уровне и оно должно быть достаточно малым, чтобы архитектура не была громоздкой.

Теперь рассмотрим каждый уровень этой модели. Отметим что это модель, а не архитектура сети. Она не определяет протоколов и сервис каждого уровня. Она лишь говорит, что он должен делать. Однако, ISO выпустила и стандарты для каждого уровня, но они не являются частью модели.

Физический уровень отвечает за передачу последовательности битов через канал связи. Основной проблемой является как гарантировать что если на одном конце послали 1, то на другом получили 1, а не 0. На этом уровне решают такие вопросы каким напряжением надо представлять 1, а каким - 0; сколько микросекунд тратиться на передачу одного бита; следует ли поддерживать передачу данных в обоих направлениях одновременно; как устанавливается начальное соединение и как оно разрывается; каково количество контактов на сетевом разъеме, для чего используется каждый контакт. Здесь в основном вопросы механики, электрики.

Уровень канала данных

Основной задачей уровня канала данных - превратить несовершенную среду передачи в надежный канал, свободный от ошибок передачи. Эта задача решается разбиением данных отправителя на фреймы (обычно от нескольких сотен до нескольких тысяч байтов), передачей фреймов последовательно и обработкой фреймов уведомления, поступающих от получателя. Поскольку физический уровень не распознает структуры в передаваемых данных, то это целиком и полностью задача канала данных определить границы фрейма. Эта задача решается введением специальной последовательности битов, которая добавляется в начало и в конец фрейма и всегда интерпретируется как границы фрейма.

Помехи на линии могут разрушить фрейм. В этом случае он должен быть передан повторно. Он будет повторен также и в том случае если фрейм уведомление будет потерян. И это уже заботы уровня как бороться с дубликатами одного и того же фрейма, потерями или искажениями фреймов. Уровень канала данных может поддерживать сервис разных классов для сетевого уровня, разного качества и стоимости.

Другой проблемой, возникающей на уровне канала данных ( равно как и на других вышележащих уровнях) как управлять потоком передачи. Например, как предотвратить “захлебывание” получателя. Как сообщить передающему размер буфера, для приема передаваемых данных имеющийся у получателя в этот момент.

Если канал позволяет передавать данные в обоих направлениях одновременно, то возникает новая проблема: фреймы уведомления для потока от А к В используют тот же канал, что и трафик от В к А. Решение - использовать фреймы DU для передачи фреймов уведомлений.

В сетях с вещательным способом передачи возникает проблема управления доступом к общему каналу. За это отвечает специальный подуровень - подуровень доступа к среде (MAC - Media ACcess ).

Сетевой уровень отвечает за функционирование подсети. Основной проблемой здесь является как маршрутизировать пакеты от отправителя к получателю. Маршруты могут быть определены заранее и прописаны в статической таблице, которая не изменяется. Они могут определяться в момент установления соединения. Наконец, они могут строиться динамически в зависимости от загрузка сети.

Если в подсети циркулирует слишком много пакетов, то они могут использовать одни и те же маршруты, что будет приводить к заторам. Эта проблема так же решается на сетевом уровне.

Поскольку за использование подсети, как правило, предполагается оплата, то на этом уровне также присутствуют функции учета: как много байт, символов послал или получил абонент сети. Если абоненты расположены в разных странах, где разные тарифы, то надо должным образом скорректировать цену услуги.

Если пакет адресован в другую сеть, то надо предпринять надлежащие меры: там может быть другой формат пакетов, отличный способ адресации, размер пакетов, протоколы и т.д. - это все проблемы неоднородных сетей решаются на сетевом уровне.

В сетях с вещательной передачей проблемы маршрутизации просты и этот уровень часто отсутствует.

Транспортный уровень

Основная функция транспортного уровня это: принять данные с уровня сессии, разделить, если надо, на более мелкие единицы, передать на сетевой уровень и позаботиться, чтобы все они дошли в целостности до адресата. Все это должно быть сделано эффективно и так, чтобы скрыть от вышележащего уровня непринципиальные изменения на нижних.

В нормальных условиях транспортный уровень должен создать специальное сетевое соединение для каждого транспортного соединения по запросу уровня сессии. Если транспортное соединение требует высокой пропускной способности, то транспортный уровень может создать несколько сетевых соединений, между которыми транспортный уровень будет распределять передаваемые данные. И наоборот, если требуется обеспечить недорогое транспортное соединение, то транспортный уровень может использовать одно и то же сетевое соединение для нескольких транспортных соединений. В любом случае, такое мультиплексирование должно быть незаметным на уровне сессии.

