Министерство образования Российской Федерации
Томский политехнический университет
П.Ф.Коробко
СЕТИ ЭВМ
И СРЕДСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
Учебное пособие
Томск 2002 г.
УДК 681.326(075)
П.Ф.Коробко. Сети ЭВМ и средства телекоммуникций. Учеб. пособие. Том. политех. ун-т,– Томск, 2002. – 170 с.
В пособии изложены основные вопросы дисциплины «Сети ЭВМ и средства телекоммуникаций». Пособие подготовлено на кафедре «Вычислительная техники» и соответствует программе дисциплин, предназначенной для студентов Института дистанционного образования.
Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета.
Рецензенты:
В.Г.Спицин – доктор технических наук, профессор кафедры вычислительной техники Томского политехнического университета;
Л.С.Прищепа - доцент кафедры “Комплексная информационная безопасность электронных вычислительных систем” Томского университета систем управления и радиоэлектроники.
Темплан 2002
(С) Томский политехнический университет, 2002
1 ОБЩИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
1.1 Распределенные системы обработки данных
К распределенным системам обработки данных относят вычислительные системы, функции которых состоят в выполнении требуемых актов обработки данных: ввода, хранения, преобразования и вывода. Примерами таких вычислительных систем являются системы для решения научных, инженерно-технических, планово-экономических задач, а также в качестве автоматизированных систем управления предприятиями, технологического оборудования и техническими объектами.
Поскольку основным признаком распределенных вычислительных систем является наличие нескольких центров обработки данных, то к ним относят многомашинные вычислительные комплексы, мультипроцессорные вычислительные системы и вычислительные сети.
Многомашинный вычислительный комплекс - это несколько связанных между собой компьютеров (каждый из которых работает под управлением собственной операционной системы), а также программные и аппаратные средства связи компьютеров, которые обеспечивают работу всех компьютеров комплекса как единого целого.
Мультипроцессорные системы – это компьютеры, в которых имеется несколько процессоров, каждый из которых может относительно независимо от остальных выполнять свою программу. В мультипроцессоре существует общая для всех процессоров операционная система, которая оперативно распределяет вычислительную нагрузку между процессорами. Взаимодействие между отдельными процессорами организуется через оперативную паять.
Вычислительные сети – это совокупность связанных между собой нескольких компьютеров, разнесенных в пространстве. Связь между компьютерами осуществляется с помощью специальных периферийных устройств – сетевых адаптеров, соединенных относительно протяженными каналами связи. Взаимодействие между компьютерами сети происходит за счет передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер обычно запрашивает доступ к ресурсам другого компьютера. Такими ресурсами могут быть как данные, хранящиеся на диске, так и разнообразные периферийные устройства – принтеры, модемы и др. Разделение локальных ресурсов каждого компьютера между пользователями сети – основная цель создания вычислительной сети.
1.2 Принцип работы глобальной вычислительной сети
Из общей теории систем понятие системы трактуется как совокупность связанных между собой элементов в единое целое для достижения определенной цели. Здесь под целью понимается совокупность результатов, определяемых назначением системы.
Система, состоящая из одной или нескольких ЭВМ и набора программ, обеспечивающих выполнение возложенных на систему функций, называется вычислительной системой (ВС). Состав ВС можно представить в виде совокупности аппаратной и программной частей (рис.1).
Рис.1
В состав оборудования может входить одна или несколько ЭВМ, которые выполняют функцию ввода, хранения, преобразования и вывода информации. Прикладные программы представляют алгоритмы выполнения функций, реализация которых возлагается на систему, т.е. задают порядок преобразования исходных данных в совокупность результатов, для производства которых предназначена ВС. Управляющие программы обеспечивают необходимый порядок взаимодействия прикладных программ между собой и с оборудованием ВС.
Система нескольких ЭВМ, объединенных между собой каналами связи, разнесенных в пространстве и выполняющих функцию приема/передачи информации, называется вычислительной сетью.
Обобщенная структурная схема вычислительной сети представлена на рис. 2.
Вычислительную сеть можно представить в виде двух взаимосвязанных подсетей: сети передачи данных (СПД) и сети ЭВМ.
