8. Решение задачи на компьютере и анализ результатов. Теперь

программу можно использовать для решения поставленной задачи.

Первоначально выполняется многократное решение задачи на

компьютере для различных наборов исходных данных.

Получаемые результаты анализируются специалистом, поставившим

задачу. Разработанная программа поставляется заказчику в виде

готовой к исполнению машинной программы. К ней

прилагается документация, включающая инструкцию по эксплуатации.

В задачах другого типа некоторые этапы могут отсутствовать.

Например, проектирование программного обеспечения не требует

построения математической модели.

Все приведенные этапы тесно связаны между собой. Например,

анализ результатов может привести к необходимости внесения

изменений в программу, алгоритм, метод решения или даже в

постановку задачи.

337

7. Компьютерною сети

Эта глава посвящена компьютерным сетям — основам

построения, протоколам, стандартам, сетевым компонентам. Здесь также

рассмотрены основы построения Internet — способы передачи

информации, адресация и службы.

7.1. Назначение и классификация

компьютерных сетей

Современные информационные технологии нуждаются во все

более совершенных средствах обработки информации. Поэтому

потребности в таких средствах постоянно растут. Объединение

компьютеров и средств коммуникации оказало существенное влияние на

принципы организации компьютерных систем. Модель, в которой

один компьютер выполнял всю необходимую работу по обработке

данных, уступила место модели, представляющей собой большое

количество отдельных, но связанных между собой компьютеров. Такие

системы называются компьютерными сетями. Два или более

компьютера называются связанными между собой, если они могут

обмениваться информацией.

Для каких же целей используются компьютерные сети?

• Первая цель — предоставление доступа к программам,

оборудованию и особенно данным для любого пользователя сети. Это

называется совместным использованием ресурсов.

• Вторая цель — обеспечение высокой надежности при помощи

альтернативных источников информации. Например, все файлы

могут быть расположены на двух или трех машинах

одновременно, так что, если одна из них недоступна по какой-либо

причине, то используются другие копии. Возможность продолжать

работу, несмотря на аппаратные проблемы, имеет большое

значение для военных и банковских задач, воздушного

транспорта, безопасности ядерного реактора и т.п.

• Третья цель — экономия средств. Небольшие компьютеры

обладают значительно лучшим соотношением

цена—производительность, нежели большие. Это обстоятельство заставляет раз-

338

работников создавать системы на основе модели клиент-сервер.

Обмен информацией в модели клиент-сервер обычно

принимает форму запроса серверу на выполнение каких-либо действий.

Сервер выполняет работу и отсылает ответ клиенту. Обычно в

сети количество клиентов значительно больше числа

используемых ими серверов.

• Четвертая цель — масштабируемость, т.е. способность

увеличивать производительность системы по мере роста нагрузки. В

случае модели клиент-сервер новые клиенты и новые серверы

могут добавляться по мере необходимости.

• Пятая цель — ускорение передачи информации. Компьютерная

сеть является мощным средством связи между удаленными друг

от друга пользователями. Если один из них изменяет документ,

находящийся на сервере, в режиме on-line, остальные могут

немедленно увидеть эти изменения.

Имеется два важнейших параметра классификации сетей:

технология передачи и размеры.

Существуют два типа технологии передачи:

• широковещательные сети;

• сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети обладают единым каналом связи,

совместно используемым всеми машинами сети. Короткие сообщения,

называемые пакетами, посылаемые одной машиной, принимаются

всеми машинами. Поле адреса в пакете указывает, кому

направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его

адресное поле. Если пакет адресован этой машине, она обрабатывает

пакет. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются.

Сети с передачей от узла к узлу состоят из большого количества

соединенных пар машин. В такой сети пакету необходимо пройти

через ряд промежуточных машин, чтобы добраться до пункта

назначения. Часто при этом существует несколько возможных путей от

источника к получателю.

Обычно небольшие сети используют широковещательную

передачу, тогда как в крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

Другим критерием классификации сетей является их размер.

Сети можно разделить на локальные, муниципальные и глобальные.

И, наконец, существуют объединения двух и более сетей. Хорошо

известным примером такого объединения является Internet. Размеры

339

сетей являются важным классификационным фактором, поскольку

в сетях различного размера применяется различная техника.

Локальными сетями (ЛВС — локальные вычислительные сети или

LAN — Local Area Network) называют сети, размещающиеся, как

правило, в одном здании или на территории какой-либо организации

размерами до нескольких километров. Их часто используют для

предоставления совместного доступа компьютеров к ресурсам

(например, принтерам) и обмена информацией. Локальные сети

отличаются от других сетей тремя характеристиками: размерами, технологией

передачи данных и топологией. Обычные ЛВС имеют пропускную

способность канала связи от 10 до 100 Мбит/с, небольшую задержку

— десятые доли мкс и очень мало ошибок.

Муниципальные или региональные сети (MAN — Metropolitan AN)

являются увеличенными версиями локальных сетей и обычно

используют схожие технологии. Такая сеть может объединять несколько

предприятий корпорации или город. Муниципальная сеть может

поддерживать передачу цифровых данных, звука и включать в себя

кабельное телевидение. Обычно муниципальная сеть не содержит

переключающих элементов для переадресации пакетов во внешние

линии, что упрощает структуру сети.