Транспортный уровень определяет какой тип сервиса предоставить вышележащим уровням и пользователям сети. Наиболее часто используемым сервисом является канал точка-точка без ошибок, обеспечивающий доставку сообщений или байтов в той последовательности, в какой они были отправлены. Другой вид сервиса - доставка отдельных сообщений без гарантии сохранения их последовательности, рассылка одного сообщения многим в режиме вещания. Тип сервиса определяется при установлении транспортного соединения.

Транспортный уровень - это действительно уровень, обеспечивающий соединение точка-точка. Активности транспортного уровня на машине отправителя общаются с равнозначными активностями транспортного уровня на машине получателя. Этого нельзя сказать про активности на нижележащих уровнях. Они общаются с равнозначными активностями на соседних машинах! В этом одно из основных отличий уровней 1-3 от уровней 4-7. Последние обеспечивают соединение точка-точка.

Многие хост-машины - мультипрограммные, поэтому транспортный уровень для одной такой машины должен поддерживать несколько транспортных соединений. Для того, чтобы определить к какому соединению относиться тот или иной пакет, в его заголовке (H₄ на рис.1-11) помещается необходимая информация.

Транспортный уровень также отвечает за установление и разрыв транспортного соединения в сети. Это предполагает наличие механизма именования, т.е. процесс на одной машине должен уметь указать с кем в сети ему надо обменяться информацией. Транспортный уровень также должен предотвращать “захлебывание” получателя в случае очень “быстро говорящего” отправителя. Механизм для этого называется управление потоком. Он есть и на других уровнях. Однако, управление потоком между хостами отличен от управление потоком между маршрутизаторами, хотя у них есть общие принципы.

Уровень сессии позволяет пользователям на разных машинах (напомним что пользователем может быть программа) устанавливать сессии. Сессия позволяет передавать данные, как это может делать транспортный уровень, но кроме этого этот уровень имеет более сложный сервис, полезный в некоторых приложениях. Например, вход в удаленную систему, передать файл между двумя приложениями.

Одним из видов услуг на этом уровне - управление диалогом. Потоки данных могут быть разрешены в обоих направлениях одновременно, либо поочередно в одном направлении. Сервис на уровне сессии будет управлять направлением передачи.

Другой вид сервиса - управление маркером. Для некоторых протоколов недопустимо выполнение одной и той же операции на обоих концах соединения одновременно. Для этого уровень сессии выделяет активной стороне маркер. Операцию может выполнять тот кто владеет маркером.

Другой услугой уровня сессии является синхронизация. Пусть нам надо передать файл такой, что его пересылка займет два часа, между машинами, время наработки на отказ у которых один час. Ясно что “в лоб” такой файл средствами транспортного уровня не передать. Уровень сессии позволяет расставлять контрольные точки. В случае отказа одной из машин передача возобновиться с последней контрольной точки.

Уровень представления предоставляет решения для часто возникающих проблем, чем облегчает участь пользователей. В основном это проблемы семантики и синтаксиса передаваемой информации. Этот уровень имеет дело с информацией, а не с потоком битов.

Типичным примером услуги на этом уровне - унифицированная кодировка данных. Дело в том, что на разных машинах используются разные способы кодировки ASCII, Unicode и т.п. для символов, разные способы представления целых - в прямом, обратном или дополнительном коде, нумерация бит в байте слева направо или наоборот и т.п. Пользователи как правило используют структуры данных, а не случайный набор байт. Для того, чтобы машины с разной кодировкой и представлением данных могли взаимодействовать, передаваемые структуры данных определяются специальным абстрактным способом, не зависящим от кодировки, используемой при передачи. Уровень представления работает со структурами данных в абстрактной форме, преобразует это представление во внутреннее для конкретной машины и из внутреннего, машинного представления в стандартное представление для передачи по сети.

Уровень приложений обеспечивает нужные часто используемые протоколы. Например, существуют сотни разных типов терминалов. Если мы захотим создать сетевой экранный редактор, то нам придется писать для каждого типа терминала свою версию.

