Комп'ютерні мережі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекція

Комп'ютерні мережі

"Залізо" для мережі

Мережа - група комп'ютерів, з'єднаних один з одним за допомогою спеціального обладнання, що забезпечує обмін інформацією між ними. З'єднання між двома комп'ютерами може бути безпосереднім (двоточкове з'єднання) або з використанням додаткових вузлів зв'язку.

Надалі комп'ютер, який підключений до мережі, називається робочою станцією (Workstation/Client). Робоча станція в мережі відрізняється від звичайного персонального комп'ютера (ПК) наявністю мережевої карти (мережевого адаптера), каналу для передачі даних і мережевого програмного забезпечення. Як правило, з цим комп'ютером працює людина.

У мережі присутні і такі комп'ютери, на яких ніхто не працює. Вони використовуються в якості керуючих центрів мережі і як накопичувачі інформації. Такі комп'ютери називають серверами.

Найбільш істотними ознаками, що визначають тип мережі, є ступінь територіального розосередження, топологія і застосовані методи комутації. По ступеню розосередження комп'ютерні мережі поділяються на локальні, регіональні і глобальні.

Якщо комп'ютери розташовані порівняно недалеко один від одного і з'єднані за допомогою високошвидкісних мережевих адаптерів (швидкість передачі даних - 10-100Мбіт / с), то такі мережі називаються локальними. При використанні локальної мережі комп'ютери, як правило, розташовані в межах однієї кімнати, будівлі або в декількох близько розташованих будинках.

Для об'єднання комп'ютерів або цілих локальних мереж, які розташовані на значній відстані один від одного, використовуються модеми, а також виділені або супутникові канали зв'язку. Такі мережі носять назву глобальних. Зазвичай швидкість передачі даних в таких мережах значно нижче, ніж в локальних.

Комп'ютерна мережа - це система розподіленої обробки інформації між комп'ютерами за допомогою засобів зв'язку.

Передача інформації між комп'ютерами відбувається за допомогою електричних сигналів, які бувають цифровими та аналоговими. У комп'ютері використовуються цифрові сигнали у двійковому вигляді, а під час передачі інформації по мережі - аналогові (хвильові). Частота аналогового сигналу - це кількість виникнень хвилі у задану одиницю часу. Аналогові сигнали також використовуються модеми, які двійковий нуль перетворюють у сигнал низької частоти, а одиницю - високої частоти.

Розрізняють два поняття комп'ютерної мережі: комунікаційна мережа і інформаційна мережа.

Комунікаційна мережа призначена для передачі даних, також вона виконує завдання, пов'язані з перетворенням даних. Комунікаційні мережі розрізняються за типом використовуваних фізичних засобів з'єднання.

Інформаційна мережа призначена для зберігання інформації і складається з інформаційних систем. На базі комунікаційної мережі може бути побудована група інформаційних мереж.

Під інформаційною системою слід розуміти систему, яка є постачальником або споживачем інформації. Іншими словами - об'єкт, здатний здійснювати зберігання, обробку або передачу інформація. До складу інформаційної системи входять: комп'ютери, програми, користувачі і інші складові, призначені для процесу обробки і передачі даних.

Під каналом зв'язку слід розуміти шлях або засіб, по якому передаються сигнали.

Канали зв'язку (data link) створюються по лініях зв'язку за допомогою мережевого устаткування і фізичних засобів зв'язку. Фізичні засоби зв'язку побудовані на основі витих пар, коаксіальних кабелів, оптичних каналів або ефіру (безпровідного зв'язку - повітрям). Між взаємодіючими інформаційними системами через фізичні канали комунікаційної мережі і вузли комутації встановлюються логічні канали.

Логічний канал - це шлях для передачі даних від однієї системи до іншої. Логічний канал прокладається по маршруту в одному або декількох фізичних каналах. Логічний канал можна охарактеризувати, як маршрут, прокладений через фізичні канали і вузли комутації.

Інформація в мережі передається блоками даних по процедурах обміну між об'єктами. Ці процедури називають протоколами передачі даних. Протокол - це сукупність правил, що встановлюють формат і процедури обміну інформацією між двома або декількома пристроями. Завантаження мережі характеризується параметром, званим трафіком. Трафік (traffic) - це потік повідомлень в мережі передачі даних. Під ним розуміють кількісний вимір у вибраних точках мережі числа блоків даних і їх довжини, що проходять, виражене в бітах в секунду.

Істотний вплив на характеристику мережі чинить метод доступу. Метод доступу - це спосіб визначення того, яка з робочих станцій зможе наступною використовувати канал зв'язку і як управляти доступом до каналу зв'язку (кабелю).

У мережі усі робочі станції фізично сполучені між собою каналами зв'язку по певній структурі, званою топологією. Топологія - це опис фізичних з'єднань в мережі, що вказує які робочі станції можуть зв'язуватися між собою. Тип топології визначає продуктивність, працездатність і надійність експлуатації робочих станцій, а також час звернення до файлового сервера. Залежно від топології мережі використовується той або інший метод доступу.