Глобальные сети (Wide AN или ГВС) охватывают значительную

территорию, часто целую страну или даже континент. Они

объединяют множество машин, предназначенных для выполнения

приложений. Эти машины называются хостами. Хосты соединяются

коммуникационными подсетями или просто подсетями. Задачей подсети

является передача сообщений от хоста хосту, подобно тому, как

телефонная система переносит слова говорящего слушающему. То есть

коммуникативный аспект сети — подсеть отделен от прикладного

аспекта — хостов, что значительно упрощает структуру сети.

7.2. Типы сетей

Сети подразделяются на два типа: одноранговые и на основе

сервера.

Между этими двумя типами сетей существуют принципиальные

различия, которые определяют их разные возможности. Выбор типа

сети зависит от многих факторов: размера предприятия и вида его

деятельности, необходимого уровня безопасности, доступности адми-

340

нистративной поддержки, объема сетевого трафика, потребностей

сетевых пользователей, финансовых возможностей.

В одноранговой сети все компьютеры равноправны. Каждый

компьютер функционирует и как клиент, и как сервер. Нет

отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети.

Пользователи сами решают, какие ресурсы на своем компьютере

сделать доступными в сети.

Одноранговые сети, как правило, объединяют не более 10

компьютеров. Отсюда их другое название — рабочие группы.

Одноранговые сети относительно просты, дешевле сетей на основе сервера, но

требуют более мощных компьютеров. Требования к

производительности и уровню защиты сетевого программного обеспечения (ПО)

ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Поддержка одноранговых

сетей встроена во многие операционные системы (ОС), поэтому для

организации одноранговой сети дополнительного ПО не требуется.

Если в сети более 10 компьютеров, то одноранговая сеть

становится недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей

имеют другую конфигурацию — они работают на основе выделенного

сервера. Выделенным сервером называется такой компьютер,

который функционирует только как сервер и не используется в качестве

клиента или рабочей станции. Он специально оптимизирован для

быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и обеспечивает

защиту файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали

промышленным стандартом.

Основным аргументом при выборе сети на основе сервера

является защита данных. Проблемами безопасности занимается один

администратор: он формирует единую политику безопасности и

применяет ее в отношении каждого пользователя сети.

Сети на основе сервера, в отличие от одноранговых сетей,

способны поддерживать тысячи пользователей. При этом к

характеристикам компьютеров и квалификации пользователей предъявляются

более мягкие требования, чем в одноранговых сетях.

7.3. Топология сетей

Термин топология сети характеризует способ организации

физических связей компьютеров и других сетевых компонентов. Выбор

той или иной топологии влияет на состав необходимого сетевого

341

оборудования, возможности расширения сети и способ управления

сетью. Топология — это стандартный термин. Все сети строятся на

основе базовых топологий: шина, звезда, кольцо, ячеистая. Сами по

себе базовые топологии не сложны, однако на практике часто

встречаются довольно сложные их комбинации.

Шина. Эту топологию (рис. 7.1) часто называют линейной шиной.

Она наиболее простая из всех топологий и весьма распространенная.

В ней используется один кабель, называемый магистралью или

сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры.

Рис. 7. 1. Топология шина:

С — сервер, К — компьютер, Т — терминатор

В сети с топологией шина данные в виде электрических

сигналов передаются всем компьютерам сети, но принимает их тот, адрес

которого совпадает с адресом получателя, зашифрованном в этих

сигналах. Причем в каждый момент времени передачу может вести

только один компьютер. Поэтому производительность такой сети

зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем

больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее

сеть. На быстродействие сети также влияют:

• тип аппаратного обеспечения сетевых компьютеров;

• частота, с которой компьютеры передают данные;

• тип работающих сетевых приложений;

• тип сетевого кабеля;

• расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология: компьютеры только слушают

передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к

получателю. Поэтому выход одного или нескольких компьютеров из

строя никак не сказывается на работе сети.

342

Электрические сигналы распространяются по всему кабелю — от

одного конца к другому. Сигналы, достигшие концов кабеля,

отражаются от них. Возникает наложение сигналов, находящихся в

разных фазах, и, как следствие, их искажение и ослабление. Поэтому

сигналы, достигшие конца кабеля, следует погасить. Для гашения

сигналов на концах кабеля устанавливают терминаторы. При разрыве

кабеля или отсутствии терминаторов функционирование сети

прекращается. Сеть падает.

Звезда. При топологии звезда (рис. 7.2) все компьютеры с

помощью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству,

называемому концентратором (hub). Сигналы от передающего

компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

Рис. 7. 2. Топология звезда

В настоящее время концентратор стал одним из стандартных

компонентов сетей. В сетях с топологией звезда он, например,

служит центральным узлом. Концентраторы делятся на активные и

пассивные. Активные регенерируют и передают сигналы так же, как

репитеры. Их называют многопортовыми повторителями. Обычно

они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров.

Активные концентраторы следует подключать к электрической сети. К

пассивным концентраторам относятся монтажные или коммутирующие

панели. Они просто пропускают через себя сигнал, не усиливая и не

восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать

к электрической сети.

Недостатки этой топологии: дополнительный расход кабеля,

установка концентратора. Главное преимущество этой топологии

перед шиной — более высокая надежность. Выход из строя одного или

343

нескольких компьютеров на работу сети не влияет. Любые

неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот

кабель присоединен, и только неисправность концентратора

приводит к падению сети. Кроме того, концентратор может играть роль

интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в

сеть, и при необходимости блокировать запрещенные

администратором передачи.

