Компьютерно-телекоммуникационные сети

111

Драйверы и модель OSI

Драйверы платы сетевого адаптера располагаются на подуровне Управление доступом к среде (Канальный уровень модели OSI). Подуровень Управление доступом к среде отвечает за совместный доступ плат сетевого адаптера к Физическому уровню. Другими словами, драйвер платы сетевого адаптера обеспечивает прямую связь между компьютером и самой платой. Это, в свою очередь, связывает компьютер с сетью.

Рисунок 3.2.4. Связь между платой сетевого адаптера и сетевым программным обеспечением

Драйверы и сетевое программное обеспечение

Производители сетевых адаптеров обычно предоставляют драйверы разработчикам сетевого программного обеспечения, которые включают их в состав своих продуктов.

Производители сетевых операционных систем публикуют списки совместимого оборудования (Hardware Compatibility List, HCL) - списки устройств, драйверы которых протестированы и включены в состав операционной системы.

Например, HCL для операционной системы Microsoft Windows NT Server содержит более 100 моделей плат сетевых адаптеров (от различных производителей), драйверы которых были протестированы и включены в состав данной операционной системы. Это означает, что в комплект поставки Microsoft Windows NT Server входит более 100 драйверов, которые позволят ей работать более чем с сотней различных плат сетевого адаптера.

Ввод в действие драйверов

Ввод в действие и управление драйверами подразумевает их установку, настройку, обновление и удаление.

Установка

В настоящее время наиболее популярные сетевые операционные системы обычно используют для установки интерактивный графический интерфейс.

Например, в Microsoft Windows 2000 это делается с помощью команды Свойства сетевого адаптеpа, приведенного в перечне устройств диалогового окна Диспетчера устройств.

Рисунок 3.2.5. Установка дpайвеpа сетевого адаптера в Windows 2000

112

Настройка

Обычно платы сетевого адаптера имеют несколько параметров, от правильной установки которых зависит корректная работа самого адаптера. Настройку параметров можно осуществить перестановкой перемычек или DIP-переключателей.

Однако большинство современных плат сетевого адаптера не имеет ни перемычек, ни DIPпереключателей. Они конфигурируются программно - при установке драйверов или после нее.

Обновление

Время от времени производители вносят в драйверы дополнения или изменения, которые увеличивают производительность сетевых компонентов. Эти изменения распространяются или по почте (зарегистрированным пользователям), или через электронную доску объявлений, или с помощью оперативных служб, таких, как The Microsoft Network (MSN) или CompuServe.

Процесс обновления драйверов обычно аналогичен процессу их установки.

Удаление

Иногда может возникнуть ситуация, когда необходимо удалить драйверы. Чаще всего это происходит при конфликте исходных драйверов с новыми. Например, удаляя из системы некоторое оборудование, надо удалить и связанные с ним драйверы, чтобы исключить возможный конфликт этих драйверов с теми, которые будут установлены впоследствии.

Процесс удаления драйверов обычно аналогичен процессу их установки или обновления.

Выводы по теме

113

1.Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством (ПУ) в компьютере предусмотрен внешний интерфейс.

2.Обмен данными по внешнему интерфейсу, как правило, является двунаправленным.

3.Примером стандартного интерфейса является последовательный интерфейс RS-232C.

4.Драйвер - вспомогательная программа, управляющая взаимодействием программ и приложений с оборудованием (периферийными устройствами).

5.Контроллер периферийного устройства выполняет набор простых команд по управлению ПУ, а драйвер использует эти команды, чтобы заставить устройство совершать более сложные действия, например, контроллер принтера может поддерживать такие элементарные команды, как "Печать символа", "Перевод строки", "Возврат каретки" и т. п., а драйвер же принтера с помощью этих команд организует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуровневые операции.

6.Редиректор - программа, обрабатывающая запросы операционной системы и разделяющая их на локальные и удаленные.

7.Драйверы платы сетевого адаптера располагаются на подуровне Управление доступом к среде (Канальный уровень модели OSI). Подуровень Управление доступом к среде отвечает за совместный доступ плат сетевого адаптера к Физическому уровню.

8.Ввод в действие и управление драйверами подразумевает их установку, настройку, обновление и удаление.

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое контроллер периферийного устройства?

2.Как распределяются функции между сетевым адаптером и его драйвером?

3.Верно ли высказывание, что драйвер является устройством, управляющим обменом данными с помощью команд ввода/вывода между процессором и любыми модулями, подключенными к внутренней шине компьютера?

4.Объясните назначение портов контроллеров периферийных устройств.

5.Как распределяются обязанности между контроллером и драйвером периферийных устройств?

6.Приведите примеры интерфейсов общего назначения.

7.Какое соединение называют нуль-модемным?