Склад основних елементів в мережі залежить від її архітектури. Архітектура - це концепція, що визначає взаємозв'язок, структуру і функції взаємодії робочих станцій в мережі. Вона передбачає логічну, функціональну і фізичну організацію технічних і програмних засобів мережі. Архітектура визначає принципи побудови і функціонування апаратного і програмного забезпечення елементів мережі.

Кожен комп'ютер, підключений до мережі, має ім'я (IP-адресу). Комп'ютерні мережі можуть обмінюватися між собою інформацією у вигляді повідомлень.

Для підключення до мережі комп'ютери повинні мати:

· апаратні засоби, що з'єднують комп'ютери із середовищем передачі даних;

· мережеве програмне забезпечення, за допомогою якого здійснюється доступ до послуг мережі.

Як влаштована мережа

Існують два види архітектури мережі: однорангова (Peer-to-peer) і клієнт / сервер {Client / Server).

Архітектура клієнт - сервер (clіent-server archіtecture) - це концепція інформаційної мережі, в якій основна частина її ресурсів зосереджена в серверах, що обслуговують своїх клієнтів.

На даний момент архітектура клієнт/сервер практично витіснила однорангову.

Якщо використовується однорангова мережа, то всі комп'ютери, що входять до неї, мають однакові права. Відповідно, будь-який комп'ютер може виступати в ролі сервера, що надає доступ до своїх ресурсів, або клієнта, що використовує ресурси інших серверів.

У мережі, побудованої на архітектурі клієнт / сервер, існує кілька основних комп'ютерів - серверів. Інші комп'ютери, які входять а мережа, носять назву клієнтів, або робочих станцій.

Сервер - це комп'ютер, який обслуговує інші комп'ютери в мережі або - це об'єкт, що надає сервіс іншим об'єктам мережі по їхніх запитах.

Сервіс - це процес обслуговування клієнтів.

Клієнти - це робочі станції, що використовують ресурси сервера і надають зручні інтерфейси користувача.

Інтерфейси користувача - це процедури взаємодії користувача з системою чи мережею.

Існують різноманітні види серверів, що відрізняються один від одного послугами, які вони надають: сервери баз даних, файлові сервери, принт-сервери, поштові сервери, веб-сервери і т.д.

У найпростішому випадку для роботи мережі досить мережевих карт і кабелю. Якщо ж вам необхідно створити досить складну мережу, то знадобиться спеціальне мережеве устаткування.

Засоби для побудови мережі

Кабель

Комп'ютери усередині локальної мережі з'єднуються за допомогою кабелів, які передають сигнали. Кабель, що сполучає два компоненти мережі (наприклад, два комп'ютера), називається сегментом. Кабелі класифікуються залежно від можливих значень швидкості передачі інформації і частоти виникнення збоїв і помилок. Найчастіше використовуються кабелі трьох основних категорій :

вита пара;

коаксіальний кабель;

оптоволоконний кабель.

Для побудови локальних мереж зараз найширше використовується вита пара. Усередині такий кабель складається з двох або чотирьох пар мідного дроту, перекручених між собою. Вита пара також має свої різновиди: UTP (Unshielded Twisted Pair -- неекранована вита пара) і STP (Shielded Twisted Pair -- екранована вита пара). Ці різновиди кабелю здатні передавати сигнали на відстань близько 100 м. Як правило, в локальних мережах використовується саме UTP. STP має плетену оболонку з мідної нитки, яка має більш високий рівень захисту і якості, чим оболонка кабелю UTP.

У кабелі STP кожна пара дротів додатково екранована (вона обернена шаром фольги), що захищає дані, які передаються, від зовнішніх перешкод. Таке рішення дозволяє підтримувати високі швидкості передачі більше за значну відстань, ніж у разі використання кабелю UTP. Вита пара підключається до комп'ютера за допомогою роз'єму RJ - 45 (Registered Jack 45), який дуже нагадує телефонний роз'єм RJ - 11 (Registered Jack 11).

Вита пара здатна забезпечувати роботу мережі на швидкостях 10,100 і 1000 Мбіт/с.

Коаксіальний кабель складається з мідного дроту, покритого ізоляцією, екранований металевим обплетенням і зовнішньою оболонкою. По центральному дроту кабелю передаються сигнали, в які заздалегідь були перетворені дані. Такий дріт може бути як цілісним, так і багатожильним. Для організації локальної мережі застосовуються два типи коаксіального кабелю : ThinNet (тонкий, 10Base2) і ThickNet (товстий, 10Base5). В даний момент локальні мережі на основі коаксіального кабелю практично не зустрічаються. Швидкість передачі інформації в такій мережі не перевищує 10 Мбіт/с.

Обидва різновиди кабелю, ThinNet і ThickNet, підключаються до роз'єму BNC, а на обох кінцях кабелю мають бути встановлені термінатори.