Кольцо. Компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в

кольцо (рис. 7.3). Сигналы передаются по кольцу в одном

направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной

топологии шина, здесь каждый компьютер выступает в роли репитера

(повторителя), усиливая сигналы и передавая их следующему

компьютеру. Поэтому выход из строя хотя бы одного компьютера

приводит к падению сети.

Рис. 7. 3. Топология кольцо

Способ передачи данных по кольцу называется передачей

маркера. Маркер (token) — это специальная последовательность бит,

передающаяся по сети. В каждой сети существует только один маркер.

Маркер передается по кольцу последовательно от одного

компьютера к другому до тех пор, пока его не захватит тот компьютер,

который хочет передать данные. Передающий компьютер добавляет к

маркеру данные и адрес получателя, и отправляет его дальше по

кольцу. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у

того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Затем принимающий

компьютер посылает передающему сообщение, в котором

подтверждает факт приема. Получив подтверждение, передающий компьютер

344

восстанавливает маркер и возвращает его в сеть. Скорость движения

маркера сопоставима со скоростью света. Так, в кольце диаметром

200 м маркер может циркулировать с частотой 477 376 об/с.

Ячеистая топология. Сеть с ячеистой топологией обладает

высокой избыточностью и надежностью, так как каждый компьютер в

такой сети соединен с каждым другим отдельным кабелем (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Ячеистая топология

Сигнал от компьютера-отправителя до компьютера-получателя

может проходить по разным маршрутам, поэтому разрыв

кабеля не сказывается на работоспособности сети. Основной

недостаток — большие затраты на прокладку кабеля, что компенсируется

высокой надежностью и простотой обслуживания. Ячеистая

топология применяется в комбинации с другими топологиями при

построении больших сетей.

Кроме базовых топологий существуют их комбинации —

комбинированные топологии. Чаще всего используются две

комбинированные топологии: звезда-шина и звезда-кольцо. Звезда-шина —

несколько сетей с топологией звезда объединяются при помощи

магистральной линейной шины (к концентратору подключены

компьютеры, а сами концентраторы соединены шиной). Выход из строя

одного компьютера не сказывается на работе всей сети, а сбой в

работе концентратора влечет за собой отсоединение от сети только

подключенных к нему компьютеров и концентраторов.

Звезда-кольцо — отличие состоит только в том, что концентраторы в звезде-шине

345

соединяются магистральной линейной шиной, а в звезде-кольце

концентраторы подсоединены к главному концентратору, внутри

которого физически реализовано кольцо.

7.4. Сетевые компоненты

7.4.1. Сетевые кабели

На сегодня подавляющая часть компьютерных сетей использует

для соединения кабели. Это среда передачи сигналов между

компьютерами.

В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей:

• коаксиальный кабель;

• витая пара (twisted pair), неэкранированная (unshielded) и

экранированная (shielded);

• оптоволоконный кабель.

Коаксиальный кабель до недавнего времени был самым

распространенным. Недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и

простой в установке.

Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий

(спецификация 10Base2) и толстый (спецификация 10Base5).

Тонкий — гибкий, диаметр 0,64 см (0,25"). Прост в применении

и подходит практически для любого типа сети. Подключается

непосредственно к плате сетевого адаптера. Передает сигнал на 185 м

практически без затухания. Волновое сопротивление — 50 ом.

Толстый — жесткий, диаметр 1,27 см (0,5"). Его иногда

называют стандартный Ethernet (первый кабель в популярной сетевой

архитектуре). Жила толще, затухание меньше. Передает сигнал без

затухания на 500 м. Используют в качестве магистрали, соединяющей

несколько небольших сетей. Волновое сопротивление — 75 ом.

Для подключения к толстому коаксиальному кабелю

применяется специальное устройство - трансивер (transceiver -

приемопередатчик). Он снабжен коннектором, который называется вампир или

пронзающий ответвитель. К сетевой плате трансивер подключается

с помощью кабеля с разъемом. Для подключения тонкого

коаксиального кабеля используются BNC-коннекторы (British Naval Connector).

Применяются BNC—Т-коннекторы для соединения сетевого кабеля

346

с сетевой платой компьютера, BNC—баррел-коннекторы для

сращивания двух отрезков кабеля, BNC-терминаторы для поглощения

сигналов на обоих концах кабеля в сетях с топологией шина.

Витая пара — это два перевитых изолированных медных

провода. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну

защитную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавиться от

электрических помех, наводимых соседними проводами и другими

внешними источниками, например двигателями, трансформаторами,

мощными реле.

Неэкранированная витая пара (UTP) широко используется в ЛВС,

максимальная длина 100 м. UTP определена особым стандартом, в

котором указаны нормативные характеристики кабелей для

различных применений, что гарантирует единообразие продукции.

Экранированная витая пара (STP) помещена в медную оплетку.

Кроме того, пары проводов обмотаны фольгой. Поэтому STP

меньше подвержены влиянию электрических помех и может передавать

сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния.

Преимущества витой пары — дешевизна, простота при

подключении. Недостатки — нельзя использовать при передаче данных на

большие расстояния с высокой скоростью.

В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по

оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов.

Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при

этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя

вскрыть и перехватить данные.