Есть другой путь: определить сетевой виртуальный терминал и для него написать редактор. Для каждого типа терминала написать программу отображения этого терминала на сетевой виртуальный терминал. Все программное обеспечение для виртуального сетевого терминала расположено на уровне приложений.

Другой пример - передача файлов. Разные операционные системы используют разные механизмы именования, представления текстовых строк и т.д. Для передачи файлов между разными системами надо преодолевать все такие различия. Для этого есть приложение FTP, также расположенное на уровне приложений. На этом же уровне находятся: электронная почта, удаленная загрузка программ, удаленный просмотр информации и т.д.

Передача данных в МОС-модели

На рис. показана последовательность действий при передаче данных в МОС модели. Хотя данные движутся вертикально каждый уровень предполагает их горизонтальное передвижение. Здесь аналогия с синхронным переводом. Когда оратор говорит на Урду перед нами, то он считает что он обращается к нам. Не тут-то было! Он обращается к переводчику и тот обращается к нам.

Эталонная модель TCP/IP. Протоколы Инетернет

Здесь мы рассмотрим другую эталонную модель, прототипом для которой послужил прародитель всех компьютерных сетей - сеть ARPA. Эта сеть образовалась в результате НИР, проведенного по инициативе Министерства Обороны США. Позднее к этому проекту подключились сотни университетов и гос.учереждений Америки. С самого начала эта сеть задумывалась как объединение нескольких разных сетей. Одной из основных целей этого проекта было разработать унифицированные способы соединения сетей. С появлением спутниковых и радио цифровых каналов связи проблема становилась только актуальнее. Так появилась модель TCP/IP. Свое название она получила по именам двух основных протоколов: TCP - протокол управления передачей (Transmission Control Protocol), и IP - межсетевой протокол (Internet Protocol).

Другой целью проекта ARPA было создание протоколов, независящих от характеристик конкретных хост-машин, маршрутизаторов, шлюзов и т.п.

Кроме этого связь должна поддерживаться даже если отдельные компоненты сети будут выходить из строя во время соединения. Другими словами связь должна поддерживаться до тех пор, пока источник информации и получатель информации работоспособны. Архитектура сети не должна ограничивать приложения, начиная от простой передачи файлов до передачи речи и изображения в реальном времени.

Межсетевой уровень

В силу вышеперечисленных требований выбор очевиден: сеть с коммутацией пакетов с межсетевым уровнем без соединений. Этот уровень называется межсетевым уровнем. Он является основой всей архитектуры. Его назначение обеспечить доставку пакетов, движущихся в сети независимо друг от друга, даже если получатель принадлежит другой сети. Причем пакеты могут поступать к получателю не в том порядке как они были посланы. Упорядочить их в надлежащем порядке - задача вышележащего уровня.

Межсетевой уровень определяет межсетевой протокол IP и формат пакета. Обращаю внимание, что ни протокол, ни формат пакета не являются официальными международными стандартами, в отличии от протоколов эталонной модели МОС. Там большинство протоколов имеют статус международных стандартов.

Итак, назначение межсетевого уровня в TCP/IP доставить IP пакет по назначению. Это как раз то, за что отвечает сетевой уровень в OSI модели. На рис.1-18 показано соответствие между уровнями этих двух эталонных моделей.

Транспортный уровень

Над межсетевым уровнем расположен транспортный уровень. Как и в МОС модели его задача обеспечить связь точка-точка между двумя равнозначными активностями. В рамках TCP/IP модели было разработано два транспортных протокола. Первый TCP: надежный протокол с соединением. Он получает поток байт, фрагментирует его на отдельные сообщения и передает их на межсетевой уровень. На машине получателе равнозначная активность TCP протокола собирает эти сообщения в поток байтов. TCP протокол также обеспечивает управление потоком.

Второй протокол UDP (User Datagram Protocol). Это ненадежный протокол без соединения для тех приложений, которые используют свои механизмы фрагментации, управления потоком. Он часто используется для передачи коротких сообщений в клиент-серверных приложениях, а также там где скорость передачи важнее ее точности. Соотношение этих протоколов и их приложений показано на рис.

Уровень приложений

В TCP/IP модели нет уровней сессии и представления. Необходимость в них была не очевидна для ее создателей. На сегодня дело обстоит так, что разработчик сложного приложения берет на себя проблемы этих уровней.