У основі оптоволоконного кабелю знаходяться оптичні волокна (світлопроводи), дані по яких передаються у вигляді імпульсів світла. Електричні сигнали по оптоволоконному кабелю не передаються, тому сигнал не можна перехопити, що практично виключає несанкціонований доступ до даних. Оптоволоконний кабель використовують для транспортування великих об'ємів інформації на максимально доступних швидкостях.

Головним недоліком такого кабелю є його крихкість: його легко пошкодити, а монтувати і сполучати можна тільки за допомогою спеціального устаткування.

Мережеві карти

Мережеві карти роблять можливим з'єднання комп'ютера і мережевого кабелю. Мережева карта перетворить інформацію, яка призначена для відправки, в спеціальні пакети.

Пакет -- логічна сукупність даних, в яку входять заголовок з адресними відомостями і безпосередньо інформація. У заголовку є присутніми поля адреси, де знаходиться інформація про місце відправлення і пункт призначення даних. Мережева плата аналізує адресу призначення отриманого пакету і визначає, чи дійсно пакет спрямовувався цьому комп'ютеру. Якщо вивід буде позитивним, то плата передасть пакет операційній системі. Інакше пакет оброблятися не буде. Спеціальне програмне забезпечення дозволяє обробляти усі пакети, які проходять усередині мережі. Таку можливість використовують системні адміністратори, коли аналізують роботу мережі, і зловмисники для крадіжки даних, що проходять по ній.

Будь-яка мережева карта має індивідуальну адресу, вбудовану в її мікросхеми. Ця адреса називається фізичною, або МАС-адресою (Media Access Control -- управління доступом до середовища передачі).

Порядок дій, що здійснюються мережевою картою, такий.

Отримання інформації від операційної системи і перетворення її в електричні сигнали для подальшої відправки по кабелю.

Отримання електричних сигналів по кабелю і перетворення їх назад в дані, з якими здатна працювати операційна система.

Визначення, чи призначений прийнятий пакет даних саме для цього комп'ютера.

У правління потоком інформації, яка проходить між комп'ютером і мережею.

Повторювачі (Repeater)

Локальна мережа може бути розширена за рахунок використання спеціального пристрою, яке носить назву «репітер». Його основна функція полягає в тому, щоб, отримавши дані на одному з портів, перенаправити їх на інші порти. Ці порти можуть бути довільного типу: AUI, BNC, RJ-45 або Fiber -- Optic. Комбінації також ролі не грають, що дозволяє об'єднувати елементи мережі, які побудовані на основі різних типів кабелю. Інформація в процесі передачі на інші порти відновлюється, щоб виключити відхилення, які можуть з'явитися в процесі руху сигналу від джерела.

Повторювач можуть виконувати функцію розділення. Якщо повторювач визначає, що на якомусь з портів походить надто багато колізій, він робить вивід, що на цьому сегменті сталася неполадка, і ізолює його. Ця функція запобігає поширенню збоїв одного з сегментів на усю мережу.

Повторювач дозволяє:

сполучати два сегменти мережі з однаковими або різними видами кабелю;

регенерувати сигнал для збільшення максимальної відстані його передачі;

передавати потік даних в обох напрямах.

Концентратори (hub)

Концентратор -- пристрій, здатний об'єднати комп'ютери у фізичну зіркоподібну топологію. Концентратор має декілька портів, дозволяючи підключити мережеві компоненти. Концентратор, що має всього два порти, називають мостом. Міст потрібний для з'єднання двох елементів мережі.

Мережа разом з концентратором є «загальною шиною». Пакети даних при передачі через концентратор будуть доставлені на усі комп'ютери, підключені до локальної мережі.

Існує два види концентраторів.

Пасивні концентратори. Такі пристрої відправляють отриманий сигнал без його попередньої обробки.

Активні концентратори (багатопортові повторювачі). Приймають вхідні сигнали, обробляють їх і передають в підключені комп'ютери.

Комутатори (switch)

Комутатори потрібні для організації тіснішого мережевого з'єднання між комп'ютером-відправником і кінцевим комп'ютером. В процесі передачі даних через комутатор в його пам'ять записується інформація про МАС-адреси комп'ютерів. За допомогою цієї інформації комутатор складає таблицю маршрутизації, в якій для кожного з комп'ютерів вказана його приналежність певному сегменту мережі.

При отриманні комутатором пакетів даних він створює спеціальне внутрішнє з'єднання (сегмент) між двома своїми портами, використовуючи таблицю маршрутизації. Потім відправляє пакет даних у відповідний порт кінцевого комп'ютера, спираючись на інформацію, описану в заголовку пакету.

Таким чином, це з'єднання виявляється ізольованим від інших портів, що дозволяє комп'ютерам обмінюватися інформацією з максимальною швидкістю, яка доступна для цієї мережі. Якщо у комутатора є присутніми тільки два порти, він називається мостом (bridge).