Оптоволоконные линии предназначены для перемещения

больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в

них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно

передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из

двух волокон с отдельными коннекторами: одно — для передачи,

другое — для приема.

Скорость передачи данных в настоящее время составляет от

100 Мбит/с. Между тем, получает все большее распространение

скорость 1 Гбит/с, теоретически — до 200 Гбит/с. Расстояние — многие

километры. Кабель не подвержен электрическим помехам.

Существенным недостатком этой технологии является дороговизна и

сложность в установке и подключении.

Типичная оптическая сеть состоит из лазерного передатчика све-

347

та, мультиплексора/демультиплексора для объединения оптических

сигналов с разными длинами волн, усилителей оптических сигналов,

демультиплексоров и приемников, преобразующих оптический

сигнал обратно в электрический. Все эти компоненты обычно

собираются вручную.

Для передачи по кабелю кодированных сигналов используют

две технологии — немодулированную и модулированную передачу.

Немодулырованные системы передают данные в виде цифровых

сигналов, которые представляют собой дискретные электрические

или световые импульсы. При таком способе цифровой сигнал

использует всю полосу пропускания кабеля (полоса пропускания —

разница между максимальной и минимальной частотой, которую

можно передать по кабелю). Устройство в сетях с немодулированной

передачей посылает данные в обоих направлениях. Для того, чтобы

избежать затухания и искажения сигнала в смодулированных

системах, используют репитеры, которые усиливают и ретранслируют

сигнал.

Модулированные системы передают данные в виде аналогового

сигнала (электрического или светового), занимающего некоторую

полосу частот. Если полосы пропускания достаточно, то один кабель

могут одновременно использовать несколько систем (например,

транслировать передачи кабельного телевидения и передавать

данные). Каждой передающей системе выделяется часть полосы

пропускания. Для восстановления сигнала в модулированных системах

используют усилители. В модулированной системе устройства имеют

раздельные тракты для приема и передачи сигнала, так как передача

идет в одном направлении. Чтобы устройства могли и передавать, и

принимать данные, используют разбиение полосы пропускания на

два канала, которые работают с разными частотами для передачи и

приема, или прокладку двух кабелей — для передачи и приема.

7.4.2. Беспроводная среда

Словосочетание беспроводная среда не означает полное отсутствие

проводов в сети. Обычно беспроводные компоненты

взаимодействуют с сетью, в которой в качестве среды передачи используется

кабель. Такие сети называют гибридными.

Беспроводная среда обеспечивает временное подключение к су-

348

шествующей кабельной сети, гарантирует определенный уровень

мобильности и снижает ограничения на протяженность сети.

Применяется в служебных помещениях, где у сотрудников нет

постоянного рабочего места, в изолированных помещениях и зданиях, в

строениях, где прокладка кабелей запрещена.

Существуют следующие типы беспроводных сетей: ЛВС,

расширенные ЛВС и мобильные сети (переносные компьютеры). Основные

различия между ними - параметры передачи. ЛВС и расширенные

ЛВС используют передатчики и приемники той организации, в

которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров средой

передачи служат общедоступные сети (например, телефонная или

Internet).

ЛВС выглядит и функционирует практически так же, как и

кабельная, за исключением среды передачи. Беспроводный сетевой

адаптер с трансивером установлен в каждом компьютере, и

пользователи работают так, будто их компьютеры соединены кабелем.

Трансивер или точка доступа обеспечивает обмен сигналами между

компьютерами с беспроводным подключением и кабельной сетью.

Используются небольшие настенные трансиверы, которые

устанавливают радиоконтакт с переносными устройствами.

Работа беспроводных ЛВС основана на четырех способах

передачи данных: инфракрасном излучении, лазере, радиопередаче в

узком диапазоне (одночастотной передаче), радиопередаче в

рассеянном спектре.

7.4.3. Платы сетевого адалтера

Платы сетевого адаптера (СА) выступают в качестве

физического интерфейса, или соединения, между компьютером и сетевым

кабелем. Платы вставляются в слоты расширения материнской

платы всех сетевых компьютеров и серверов или интегрируются на

материнскую плату. Для обеспечения физического соединения между

компьютером и сетью к разъему платы подключается сетевой кабель.

Плата СА выполняет:

• подготовку данных, поступающих от компьютера, к передаче по

сетевому кабелю;

• передачу данных другому компьютеру;

349

• управление потоком данных между компьютером и кабельной

системой;

• прием данных из кабеля и перевод их в форму, понятную ЦП

компьютера.

Плата СА должна также указать свое местонахождение или се-

тевой адрес, чтобы ее могли отличить от других плат сети. Сетевые

адреса определены комитетом IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers, Inc.), который закрепляет за каждым

производителем плат сетевого адаптера некоторый интервал адресов.

Производители зашивают эти адреса в микросхемы, поэтому каждый

компьютер имеет свой уникальный номер, т.е. адрес в сети.

Перед тем, как послать данные по сети, плата СА проводит

электронный диалог с принимающей платой, в результате которого они

устанавливают:

• максимальный размер блока передаваемых данных;

• объем данных, пересылаемых без подтверждения о получении;

• интервал между передачами блоков данных;

• интервал, в течение которого необходимо послать подтверждение;

• объем данных, который может принять плата без переполнения

буфера;

• скорость передачи.

