Технология сетевого взаимодействия.

Компьютерные сети.

Компьютерная сеть – это совокупность двух или более компьютеров, соединенных с помощью каналов связи в единую систему с целью обмена информацией и совместного использования информационных и аппаратных ресурсов.

Международная организация по стандартизации (ISO) определяет компьютерную сеть как последовательную бит-ориентированную передачу информации между связанными друг с другом независимыми устройствами.

Компьютерные сети предназначены для:

· непосредственного общения пользователей (передачи текстовых, графических, аудио- и видеоданных);

· обеспечения совместного доступа к сетевым аппаратным ресурсам (принтерам, модемам, внешним устройствам хранения информации и т. д.);

· обеспечения совместного использования программных средств;

· обеспечения совместного использования данных;

Компьютерные сети классифицируются по различным признакам:

1. По территориальному признаку(географическим масштабам)

1.1 Локальные вычислительные сети (ЛВС) или LocalAreaNetwork (LAN) – сети, расположенные в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Чаще всего размещаются в рамках какой либо организации, корпорации или учреждения.

1.2 Распределенные компьютерные сети или WideAreaNetwork (WAN) – сети, расположенные в разных зданиях, городах и странах. Выделяют 4 типа таких сетей:

1.2.1 Кампусныесети или Campus Area Network (CAN)

1.2.2 Городскиесети Metropolitan Area Network (MAN)

1.2.3 Региональные Regional Areal Network (RAN)

1.2.4 Глобальные Global Area Network (GAN)

2. По ведомственной принадлежности

2.1. Государственные сети (используются в гос.Структурах)

2.2. Ведомственные сети, т.е. сети закрытого типа, доступ к которым разрешен только ограниченному кругу пользователей.

2.3. Частные сети (создаются частными лицами)

3. По скорости передачи информации:

3.1. Низкоскоростные (до 10 Мбит/с)

3.2. Среднескоростные (до 100 Мбит/с)

3.3. Высокоскоростные (выше 100 Мбит/с)

Обратите внимание на то, что единица скорости передачи сигнала измеряется числом дискретных переходов или событий в 1 секунду.

4. По типу среды передачи:

4.1 проводные

4.2 беспроводные

Компьютерные сети строятся при помощи основных элементов. Состав же этих элементов зависит от архитектуры сети. От выбора сетевой архитектуры так же зависят скоростные характеристики сети и ее надежность.

Архитектура – это концепция, определяются взаимосвязь, структуру и функции взаимодействия объектов в сети.

В основном выделяют три архитектуры:

v Архитектура«терминал-главный компьютер». Вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров высокой мощности (серверы, мейнфреймы). Прибегая к данной архитектуре, предполагается использование двух типов элементов:

1. Главный компьютер – осуществляет управление сетью, обеспечивает хранение и обработку данных.

2. Терминалы – предназначены для передачи главному компьютеру запросов или команд на организацию сеансов и выполнение определенных, четко поставленных задач.

Главный компьютер и терминалы взаимодействуют между собой через модули передачи данных (МПД).

v Одноранговая архитектура – концепция компьютерной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. От сюда следуют, что все системы в этой архитектуре равноправны. Чаще всего такая архитектура реализуется в локальных компьютерных сетях.

Одноранговые сети являются наиболее легким и дешевым типом сетей для установки. При соединении компьютеров, пользователи могут предоставлять ресурсы и информацию в совместное пользование, конечно если сама система и защита данных в ней будут настроены соответствующим образом.

v Архитектура «клиент-сервер» – концепция компьютерной сети, предполагающая наличие специально выделенного сервера, содержащего основные ресурсы сети и контролирующего доступ к ним клиентов. Как можно догадаться из определения, рассматриваемая архитектура определяет два типа элементов: серверы и клиенты.

Сервер – элемент сети, который под управлением специальной операционной системы предоставляет собственные ресурсы другим объектам сети (клиентам) исходя из их запросов.

Клиенты – элементы сети, использующие ресурсы сервера и предоставляющие интерфейс пользователю.

Сервер обсуживает клиентов, выполняя их задания. После выполнения каждого задания сервер возвращает полученные результаты клиенту.