Міст - ретрансляційна система, що сполучає канали передачі даних, об'єднує різнотипні канали передачі даних в один загальний.

Міст, а також його швидкодіючий аналог - комутатор (switching hub), ділять загальне середовище передачі даних на логічні сегменти. Логічний сегмент утворюється шляхом об'єднання декількох фізичних сегментів (відрізків кабелю) за допомогою одного або декількох концентраторів. Кожен логічний сегмент підключається до окремого порту моста/комутатора. При вступі кадру на який-небудь з портів міст/комутатор повторює цей кадр, але не на усіх портах, як це робить концентратор, а тільки на тому порту, до якого підключений сегмент, комп'ютер-адресат, що містить.

Мости можуть сполучати сегменти, що використовують різні типи носіїв і сполучати мережі з різними методами доступу до каналу.

Відмінність між мостом і комутатором

Різниця між мостом і комутатором полягає в тому, що міст в кожен момент часу може здійснювати передачу кадрів тільки між однією парою портів, а комутатор одночасно підтримує потоки даних між усіма своїми портами. Іншими словами, міст передає кадри послідовно, а комутатор паралельно.

Комутатор надає наступні можливості:

послати пакет з даними з одного комп'ютера на кінцевий комп'ютер:

збільшити швидкість передачі даних.

Маршрутизатори (router)

Маршрутизатор за принципом роботи нагадує комутатор, проте має більший набір функціональних можливостей. Він вивчає не лише МАС, але і IР-адреса обох комп'ютерів, що беруть участь в передачі даних. Транспортуючи інформацію між різними сегментами мережі, маршрутизатори аналізують заголовок пакету і намагаються вичислити оптимальний шлях переміщення цього пакета. Маршрутизатор здатний визначити шлях до довільного сегменту мережі, використовуючи інформацію з таблиці маршрутів, що дозволяє створювати загальне підключення до Інтернету або глобальної мережі.

Маршрутизатори дозволяють зробити доставку пакету найбільш швидким шляхом, що дозволяє підвищити пропускну спроможність великих мереж. Якщо який-небудь сегмент мережі переобтяжений, потік даних піде по іншому шляху.

комп'ютер мережа топологія архітектура

Мистецтво плетіння мережевої павутини

Порядок розташування і підключення комп'ютерів і інших елементів в мережі називають мережевою топологією. Топологію можна порівняти з картою мережі, на якій відображені робочі станції, сервери і інше мережеве устаткування. Вибрана топологія впливає на загальні можливості мережі, протоколи і мережеве устаткування, які застосовуватимуться, а також на можливість подальшого розширення мережі.

Фізична топологія -- це опис того, яким чином будуть сполучені фізичні елементи мережі.

Логічна топологія визначає маршрути проходження пакетів даних усередині мережі.

Виділяють п'ять видів топології мережі :

загальна шина;

зірка;

кільце;

комірчаста;

змішана (гібридна).

Загальна шина (Bus)

В цьому випадку усі комп'ютери підключаються до одного кабелю, який називається шиною даних. При цьому пакет прийматиметься усіма комп'ютерами, котрі підключені до цього сегменту мережі.

Швидкодія мережі багато в чому визначається числом підключених до обший шині комп'ютерів. Чим більше таких комп'ютерів, тим повільніше працює мережа. Крім того, подібна топологія може стати причиною різноманітних колізій, які виникають, коли декілька комп'ютерів одночасно намагаються передати інформацію в мережу. Вірогідність появи колізії зростає зі збільшенням кількості підключених до шини комп'ютерів. Схема цієї топології зображена на рис.1.

Рис. 1. Мережа з топологією «загальна шина»

На рисунку також зображені термінатори. Такі пристрої встановлюються на кінцях мережі і обмежують поширення сигналу, замикаючи сегмент мережі. Якщо десь станеться обрив кабелю або хоч би на одному кінці мережі не буде встановлений термінатор, сигнал почне відбиватися від місця обриву і відповідного кінця мережі, що приведе до порушення зв'язку.

Переваги використання мереж з топологією «загальна шина» наступні:

значна економія кабелю;

простота створення і управління.

Основні недоліки:

вірогідність появи колізій при збільшенні числа комп'ютерів в мережі;

обрив кабелю приведе до відключення безлічі комп'ютерів;

низький рівень захисту переданої інформації. Будь-який комп'ютер може отримати дані, які передаються по мережі.

Зірка (Star)

При використанні зіркоподібної топології кожен кабельний сегмент, ідучи від будь-якого комп'ютера мережі, підключатиметься до центрального комутатору або концентратора. Усі пакети транспортуватимуться від одного комп'ютера до іншого через цей пристрій. Допускається використання як активних, так і пасивних концентраторів. У разі розриву з'єднання між комп'ютером і концентратором інша мережа продовжує працювати. Якщо ж концентратор вийде з ладу, то мережа працювати перестане. За допомогою зіркоподібної структури можна підключати один до одного навіть локальні мережі. Мережа з такою топологією зображена на рис. 2.