СПД - совокупность технических средств для передачи данных между ЭВМ, которые состоят из линий связи и узлов связи (У). Узел связи - совокупность средств коммутации и передачи данных в одном пункте. Узел связи принимает данные, поступающие по каналам связи, и передает данные в каналы ведущие к абонентам. Узел связи реализуется на основе коммутационной ЭВМ и аппаратуры передачи данных. Коммутационная ЭВМ управляет приемом и передачей данных и , в частности, выбирает целесообразный путь передачи данных (в другой терминологии - маршрутизатор или коммутатор). СПД можно считать ядром вычислительной сети, обеспечивающим физическое объединение ЭВМ и других устройств.
СПД
Рис.2
Сеть ЭВМ - совокупность ЭВМ, объединенных сетью передачи данных. Сеть ЭВМ включает в себя главные и терминальные ЭВМ. Главная ЭВМ (ГВМ) выполняет задания абонентов сети (пользователей) и содержит основные программные ресурсы. Терминальные ЭВМ - пользовательские персональные ЭВМ (ПЭВМ), а также интеллектуальные терминалы, включающие монитор со встроенным процессором, обеспечивающим локальную обработку данных - редактирование текстов, отображение данных, хранение небольшого объема данных и др. Под терминальными ЭВМ понимаются устройства ввода графической информации, речи, изображения и устройства вывода аналогичной информации.
1.3 Прием/передача информации в вычислительной сети
Наиболее популярно принцип приема/передача информации можно объяснить на примере работы почты. Любой человек, отправляя письмо из одного города в другой, вначале на чистом листе (твердом носителе информации) пишет текст сообщения, а затем лист вкладывает в конверт, имеющий стандартные размеры, и заклеивает его. На лицевой стороне записывает в строго отведенных местах и в заданной последовательности адрес пункта назначения абонента, которому предназначено письмо, и адрес отправителя. Здесь же указывается индекс почтового отделения получателя и указывается срочность (приоритет) доставки письма, т.е. доставка АВИА, заказное с увидомлением, простое или с доплатой. Подготовленное письмо (пакет сообщения) опускается в почтовый ящик, после чего процесс дотавки сообщения возлагается на административную службу ПОЧТЫ. Службы почты выполняют строго заданные функции на каждом этапе доставки сообщения до адресата. Так на первом этапе письма из почтовых ящиков доставляются в почтовые отделения, где затем происходит сортировка их по направлениям (географическое местоположение). Сформированные блоки писем транспортируются (авиацией, железной дорогой или другим транспортом) до почтовых отделений абонентов, которые указаны на конверте. Далее, в приемных почтовых пунктах письма сортируются по адресам и доставляются почтальонами абонентам. Алгоритм работы почтовой службы, ее структура и функции полностью положены в основу любой вычислительной сети. Отличие заключается в терминологии и в форме представления информации. Действительно, узел связи - почтовое отделение, сеть передачи данных - транспортные линии, по которым осуществляется доставка сообщений.
Контроль состояния вычислительной сети и управление ее функционированием обеспечивается административной системой, включающей в себя ЭВМ (сервер), терминальное оборудование и программные средства, с помощью которых производится включение и выключение сети и ее компонентов, контролируется работоспособность сети, устанавливается режим функционирования компонентов, систем и сети в целом, учитывая объем услуг, предоставляемых абонентам сетью, и т.д.
1.4 Эффект сетевой обработки данных
Основной эффект от объединения ЭВМ в вычислительную сеть - это полная доступность ресурсов сети для пользователей. Пользователи, подключенные к сети, имеют доступ ко всем главным ЭВМ, входящим в сеть. Пользователям доступно программное обеспечение, имеющееся в сети, и базы данных, размещенные в ЭВМ сети, что позволяет оперативно использовать программы и базы данных. Информационные связи между пользователями позволяют решать задачи моделирования сложных систем, выполнять проектные работы, опирающиеся на распределенные между многими ЭВМ программное обеспечение и базы данных. Вычислительные сети позволяют повысить уровень ЭВМ, программного обеспечения и баз данных. Во-первых, вычислительная сеть обслуживает большое количество пользователей-профессионалов, обращающихся к базам данных типа Autocad, PCAD, LabViJ…, и непрофессионалов, обращающихся к гуманитарным базам данных (экономика, политика, общение, маркетинг, реклама, творчество и т.д.). Во-вторых, с точки зрения загрузки оборудования вычислительной сети, создаваемой всеми пользователями сети, значительно снижается стоимость обработки данных, по сравнению с одним пользователем, имеющим полный комплект оборудования.
1.5 Характеристики вычислительной сети
Основные характеристики вычислительной сети - операционные возможности, время доставки сообщений, производительность и стоимость обработки данных.