Над транспортным протоколом располагается уровень приложений. Этот уровень включает виртуальный терминал - TELNET, передачу файлов - FTP, электронную почту - SMTP. Позднее к ним добавились: служба имен домена - DNS (Domain Name Service) отображающая логические имена хост-машин на их сетевые адреса, протокол для передачи новостей - NNTP, и протокол для работы с гипертекстовыми документами во всемирной паутине (WWW) - HTTP.

Под межсетевым уровнем в TCP/IP модели великая пустота. Модель ничего не говорит что происходит так, лишь что хост-машина должна быть связана с сетью через некоторый протокол. Никаких ограничений на этот протокол, равно как т рекомендаций нет.

Характеристики линий связи (ЛС). Спектральный анализ ЛС

Типы характеристик и способы их определения

К основным характеристикам линий связи относятся:

- амплитудно-частотная характеристика;

- полоса пропускания;

- затухание;

- помехоустойчивость;

- перекрестные наводки на ближнем конце линии;

- пропускная способность;

- достоверность передачи данных;

- удельная стоимость.

В первую очередь разработчика вычислительной сети интересуют пропускная способность и достоверность передачи данных, поскольку эти характеристики прямо влияют на производительность и надежность создаваемой сети. Пропускная способность и достоверность -- это характеристики как линии связи, так и способа передачи данных. Поэтому если способ передачи (протокол) уже определен, то известны и эти характеристики. Например, пропускная способность цифровой линии всегда известна, так как на ней определен протокол физического уровня, который задает битовую скорость передачи данных -- 64 Кбит/с, 2 Мбит/с и т. п.

Однако нельзя говорить о пропускной способности линии связи, до того как для нее определен протокол физического уровня. Именно в таких случаях, когда только предстоит определить, какой из множества существующих протоколов можно использовать на данной линии, очень важными являются остальные характеристики линии, такие как полоса пропускания, перекрестные наводки, помехоустойчивость и другие характеристики.

Для определения характеристик линии связи часто используют анализ ее реакций на некоторые эталонные воздействия. Такой подход позволяет достаточно просто и однотипно определять характеристики линий связи любой природы, не прибегая к сложным теоретическим исследованиям. Чаще всего в качестве эталонных сигналов для исследования реакций линий связи используются синусоидальные сигналы различных частот. Это связано с тем, что сигналы этого типа часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию времени -- как непрерывный процесс колебаний звука, так и прямоугольные импульсы, генерируемые компьютером.

Спектральный анализ сигналов на линиях связи

Из теории гармонического анализа известно, что любой периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различных частот и различных амплитуд (рис. 2.3). Каждая составляющая синусоида называется также гармоникой, а набор всех гармоник называют спектральным разложением исходного сигнала. Непериодические сигналы можно представить в виде интеграла синусоидальных сигналов с непрерывным спектром частот. Например, спектральное разложение идеального импульса (единичной мощности и нулевой длительности) имеет составляющие всего спектра частот, от - до + (рис. 2.4).

Техника нахождения спектра любого исходного сигнала хорошо известна. Для некоторых сигналов, которые хорошо описываются аналитически (например, для последовательности прямоугольных импульсов одинаковой длительности и амплитуды), спектр легко вычисляется на основании формул Фурье. Для сигналов произвольной формы, встречающихся на практике, спектр можно найти с помощью специальных приборов -- спектральных анализаторов, которые измеряют спектр реального сигнала и отображают амплитуды составляющих гармоник на экране или распечатывают их на принтере.

Искажение передающим каналом синусоиды какой-либо частоты приводит в конечном счете к искажению передаваемого сигнала любой формы, особенно если синусоиды различных частот искажаются неодинаково. Если это аналоговый сигнал, передающий речь, то изменяется тембр голоса за счет искажения обертонов -- боковых частот. При передаче импульсных сигналов, характерных для компьютерных сетей, искажаются низкочастотные и высокочастотные гармоники, в результате фронты импульсов теряют свою прямоугольную форму (рис. 2.5). Вследствие этого на приемном конце линии сигналы могут плохо распознаваться.

Линия связи искажает передаваемые сигналы из-за того, что ее физические параметры отличаются от идеальных. Так, например, медные провода всегда представляют собой некоторую распределенную по длине комбинацию активного сопротивления, емкостной и индуктивной нагрузки (рис. 2.6). В результате для синусоид различных частот линия будет обладать различным полным сопротивлением, а значит, и передаваться они будут по-разному. Волоконно-оптический кабель также имеет отклонения, мешающие идеальному распространению света. Если линия связи включает промежуточную аппаратуру, то она также может вносить дополнительные искажения, так как невозможно создать устройства, которые бы одинаково хорошо передавали весь спектр синусоид, от нуля до бесконечности.