Рис. 2. Мережа з топологією «зірка»

Використання цієї топології зручне при пошуку пошкоджених елементів : кабелю, мережевих адаптерів або роз'ємів. «Зірка» набагато зручніше за «загальну шину» і у разі додавання нових пристроїв. Слід врахувати п те, що мережі із швидкістю передачі 100 і 1000 Мбіт/с побудовані по топології «зірка».

Якщо в самому центрі «зірки» розташувати концентратор, то логічна топологія зміниться на «загальну шину*.

Переваги «зірки» :

простота створення і управління;

високий рівень надійності мережі;

висока захищеність інформації, яка передається усередині мережі (якщо в центрі зірки розташований комутатор).

Основний недолік -- поломка концентратора призводить до припинення роботи усієї мережі.

Кільцева топологія (Ring)

У разі використання кільцевої топології усі комп'ютери мережі підключаються до єдиного кільцевого кабелю. Пакети проходять по кільцю в одному напрямку через усі мережеві плати підключених до мережі комп'ютерів. Кожен комп'ютер посилюватиме сигнал і відправлятиме його далі по кільцю. Мережа з такою топологією зображена на рис. 6.3.

Рис. 3. Мережа з топологією «кільце»

У представленій топології передача пакетів по кільцю організована маркерним методом. Маркер є певною послідовністю двійкових розрядів, що містять керівники дані. Якщо мережевий пристрій має маркер, то у нього з'являється право на відправку інформації в мережу. Усередині кільця може передаватися всього один маркер.

Комп'ютер, який збирається транспортувати дані, забирає маркер з мережі і відправляє запрошену інформацію по кільцю. Кожного наступний компь-ютер передаватиме дані дальші, поки цей пакет не дійде до адресата. Пос-ле отримання адресат поверне підтвердження про отримання компьютеру-отправите-лю, а останній створить новий маркер і поверне його в мережу.

Переваги цієї топології наступні:

ефективніше, ніж у випадку із загальною шиною, обслуговуються великі об'єми даних;

кожен комп'ютер є повторювачем: він посилює сигнал перед відправленням наступній машині, що дозволяє значно збільшити розмір мережі;

можливість задати різні пріоритети доступу до мережі; при цьому комп'ютер, що має більший пріоритет, зможе довше затримувати маркер і передати більше інформації.

Недоліки:

обрив мережевого кабелю призводить до непрацездатності усієї мережі;

довільний комп'ютер може отримати дані, які передаються по мережі.

Комірчаста топологія (Mesh-сітка)

Ця топологія має на увазі підключення кожного комп'ютера через окремий кабель до усіх інших комп'ютерів, що знаходяться в мережі. Застосування цього методу дозволяє використати додаткові шляхи транспортування даних. У разі обриву якого-небудь кабелю потік даних піде по іншому шляху, а мережа зможе нормально функціонувати далі. Така топологія характерна для глобальних мереж і об'єднання декількох видалених мереж із застосуванням оптоволоконних, виділених або супутникових каналів зв'язку. Для локальних мереж ця топологія не використовується, оскільки вимагає присутності одночасно декількох мережевих інтерфейсів на одній машині і великих об'ємів кабелю. Схема цієї топології зображена на рис. 4.

Мал. 4. Мережа з комірчастою топологією

Переваги комірчастої топології :

ефективна робота з великими потоками даних :

високий рівень стабільності мережі із-за використання додаткових каналів зв'язки;

високий рівень безпеки; потік інформації йде від комп'ютера-відправника до одержувача безпосередньо, що теоретично виключає перехоплення даних.

Недоліки:

потреба в наявності декількох мережевих інтерфейсів на комп'ютерах, що входять в мережу;

велика вартість організації мережі.

Змішана топологія (Нybrid topology)

Змішана топологія сполучає в собі дві або більше за топологію, утворюючи тим самим завершену мережеву структуру. На даний момент така мережа являється самою поширеною; найчастіше об'єднують зіркоподібну і шинну топології. При використанні топології «зірка-шина» декілька мереж, що мають зірково-подібну топологію, підключені до однієї шини



Рис. 5. Мережа з топологією «зірка-шина»

У цій топології збій на одному з комп'ютерів абсолютно не відіб'ється на роботі мережі в цілому. Якщо ж станеться помилка центрального компонента (концентратора), до якого підключаються комп'ютери «зірки», то усі вони не зможуть більше підтримувати зв'язок.

У топології «зірка-кільце» комп'ютери підключаються до центрального компоненту, як в зіркоподібній мережі. При цьому самі компоненти об'єднані мережею з кільцевою топологією

Рис. 6. Мережа з топологією «зірка-кільце»

Точно так, як і у попередньому випадку, збій одного з комп'ютерів мережі не відіб'ється на її роботі. Враховуючи використання методики передачі вільного маркера, усі комп'ютери мережі мають рівні можливості по передачі інформації, що призводить до збільшення потоку даних усередині мережі.

