Компьютерные сети

·         датаграмм, т.е. когда часть сообщения или пакет независимо доставляется адресату по различным маршрутам, определяемым сложившейся динамикой в сети. При этом каждый пакет включает в себя полный заголовок с адресом получателя. Процедуры управления передачей таких пакетов по сети называются датаграммной службой;

·         виртуальных соединений, когда установление маршрута передачи всего сообщения  от отправителя до получателя осуществляется с помощью специального служебного пакета - запроса на соединение. В  таком случае для этого пакета выбирается маршрут и при положительном  ответе получателя на соединение закрепляется для всего последующего трафика  и получает номер соответствующего виртуального канала для дальнейшего использования его другими пакетами того же сообщения. Пакеты, которые передаются по одному виртуальному каналу, не являются независимыми и поэтому содержат сокращенный заголовок, включающий порядковый номер пакета, принадлежащий одному сообщению.

Транспортный  уровень обеспечивает связывание нижних уровней (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами. Этот уровень как бы разделяет средства формирования данных в сети от средств их передачи. Здесь осуществляется разделение информации по определенной длине и уточняется адрес назначения. Транспортный уровень позволяет мультиплексировать передаваемые сообщения или соединения. Мультиплексирование сообщений позволяет передавать сообщения одновременно по нескольким линиям связи, а мультиплексирование соединений передает в одной посылке несколько сообщений для различных соединений.

На сеансовом уровне осуществляется управление сеансами связи между двумя взаимодействующими пользователями (определяется начало и окончание сеанса связи: нормальное или аварийное; время, длительность и режим сеанса связи; определяются точки синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных; восстанавливается соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных).

На представительском уровне осуществляются управление представлением данных в необходимой для программы пользователя форме, генерация и интерпретация взаимодействия процессов, кодирование данных, в том числе компрессия и декомпрессия данных. На рабочих станциях могут использоваться различные операционные системы, каждая из которых может иметь свою файловую систему, свои форматы хранения и обработки данных. Задачей данного уровня является преобразование данных при передаче информации в формат, который используется в информационной системе. При приеме данных уровень их представления выполняет обратное преобразование. Таким образом, появляется возможность организовать обмен данными между станциями, на которых используются различные операционные системы. Компрессия или упаковка данных сокращает время их передачи. Кодирование передаваемой информации обеспечивает ее защиту от перехвата.

Прикладной уровень управляет прикладными сетевыми программами, обслуживающими файлы, а также выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации, передачу почтовых сообщений. Главная задача этого уровня - обеспечить удобный интерфейс для пользователя.

Основная идея этой модели заключается в том, что каждому  уровню отводится конкретная роль, в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая  задача передачи данных разделяется  на отдельные легко обозримые  задачи.

Необходимые соглашения для  связи одного уровня свыше и ниже расположенными - называют протоколом.

Так как пользователи нуждаются  в эффективном управлении, система  вычислительной сети представляется как  комплексное строение, которое координирует взаимодействие задач пользователей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Протокол и  его назначение.

При передаче файлов требуется, чтобы оба компьютера, связывающиеся  друг с другом, договорились об общем  протоколе. Протоколом называется набор правил и описаний, которые регулируют передачу информации.

Для борьбы с ошибками, возникающими при передаче файлов, в большинстве  современных протоколов имеются  средства исправления ошибок. Конкретные методы в каждом протоколе свои, но принципиальная схема исправления  ошибок одна и та же. Она заключается  в том, что передаваемый файл разбивается  на небольшие блоки - пакеты, а затем  каждый принятый пакет сравнивается с посланным, чтобы удостовериться в их адекватности. Каждый пакет содержит дополнительный контрольный байт. Если принимающий компьютер после некоторых логических действий получит иное значение этого байта, он сделает вывод, что при пересылке пакета произошла ошибка, и запросит повторение передачи этого пакета. Несмотря на то, что такая процедура уменьшает объем полезной информации, передаваемой в единицу времени, проверка на наличие ошибок и их исправление обеспечивают надежность передачи файла.