Операционные возможности сети - перечень основных действий по обработке данных. Главные ЭВМ (серверы), входящие в состав сети, обеспечивают пользователей всеми традиционными видами обслуживания: средствами автоматизации программирования, доступом к пакетам прикладных программ, доступом к базам данных и т.д. Дополнительно вычислительная сеть предоставляет следующие виды услуг:
-
удаленный ввод заданий - выполнение заданий, поступающих с любых терминалов, на любой рабочей станции (сервере) в пакетном или диалоговом режиме; -
передачу файлов между абонентами сети; -
доступ к удаленным файлам - обработку файлов, хранимых в удаленных ЭВМ; -
защиту данных и ресурсов от несанкционированного доступа; -
передачу текстовых, речевых и видео сообщений между абонентами; -
выдачу справок об информационных и программных ресурсах; -
распределенную обработку - параллельное выполнение задачи несколькими ЭВМ.
Время доставки сообщений определяется как статистическое среднее времени от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения адресатом.
Цена обработки данных формируется с учетом стоимости средств, используемых для ввода/вывода, передачи, хранения и обработки данных. На основе цен рассчитывается стоимость обработки данных, которая зависит от объема используемых ресурсов вычислительной сети (количества передаваемых данных, процессорное время), а также режима передачи и обработки данных.
2 ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ
В общем случае под локальной вычислительной сетью (ЛВС) понимают такую сеть, в которой все оборудование узлов сети (рабочие станции и периферийные устройства), объединяемое физическими линиями, размещается в пределах небольшой территории, ограниченной одним или несколькими помещениями, на расстоянии не более чем 1 - 2 км друг от друга. Такая сеть является более специализированной по классу решаемых задач (банковская, государственного учреждения), однако часто требует обмена и протокольной совместимости с другими локальными или глобальными (корпоративными) сетями.
В ЛВС наиболее эффективное средство связи между системами, объединяемыми в сеть, - последовательный интерфейс. В последовательных интерфейсах в качестве передающей среды используются коаксиальные кабели, витые пары, волоконно-оптические кабели, которые обеспечивают высокую пропускную способность до 100 Мбит/сек и более. При использовании таких каналов связи строятся различные конфигурации вычислительных сетей (топологии ЛВС). Наиболее распространенные конфигурации - звездная, кольцевая, шинная и деревовидная.
2.1 ТОПОЛОГИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
2.1.1 Топология типа «звезда»
Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация между двумя рабочими станциями проходит через центральный узел сети (см. рис.3).
С
ети с такой топологией строятся, как правило, на базе метода коммутации каналов. В этом случае перед началом передачи информации абонент-инициатор передачи (вызывающий узел) запрашивает у центрального узла установление физического или логического соединения с абонентом-партнером (вызываемом узлом). После установления соединения соответствующий физический или логический путь монопольно используется абонентами-партнерами для обмена информацией. По окончании обмена один из абонентов запрашивает у центрального узла разъединения.
Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии
При расширении вычислительной сети подобной топологии к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.
Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от производительности центрального файлового сервера, а пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) в процессе передачи данных не возникает.
Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими станциями.
Однако при данной топологии он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.
В настоящее время файловым серверам уделяется особое внимание с точки зрения надежности его работы, а так как для данной топологии характерна простота управления обменом информации и механизмом против несанкционированного доступа, топология типа «звезда» находит широкое распространение при проектировании ЛВС.
2.1.2 Кольцевая топология
При кольцевой топологии сеть не имеет явно выраженного центрального узла (сервера), а рабочие станции связаны одна с другой по кругу ( см. рис. 4 ). Сообщения в подобной топологии циркулируют по кругу в строго заданном направлении. Рабочая станция посылает сообщение заданному адресату, предварительно получив из кольца запрос (маркер). Пересылка сообщений в подобной топологии является эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять "в дорогу" по каналу связи одно за другим.
Каждая рабочая станция может выполнять функции сервера, а банки данных могут быть распределены между станциями.
Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко. Подключение новой рабочей станции требует выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто.
Рис. 3
Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов ( англ. Hub - концентратор).
В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы ("хабы"). Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.
Рис. 4
2.1.3 Шинная топология
В сетях с шинной топологией все рабочие станции подключаются к одному каналу связи (коммуникационному пути) с помощью премопередатчиков ( см. рис. 5 ).
Рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети, и могут быть подключены или отключены без нарушения функционирования всей вычислительной сети. Канал оканчивается с двух сторон пассивными терминаторами, которые поглощают передаваемые сигналы, поскольку по своей природе передача в такой сети является широковещательной (длинные линии – из курса теоретические основы электротехники).
Каждая рабочая станция подключается к шине непосредственно к соединителям кабельных секций (тройниковые соединители) либо с помощью специальной врезки, которая просто прокалывает коаксиальный кабель до контакта с центральным проводником.
Рис. 5
Поскольку один общий канал связи (шина) разделяется между всеми абонентами сети, такие сети называются также моноканальными.
Пропускная способность и задержка в шинных сетях определяется большим числом параметров: методом доступа, полосой пропускания канала связи, числом узлов связи, длиной сообщений и др.
В данной топологии банки данных, также как и в сетях с кольцевой топологией, могут распределяться между рабочими станциями (станции ресурсов).
2.1.4 Деревовидная топология
В локальной сети такого типа используется комбинация ранее рассмотренных типов топологий: “кольцо-звезда” либо “шина-звезда”. Сеть типа “кольцо-звезда” представлена на рис. 6.
Сервера подключены к шине сети через контроллер, а к каждому серверу подсоединены звездно рабочие станции. Сети такого типа применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.
Сети такой топологии обладают преимуществом каждой в отдельности типом сети («кольцо» и «звезда»). И дополнительно удобны при административном управлении сетью.
Недостаток такого типа в том, что выход из строя участка канала связи сети парализует работу группы абонентов этого участка.
Сравнительные характеристики различных топологий локальных сетей представлены в табл. 1.
Рис. 6
Таблица 1
Характеристики |
Топология | |||
|
Звезда |
Кольцо |
шина |
дерево | |
|
Сложность интерфейса |
малая |
малая |
малая/ средняя
|
средняя |
|
Наращиваемость |
малая |
средняя |
высокая |
высокая |
|
Надежность |
средне/ высокая
|
высокая |
высокая |
высокая |
|
Стоимость подключения |
высокая |
средняя |
низкая |
низкая |
|
Работа в реальном времени |
очень хорошая
|
хорошая |
плохая |
средняя |
|
Разводка кабеля |
хорошая |
удовлетворительная |
хорошая |
хорошая |
3 МНОГОУРОВНЕВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРИЕМ/ПЕРЕДАЧЕЙ ИНФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
Любая организация локальной вычислительной сети должна удовлетворять следующим основным требованиям:
-
открытости, т.е. возможности включения дополнительных серверов, рабочих станций, узлов и линий связи без изменения технических и программных средств сети; -
гибкости - сохранения работоспособности при изменении структуры в результате выхода из строя рабочих станций, линий и узлов связи, доступность изменения типов ЭВМ и линий связи, а также возможность работы любых серверов с рабочими станциями различных типов; -
эффективности - обеспечения требуемого качества обслуживания абонентов при минимальных затратах.
Указанные требования реализуются за счет модульного принципа организации управления в сети по многоуровневой схеме, в основе которой лежат понятия процесса, уровня управления, интерфейса и протокола.
Процесс - это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки даннах.
Прикладной процесс - выполнение прикладной программы или обрабатывающей программы операционной системы ЭВМ, а также рабочей станции, работающей в сети.
Системный процесс - выполнение программы (алгоритма), реализующей вспомогательную функцию, связанную с обеспечением прикладных процессов (организация связи между абонентами, печать в сетевом режиме и др.)
Необходимо отметить, что в вычислительной сети все процессы сводятся к обмену сообщениями, которые передаются по каналам, создаваемыми средствами сети.
Промежуток времени , в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом (см. сеансовый протокол).
3.1 Уровни управления вычислительной сетью
Рассматривая вычислительную сеть как совокупность систем (рабочих станций), связанных между собой некоторой передающей средой (проводной связью, волоконно-оптической или радиосвязью), обеспечивающей обмен сообщений между рабочими станциями, она должна управляться по определенному международному стандарту.
Все работы по стандартизации связи между рабочими станциями (ЭВМ) базируются на рекомендациях таких организаций, как:
- Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии - МККТТ;
- Европейская ассоциация производителей ЭВМ - ЕАПЭ (ЕСМА);
- Институт инженеров электроники и радиоэлектроники США - ИИЭР (IEEE).