Стоит отметить, что использование какой-то одной архитектуры не исключает использование другой. При необходимости, пользователь может создать целые иерархии, используя приведенный выше набор архитектур.

Архитектура компьютерной сети полностью или частично определяет ее топологию. Сетевая топология – это описание конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств. Топология может быть:

1. Физическая – описывает реальное расположение и связи между узлами сети,

2. Логическая – описывает хождение сигнала в рамках физической топологии.

Существует 4 базовых топологии:

1) Шина

2) Кольцо

3) Звезда

4) Ячеистая топология

Шина. В этой топологии все компьютеры сети подключены к одному кабелю, который и называется шиной.

В сети с топологией шина данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети, но принимает их только тот компьютер, адрес которого совпадает с адресом получателя. Адрес получателя передается вместе с данными. В каждый момент времени передачу может вести только один компьютер, поэтому производительность такой сети зависит от количества компьютеров в ней. Чем больше компьютеров в сети, тем она медленнее.

Шина – это пассивная топология, т.е. компьютеры только слушают передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому выход одного или нескольких компьютеров из строя в такой сети никак не сказывается на работе сети.

Достоинства топологии “шина”:

• простота настройки;
• относительная простота монтажа и дешевизна, если все рабочие станции расположены рядом;
• выход из строя одной или нескольких рабочих станций никак не отражается на работе всей сети.

Недостатки топологии “шина”:

• неполадки шины в любом месте (обрыв кабеля, выход из строя сетевого коннектора) приводят к неработоспособности сети;
• сложность поиска неисправностей;
• низкая производительность – в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть, с увеличением числа рабочих станций производительность сети падает;
• плохая масштабируемость – для добавления новых рабочих станций необходимо заменять участки существующей шины.

Кольцо. В сетях с топологией "кольцо" компьютеры связаны один с другим, при этом первый компьютер связан с последним. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер.

Каждый компьютер распознает и получает только ту информацию, которая ему адресована.

В отличие от пассивной технологии "шина", в сетях с топологией "кольцо" каждый компьютер выступает в роли повторителя, т.е. компьютеры не только слушают, но и передают данные в сети от отправителя к получателю. Каждый компьютер усиливает данные и передает их следующему компьютеру, пока эти данные не окажутся в том компьютере, чей адрес совпадает с адресом получателя. Получив данные, принимающий компьютер посылает исходному сообщение, в котором подтверждает факт приема. Выход из строя хотя бы одного компьютера приводит к неработоспособности сети.

Достоинства кольцевой топологии:

• простота установки;
• практически полное отсутствие дополнительного оборудования;
• возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети.

Однако “кольцо” имеет и существенные недостатки:

• каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации; в случае выхода из строя хотя бы одной из них или обрыва кабеля – работа всей сети останавливается;
• подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, поскольку во время установки нового ПК кольцо должно быть разомкнуто;
• сложность конфигурирования и настройки;
• сложность поиска неисправностей.

Звезда. Топология "звезда" отличается тем, что все компьютеры подключаются к одному центральному (серверу). Для этого в центре сети содержится узел коммутации (коммутирующее устройство), к которому отдельным кабелем подключаются все компьютеры сети. Такой узел называется концентратором (hub).

Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем другим компьютерам.

Основное преимущество топологии "звезда" – высокая надежность. Выход из строя одного или нескольких компьютеров не приводит к потере работоспособности остальной части сети. Обрыв кабеля в одном месте приводит к отключению от сети только одного компьютера. Только неисправность концентратора приводит к полной потере работоспособности сети. Недостатком этой топологии является необходимость в дополнительном расходе кабеля и установке концентратора.

Достоинства такой топологии:

• выход из строя одной рабочей станции или повреждение ее кабеля не отражается на работе всей сети в целом;
• отличная масштабируемость: для подключения новой рабочей станции достаточно проложить от коммутатора отдельный кабель;
• легкий поиск и устранение неисправностей и обрывов в сети;
• высокая производительность;
• простота настройки и администрирования;

Однако, как и любая топология, “звезда” не лишена недостатков:

• выход из строя центрального коммутатора обернется неработоспособностью всей сети;
• дополнительные затраты на сетевое оборудование - коммутатор;
• число рабочих станций ограничено количеством портов в центральном коммутаторе.