Если новая (более сложная и быстрая) плата взаимодействует с

устаревшей (медленной) платой, то они должны найти общую для

них обеих скорость передачи. Схемы современных плат позволяют

им приспособиться к низкой скорости старых плат. Каждая плата

оповещает другую о своих параметрах, принимая чужие параметры

и подстраиваясь к ним. После определения всех деталей начинается

обмен данными.

Для правильной работы платы должны быть корректно

установлены следующие параметры:

• номер прерывания (IRQ — interrupt query);

• базовый адрес порта;

• I/O.Базовый адрес памяти;

• тип трансивера.

Для обеспечения совместимости компьютера и сети плата СА

должна соответствовать внутренней структуре компьютера

(архитектуре шины данных) и иметь соответствующий соединитель,

подходящий к типу кабельной системы.

350

Например, плата, которая нормально работает в компьютере

Apple Macintosh в сети с топологией шина, не будет работать в

компьютере IBM в сети с топологией кольцо. Сеть топологии кольцо

требует плату, которая физически отличается от применяемой в сети

топологии шина, к тому же Apple использует другой метод сетевого

взаимодействия.

7.5. Сетевые стандарты

Работа сети заключается в передаче данных от одного

компьютера к другому. В этом процессе можно выделить следующие задачи:

1. Распознавание данных.

2. Разбиение данных на управляемые блоки.

3. Добавление информации к каждому блоку о местонахождении

данных и получателе.

4. Добавление информации для синхронизации и проверки

ошибок.

5. Перемещение данных в сеть и отправка их по заданному адресу.

Сетевая ОС при выполнении этих задач строго следует

определенному набору процедур. Эти процедуры называются протоколами.

Они регламентируют каждую сетевую операцию. Стандартные

протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению

разных производителей нормально взаимодействовать.

Существует два главных набора стандартов: эталонная модель

OSI и ее модификация Project 802. Для понимания технической

стороны функционирования сетей необходимо иметь представление об

этих моделях.

7.5.1. Эталонная модель OSI

В 1978 г. ISO (International Standards Organization) выпустила

набор спецификаций, описывающих модель взаимодействия открытых

систем, т.е. систем, доступных для связи с другими системами. Это

был первый шаг к международной стандартизации протоколов. Все

системы могли теперь использовать одинаковые протоколы и

стандарты для обмена информацией.

В 1984 г. ISO выпустила новую версию своей модели, названную

351

эталонной моделью взаимодействия открытых систем ISO. Эта

версия стала международным стандартом. Ее спецификации

используют производители при разработке сетевых продуктов, ее

придерживаются при построении сетей. Полностью модель носит название ISO

OSI (Open System Interconnection Reference Model). Для краткости

будем ее называть модель OSI. Модель OSI не является сетевой

архитектурой, так как не описывает службы и протоколы, используемые

на каждом уровне. Она просто определяет, что должен делать

каждый уровень. Важно также понимать, что эталонная модель не

является чем-то реальным, таким, что обеспечивает связь. Сама по себе

она не заставляет коммуникации функционировать и служит лишь

для классификации. Она классифицирует то, что непосредственно

работает, а именно — протоколы. Протоколом считается набор

спецификаций, определяющих реализацию одного или нескольких

уровней OSI. ISO разработала также стандарты для каждого уровня, хотя

эти стандарты не входят в саму эталонную модель. Каждый из них

был опубликован как отдельный международный стандарт.

Модель OSI имеет семь уровней. Каждому уровню соответствуют

различные сетевые операции, оборудование и протоколы. Появление

именно семи уровней было обусловлено функциональными

особенностями модели.

Модель OSI без физического носителя показана на рис. 7.5.

Определенные сетевые функции, выполняемые на каждом

уровне, взаимодействуют только с функциями соседних уровней —

вышестоящего и нижележащего. Например, Сеансовый уровень должен

взаимодействовать только с Представительским и Транспортным

уровнями. Все эти функции подробно описаны.

Каждый уровень выполняет несколько операций при

подготовке данных для доставки по сети на другой компьютер. Уровни

отделяются друг от друга границами — интерфейсами. Все запросы от

одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый

уровень, выполняя свои функции, пользуется услугами нижележащего

уровня. Самые нижние уровни — 1-й и 2-й — определяют

физическую среду при передаче битов данных через плату СА и кабель.

Самые верхние уровни определяют, каким способом реализуется

доступ приложений к услугам связи.

Задача каждого уровня — предоставление услуг вышележащему

уровню, маскируя при этом детали реализации этих услуг. Каждый

352

Протоколы хост-маршрутизатор сетевого,

передачи данных и физического уровней

Рис. 7.5. Эталонная модель OSI

уровень на компьютере-отправителе работает так, как будто он

напрямую связан с соответствующим уровнем на

компьютере-получателе. Эта виртуальная связь показана на рис. 7.5 пунктирными

линиями. В действительности же связь осуществляется между

соседними уровнями одного компьютера. ПО каждого уровня реализует

определенные сетевые функции в соответствии с набором

протоколов.

Перед отправкой в сеть данные разбиваются на пакеты,

передаваемые между устройствами сети как единое целое. Пакет проходит

12. Информатика

353

последовательно все уровни ПО от прикладного до физического, при

этом на каждом уровне к пакету добавляется форматирующая или

адресная информация, необходимая для безошибочной передачи

данных по сети.