Для обеспечения открытости, гибкости и эффективности сети управление процессами организуется по многоуровневой схеме, приведенной на рис. 7.
-
7
7
7
Прикладной
6
6
6
Представления
5
5
5
Сеансовый
4
4
4
Транспортный
3
3
3
Сетевой
2
2
2
Канальный
1
1
1
Физический
-
Передающая среда
Рис. 7
В рамках семиуровневой модели управления для каждого уровня определены стандарты протокола (аппаратные и программные средства), реализующие заданные для данного уровня функции обработки и передачи данных. Взаимодействие прикладных процессов между уровнями управления удобно рассматривать, начиная с нижнего.
Уровень 1 - физический - реализует управление каналом связи (передающая среда), что сводится к подключению и отключению канала связи и формированию сигналов, представляющих передаваемые данные, а также определяет электрические и механические характеристики ЛВС (локальной вычислительной сети). Спецификации этого уровня содержат следующие данные:
-
особенности схемы приема/передачи сигналов; -
техника модуляции и кодирования/декодирования; -
частоты передачи и напряжения сигналов; -
характеристики механического присоединения; -
характеристики среды (канала) передачи данных.
Уровень 2 - канальный - организует службу доставки пакетов сообщений от одной рабочей станции до другой. Здесь реализуются следующие служебные функции:
-
кадровая синхронизация, т.е. определение начальных и конечных точек пакета сообщения; -
адресация, т.е. определение того, какой узел должен принять сообщение; -
обнаружение ошибок, т.е. определение ошибочных битов в сообщении; -
контроль подключения приемопередатчиков к физическому каналу; -
реализация метода доступа к каналу связи в соответствии с требуемыми спецификациями.
Уровень 3 - сетевой - определяет маршруты следования информации от узла одной сети к узлу другой сети (при обменах ЛВС - глобальная сеть - ЛВС).
Уровень 4 - транспортный - реализует независимую и надежную передачу сообщений переменной длины, дублировать их или передавать в непоследовательном порядке (см. транспортный протокол). Кроме того, здесь должна выполняться служба сегментации ( разбиение сообщений на пакеты) и служба сборки пакетов в сообщения.
Уровень 5 - сеансовый - организует сеансы связи на период взаимодействия процессов передачи данных в заданный момент времени и обеспечивается синхронизация диалога между рабочими станциями. Сеансовые соединения устанавливаются по запросу одного из абонентов сети и разъединяются либо по запросу абонента, либо по заранее установленному времени.
Уровень 6 - представления - осуществляет преобразование информации из одного формата в другой, что включает упаковку и распаковку данных, изменение набора символов, интерпретацию графических команд в шифровку данных.
Уровень 7 - прикладной - управляет подпрограммами сетевых директив, что включает идентификацию абонентов, выбор режима обслуживания и установки связи ( администрирование в сети).
Число уровней и распределение функций между ними существенно влияет на сложность сетевой операционной системы и эффективность сети. Семиуровневая система управления является основой разработки вычислительных сетей и определяет ее архитектуру. При разработке специализированных сетей (управление общественным транспортом, водоснабжением, торговлей и т.п.) формальной процедуры выбора числа уровней не существует и определяется уровнем квалификации разработчика.
3.2 Структура сообщения
Многоуровневая организация управления процессами прием/передачи информации в сети порождает необходимость строить сообщения таким образом, чтобы формат и содержание его соответствовало последовательности уровней, на которых выполняются соответствующие функции. Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится информация, необходимая для обработки сообщения на соответствующем уровне: указатели типа сообщения, адреса отправителя, получателя, канала, порта и т.д. Данная процедура аналогична процессам работы почтовой службы. Информация в виде письменного сообщения, отраженная на бумаге, помещается в конверт, на котором указывается адрес получателя письма (код города, почтового отделения), адрес отправителя, приоритет доставки сообщения (спецпочта, авиа, простое). Отличие состоит в форме представления информации - традиционный текстовый вид либо код в двоичном представлении. Пример структуры сообщения для сети приведен на рис. 8.