Кроме искажений сигналов, вносимых внутренними физическими параметрами линии связи, существуют и внешние помехи, которые вносят свой вклад в искажение формы сигналов на выходе линии. Эти помехи создают различные электрические двигатели, электронные устройства, атмосферные явления и т. д. Несмотря на защитные меры, предпринимаемые разработчиками кабелей и усилительно-коммутирующей аппаратуры, полностью компенсировать влияние внешних помех не удается. Поэтому сигналы на выходе линии связи обычно имеют сложную форму (как это и показано на рис. 2.5), по которой иногда трудно понять, какая дискретная информация была подана на вход линии.

Амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание

Степень искажения синусоидальных сигналов линиями связи оценивается с помощью таких характеристик, как амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание на определенной частоте.

Амплитудно-частотная характеристика (рис. 2.7) показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии связи по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала. Вместо амплитуды в этой характеристике часто используют также такой параметр сигнала, как его мощность

Знание амплитудно-частотной характеристики реальной линии позволяет определить форму выходного сигнала практически для любого входного сигнала. Для этого необходимо найти спектр входного сигнала, преобразовать амплитуду составляющих его гармоник в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой, а затем найти форму выходного сигнала, сложив преобразованные гармоники.

Несмотря на полноту информации, предоставляемой амплитудно-частотной характеристикой о линии связи, ее использование осложняется тем обстоятельством, что получить ее весьма трудно. Ведь для этого нужно провести тестирование линии эталонными синусоидами по всему диапазону частот от нуля до некоторого максимального значения, которое может встретиться во входных сигналах. Причем менять частоту входных синусоид нужно с небольшим шагом, а значит, количество экспериментов должно быть очень большим. Поэтому на практике вместо амплитудно-частотной характеристики применяются другие, упрощенные характеристики - полоса пропускания и затухание.

Полоса пропускания (bandwidth) -- это непрерывный диапазон частот, для которого отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает некоторый заранее заданный предел, обычно 0,5. То есть полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линии связи без значительных искажений. Знание полосы пропускания позволяет получить с некоторой степенью приближения тот же результат, что и знание амплитудно-частотной характеристики. Как мы увидим ниже, ширина полосы пропускания в наибольшей степени влияет на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи. Именно этот факт нашел отражение в английском эквиваленте рассматриваемого термина (width -- ширина).

Затухание (attenuation) определяется как относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала при передаче по линии сигнала определенной частоты. Таким образом, затухание представляет собой одну точку из амплитудно-частотной характеристики линии. Часто при эксплуатации линии заранее известна основная частота передаваемого сигнала, то есть та частота, гармоника которой имеет наибольшую амплитуду и мощность. Поэтому достаточно знать затухание на этой частоте, чтобы приблизительно оценить искажения передаваемых по линии сигналов. Более точные оценки возможны при знании затухания на нескольких частотах, соответствующих нескольким основным гармоникам передаваемого сигнала.

Затухание А обычно измеряется в децибелах (дБ, decibel - dB) и вычисляется по следующей формуле:

А = 10 log₁₀Р_вых/Р_вх,

где Р_вых - мощность сигнала на выходе линии, Р_вх -- мощность сигнала на входе линии.

Так как мощность выходного сигнала кабеля без промежуточных усилителей всегда меньше, чем мощность входного сигнала, затухание кабеля всегда является отрицательной величиной.

Например, кабель на витой паре категории 5 характеризуется затуханием не ниже -23,6 дБ для частоты 100 МГц при длине кабеля 100 м. Частота 100 МГц выбрана потому, что кабель этой категории предназначен для высокоскоростной передачи данных, сигналы которых имеют значимые гармоники с частотой примерно 100 МГц. Кабель категории 3 предназначен для низкоскоростной передачи данных, поэтому для него определяется затухание на частоте 10 МГц (не ниже -11,5 дБ). Часто оперируют с абсолютными значениями затухания, без указания знака.