8.Как называется программа, обрабатывающая запросы операционной системы и разделяющая их на локальные и удаленные?

9.На каком уровне модели OSI располагаются драйверы платы сетевого адаптера?

10.Что подразумевается под вводом в действие и управлением драйверами?

11.Опишите процесс установки, настройки, обновления и удаления драйверов в Microsoft

Windows 2000.

12.Когда может возникнуть ситуация необходимости удаления драйверов?

Ссылки на дополнительные материалы (печатные и электронные ресурсы)

Основные:

1.Новиков Ю.В., Кондратенко С.В. - Локальные сети: архитектура, алгоритмы, проектирование. М.: Издательство ЭКОМ, 2001.

2.Спортак Марк, Паппас Френк и др. - Компьютерные сети и сетевые технологии. К.: ООО

"ТИД "ДС", 2002.

3.В.Г.Олифер, Н.А. Олифер - Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПБ: Издательство "Питер", 2000. - 672 с.:ил.

Дополнительные:

1.Крук Б.И., Попантонопуло В.Н., Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети. Т1:учеб.пособие/изд.2-е, испр. и доп. -Новосибирск: Сиб.предприятие "Наука" РАН, 1998.

2.Компьютерные системы и сети: Учеб.пособие/ В.П.Косарев и др./Под ред. В.П.Косарева и Л.В.Еремина-М.:Финансы и статистика,1999.

114

3. Словарь сетевых терминов http://ivb.unact.ru/

Тема 3.3. Передача данных по сети

Цели изучения темы

Учебная - изучение структуры, основных компонентов и функций пакета.

Развивающая - развитие мышления, памяти, самостоятельности студентов посредством умственных, исследовательских способов познавательной деятельности.

Воспитательная - формирование научного мировоззрения, навыков индивидуальной самостоятельной работы с учебным материалом.

Требования к знаниям и умениям

Студент должен знать:

функции пакетов;

структуру и компоненты пакета;

процесс формирования пакета.

Студент должен уметь:

описать структуру и компоненты пакета;

описать процесс формирования пакета, функции пакета.

Ключевой термин

Ключевой термин: пакет.

Пакет - единица информации, передаваемой по компьютерной сети.

Второстепенные термины

заголовок - часть пакета, содержащий следующую информацию:

адрес источника;

адрес местоназначения;

информацию, синхронизирующую передачу.

данные - это часть пакета, содержащая собственно передаваемые данные;

трейлер (или концевик) - это часть пакета, содержащая информацию для проверки ошибок при приеме пакета.

Структурная схема терминов

Назначение пакетов

Данные обычно содержатся в больших по размерам файлах. Однако сети не будут нормально работать, если компьютер посылает этот блок данных целиком. Существует две причины, замедляющие работу сети при передаче по кабелю больших блоков данных.

Во-первых, такой блок, посылаемый одним компьютером, заполняет кабель и "связывает" работу всей сети, т.е. препятствует взаимодействию остальных сетевых компонентов.

115

Во-вторых, возникновение ошибок при передаче крупных блоков приводит к повторной передаче всего блока. А если поврежден небольшой блок данных, то требуется повторная передача именно этого небольшого блока, что значительно экономит время.

Рисунок 3.3.1. Большие потоки данных замедляют работу сети

Чтобы быстро и легко, не тратя времени на ожидания, передавать по сети данные, надо разбить их на небольшие управляемые блоки. Эти блоки называются пакетами или кадрами. Хотя термины "пакет" и "кадр" синонимичны, полными синонимами они все-таки не являются. Существуют различия между этими терминами в компьютерных сетях некоторых типов.

Пакет - основная единица информации в компьютерных сетях. При разбиении данных на пакеты скорость их передачи возрастает настолько, что каждый компьютер в сети получает возможность принимать и передавать данные практически одновременно с остальными компьютерами. На целевом компьютере (компьютере-получателе) пакеты накапливаются и выстраиваются в должном порядке для восстановления исходного вида данных.

Рисунок 3.3.2. Разбиение данных на пакеты

При разбиении данных на пакеты сетевая операционная система добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию. Она обеспечивает:

передачу исходных данных небольшими блоками;

сбор данных в надлежащем порядке (при их получении);

проверку данных на наличие ошибок (после сборки).

Структура пакета

Пакеты могут содержать несколько типов данных:

информацию (например, сообщения или файлы);

определенные виды данных и команд, управляющих компьютером (например, запросы к службам);

коды управления сеансом (например, запрос на повторную передачу для исправления ошибки).