|
Код начала сообщения |
Адрес получателя |
Адрес источника |
Команды управления в сети |
Данные
|
Контольная сумма
|
Код конца сообщения |
Рис. 8
3.3 Интерфейсы и протоколы сети
3.3.1 Интерфейсы
Для реализации функций управления передачей данных используются технические и программные средства. Как правило, уровни 1-й и 2-й реализуются в основном техническими средствами: на уровне 1 используются электронные схемы, а на уровне 2 - программируемые контроллеры или микропроцессоры. На уровнях 3 - 7 используются программные средства, образующие сетевую операционную систему вычислительной сети. Взаимодействие между уровнями одной системы производится на основе соглашения - интерфейса, определяющего структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями. Уровни управления 1 и 2 связываются между собой и с уровнем 3 посредством схемных интерфейсов - интерфейсных шин. Порядок взаимодействия между уровнями управления 3 - 7 определяется программными интерфейсами - совокупностью процедур
F1(U1), …., FN (UN),
где F1,…., FN - наименования процедур, реализуемых J-м уровнем управления, и U1,…, UN - множество формальных параметров соответствующих процедур.
3.3.2 Протоколы
Гибкость организации и простота реализации сетей достигается за счет того, что обмен сообщениями допускается только между процессами одного уровня (процесс - это динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки данных).
Процедура взаимодействия процессов на основе обмена сообщениями называется протоколом. Для процессов каждого уровня используется свой протокол.
Протоколы имеют следующие особенности, отличающие их от интерфейсов:
-
параллелизм взаимодействующих процессов; -
взаимную неопределенность состояния процессов, связанную с отсутствием у каждого из них полной информации о состоянии другого процесса; -
отсутствие однозначной зависимости между событиями и действиями, выполняемыми при их наступлении; -
отсутствие полной гарантии доставки сообщений.
При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики. Логическая характеристика протокола - структура (формат) и содержание (семантика) сообщений. Логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называются процедурной характеристикой протокола. Процедурная характеристика протокола может представляться в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.
Таким образом, логика организации вычислительной сети в наибольшей степени определяется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки - реакцию на входящие сообщения и генерацию собственных сообщений.
Число уровней управления и типы используемых протоколов определяют архитектуру вычислительной сети.
3.4 Организация доставки сообщений в сети
Сеть передачи данных см. рис. 2 обеспечивает связь между абонентами путем установления соединений, проходящих через узлы и линии связи. Производительность сети во многом зависит от производительности узлов связи и пропускной способности линий связи, а также от способа организации каналов связи между абонентами и способа передачи данных по каналам.
3.4.1 Коммутация каналов, сообщений и пакетов
Установление связи между абонентами может обеспечиваться тремя способами: коммутацией каналов, сообщений и пакетов.
Коммутация каналов обеспечивает выделение физического канала для прямой передачи данных между абонентами. Процесс коммутации канала и передачи данных изображен на рис. 9.
Абонент аi передает сообщение абоненту аj через узлы сети передачи данных A,B,C,D, соединяясь по так называемой процедуре "проключения" канала, т.е. последовательного соединения через определенные промежутки времени каждого узла друг с другом до тех пор, пока не соединится с абонентом aj. Процедура соединения представлена временной диаграммой на рис. 9. Коммутация каналов подобна процедуре соединения абонентов по междугородней телефонной сети. Так, абонент аi с индивидуального телефона набирает вначале код междугороднего телефона 08 (адрес узла А), затем через некоторое время (занят - не занят) набирает код города, к примеру, 095 (узел B), выходит на междугороднюю станцию ( г. Москвы), а затем через номер АТС (к примеру, 927 - узел С) выходит на номер телефона абонента аj (к примеру, 927-43-47). Абонент aj поднимает трубку телефона (факс, модем либо сам абонент) и предупреждает абонента об установлении связи ("алло"). С этого момента начинается передача информации от абонента ai к абоненту aj.
Коммутация сообщений производится путем передачи сообщения, содержащего заголовок и данные, по маршруту, определяемому узлами сети. Процедура передачи аналогична процедуре пересылке письма по почте. В заголовке сообщения указывается адрес абонента aj - получателя сообщения (на конверте письма - адрес получателя). Сообщение, генерируемое отправителем - абонентом ai (на конверте - адрес отправителя) принимается узлом А (почтовый ящик) и хранится в памяти узла (почта из ящика изымается 3 раза в сутки). Узел А обрабатывает заголовок сообщения и определяет маршрут передачи сообщения, ведущий к узлу В (изъятое сообщение из почтового ящика обрабатывается в почтовом отделении, где по адресу (код города) определяется маршрут, ведущий к узлу В, в зависимости от приоритета, т.е. марки на конверте (Авиа или Ж.Д.). Узел В (самолет или почтовый вагон) принимает сообщение, размещая его в памяти (багажном отделении), а по окончании приема обрабатывает заголовок и выводит сообщение из памяти в линию связи (отправка по маршруту самолетом или поездом, к примеру Томск - Москва, ведущему к следующему узлу. Процесс приема, обработки и передачи сообщения повторяется последовательно всеми узлами на маршруте от абонента ai до абонента aj.
Коммутация пакетов производится путем разбивки сообщения на пакеты, каждый из которых имеет один и тот же заголовок и строго заданный объем данных (посылку, отправляемую по почте, разбиваем на бандероли либо письмо на телеграммы) рис.9. Передача данных при коммутации пакетов происходит так же, как и при коммутации сообщений, но данные разделяются на последовательность пакетов ограниченной длины (например, по 1024 бит).
ai
aj
В вычислительных сетях коммутация пакетов - основной способ передачи данных. Это обусловлено тем, что коммутация пакетов приводит к малым задержкам при передаче данных через сеть передачи данных (СПД), а также следующими обстоятельствами.
Во-первых, способ коммутации каналов требует, чтобы все соединительные линии, из которых формируется канал, имели одинаковую пропускную способность, что крайне ужесточает требования к структуре СПД. Коммутация сообщений и пакетов позволяет передавать данные по линиям связи с любой пропускной способностью.
Во-вторых, представление данных пакетами создает наилучшие условия для мультиплексирования потоков данных - разделения времени работы канала для одновременной передачи нескольких потоков данных.
На рис. 10 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая принцип мультиплексирования потоков данных.
-
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
a1
-
2.1
2.2
a2
-
3.1
a3
-
1.1
2.1
2.2
1.2
1.3
3.1
1.4
1.5
Рис. 10
На первых трех осях изображены потоки данных (пакетов), генерируемых абонентами а1, а2, а3. Двойная нумерация пакетов на рисунке означает номер абонента и номер пакета в потоке. Канал используется для обслуживания трех абонентов путем разделения во времени, т.е. поочередного представления канала абонентам. Благодаря этому эффективно используются линии связи, соединяющие узлы связи и ЭВМ с СПД, и одна линия связи обеспечивает одновременную работу многих взаимодействующих абонентов. Эффективность коммутации пакетов несколько снижается из-за размножения заголовков, сопровождающих каждый пакет, но эти потери окупаются за счет эффекта мультиплексирования сильно пульсирующих потоков данных, характерных для вычислительных сетей.
В-третьих, малая длина пакетов позволяет выделять для промежуточного хранения передаваемых данных меньшую емкость памяти, чем требуется для сообщений. Кроме того, использование пакетов упрощает задачу управления потоками данных, поскольку для приема потока пакетов в узлах связи нужно резервировать меньшую память, чем для приема потоков сообщений.
В-четвертых, надежность передачи данных по линиям связи невелика (особенно по Российским телефонным линиям). Типичная линия связи обеспечивает передачу данных с вероятностью искажений 10-4 - 10-6 ошибок на бит. Чем больше длина передаваемого сообщения, тем больше вероятность того, что оно будет искажено помехами. Пакеты, имея незначительную длину, в большей степени гарантированы от искажений, чем сообщения. К тому же искажение исключается путем перезапроса данных (метод квитирования). В современных модемах используется адаптируемый (приспосабливающийся) принцип анализа помехозащищенности. При увеличении уровня помех длина пакета сокращается с 1024 бит до 34 или
16 бит/сек.
3.4.2 Дейтаграммные и виртуальные каналы
В СПД с коммутацией пакетов используются два способа передачи данных между абонентами: дейтаграммный и виртуальный канал.
Дейтаграммный способ - передача данных как отдельных, не связанных между собой пакетов. При этом пакеты, поступая в СПД, передаются ею как независимые объекты, в результате чего каждый пакет может следовать любым возможным маршрутом и совокупность пакетов поступает к получателю в любом порядке, т.е. пакет, отправленный первым, может прибыть в пункт последним. При дейтаграммном способе не гарантируется ни очередность поступления пакетов получателю, ни надежность доставки пакетов. Передача дейтаграммным способом напоминает работу почты, когда информация пересылается как совокупность почтовых отправлений, например пачками писем.
Виртуальный канал - передача данных в виде последовательностей связанных в цепочки пакетов (аналогия - железнодорожный состав). Основное свойство виртуального канала - сохранение порядка поступления пакетов. Это означает, что отсутствие одного пакета в пункте назначения исключает возможность поступления всех последующих пакетов. Организация виртуального канала между двумя рабочими станциями равносильна выделению им дуплексного канала, по которому данные передаются в их естественной последовательности.
Дейтаграммный способ позволяет передавать данные без предварительных процедур установления соединений. Виртуальный канал организуется с помощью специальных процедур установления соединения, аналогичных по цели набору номера телефона абонента. При этом в системе телефонной связи коммутируется соединение между абонентами, которое по окончании разговора распадается на составные части, в дальнейшем используемые для установления других соединений. Таким же образом создается виртуальный канал, который после организации используется для передачи данных между абонентами, обеспечивая связь в двух направлениях. По окончании сеанса связи канал ликвидируется и используемые им ресурсы возвращаются для установления новых виртуальных соединений.
Передача данных через виртуальный канал обходится дороже, чем дейтаграммным способом. Однако большое число пользователей вычислительных сетей считают необходимым сохранение последовательности пакетов для упрощения прикладных программ. Поэтому виртуальные каналы рассматриваются как эффективное средство при распределенной обработке данных и способ передачи данных на основе виртуального канала реализуется в подавляющем большинстве вычислительных сетей.
Дейтаграммный способ позволяет эффективно реализовать "электронную почту".
4. ПРОТОКОЛЫ УПРАВЛЕНИЯ КАНАЛАМИ И СЕТЬЮ ПЕРЕДАЧИДАННЫХ
В рамках архитектуры открытых систем, рекомендованной Международной организацией по стандартизации (МОС), средства для взаимодействия пользователя со средствами передачи данных определяются рекомендациями Х25, разработанной консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ).
Схема организации управления передачей данных в СПД изображена на рис. 11.
На ней представлены две ЭВМ, сопряжение которых с остальными системами обеспечиваются средствами уровней 1 - 3, и два узла связи, в которых выделены средства управления передачей данных по сети. Управление каналами реализуется, как правило, техническими средствами уровня 1. Сопряжение с техническими средствами определяется интерфейсом Х21. Взаимодействие уровней управления 2 и 3 с одноименными уровнями управления других систем обеспечивается протоколами HDLC и Х25 соответственно.
|
ЭВМ |
Интерфейс Х25 |
ЭВМ | ||||
4
|
УС УС
|
4
| ||||
     
3
|
Х25 |
3
|
Х25 |
3
|
Х25 |
3
|
 
2
|
HDLC |
2 2 |
HDLC |
2 2 |
HDLC |
2
|
Х21
|
Х21
|
|
Х21Х21
|
|
Х21
|
Х21
|
|
1
|
|
1 |
1 |
|
1 |
1 |
|
1
|
Рис. 11 Управление передачей данных
-
Физический уровень
Физический уровень обеспечивает перенос потока двоичных сигналов {Xi}, в виде которых представляются передаваемые данные, через физическую среду, соединяющие компьютеры сети. В качестве физической среды, как правило, используются проводные каналы связи (телефонный кабель, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель) и радиоканалы.
При передаче данных в аналоговой форме по тем же каналам связи последовательность бит {Xi} на входе канала преобразуется в устройствах модуляции/демодуляции (модемах) в аналоговые сигналы Si(t), параметры которых согласованы с параметрами физической среды (физического канала). Принимаемые на выходе аналогового канала сигналы преобразуются в последовательность бит {Yi}, которая может отличаться от передаваемой последовательности из-за взаимодействия помех {Pi}. Модемы в совокупности с физическим каналом образуют дискретный канал связи
(рис. 12).
В случае использования цифровых каналов связи преобразование последовательностей бит в аналоговые сигналы не производится. При этом вместо модемов используют линейные контроллеры, обеспечивающие сопряжение компьютера с физическим каналом.
Понятие физического уровня, его назначение и выполняемые функции определены в рекомендации МККТТ Х.200 и стандарте ISO 7498. В соответствии с ними физический уровень выполняет сервисные функции для канального уровня. Его назначением является обеспечение механических, электрических, функциональных и процедурных средств для установления, поддержания и разъединения физических соединений с целью передачи последовательности бит между объектами канального уровня. Физический уровень также определяет особенности схем приема/передачи сигналов (оптический, электрический или радиосигнал), частоты и уровни напряжения сигналов, технику модуляции, виды кодирования и декодирования сигналов.
Помеха Y(t)
модем
следующая страница>