Абсолютный уровень мощности, например уровень мощности передатчика, также измеряется в децибелах. При этом в качестве базового значения мощности сигнала, относительно которого измеряется текущая мощность, принимается значение в 1 мВт. Таким образом, уровень мощности р вычисляется по следующей формуле:

p = 10 log₁₀ Р/1мВт [дБм],

где Р - мощность сигнала в милливаттах, а дБм (dBm) - это единица измерения уровня мощности (децибел на 1 мВт).

Таким образом, амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания и затухание являются универсальными характеристиками, и их знание позволяет сделать вывод о том, как через линию связи будут передаваться сигналы любой формы.

Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности. На рис. 2.8 показаны полосы пропускания линий связи различных типов, а также наиболее часто используемые в технике связи частотные диапазоны.

Ограничение пропускной способности ЛС. Теоремы Найквиста и Шеннона

Пропускная способность линии

Пропускная способность (throughput) линии характеризует максимально возможную скорость передачи данных по линии связи. Пропускная способность измеряется в битах в секунду -- бит/с, а также в производных единицах, таких как килобит в секунду (Кбит/с), мегабит в секунду (Мбит/с), гигабит в секунду (Гбит/с) и т. д.

ПРИМЕЧАНИЕ Пропускная способность линий связи и коммуникационного сетевого оборудования традиционно измеряется в битах в секунду, а не в байтах в секунду. Это связано с тем, что данные в сетях передаются последовательно, то есть побитно, а не параллельно, байтами, как это происходит между устройствами внутри компьютера. Такие единицы измерения, как килобит, мегабит или гигабит, в сетевых технологиях строго соответствуют степеням 10 (то есть килобит -- это 1000 бит, а мегабит -- это 1 000 000 бит), как это принято во всех отраслях науки и техники, а не близким к этим числам степеням 2, как это принято в программировании, где приставка «кило» равна 2¹⁰ =1024, а «мега» - 2²⁰= 1 048 576.

Пропускная способность линии связи зависит не только от ее характеристик, таких как амплитудно-частотная характеристика, но и от спектра передаваемых сигналов. Если значимые гармоники сигнала (то есть те гармоники, амплитуды которых вносят основной вклад в результирующий сигнал) попадают в полосу пропускания линии, то такой сигнал будет хорошо передаваться данной линией связи и приемник сможет правильно распознать информацию, отправленную по линии передатчиком (рис. 2.9, а). Если же значимые гармоники выходят за границы полосы пропускания линии связи, то сигнал будет значительно искажаться, приемник будет ошибаться при распознавании информации, а значит, информация не сможет передаваться с заданной пропускной способностью (рис. 2.9,6)

Выбор способа представления дискретной информации в виде сигналов, подаваемых на линию связи, называется физическим или линейным кодированием. От выбранного способа кодирования зависит спектр сигналов и, соответственно, пропускная способность линии. Таким образом, для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого - другой. Например, витая пара категории 3 может передавать данные с пропускной способностью 10 Мбит/с при способе кодирования стандарта физического уровня 10Base-T и 33 Мбит/с при способе кодирования стандарта 100Base-T4. В примере, приведенном на рис. 2.9, принят следующий способ кодирования -- логическая 1 представлена на линии положительным потенциалом, а логический 0 - отрицательным.

Теория информации говорит, что любое различимое и непредсказуемое изменение принимаемого сигнала несет в себе информацию. В соответствии с этим прием синусоиды, у которой амплитуда, фаза и частота остаются неизменными, информации не несет, так как изменение сигнала хотя и происходит, но является хорошо предсказуемым. Аналогично, не несут в себе информации импульсы на тактовой шине компьютера, так как их изменения также постоянны во времени. А вот импульсы на шине данных предсказать заранее нельзя, поэтому они переносят информацию между отдельными блоками или устройствами.

Большинство способов кодирования используют изменение какого-либо параметра периодического сигнала - частоты, амплитуды и фазы синусоиды или же знак потенциала последовательности импульсов. Периодический сигнал, параметры которого изменяются, называют несущим сигналом или несущей частотой, если в качестве такого сигнала используется синусоида.

Если сигнал изменяется так, что можно различить только два его состояния, то любое его изменение будет соответствовать наименьшей единице информации -- биту. Если же сигнал может иметь более двух различимых состояний, то любое его изменение будет нести несколько бит информации.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду измеряется в водах (baud). Период времени между соседними изменениями информационного сигнала называется тактом работы передатчика.