116

Основные компоненты

Некоторые компоненты являются обязательными для всех типов пакетов:

адрес источника (source), идентифицирующий компьютер-отправитель;

передаваемые данные;

адрес местоназначения (destination), идентифицирующий компьютер-получатель;

инструкции сетевым компонентам о дальнейшем маршруте данных;

информация компьютеру-получателю о том, как объединить передаваемый пакет с остальными, чтобы получить данные в исходном виде;

информация для проверки ошибок, обеспечивающая корректность передачи.

Компоненты пакета группируются в три раздела: заголовок, данные и трейлер.

Рисунок 3.3.3. Компоненты пакета

Заголовок

Заголовок включает:

сигнал, "говорящий" о том, что передается пакет;

адрес источника;

адрес местоназначения;

информацию, синхронизирующую передачу.

Данные

Эта часть пакета - собственно передаваемые данные. В зависимости от типа сети ее размер может меняться. Но для большинства сетей он составляет от 512 байтов (0,5 Кб) до 4 Кб.

Так как обычно размер исходных данных гораздо больше 4 Кб, для помещения в пакет их необходимо разбивать на меньшие блоки. При передаче объемного файла может потребоваться много пакетов.

Трейлер

Содержимое трейлера зависит от метода связи, или протокола. Впрочем, чаще всего трейлер содержит информацию для проверки ошибок, называемую циклическим избыточным кодом (Cyclical Redundancy Check, CRC). CRC - это число, получаемое в результате математических преобразований над пакетом и исходной информацией. Когда пакет достигает местоназначения, эти преобразования повторяются. Если результат совпадает с CRC - пакет принят без ошибок. В противном случае - при передаче данные изменились, поэтому необходимо повторить передачу пакета.

Рисунок 3.3.4. Сформированный пакет

117

Формат и размер пакета зависят от типа сети. А максимальный размер пакета определяет, в свою очередь, количество пакетов, которое будет создано сетевой операционной системой для передачи большого блока данных.

Формирование пакетов

Процесс формирования пакета начинается на Прикладном уровне модели OSI, т.е. там, где "рождаются" данные. Информация, которую надо переслать по сети, проходит сверху вниз все семь уровней, начиная с Прикладного.

На каждом уровне компьютера-отправителя к блоку данных добавляется информация, предназначенная для соответствующего уровня компьютера-получателя. Например, информация, добавленная на Канальном уровне компьютера-отправителя, будет прочитана Канальным уровнем компьютера-получателя.

Рисунок 3.3.5. Формирование пакета

118

Транспортный уровень разбивает исходный блок данных на пакеты. Структура пакетов определяется протоколом, который используют два компьютера - получатель и отправитель. На Транспортном уровне, кроме того, к пакету добавляется информация, которая поможет компьютеру-получателю восстановить исходные данные из последовательности пакетов. Когда, завершив свой путь к кабелю, пакет проходит Физический уровень, он содержит информацию всех остальных шести уровней.

Адресация пакета

Большинство пакетов в сети адресуется конкретному компьютеру, и, как результат, только он один реагирует на них. Каждая плата сетевого адаптера "видит" все пакеты, передаваемые по сегменту кабеля, но только при совпадении адреса пакета с адресом компьютера она прерывает его работу. Используется также и широковещательная адресация (broadcast addressing). На пакет с таким типом адреса одновременно реагирует множество компьютеров в сети.

В крупномасштабных сетях, покрывающих огромные территории (или государства), предлагается несколько возможных маршрутов для передачи данных. Коммутирующие и соединяющие сетевые компоненты используют адресную информацию пакетов для определения наилучшего из маршрутов.

Рассылка пакетов

Сетевые компоненты используют адресную информацию пакетов и для других целей: чтобы направлять пакеты по местоназначению и не допускать их в те области сети, к которым они не относятся. В правильной рассылке пакетов ключевую роль играют две функции.

продвижение пакетов

Компьютер может отправить пакет на следующий подходящий сетевой компонент, основываясь на адресе из заголовка пакета.

фильтрация пакетов

119

Компьютер может отбирать определенные пакеты на основе некоторых критериев, например адреса.

Выводы по теме

1.Пакет - единица информации, передаваемой по компьютерной сети.

2.При разбиении данных на пакеты сетевая операционная система добавляет к каждому пакету специальную управляющую информацию.

3.Компоненты пакета группируются в три раздела: заголовок, данные и трейлер.

4.Формат и размер пакета зависят от типа сети.

5.Процесс формирования пакета начинается на Прикладном уровне модели OSI.

6.Информация, которую надо переслать по сети, проходит сверху вниз все семь уровней, начиная с Прикладного.

7.На каждом уровне компьютера-отправителя к блоку данных добавляется информация, предназначенная для соответствующего уровня компьютера-получателя.

8.Большинство пакетов в сети адресуется конкретному компьютеру, и, как результат, только он один реагирует на них.

9.Используется также и широковещательная адресация (broadcast addressing). На пакет с таким типом адреса одновременно реагирует множество компьютеров в сети.