Модель мережевої взаємодії

Що таке рівні взаємодії

При описі практично будь-якої взаємодії можна виділяти різні рівні. Наприклад, уявіть собі, що двом людям, що проживають в різних населених пунктах, необхідно обмінюватися якою-небудь інформацією, і вони використовують для цього традиційний спосіб посилки листів. Вже у взаємодії такого роду можна виділити декілька рівнів (рис. 7):

рівень користувачів, що обмінюються листами, і що використовують для цієї мети поштову службу;

рівень поштової служби, що здійснює пересилку кореспонденції між поштовими відділеннями населених пунктів і послуги транспортної мережі, що використовує для роботи;

рівень транспортної мережі, що забезпечує доставку вантажів по шляхах сполучення між населеними пунктами;

рівень шляхів сполучення, що забезпечує можливість фізичної доставки вантажів між населеними пунктами.

У разі, якщо не існує прямих шляхів сполучення між населеними пунктами, до цієї схеми між рівнями поштової служби і транспортної мережі додається ще один рівень - рівень відділень по перевезенню пошти, що забезпечують правильне перевантаження поштових відправлень на транспортних вузлах, а також вибір альтернативних шляхів пересилки у разі виходу з ладу транспортних ліній.



Рис. 7. Приклад рівневої взаємодії

Розділення процесу взаємодії на рівні дозволяє функціонально ізолювати різні засоби, що беруть участь в цьому процесі за принципом, - "кожен займається своєю справою". Це дозволяє забезпечити достатню гнучкість при розширенні функціональності цих засобів. Так, наприклад, виділення рівня транспортній мережі, дозволяє при необхідності забезпечити транспортування між населеними пунктами не лише поштових вантажів, але і пасажирів, не вимагаючи для цього перебудови шляхів сполучення. Виділення поштової служби забезпечує можливість пересилки не лише листів, але і посилок, перекладів і тому подібне, використовуючи стандартні засоби транспортної мережі і опосередковано - існуючі шляхи сполучення.

Взаємодія в комп'ютерних мережах також можна описувати за допомогою рівнів. Нині для цих цілей широко використовується так звана модель взаємодії відкритих систем (Open Systems Interconnection, OSI).

Модель мережевої взаємодії

У 1984 році Міжнародною Організацією по Стандартизації (International Standard Organization, ISO) була розроблена модель OSI. Модель є міжнародним стандартом для проектування мережевих комунікацій і припускає рівневий підхід до побудови мереж. Кожен рівень пов'язаний з якимсь конкретним аспектом взаємодії мережевого устаткування і обслуговує різні етапи процесу взаємодії. За допомогою ділення на рівні мережева модель OSI спрощує спільну роботу устаткування і програмного забезпечення. Модель OSI розділяє мережеві функції на сім рівнів: прикладний, рівень представлення, сеансів, транспортний, мережевий, канальний і фізичний (рис. 8).

Рис. 8. Рівні моделі OSI

Ця модель має два підтипи:

горизонтальна модель, яка заснована на протоколах, механізм спільної роботи додатків і процесів, що забезпечують, на різних комп'ютерах;

вертикальна модель, заснована на послугах, які сусідні рівні забезпечують один одному в межах одного комп'ютера.

У разі використання горизонтальної моделі двом застосуванням знадобиться один загальний протокол для обміну інформацією. Якщо ж використовується вертикальна модель, то сусідні рівні обмінюватимуться інформацією, використовуючи інтерфейси API.

Рівень 1: фізичний (Physical layer)

Фізичний рівень визначає спосіб фізичного з'єднання комп'ютерів в мережі. Функціями засобів, що відносяться до цього рівня, є побітове перетворення цифрових даних в сигнали, що передаються по фізичному середовищу (наприклад, по кабелю: коаксіальний кабель, вита пара, оптоволоконний кабель або цифровий територіальний канал), а також власне передача електричних сигналів.

На цьому етапі визначаються параметри фізичного середовища передачі інформації (смуга пропускання, захист від перешкод, хвилевий опір), а також властивості електричних сигналів, які передають цифрові дані (крутизна фронтів імпульсів, рівні напруг або струму сигналу, який передається, тип кодування, швидкість транспортування сигналів). Крім того, на цьому рівні позначаються і стандартизуються типи роз'ємів і призначення усіх контактів.

Пристрої, що належать до фізичного рівня, отримують пакети даних від обладнання більш високого канального рівня, після чого перетворюють їх на оптичні або електричні сигнали, які відповідають 0 і 1 бінарного потоку. Дані сигнали вирушають через середовище передачі на вузол прийому. Електричні і оптичні характеристики середовища передачі стандартизовані на фізичному рівні і включають:

розводку контактів в роз'ємах;

тип використовуваних кабелів і роз'ємів;

схему кодування сигналів для значень 0 і 1.

Найбільш поширені наступні специфікації фізичного рівня:

TIA/EIA-RS-232-C (Telecommunications Industry Association (TIA) - асоціація телекомунікаційної промисловості), CCITT V.24/V.28 - механічні, електричні параметри і характеристики незбалансованого послідовного інтерфейсу;

TIA/EIA-RS-422/449, CCITT V. 10 - механічні, електричні і оптичні параметри і характеристики збалансованого послідовного інтерфейсу;

IEEE 802.3 - Ethernet;

IEEE 802.5 - Token Ring (кільцева мережа з маркерним доступом).

Рівень 2: канальний (Data Link layer)

Канальний рівень відповідає за організацію передачі даних між абонентами через фізичний рівень, тому на цьому рівні передбачені засоби адресації, що дозволяють однозначно ідентифікувати відправника і одержувача серед безлічі абонентів, підключених до загально лінії зв'язку. У функції цього рівня також входить впорядковування передачі з метою паралельного використання однієї лінії зв'язку декількома парами абонентів. Крім того, засоби канального рівня забезпечують перевірку помилок, які можуть виникати при передачі даних фізичним рівнем.

Одним з головних завдань канального рівня є перевірка досяжності середи транспортування й виконання і забезпечення роботи механізму з виявлення і виправлення помилок.

Для проведення цієї операції на канальному рівні біти упорядковуються в наборах, які називаються кадрами (frames).

Канальний рівень обробляє запити мережевого рівня і використовує сервіс фізичного рівня, щоб приймати і передавати пакети даних. Канальний рівень реалізовує створення, передачу і прийом кадрів даних. Він також забезпечує правильність транспортування кожного кадру, розташовуючи контрольний набір бітів на початку і кінці кожного кадру для його відділення, визначає контрольну суму кадрів, використовуючи спеціальний алгоритм, і додає її до кадру.

По специфікації IEEE 802.x канальний рівень розділяється на два підрівня: контроль і управління логічним каналом (LLC) і управління доступом до середовища (MAC). Підрівень LLC реалізовує обслуговування мережевого рівня, а підрівень MAC контролює доступ до фізичного середовища, що розділяється.

Протоколи, які найчастіше використовуються на канальному рівні, включають:

HDLC для послідовних з'єднань;

IEEE 802.2 LLC (тип I і тип II) забезпечують MAC для середовищ 802.x;

Ethernet;

Token ring:

FDDI;

X.25;

frame relay.

Рівень 3: мережевий (Network layer)

Мережевий рівень забезпечує доставку даних між комп'ютерами мережі, що є об'єднанням різних фізичних мереж. Цей рівень припускає наявність засобів логічної адресації, що дозволяють однозначно ідентифікувати комп'ютер в об'єднаній мережі. Однією з головних функцій, що виконуються засобами цього рівня, є цілеспрямована передача даних конкретному одержувачеві.

Цей рівень реалізує маршрутизацію пакетів на основі трансформації МАС-адрес мережевих карт в мережеві адреси. Мережевий рівень також займається передачею пакетів на вищестоящий рівень у фоновому режимі.

Ось декілька протоколів, працюючих на мережевому рівні :

IP -- протокол Інтернету;

IPX -- протокол міжмережевого обміну;

Х. 25;

CLNP -- мережевий протокол без організації з'єднань.

Рівень 4: транспортний (Transport layer)

Транспортний рівень реалізує передачу даних між двома програмами, що функціонують на різних комп'ютерах, забезпечуючи при цьому відсутність втрат і дублювання інформації, які можуть виникати в результаті помилок передачі нижніх рівнів. Забезпечує передачу інформації з тим рівнем надійності, яка потрібна верхнім рівням моделі OSI. Транспортний рівень розбиває потоки даних на невеликі пакети для подальшого транспортування на мережевий рівень. У разі, якщо дані, що передаються через транспортний рівень, піддаються фрагментації, то засоби цього рівня гарантують зборку фрагментів в правильному порядку.

Модель OSI робить стандартизацію п'яти класів сервісу, які представляють транспортний рівень. Відмінність цих видів сервісів полягає в якості послуг: можливість відновлення зв'язку у разі обриву, швидкість, присутність утиліт для мультиплексування декількох з'єднань між різними прикладними протоколами через один транспортний протокол, а головне -- спроможності до знаходження і виправлення спотворенні, втрат і повторення відправки пакетів.

Як правило, на транспортному рівні використовуються наступні протоколи:

TCP (Transmission Control Protocol) -- протокол управління передачею;

NCP (Netware Core Protocol) -- протокол ядра Netware;

SPX (Sequenced Packet eXchange) -- впорядкований обмін пакетами;

TP4 (Transmission Protocol 4) -- протокол передачі класу 4.