Ячеистая топология. В некоторых случаях используется ячеистая топология. В данной топологии каждый компьютер соединен с каждым другим компьютером отдельным кабелем.

Сеть с ячеистой топологией обладает высокой избыточностью и надежностью. Данные от одного компьютера к другому могут передаваться по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не отражается на работоспособности сети. Главный недостаток сетей с ячеистой топологией – большой расход кабеля.

Кроме базовых топологий используют также другие схемы соединений компьютеров в сети, например ячеистую топологию, иерархическое соединение, а также комбинации базовых топологий, например звезда-шина или звезда-кольцо.

Технология сетевого взаимодействия.

Для единого представления данных в сетях с неоднородными устройствами и программным обеспечением международная организация по стандартам ISO (InternationalStandardizationOrganization) разработала базовую модель связи открытых систем OSI (OpenSystemInterconnection). Эта модель описывает правила и процедуры передачи данных в различных сетевых средах между различными устройствами.

Основными элементами модели являются уровни – набор структур и программ, обеспечивающих обработку информационного потока на определенном этапе его передачи. Уровни не зависят друг от друга, и при этом каждый уровень модели OSI выполняет определенную задачу в процессе передачи данных по сети.

На рис. представлена структура базовой модели.

Базовая модель является основой для разработки сетевых протоколов. OSI разделяет коммуникационные функции в сети на семь уровней, каждый из которых обслуживает различные части процесса области взаимодействия открытых систем.

Инкапсуляция – процесс прохождения данных по схеме сверху вниз.

Декапсуляция – обратный процесс.

Каждый уровень компьютера-отправителя взаимодействует с таким же уровнем компьютера-получателя, как будто он связан напрямую. Такая связь называется логической или виртуальной связью. В действительности взаимодействие осуществляется между смежными уровнями одного компьютера.

Итак, информация на компьютере-отправителе должна пройти через все уровни. Затем она передается по физической среде до компьютера-получателя и опять проходит сквозь все слои, пока не доходит до того же уровня, с которого она была послана на компьютере-отправителе.

Перед отправлением в сеть данные разбиваются на пакеты. Пакет (packet) – это единица информации, передаваемая между станциями сети.

При отправке данных пакет проходит последовательно через все уровни программного обеспечения. На каждом уровне к пакету добавляется управляющая информация данного уровня (заголовок), которая необходима для успешной передачи данных по сети, как это показано на рию, где Заг – заголовок пакета, Кон – конец пакета.

На принимающей стороне пакет проходит через все уровни в обратном порядке. На каждом уровне протокол этого уровня читает информацию пакета, затем удаляет информацию, добавленную к пакету на этом же уровне отправляющей стороной, и передает пакет следующему уровню. Когда пакет дойдет до Прикладного уровня, вся управляющая информация будет удалена из пакета, и данные примут свой первоначальный вид.

(Формирование пакета каждого уровня данной модели)

Каждый уровень модели выполняет свою функцию. Чем выше уровень, тем более сложную задачу он решает.

(краткое описание)

Прикладной уровень (Applicationlayer)

Прикладной уровень обеспечивает прикладным процессам средства доступа к области взаимодействия, является верхним (седьмым) уровнем и непосредственно примыкает к прикладным процессам. Прикладной уровень отвечает за доступ приложений в сеть. Задачами этого уровня является перенос файлов, обмен почтовыми сообщениями и управление сетью.

В действительности прикладной уровень – это набор разнообразных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу, например с помощью протокола электронной почты.

Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, обычно называется сообщением (message).

Уровень представления данных (Presentationlayer)

Функции данного уровня – представление данных, передаваемых между прикладными процессами, в нужной форме.

Этот уровень обеспечивает то, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. В случаях необходимости уровень представления в момент передачи информации выполняет преобразование форматов данных в некоторый общий формат представления, а в момент приема, соответственно, выполняет обратное преобразование. Таким образом, прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в представлении данных.