10.В правильной рассылке пакетов ключевую роль играют две функции: продвижение пакетов и фильтрация пакетов.

Вопросы для самоконтроля

1.Объясните термин: "пакет".

2.Для чего данные, передаваемые по компьютерной сети, разбивают на пакеты?

3.Какую функцию играет специальная управляющая информация, которую сетевая операционная система добавляет к каждому пакету?

4.Какова структура пакета?

5.Какие функции в правильной рассылке пакетов играют ключевую роль?

6.Что означает термин "продвижение" пакетов?

7.Что означает термин "фильтрация" пакетов?

Расширяющий блок

Структура IP-пакета

IP-пакет состоит из заголовка и поля данных. Заголовок, как правило, имеющий длину 20 байт, имеет следующую структуру (рис. 3.3.7).

Поле Номер версии (Version), занимающее 4 бит, указывает версию протокола IP. Сейчас повсеместно используется версия 4 (IPv4), и готовится переход на версию 6 (IPv6).

Поле Длина заголовка (IHL) IP-пакета занимает 4 бит и указывает значение длины заголовка, измеренное в 32-битовых словах. Обычно заголовок имеет длину в 20 байт (пять 32-битовых слов), но при увеличении объема служебной информации эта длина может быть увеличена за счет использования дополнительных байт в поле Опции (IP Options). Наибольший заголовок занимает 60 октетов.

Поле Тип сервиса (Type of Service) занимает один байт и задает приоритетность пакета и вид критерия выбора маршрута. Первые три бита этого поля образуют подполе приоритета пакета (Precedence). Приоритет может иметь значения от самого низкого - 0 (нормальный пакет) до самого высокого - 7 (пакет управляющей информации). Маршрутизаторы и компьютеры могут принимать во внимание приоритет пакета и обрабатывать более важные пакеты в первую очередь. Поле Тип сервиса содержит также три бита, определяющие критерий выбора маршрута. Реально выбор осуществляется между тремя альтернативами: малой задержкой, высокой достоверностью и высокой пропускной способностью. Установленный бит D (delay) говорит о том,

120

что маршрут должен выбираться для минимизации задержки доставки данного пакета, бит Т - для максимизации пропускной способности, а бит R - для максимизации надежности доставки. Во многих сетях улучшение одного из этих параметров связано с ухудшением другого, кроме того, обработка каждого из них требует дополнительных вычислительных затрат. Поэтому редко, когда имеет смысл устанавливать одновременно хотя бы два из этих трех критериев выбора маршрута. Зарезервированные биты имеют нулевое значение.

Рисунок 3.3.6. Структура заголовка IP-пакета

Поле Общая длина (Total Length) занимает 2 байта и означает общую длину пакета с учетом заголовка и поля данных. Максимальная длина пакета ограничена разрядностью поля, определяющего эту величину, и составляет 65 535 байт, однако в большинстве хост-компьютеров и сетей столь большие пакеты не используются. При передаче по сетям различного типа длина пакета выбирается с учетом максимальной длины пакета протокола нижнего уровня, несущего IPпакеты. Если это кадры Ethernet, то выбираются пакеты с максимальной длиной в 1500 байт, умещающиеся в поле данных кадра Ethernet. В стандарте предусматривается, что все хосты должны быть готовы принимать пакеты вплоть до 576 байт длиной (приходят ли они целиком или по фрагментам). Хостам рекомендуется отправлять пакеты размером более чем 576 байт, только если они уверены, что принимающий хост или промежуточная сеть готовы обслуживать пакеты такого размера.

Поле Идентификатор пакета (Identification) занимает 2 байта и используется для распознавания пакетов, образовавшихся путем фрагментации исходного пакета. Все фрагменты должны иметь одинаковое значение этого поля.

Поле Флаги (Flags) занимает 3 бита и содержит признаки, связанные с фрагментацией. Установленный бит DF (Do not Fragment) запрещает маршрутизатору фрагментировать данный пакет, а установленный бит MF (More Fragments) говорит о том, что данный пакет является промежуточным (не последний) фрагментом. Оставшийся бит зарезервирован.

Поле Смещение фрагмента (Fragment Offset) занимает 13 бит и задает смещение в байтах поля данных этого пакета от начала общего поля данных исходного пакета, подвергнутого фрагментации. Используется при сборке/разборке фрагментов пакетов при передачах их между сетями с различными величинами MTU. Смещение должно быть кратно 8 байт.

Поле Время жизни (Time to Live) занимает один байт и означает предельный срок, в течение которого пакет может перемещаться по сети. Время жизни данного пакета измеряется в секундах и задается источником передачи. На маршрутизаторах и в других узлах сети по истечении каждой