На принимающей стороне пакет также проходит через все

уровни, но в обратном порядке. ПО каждого уровня анализирует

информацию пакета, удаляет ту информацию, которая добавлена к пакету

на, таком же уровне отправителем, и передает пакет следующему

уровню. По достижении пакетом Прикладного уровня вся служебная

информация будет удалена, и данные примут свой первоначальный

вид.

Таким образом, только Физический уровень модели может

непосредственно послать информацию соответствующему уровню

другого компьютера. Информация на компьютере-отправителе и

компьютере-получателе должна пройти все уровни, начиная с того, с

которого она посылается, и заканчивая соответствующим уровнем

того компьютера, которым она принимается. Например, если

Сетевой уровень передает информацию с компьютера А, она спускается

через Канальный и Физический уровни в сетевой кабель, затем

попадает в компьютер В, где поднимается через Физический и

Канальный уровни и достигает Сетевого уровня. В среде клиент-сервер

примером такой информации служит адрес и результат контроля ошибок,

добавленные к пакету.

Взаимодействие смежных уровней осуществляется через

интерфейс. Интерфейс определяет услуги, которые нижний уровень

предоставляет верхнему, и способ доступа к ним.

Рассмотрим каждый из семи уровней модели OSI и услуги,

которые они предоставляют смежным уровням.

Прикладной (Application) уровень. Уровень 7. Он представляет собой

окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Услуги,

которые он обеспечивает, напрямую поддерживают приложения

пользователя. Прикладной уровень управляет общим доступом к сети,

потоком данных и восстановлением данных после сбоев связи.

Уровень представления (Presentation). Уровень 6.

Представительский уровень определяет формат, используемый для обмена

данными между сетевыми компьютерами. Типичный пример работы служб

Представительского уровня — кодирование передаваемых данных

определенным стандартным образом. Уровень представления отвечает

354

за преобразование протоколов, трансляцию и шифрование данных,

смену кодовой таблицы и расширение графических команд. Кроме

того, он управляет сжатием данных для уменьшения объема

передаваемых бит.

Сеансовый уровень (Session). Уровень 5. Сеансовый уровень

позволяет двум приложениям разных компьютеров устанавливать,

использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Сеанс может

предоставлять еще и расширенный набор услуг, полезный для

некоторых приложений. Сеансовый уровень управляет диалогом между

взаимодействующими процессами, устанавливая, какая из сторон,

когда, как долго и т.д. должна осуществлять передачу.

Транспортный уровень (Transport). Уровень 4. Основная функция

Транспортного уровня — принять данные от Сеансового уровня,

разбить их при необходимости на небольшие части и передать

Сетевому уровню, гарантируя, что эти части в правильном порядке

прибудут по назначению. Все это должно быть сделано эффективно и так,

чтобы изолировать более высокие уровни от каких-либо изменений

в аппаратной технологии. Транспортный уровень также следит за

созданием и удалением сетевых соединений, управляет потоком

сообщений, проверяет ошибки и участвует в решении задач,

связанных с отправкой и получением пакетов. Примеры протоколов

транспортного уровня — TCP и SPX.

Сетевой уровень (Network). Уровень 3. Сетевой уровень

управляет операциями подсети. Он отвечает за адресацию сообщений и

перевод логических адресов и имен в физические. Сетевой уровень

разрешает также проблемы, связанные с разными способами адресации

и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в

другую, позволяя объединять разнородные сети. Примеры протоколов

сетевого уровня — IP и IPX.

Уровень передани данных или канальный (Data Link). Уровень 2.

Основная задача Канального уровня — преобразовать способность

Физического уровня передавать данные в надежную линию связи,

свободную от необнаруженных ошибок с точки зрения вышестоящего

Сетевого уровня. Эту задачу Канальный уровень выполняет при

помощи разбиения входных данных на кадры размером от нескольких

сот до нескольких тысяч байтов. Каждый следующий кадр данных

передается только после получения и обработки кадра

подтверждения, посылаемого обратно получателем. Кадр — это логически орга-

355

низованная структура, в которую можно помещать данные. На рис.

7.6 представлен простой кадр данных, где идентификатор

отправителя — адрес компьютера-отправителя, а идентификатор получателя

— адрес компьютера-получателя. Управляющая информация

используется для маршрутизации, указания типа пакета и сегментации. CRC

(Cyclical Redundancy Check — циклический код) позволяет выявить

ошибки и гарантирует правильный прием информации.

Идентификатор

получателя

Управляющая

информация

Данные

Идентификатор

отправителя

Циклический

код

Рис. 7.6. Кадр данных

Физический уровень (Physical). Уровень 1. Физический уровень

осуществляет передачу неструктурированного, сырого, потока бит по

физической среде (например, по сетевому кабелю). На этом уровне

реализуются электрический, оптический, механический и

функциональный интерфейсы с кабелем. Физический уровень также

формирует сигналы, которые переносят данные, поступившие ото всех

вышележащих уровней. На этом уровне определяется способ соединения

сетевого кабеля с платой СА и способ передачи сигналов по сетевому

кабелю. Физический уровень отвечает за кодирование данных и

синхронизацию бит, гарантируя, что переданная единица будет

воспринята именно как единица, а не как ноль. Уровень устанавливает

длительность каждого бита и способ перевода в электрические или

оптические импульсы, передаваемые по сетевому кабелю.

356

7.5.2. Стандарт IEEE Project 802

Два нижних уровня модели OSI относятся к оборудованию, а

именно: сетевой плате и кабелю. Для постановки более четких

требований к аппаратуре, которая работает на этих уровнях, IEEE

разработал расширения, предназначенные для разных сетевых плат и

кабелей. Эти расширения широко известны как Project 802, названные

в соответствии с годом (1980) и месяцем (февраль) своего издания.

Стандарты IEEE были опубликованы раньше модели OSI, но оба

проекта разрабатывались примерно в одно время и при полном

обмене информацией. Это и привело к созданию двух совместимых

продуктов.

Project 802 установил стандарты для физических компонентов

сети — интерфейсных плат и кабельной системы, которые работают

на Канальном и Физическом уровнях модели OSI. Эти стандарты,

называемые 802-спецификациями, распространяются на платы СА,

компоненты ГВС, компоненты сетей, использующих коаксиальный

кабель и витую пару. 802-спецификации определяют способы, в

соответствии с которыми платы СА осуществляют доступ к

физической среде и передают по ней данные. Это соединение, поддержка и

разъединение сетевых устройств. Выбор протокола канального

уровня — наиболее важное решение при проектировании ЛВС. Этот

протокол определяет скорость сети, метод доступа к физической среде,

тип кабелей, сетевые платы и драйверы.

Стандарты ЛВС, определенные Project 802, делятся на 16

категорий, каждая из которых имеет свой номер (от 802.1 до 801.16,

например, 802.6 — сеть масштаба города, MAN; 802.10 — безопасность

сетей; 802.11 — беспроводные сети).

Два нижних уровня модели, Канальный и Физический,

устанавливают, каким образом несколько компьютеров могут

одновременно, не мешая друг другу, использовать сеть. IEEE Project 802

предназначен именно для этих двух уровней. На рис.7.7 показаны

Канальный уровень и два его подуровня.

Подуровень Управление логической связью (Logical Link Control,

LLC) устанавливает и разрывает канал связи, управляет потоком

данных, производит упорядочение и вырабатывает подтверждение

приема кадров.

Подуровень Управление доступом к среде (Media Access Control,

357

Канальный уровень

Управление логической связью

Управление доступом к среде

Рис. 7.7. Подуровни Управление логической связью

и Управление доступом к среде

MAC) контролирует доступ к среде передачи, определяет границы

кадров, обнаруживает ошибки, распознает адреса кадров. Он также

обеспечивает совместный доступ плат СА к Физическому уровню.

Этот подуровень напрямую связан с платой СА и отвечает за

безошибочную передачу данных между двумя компьютерами сети.

7.5.3. Драйверы устройств и OSI

Сетевые драйверы обеспечивают связь между платами СА и

работающими на компьютере редиректорами. Редиректор — это часть

сетевого ПО, которое принимает запросы ввода/вывода,

относящиеся к удаленным файлам, и переадресовывает их по сети на другой

компьютер.

Драйверы платы СА располагаются на подуровне Управления

доступом к среде Канального уровня. Подуровень MAC отвечает за

совместный доступ плат СА к Физическому уровню. Таким образом,

драйвер платы СА обеспечивает связь между компьютером и самой

платой, связывая, в конечном итоге, компьютер с сетью.

Производители плат СА обычно предоставляют драйверы

разработчикам сетевого ПО, которые включают их в состав своих

продуктов. Производители сетевых ОС публикуют списки совместимого

оборудования — перечень устройств, драйверы которых

протестированы на совместимость с ОС. Список совместимого оборудования

HCL (Hardware Compatibility List) для сетевой ОС содержит сотни

моделей плат СА от разных производителей.

358

7.6. Сетевые архитектуры

Сетевые архитектуры - это комбинация стандартов, топологий

и протоколов, необходимых для создания работоспособной сети.

7.6.1. Методы доступа к сетевому ресурсу

Для использования сетевого ресурса необходимо получить

доступ к нему. Существуют три метода доступа: множественный доступ

с контролем несущей, доступ с передачей маркера, доступ по

приоритету запроса. Метод доступа — набор правил, которые определяют,

как компьютер должен отправлять и принимать данные по сетевому

кабелю.

Компьютеры получают доступ к сети поочередно на короткое

время. Обычно несколько компьютеров в сети имеют совместный

доступ к кабелю. Однако если два компьютера попытаются

передавать данные одновременно, их пакеты столкнутся и будут

испорчены. Возникает так называемая коллизия. Все компьютеры в сети

должны использовать один и тот же метод доступа, иначе произойдет

сбой в работе сети, когда отдельные компьютеры, чьи методы

доминируют, не позволят остальным осуществлять передачу.

Множественный доступ с контролем несущей подразделяется на:

• множественный доступ с обнаружением коллизий;

• множественный доступ с предотвращением коллизий.

Рассмотрим особенности каждого метода доступа.

Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением

коллизий (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD).

Все компьютеры в сети — и клиенты, и серверы — прослушивают

кабель, стремясь обнаружить передаваемые данные, т.е. трафик.

Компьютер может начать передачу только тогда, когда убедится, что

кабель свободен — трафик отсутствует. Пока кабель занят, ни один из

компьютеров не может вести передачу. Если возникает коллизия, то

эти компьютеры приостанавливают передачу на случайный интервал

времени, а затем вновь стараются наладить связь. Причем периоды

ожидания у них разные, что снижает вероятность одновременного

возобновления передачи.