Наиболее совершенным  и распространенным протоколом из всех доступных на сегодняшний день является TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Он обеспечивает сетевое взаимодействие компьютеров, работающих под управлением сетевой операционной системы, и возможность подключения к ним различных сетевых устройств. Все современные операционные системы поддерживают протокол TCP/IP, и почти все крупные сети используют его для обеспечения большей части своего трафика. Также протокол TCP/IP является стандартным для Интернета.

 

 

 

 

 

 

 

Методы передачи данных в компьютерных сетях

При обмене данными между  узлами сети используются три метода передачи данных:

· симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио);

· полудуплексная (прием и передача информации осуществляются поочередно);

· дуплексная (двунаправленная), каждая станция одновременно передает и принимает данные.

Для передачи данных в сетях наиболее часто применяется последовательная передача. Широко используются следующие  методы последовательной передачи: асинхронная  и синхронная.

 

Рис. 2. Асинхронная и синхронная передача данных

При асинхронной передаче каждый символ передается отдельной  посылкой (рис. 2). Стартовые биты предупреждают  приемник о начале передачи. Затем  передается символ. Для определения  достоверности передачи используется бит четности (бит четности = 1, если количество единиц в символе нечетно, и 0 в противном случае. Последний  бит «стоп-бит» сигнализирует об окончании передачи.

Преимущества: несложная отработанная система; недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование.

Недостатки асинхронной передачи: третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов (старт/стоповых и бита четности); невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибке с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.

Асинхронная передача используется в системах, где обмен данными  происходит время от времени и  не требуется высокая скорость передачи данных. Некоторые системы используют бит четности как символьный бит, а контроль информации выполняется  на уровне протоколов обмена данными.

При использовании синхронного  метода данные передаются блоками. Для  синхронизации работы приемника  и передатчика в начале блока  передаются биты синхронизации. Затем  передаются данные, код обнаружения  ошибки и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные могут  передаваться и как символы, и  как поток битов. В качестве кода обнаружения ошибки обычно используется циклический избыточный код обнаружения  ошибок (CRC). Он вычисляется по содержимому  поля данных и позволяет однозначно определить достоверность приятой  информации.

Преимущества синхронного метода передачи информации: высокая эффективность передачи данных; высокие скорости передачи данных; надежный встроенный механизм обнаружения ошибок. Недостатки: интерфейсное оборудование более сложное и соответственно более дорогое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сетевые устройства и средства коммуникаций

Среда передачи данных. Когда данные готовятся к пересылке по сети, они преобразуются в электрический сигнал. Эти сигналы генерируются в виде электромагнитных волн (аналоговый сигнал) или в виде пульсаций напряжения (цифровой сигнал). Для пересылки с одного компьютера на другой сигнал должен быть физически передан из одного места в другое. Физический путь, по которому передается сигнал, и определяется существующей средой передачи. Сигнал поступает в среду передачи с компьютера-передатчика, передается по среде передачи и затем принимается компьютером-приемником. В настоящее время существуют два типа среды передачи: кабельная и беспроводная.

Кабельные среды  передачи данных

Кабельные среды передачи данных обеспечивают передачу сигнала  по строго определенному пути. Наиболее широко используемые в настоящее  время кабельные среды передачи данных представлены кабелями следующих  типов: витая пара, коаксиальный кабель и оптический кабель.

Витая пара. Этот кабель состоит из двух или более медных проводников, защищенных пластиковой изоляцией и свитых между собой (рис. 7). Свитые проводники снаружи защищаются еще одним слоем изоляции. Свивание проводников уменьшает искажение полезного сигнала, связанное с передачей электрического тока по проводнику. С точки зрения физики процесс такого искажения называется интерференцией сигналов.

В настоящее время существует несколько вариаций кабелей типа «витая пара»: экранированная витая пара и неэкранированная витая пара. При производстве экранированной витой пары, свитые между собой проводники снаружи, окружаются дополнительной металлической оболочкой - экраном. Эта дополнительная оболочка обеспечивает защиту полезного сигнала, передающегося по витой паре от внешних электромагнитных помех. Неэкранированная витая пара не имеет дополнительного внешнего металлического экрана. Для соединения кабелей на основе неэкранированной витой пары используются разъемы RJ-45. Внешне они очень похожи на разъемы, используемые для подключения телефонного кабеля.

 

Рис. 7. Разъем для соединения кабелей: а - витая пара; б - коаксиальный кабель: 1 - центральный провод; 2 - изолятор; 3 - экран;4 - внешний изолятор и защитная оболочка.

 

Беспроводные  среды передачи данных

В беспроводных средах передачи сигналы могут передаваться с  использованием различного рода излучений, например, радиоволны, микроволновое  излучение, инфракрасное излучение  и т.п. В сети полезный сигнал всегда передается в виде волн с использованием той или иной среды передачи. Например, при использовании кабельных  сред передачи сигнал передается в  форме электромагнитных волн определенной частоты. В случае использования  оптического кабеля сигнал передается в виде световых волн (это те же электромагнитные волны, но только гораздо большей  частоты). При передаче сигналов с  использованием атмосферы используются электромагнитные волны, передающиеся на частоте радиоволн, СВЧ - или инфракрасного  излучения.

Устройства  передачи данных

Устройства передачи данных подключаются к среде передачи, формируют  сигнал в среде при его передаче отправляющим компьютером и принимают  его из среды передачи на принимающей  стороне. Все устройства приема/передачи характеризуются по типу используемой среды передачи и отличаются скоростью  передачи данных и выполняемыми ими  дополнительными функциями. Примерами  таких устройств могут служить: сетевые карты, повторители, концентраторы, коммутаторы, радиоприемники/передатчики, приемники/передатчики инфракрасного  излучения и т.п.

Сетевые карты (Network Adapters). Сетевая карта - это устройство, устанавливаемое в компьютер и предоставляющее ему возможность взаимодействия с сетью. В настоящее время выпускается большое количество разнообразных сетевых карт. Наиболее часто встречающиеся карты имеют вид печатной платы, устанавливаемой в разъем расширения материнской платы компьютера. Многие производители сейчас встраивают сетевые карты прямо в материнские платы.

В настоящее время производителями  выпускается огромное количество сетевых  карт различных типов, позволяющих  использовать любые из существующих сред передачи: витая пара, коаксиальный или оптический кабель, радиоволны или инфракрасное излучение.

Для соединения сетевой карты  и среды передачи данных применяются  разъемы, зависящие от используемой среды передачи данных. Например, для  тонкого коаксиального кабеля используются разъемы BNC, для витой пары пятой  категории - разъемы RJ-45.

Повторители (Repeaters). Повторители используются для увеличения расстояния, на которое может передаваться сигнал в используемой среде передачи данных. Реальность физических процессов такова, что передающийся в той или иной среде полезный сигнал при прохождении от передатчика к приемнику, постепенно затухает. Это затухание сигнала происходит из-за возникающих в процессе передачи помех (сопротивление среды передачи, интерференция сигналов от разных источников и т.п.). Для того чтобы гарантировать успешное прохождение сигнала при больших расстояниях между передатчиком и приемником, необходимо использование повторителей. Повторитель подключается к среде передачи между передатчиком и приемником, играя роль посредника при передаче сигнала. Полезный сигнал, отправленный передатчиком, движется по среде передачи, постепенно затухая. Достигнув повторителя, сигнал усиливается повторителем до прежнего уровня и отправляется дальше по среде передачи. Таким образом, с применением повторителей можно обеспечить прохождение сигнала на расстояния в несколько раз большие, чем при использовании только передатчика и приемника, подключенных к среде передачи.

В настоящее время в  сетях достаточно редко используются повторители, сделанные в виде отдельных  устройств. Как правило, функции  усиления сигнала реализуются во всех более сложных устройствах  сети.

Концентраторы и  коммутаторы (Concentrators and Switches). Концентраторы (Hub) и коммутаторы (Switch) предоставляют возможность физического соединения в единую среду передачи всех кабелей, используемых для подключения сетевых карт компьютеров. Отличие между этими двумя устройствами заключается в том, что во время передачи пакета данных концентраторы отправляют их сразу на все компьютеры, что значительно уменьшает пропускную способность канала. Коммутатор (свич) имеет встроенную память, в которой хранится информация о том, к какому порту подключен какой компьютер. Поэтому во время передачи пакета он отправляется на определенный порт. Кроме того, Switch позволяет использовать в сети контроллеры с разной скоростью передачи, при этом общая пропускная способность не будет опускаться до уровня контроллера с минимальной скоростью.