Пропускная способность линии в битах в секунду в общем случае не совпадает с числом бод. Она может быть как выше, так и ниже числа бод, и это соотношение зависит от способа кодирования.

Если сигнал имеет более двух различимых состояний, то пропускная способность в битах в секунду будет выше, чем число бод. Например, если информационными параметрами являются фаза и амплитуда синусоиды, причем различаются 4 состояния фазы в 0, 90,180 и 270 градусов и два значения амплитуды сигнала, то информационный сигнал может иметь 8 различимых состояний. В этом случае модем, работающий со скоростью 2400 бод (с тактовой частотой 2400 Гц) передает информацию со скоростью 7200 бит/с, так как при одном изменении сигнала передается 3 бита информации.

При использовании сигналов с двумя различимыми состояниями может наблюдаться обратная картина. Это часто происходит потому, что для надежного распознавания приемником пользовательской информации каждый бит в последовательности кодируется с помощью нескольких изменений информационного параметра несущего сигнала. Например, при кодировании единичного значения бита импульсом положительной полярности, а нулевого значения бита -- импульсом отрицательной полярности физический сигнал дважды изменяет свое состояние при передаче каждого бита. При таком кодировании пропускная способность линии в два раза ниже, чем число бод, передаваемое по линии.

На пропускную способность линии оказывает влияние не только физическое, но и логическое кодирование. Логическое кодирование выполняется до физического кодирования и подразумевает замену бит исходной информации новой последовательностью бит, несущей ту же информацию, но обладающей, кроме этого, дополнительными свойствами, например возможностью для приемной стороны обнаруживать ошибки в принятых данных. Сопровождение каждого байта исходной информации одним битом четности - - это пример очень часто применяемого способа логического кодирования при передаче данных с помощью модемов. Другим примером логического кодирования может служить шифрация данных, обеспечивающая их конфиденциальность при передаче через общественные каналы связи. При логическом кодировании чаще всего исходная последовательность бит заменяется более длинной последовательностью, поэтому пропускная способность канала по отношению к полезной информации при этом уменьшается.

Связь между пропускной способностью линии и ее полосой пропускания

Чем выше частота несущего периодического сигнала, тем больше информации в единицу времени передается по линии и тем выше пропускная способность линии при фиксированном способе физического кодирования. Однако, с другой стороны, с увеличением частоты периодического несущего сигнала увеличивается и ширина спектра этого сигнала, то есть разность между максимальной и минимальной частотами того набора синусоид, которые в сумме дадут выбранную для физического кодирования последовательность сигналов. Линия передает этот спектр синусоид с теми искажениями, которые определяются ее полосой пропускания. Чем больше несоответствие между полосой пропускания линии и шириной спектра передаваемых информационных сигналов, тем больше сигналы искажаются и тем вероятнее ошибки в распознавании информации принимающей стороной, а значит, скорость передачи информации на самом деле оказывается меньше, чем можно было предположить.

Связь между полосой пропускания линии и ее максимально возможной пропускной способностью, вне зависимости от принятого способа физического кодирования, установил Клод Шеннон:

C=F log₂(1+P_c/P_ш),

где С - максимальная пропускная способность линии в битах в секунду, F - ширина полосы пропускания линии в герцах, Р_с -- мощность сигнала, Р_ш - мощность шума.

Из этого соотношения видно, что хотя теоретического предела пропускной способности линии с фиксированной полосой пропускания не существует, на практике такой предел имеется. Действительно, повысить пропускную способность линии можно за счет увеличения мощности передатчика или же уменьшения мощности шума (помех) на линии связи. Обе эти составляющие поддаются изменению с большим трудом. Повышение мощности передатчика ведет к значительному увеличению его габаритов и стоимости. Снижение уровня шума требует применения специальных кабелей с хорошими защитными экранами, что весьма дорого, а также снижения шума в передатчике и промежуточной аппаратуре, чего достичь весьма не просто. К тому же влияние мощностей полезного сигнала и шума на пропускную способность ограничено логарифмической зависимостью, которая растет далеко не так быстро, как прямо-пропорциональная. Так, при достаточно типичном исходном отношении мощности сигнала к мощности шума в 100 раз повышение мощности передатчика в 2 раза даст только 15 % увеличения пропускной способности линии.