Рівень 5: сеансів (Session layer)

Сеансів (сеансовий) рівень дозволяє двом програмам підтримувати тривалу взаємодію по мережі, що називається сесією(session) або сеансом, тобто відповідає за управління з'єднанням. Цей рівень управляє встановленням сеансу, обміном інформацією і завершенням сеансу. Він також відповідає за ідентифікацію, дозволяючи тим самим тільки певним абонентам брати участь в сеансі, і забезпечує роботу служб безпеки з метою впорядковування доступу до інформації сесії.

Він займається моніторингом передачі, визначає, яка із сторін є активною на цей момент, і забезпечує синхронізацію. Між тим, не так багато додатків використовують цей рівень, тому він досить рідко виконується у вигляді окремих протоколів. Функції цього рівня нерідко використовуються разом з функція-мі прикладного рівня і реалізовуються в одному протоколі. Протоколи сеансового рівня, як правило, є складовою функцій трьох попередніх рівнів моделі.

Рівень 6: представлення (Presentation layer)

Рівень представлення здійснює проміжне перетворення даних вихідного повідомлення в загальний формат, який передбачений засобами нижніх рівнів, а також зворотне перетворення даних, що входять, із загального формату у формат, зрозумілий одержуваній програмі, тобто, призначений для обміну інформацією між програмами на різних комп'ютерах. Цей рівень відповідає за трансформацію даних прикладного рівня в потік інформації для транспортного рівня..

Рівень 7: прикладний (Application layer)

Прикладний рівень (Application layer) відповідає за мережеву взаємодію додатків, тобто надає високорівневі функції мережевої взаємодії, такі, як передача файлів, відправка повідомлень по електронній пошті.

За допомогою можливостей цього рівня протоколи прикладних рівнів різних машин в мережі можуть обійти відмінності в уявленні інформації або ж невідповідності в кодах символів. На цьому ж рівні може відбуватися шифрування переданої інформації, забезпечуючи безпечне транспортування даних через мережу для усіх додатків одночасно.

Основні принципи рівневої взаємодії

При рівневій організації процесу взаємодії повинні дотримуватися наступні вимоги (рис. 9):

компоненти одного рівня однієї системи можуть взаємодіяти з компонентами тільки того ж рівня іншої системи;

у рамках однієї системи компоненти якого-небудь рівня можуть взаємодіяти тільки з компонентами суміжних (вищерозміщеного і такого, що пролягає нижче) рівнів.

Рис. 9. Порядок рівневої взаємодії

Набор правив, що визначають порядок взаємодії засобів, що відносяться до одного і тому ж рівня і функціонують в різних системах, називається протоколом (див. с. 2). Правила взаємодії між собою засобів, що відносяться до суміжних рівнів і функціонують в одній системі, називаються інтерфейсом (interface).

Практична реалізація рівневої взаємодії

На практиці протоколи і інтерфейси регламентують технічні вимоги, що пред'являються до програмних і апаратних засобів. Програмні (апаратні) модулі, призначені для забезпечення практичної взаємодії, визначеним тим або іншим протоколом (чи інтерфейсом), зазвичай називають реалізацією протоколу (чи інтерфейсу).

Хоча різні компоненти, що відносяться до різних рівнів мережевої моделі формально мають бути функціонально незалежними один від одного, при практичній розробці протоколів така незалежність не завжди витримується. Це пояснюється тим, що спроба досягнути точної відповідності еталонної моделі може привести до неефективності роботи програмно-апаратного забезпечення, що реалізовує протокол. Нині спостерігається два типи відхилень, що виникають при реалізації рівневої взаємодії :

функції деяких рівнів можуть об'єднуватися одним протоколом і навпаки, - функції одного рівня можуть ділитися між різними протоколами;

функціонування протоколу якого-небудь рівня мають на увазі використання тільки певних протоколів рівня, що пролягає нижче.

Тому розробка практичних методів мережевої взаємодії, як правило, виділяє не розробку окремих протоколів, а цілих наборів протоколів. Такі набори зазвичай включають протоколи, що відносяться до декількох суміжних рівнів еталонної моделі OSI, і називаються стеками (чи сімействами, наборами) протоколів(protocol stack, protocol suite). Найбільш відомим стеком протоколів, що забезпечує взаємодію в мережі Інтернет, є стек протоколів TCP/IP (Transmission control protocol/Internet protocol -- протокол управління передачею/Інтернет протокол)

Оскільки при реалізації протоколів допускаються відхилення від еталонної моделі, стеки протоколів можуть припускати власну схему ділення на рівні. Зокрема, стек протоколів TCP/IP розділяє увесь процес мережевої взаємодії на чотири рівні. На запропонованому нижче малюнку показана відповідність рівнів моделі OSI і рівнів стека TCP/IP (рис. 10).

Рівні моделі OSI	Рівні стека TCP/IP
прикладний представлення сеансів	рівень додатка
транспортний	транспортний рівень
мережевий	міжмережевий рівень
канальний фізичний	рівень мережевого інтерфейсу

Рис. 10. Відповідність рівнів моделі OSI і рівнів стека TCP/IP

Размещено на Allbest.ru