Название метода раскрывает его суть: компьютеры как бы про-

359

слушивают кабель, отсюда — контроль несущей. Чаще всего сразу

несколько компьютеров в сети хотят передать данные, отсюда

множественный доступ. Прослушивание кабеля дает возможность

обнаружить коллизии, отсюда обнаружение коллизий.

Способность обнаруживать коллизии ограничивает область

действия самого CSMA/CD. При длине кабеля > 2,5 км механизм

обнаружения коллизий становится неэффективным — некоторые

компьютеры могут не услышать сигнал и начнут передачу, что приведет

к коллизии и разрушению данных.

CSMA/CD является состязательным методом, так как

компьютеры конкурируют между собой за право передавать данные. Он

является громоздким, но современные реализации настолько быстры,

что пользователи не замечают, что сеть работает, используя

состязательный метод. Однако чем больше компьютеров в сети, тем

интенсивнее сетевой трафик, и число коллизий возрастает, а это

приводит к уменьшению пропускной способности сети. Поэтому в

некоторых случаях метод CSMA/CD все же оказывается

недостаточно быстрым. Так, лавинообразное нарастание повторных передач

способно парализовать работу всей сети. Вероятность возникновения

подобной ситуации зависит от числа пользователей, работающих в

сети, и приложений, с которыми они работают. Например, БД

используют сеть интенсивнее, чем ТП.

Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением

коллизий (Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/

CA). Этот метод самый непопулярный среди всех методов доступа.

Каждый компьютер перед передачей данных в сеть сигнализирует о

своем намерении, поэтому остальные компьютеры «узнают» о

готовящейся передаче и могут избежать коллизий. Однако

широковещательное оповещение увеличивает общий трафик и уменьшает

пропускную способность сети. Поэтому CSMA/CA работает медленнее, чем

CSMA/CD.

Доступ с передачей маркера. Суть метода заключается в

следующем: пакет особого типа, маркер (token), циркулирует от

компьютера к компьютеру. Чтобы послать данные в сеть, любой компьютер

должен сначала «дождаться» прихода свободного маркера и

«захватить» его. Захватив маркер, компьютер может передавать данные.

Когда какой-либо компьютер наполнит маркер своей информацией

и пошлет его по сетевому кабелю, другие компьютеры уже не смогут

360

передавать данные, так как в каждый момент времени только один

компьютер использует маркер. В сети не возникает ни состязания,

ни коллизий, ни временных задержек.

Доступ по приоритету запроса (demand priority). Относительно

новый метод доступа, разработанный для сети Ethernet со скоростью

передачи 100 Мбит/с — 100VG-AnyLan. Он стандартизован IEEE в

категории 802.12. Этот метод учитывает своеобразную конфигурацию

сетей 100VG-AnyLan, которые состоят только из концентраторов и

оконечных узлов. Концентраторы управляют доступом к кабелю,

последовательно опрашивая каждый узел в сети и выявляя запросы на

передачу. Концентратор должен знать все адреса связи и узлы и

проверять их работоспособность. Оконечным узлом в соответствии со

спецификацией 100VG-AnyLan может быть компьютер, мост,

маршрутизатор или коммутатор.

При доступе по приоритету запроса, как и при CSMA/CD, два

компьютера могут конкурировать за право передать данные. Однако

в этом методе реализуется принцип, по которому определенные типы

данных, если возникло состязание, имеют соответствующий

приоритет. Получив одновременно два запроса, концентратор вначале

отдает предпочтение запросу с более высоким приоритетом. Если

запросы имеют одинаковый приоритет, они будут выполнены в

произвольном порядке.

Для сетей с использованием доступа по приоритету запроса

разработана специальная схема кабеля, поэтому каждый компьютер

может одновременно передавать и принимать данные. Применяется

восьмипроводный кабель, по каждой паре проводов которого сигнал

передается с частотой 25 Мгц.

7.6.2. Передача данных по сети

Данные, состоящие из нулей и единиц, обычно содержатся в

больших по размерам файлах. Однако сети не будут нормально

работать, если компьютер будет посылать такой блок данных целиком.

В это время другие компьютеры вынуждены долго ждать своей

очереди. Такая ситуация похожа на монопольное использование сети.

При этом, кроме монопольного использования сети, возникновение

ошибок может привести к необходимости повторной передачи всего

большого блока данных.

361

Чтобы быстро, не тратя времени на ожидание, передавать

информацию по сети, данные разбиваются на маленькие управляемые

блоки, содержащие все необходимые сведения для их передачи. Эти

блоки называются пакетами. Под термином «пакет»

подразумевается единица информации, передаваемая между устройствами сети как

единое целое.

При разбиении данных на пакеты сетевая ОС добавляет к

каждому пакету специальную управляющую информацию, которая

обеспечивает передачу исходных данных небольшими блоками, сбор

данных в определенном порядке (при их получении), проверку данных

на наличие ошибок (после сборки).

Компоненты пакета группируются по трем разделам: заголовок,

данные и трейлер.

Заголовок включает:

• сигнал о том, что передается пакет,

• адрес источника,

• адрес получателя,

• информацию, синхронизирующую передачу.

Для большинства сетей размер пакета составляет от 512 байт до