Сеансовый уровень (Sessionlayer)

Сеансовый уровень – это уровень, определяющий процедуру проведения сеансов между пользователями или прикладными процессами.

Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к последней контрольной точке, вместо того чтобы начинать все сначала.

Транспортный уровень (TransportLayer)

Транспортный уровень предназначен для передачи пакетов через коммуникационную сеть. На транспортном уровне пакеты разбиваются на блоки. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или утеряны. Работа транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уровням модели (прикладному и сеансовому) передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется.

Транспортный уровень определяет адресацию физических устройств в сети. Этот уровень гарантирует доставку блоков информации адресатам и управляет этой доставкой. Его главной задачей является обеспечение эффективных, удобных и надежных форм передачи информации между системами. Когда в процессе обработки находится более одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения пакетов. Если проходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

Наиболее используемые протоколы транспортного уровня - TCP (TransmissionControlProtocol) протокол управления передачей стека TCP/IP;

а так же - UDP (UserDatagramProtocol) пользовательский протокол дейтаграмм стека TCP/IP.

Сетевой уровень (NetworkLayer)

Сетевой уровень обеспечивает прокладку каналов, соединяющих абонентские и административные системы через коммуникационную сеть, выбор маршрута наиболее быстрого и надежного пути.

Единицей данных, циркулирующей на этом уровне, является дейтаграмма или пакет.

Выявление наилучшего пути для передачи данных называется маршрутизацией, и ее решение является главной задачей сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например, надежности передачи.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных передач между сетями, каждый раз, выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, по которым проходит пакет.

Сетевой шлюз (Gateway) — аппаратный маршрутизатор или программное обеспечение для сопряжения компьютерных сетей, использующих разные протоколы (например, локальной и глобальной).

Наиболее часто на сетевом уровне используются протоколыIP, ICMP, IGMP. Основным из них является IP. IP (InternetProtocol) протокол Internet, сетевой протоколстека TCP/IP, который предоставляет адресную и маршрутную информацию. IP протокол построен так, что каждый пересылаемый по этому протоколу пакет отправляется в сеть независимо от других пакетов. При этом пакеты, имеющие один и тот же IP адрес отправителя и получателя, могут следовать разными путями.

Сам по себе IP – уникальный идентификатор устройства, подключенного к сети. Он представляет собой числовое значение размеров в 4 байта (32 бита). IP имеет точечно-десятичное представление, т.е. он представлен в виде четырех десятичных цифр (от 0 до 255).Пример IP адреса 61.117.89.190.Содержит два ключевых компонента: номер сети и номер узла. Определять где в IP номер сети а где ноер узла помогает маска сети. Маска сети представляет собой специальный шаблон, расшифровывающий IP адрес особым способом.

Канальный уровень (DataLink)

Единицей информации канального уровня являются кадры (frame). Кадры – это логически организованная структура, в которую можно помещать данные. Задача канального уровня – передавать кадры от сетевого уровня к физическому уровню.

На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в некоторых сетях физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи.

Задача канального уровня – брать пакеты, поступающие с сетевого уровня и готовить их к передаче, укладывая в кадр соответствующего размера. Еще одной задачей канального уровня является обнаружение и коррекция ошибок.Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра, помещая специальную последовательность бит, в начало и конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка.

Важным понятием на канальном уровне является понятие MAC-адреса. MAC-адрес – это имя сетевого устройства, идентифицирующее его в локальной вычислительной сети на описываемом уровне.MAC содержит адреса отправителя и получателя. Именно по этому адресу происходит отбор кадров предназначенный для той или иной сети.

Физический уровень (PhysicalLayer)

Физический уровень предназначен для сопряжения аппаратных и программных средств, обеспечивающая передачу сигналов между системами. Единицей передачи данных на этом уровне является сигнал.

Физический уровень представляет собойнекую среду или материальную субстанцию, через которую осуществляется передача сигналов. В качестве физической среды широко используются эфир, металлы, оптическое стекло и кварц.

Физический уровень получает пакеты данных от вышележащего канального уровня и преобразует их в оптические или электрические сигналы, соответствующие 0 и 1 бинарного потока. Эти сигналы посылаются через среду передачи на приемный узел.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: