Информационные технологии

Информатизация общества является одной из закономерностей современного социального прогресса. Этот термин все настойчивее вытесняет широко используемый до недавнего времени термин «компьютеризация общества». При внешней похожести этих понятий они имеют существенное различие.

При компьютеризации общества основное внимание уделяется развитию и внедрению технической базы компьютеров, обеспечивающих оперативное получение результатов переработки информации и ее накопление.

При информатизации общества основное внимание уделяется комплексу мер, направленных на обеспечение полного использования достоверного, исчерпывающего и своевременного знания во всех видах человеческой деятельности.

Таким образом «информатизация общества» является более широким понятием, чем «компьютеризация общества», и направлена на скорейшее овладение информацией для удовлетворения своих потребностей. В понятии «информатизация общества» акцент надо делать не столько на технических средствах, сколько на сущности и цели социально-технического процесса. Компьютеры являются базовой технической составляющей процесса информатизации общества.

Информационные системы и технологии

Понятие информационной системы

Под системой понимают любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как объединенная в интересах достижения поставленных целей совокупность разнородных, взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. Системы значительно отличаются между собой как по составу, так и по главным целям.

Приведем несколько систем, состоящих из разных элементов и направленных на реализацию разных целей.

Система	Элементы системы	Главная цель системы
Предприятия	Люди, оборудование, материалы, здания и др.	Производство товаров
Компьютер	Электронные и электромеханические элементы, линии связи и др.	Обработка данных
Телекоммуникационная система	Компьютеры, модемы, кабели, сетевое программное обеспечение и др.	Передача информации
Информационная система	Компьютеры, компьютерные сети, люди, информационное и программное обеспечение	Производство профессиональной информации

В информатике понятие «система» широко распространено и имеет множество смысловых значений. Чаще всего оно используется применительно к набору технических средств и программ. системой может также считаться множество программ для решения конкретных прикладных задач, дополненных процедурами ведения документации и управления расчетами.

Добавление к понятию «система» слова «информационная» отражает цель ее создания и функционирования. Информационные системы обеспечивают сбор, хранение, обработку, поиск, выдачу информации, необходимой в процессе принятия решений задач из любой области. Они помогают анализировать проблемы и создавать новые продукты.

Информационная система– взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Современное понимание информационной системы предполагает использование в качестве основного технического средства переработки информации персонального компьютера. В крупных организациях наряду с персональным компьютером в состав технической базы информационной системы может входить мэйнфрейм или супер ЭВМ. Кроме того, техническое воплощение информационной системы само по себе ничего не будет значить, если не учтена роль человека, для которого предназначена производимая информация и без которого невозможно ее получение и представление.

Под организацией подразумевают сообщество людей, объединенных общими целями и использующих общие материальные и финансовые средства для производства материальных и информационных продуктов и услуг. В тексте на равноправных началах будут употребляться два слова: «организация» и «фирма».

Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационными системами. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом для информационных систем. Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

Процессы в информационной системе

Процессы, обеспечивающие работу информационной системы любого назначения, условно можно представить в виде схемы (рисунок 1), состоящий из блоков:

• ввод информации из внешних или внутренних источников;

• обработка входной информации и представление ее в удобном виде;

• вывод информации для представления потребителям или передачи в другую систему;

• обратная связь – это информация, переработанная людьми данной организации для коррекции входной информации.

Рисунок 1 Процессы в информационной системе

Информационная система определяется следующими свойствами:

• любая информационная система может быть подвергнута анализу, построена и управляема на основе общих принципов построения систем;

• информационная система является динамичной и развивающейся;

• при построении информационной системы необходимо использовать системный подход;

• выходной продукцией информационной системы является информация, на основе которой принимаются решения;

• информационную систему следует воспринимать как человеко - компьютерную систему обработки информации.

Сложилось мнение об информационной системе как о системе, реализованной с помощью компьютерной техники. Хотя в общем случае информационную систему можно понимать и в некомпьютерном варианте.

Чтобы разобраться в работе информационной системы, необходимо понять суть проблем, которые она решает, а также организационные процессы, в которые она включена. Так, например, при определении возможности компьютерной информационной системы для поддержки принятия решений следует учитывать:

• структурированность решаемых управленческих задач;

• уровень иерархии управления, на котором решение должно быть принято;

• принадлежность решаемой задачи к той или иной функциональной сфере бизнеса;

• вид используемой информационной технологии.

Технология работы в компьютерной информационной системе доступна для понимания специалистом некомпьютерной области и может быть успешно использована для контроля процессов профессиональной деятельности и управления ими.

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ

Основы сетевых технологий

Общие вопросы построения сетей определяются концепцией Единой сети электросвязи Российской Федерации (ЕСЭ РФ).

Телекоммуникационные системы и сетипредставляют комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между абонентами с заданными параметрами качества.Сообщение – форма представления информации, удобная для передачи на расстояние. Отображение сообщения обеспечивается изменением какого-либо параметра информационногосигнала,который представляет собой физический процесс.

Телекоммуникационные системы– это комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих электрическую связь между абонентами. Под электросвязью понимают передачу и прием электромагнитных сигналов по проводной, оптической и беспроводной среде распространения. Основу телекоммуникационных систем составляют многоканальные системы передачи (МСП), предназначенные для формирования каналов связи (рисунок 3). Обобщенная структурная схема системы электросвязи состоит из ИС – источник, ПС – получатель сообщения, Сооб/Сигн – преобразователь сообщения в сигнал, Сигн/Сооб – преобразователь сигнала в сообщение, П – передатчик, Пр – приемник.

Рисунок 3 Обобщенная структурная схема системы электросвязи

Сообщение при помощи преобразователя Сооб/Сигнпреобразуется в первичный электрический сигнал. Первичные сигналы не всегда удобно (а иногда не возможно) непосредственно передавать по линии связи. Поэтому первичные сигналы при помощи передатчикаПпреобразуются в линейные или вторичные сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с характеристиками линии связи. ПриемникПрпринимает и преобразует линейные сигналы в первичные и с помощью преобразователя Сигн/Сооб происходит обратный процесс преобразования первичных сигналов в сообщение.

Наиболее дорогостоящими элементами телекоммуникационной системы являются линя связи, поскольку ее протяженность может составлять сотни и даже тысячи километров. Следовательно, невозможно проложить индивидуальные линии связи между всеми многочисленными абонентами. По этой причине в линии формируется набор каналов для обеспечения связи между каждой парой абонентов.

Канал связи– представляет собой совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на заданное расстояние с требуемым качеством.

Соединением многочисленных абонентов находящихся на большом расстоянии между собой, обычно производится через транзитные(телекоммуникационные)узлы(ТУ)илипункты(узлы)связи(рисунок 4). Совокупность абонентов(А)и узлов связи, соединенных линиями (каналами) связи, образует телекоммуникационную сеть. При этом узлы связи производяткоммутациюпоступившего сообщения с входного порта (интерфейса) на выходной. Например, в сети показанной на рисунке 4 при передачи сообщения от абонентаА2абонентуА6транзитный узелТУ1производит коммутацию сообщения с входного интерфейсаВ на выходной интерфейсС, транзитный узелТУ3– с входного интерфейсаВна выходнойЕ. При этом формируется определенныймаршрут, по которому передается сообщение. Процесс формирования маршрута, получил названиекоммутация, также как передача (продвижение) сообщения с входного интерфейса на выходной. Следовательно,транзитные (телекоммуникационные)узлывыполняют функциюкоммутатора. В некоторых сетях все возможные маршруты уже созданы и необходимо выбрать наиболее оптимальный. Процесс выбора оптимального маршрута получил названиемаршрутизация,а устройство ее реализующее –маршрутизатор.

Рисунок 4 Телекоммуникационная сеть.

Телекоммуникационные узлы могут быть транзитными или оконечными, например автоматические телефонные станции (АТС). Как транзитные, так и оконечные телекоммуникационные узлы могут выполнять функции коммутаторов и (или) маршрутизаторов. Для создания маршрута необходимо задать адреса источника и получателя сообщения. Обычно задают адреса соответствующих интерфейсов узлов и абонентов. Выбор оптимального маршрута узлы производят на основе таблиц коммутации(или маршрутизации) с использованием определенного критерияметрики.

При анализе телекоммуникационных систем рассматривается процесс передачи сигналов между узлами и формирование каналов для передачи информационных потоков, а при анализе телекоммуникационных сетей – коммутация и маршрутизация, т.е передача информационных потоков (трафик) по каналам (трактам)линий связи сети.Информационный поток– это совокупность сообщений или, по-другому, последовательность информационных единиц, объединенных общими признаками.

В связи с большим разнообразием видов передаваемых сообщений и сигналов, среды распространения, методов и устройств коммутации сигналов и информационных потоков существует большое разнообразие систем сетей телекоммуникаций.

Одна из возможных классификаций сетей электросвязи представлена в таблице.

Вид квалификации	Сети, входящие в ЕСЭ РФ
По категориям	Сети общего пользования		Сети ограниченного пользования
			Выделенные сети		Технологические сети		Сети специального назначения
По виду передаваемых сообщений	Телефонные сети		Сети радиовещания		Сети телевизионного вещания		Сети передачи данных
По видам коммутации	Некоммутируемые		Коммутируемые
			Коммутация каналов		Коммутация пакетов		Коммутация сообщений
По способу организации каналов	Первичные				Вторичные
По территориальному делению		Международные сети		Магистральные междугородные сети		Внутризоновые региональные сети	Местные сети
По функциональному признаку		Сети доступа				Транспортные сети
По типу абонентских терминалов		Сети фиксированной связи				Сети подвижной связи
По количеству служб связи		Моносервисные				Мультисервисные
По виду среды распространения		Проводные (медные, оптические)		Беспроводные радиосети		Смешанные сети

Из таблицы следует, что ЕСЭ РФ представляет собой совокупность сетей, квалифицированных на категории общего и ограниченного пользования (ведомственных, корпоративных, частных)

В соответствии с видом передаваемого сообщения (телефонные сети, сети радио и телевизионного вещания, сети передачи данных) телекоммуникационные сети характеризуются различными видами трафика (информационного потока). Например, в телефонных сетяхтрафикпотоковый(равномерный), а в сетяхпередачи данных–пульсирующий.

Для двух принципиально различных видов трафика (потокового и пульсирующего) были созданы различные сети: с коммутацией каналов для потокового трафика и с коммутацией пакетов (сообщений) для пульсирующего трафика. Для обеспечения связи между определенными наиболее важными узлами и пунктами иногда создаются некоммутируемые(выделенные) соединения (некоммутируемые выделенные сети)

В телекоммуникационных сетях службы электросвязи предоставляют пользователям услуги (телефонную связь, передачу данных и др.). Поэтому в общем случае телекоммуникационная сеть может быть представлена тремя уровнями иерархии (рисунок 5)

Рисунок 5 Уровни иерархии телекоммуникационной сети

В соответствии с данной схемой и классификацией представленной в таблице первичные сетиобеспечивают для вторичных сетей каналы и линии связи. С этой целью первичные сети через системы передачи связывают между собой сетевые узлы и станции. Вторичные сети обеспечивают транспортировку сообщений, с учетом того, какого вида услуги будут предоставлены службами электросвязи. Например, первичные сетиSDHпредоставляют транспортные услуги вторичным сетям: телефонным сетям с коммутацией каналов,IPсетям с коммутацией пакетов и другим. Сети с коммутацией каналов на физическом уровне предоставляют сервис для сетей с коммутацией пакетов. Поэтому в большинстве случаев сети с коммутацией каналов являются первичными по отношению к сетям с коммутацией пакетов.

В соответствии с территориальным признаком первичные сети классифицируются на магистральные (международные и междугородные), внутризоновые и местные сети (таблица).

Магистральные сетисоединяют каналами связи областные и республиканские центры РФ.

Внутризоновые сетисоединяют каналами связи районные центры между собой и с областным центром.

Местные первичные сетиобеспечивают связь в пределах района или города.

Внутризоновые и местные первичные сети часто выступают под единым названием – зоновые первичные сети

Таким образом, первичные сети и вторичные сети обеспечивают транспорт для сообщения, а сетевые службыобеспечивают услугидля пользователя.

Подключение к транспортным магистральным сетям пользователи реализуют через сети доступа. Структурная схема телекоммуникационной сети, в которой выделены транспортный уровень (магистральная сеть) и уровень доступа (сети доступа) приведена на рисунке 6. Здесь же показано место локальных сетей. Сети доступа относятся к разветвленным региональным сетям.

Рисунок 6 Структурная схема телекоммуникационной сети.

В настоящее время в соответствии с концепцией Единой сети электросвязи Российской Федерации создаются сети нового поколения (NextGeneralNetwork–NGN), в которых все виды трафика передаются по единой сети связи в цифровой форме. Подобные сети также называются мультисервисными в отличие от ранее существующих моносервисных сетей. Транспортный уровень сетиNGNсоздается на базеIPсетей с распределенной коммутацией пакетов, т.е. транспорт обеспечивается средствами первичных и вторичных сетей. Доступ к транспортной сети обеспечивается через соответствующие устройства и шлюзы.

Сети следующего поколения NGNобеспечивают широкий набор услуг с гибкими возможностями по их управлению. Телекоммуникационные сети нового поколения используются для различных видов информации: дискетных данных, аудио- и видео- информации. Услуга передачи указанной триады (голоса, данных, видео-информации) по единой мультисервисной сети получила названиеTriple Play.

Классификация сетей передачи данных

Методы и устройства, используемые в вычислительных (компьютерных) сетях, широко применяются в сетях телекоммуникаций, а методы и средства телекоммуникаций используются в вычислительных сетях. В сетях передачи данных поток может быть передан различными информационными единицами: битами, байтами, кадрами, пакетами, ячейками, образующими информационный поток. Сети передачи данных, как правило, относятся к сетям с коммутацией пакетов.

Согласно одной из классификаций сети передачи данных подразделяются на локальные и глобальные. Сеть может размещаться на ограниченном пространстве, например, в отдельном здании, в аудитории. При этом она называетсялокальной вычислительной сетью–ЛВС (Local Area Network – LAN). Основными технологиями локальных вычислительных сетей, которые применяются в настоящее время являютсяEthernet,FastEthernet,GigabitEthernet.

Совокупность нескольких локальных сетей называют составной распределенной или глобальной сетью (internetwork,internet). В составную сеть могут входить подсети (subnet) различных технологий. Крупные фирмы (корпорации) создают свои собственные сети (intranet), которые используют технологии как глобальных, так локальных сетей. Таким образом, объединение пользователей, расположенных на широком географическом пространстве, например, в разных городах, для совместного использования информационных данных, производится с помощьюглобальных вычислительных сетей – ГВС (Wide Area Network WAN).

Основы модели osi.

Прежде чем рассматривать саму модель следует дать определение термина «пакет». Для описания фрагмента информации передаваемой по сети, применяются термины «пакет», «дейтаграмма», «фрейм», «сообщение» и «сегмент». Все они по сути имеют один и тот же смысл, но относятся к разным уровням модели OSI. Например, пакет можно рассматривать как конверт с письмом. Чтобы отправить этот конверт по почте, необходимо выполнить ряд требований:

Подготовить почтовое вложение. Эта составляющая почтового отправления представляет собой письмо, например фотография отправляемая другу.

Написать на конверте адрес отправителя. Эта составляющая служит в качестве обратного адреса, который должен быть написан на стандартном конверте. Адрес прежде всего указывает на отправителя, а также необходим если возникнут проблемы с доставкой.

Написать на конверте адрес получателя. Это является адресом друга, кому предназначено данное послание. Без него письмо не дойдет до адресата.

Пройти через систему проверки.Это составляющая представляет собой штемпель на почтовой марке. Он подтверждает, что письмо отправлено с соблюдением всех требований и соответствует стандартам почтовой службы.

Передача сетевого пакета фактически происходит по тем же принципам, как и отправка обычного письма. Рассмотрим в качестве примера сообщение по электронной почте.

Почтовое вложение.Этот компонент представляет собой передаваемые данные, допустим электронное письмо другу.

Адрес отправителя.Этот компонент служит для того, чтобы узнать от кого письмо и если возникнут сложности с доставкой сообщить вам об этом.

Адрес получателя.Этот компонент представляет собой электронный адрес необходимый для отправки сообщения.

Информация для системы проверки. Если речь идет о пакете, то этот компонент представляет собой определенную информацию для системы контроля ошибок. В данном случае применяется контрольная последовательность фрейма (FrameCheckSequence–FCS). Такую последовательность можно рассматривать как результат вычислений, выполненных над содержимым пакета с помощью некоторой математической формулы. Если вычисленияFCSв пункте назначения дадут правильный результат, это будет означать, что данные в пакете являются действительными и должны быть прияты. А если результаты вычисления окажутся неправильными, сообщение будет отброшено.

Еще одно определение, которое нам понадобится – «протокол»

Протокол. Набор правил, описывающих метод передачи информации по сети. Протоколы управляют форматом, временем передачи данных и исправлением ошибок, возникающих при передаче.

Модель OSI(OpenSystemsInterconnection– взаимодействие открытых систем) представляет собой один из способов многоуровневой организации сетей. В той или иной реализации набора протоколов некоторые из уровней модели могут даже не использоваться, но модельOSIразработана так, чтобы любую сетевую функцию можно было представить на одном из ее семи уровней. Описание уровней, начиная с 7 уровня и заканчивая 1, приведено в таблице 1. Здесь принята именно такая последовательность описания уровней, поскольку она позволяет лучше понять устройство модели.

Уровень	Назначение
Уровень 7 (прикладной application)	Этот уровень отвечает непосредственно за взаимодействие с самим приложением. Он позволяет разработать приложение, используя для него минимальный объем сетевого кода. В приложении достаточно предусмотреть передачу прикладному протоколу информации о том, какие действия он должен выполнить, а прикладной протокол сам преобразует полученный запрос в команды, выполняемые набором протоколов.
Уровень 6 (представительский presentation)	На этом уровне выполняются все действия, которые связаны с форматированием пакета: сжатие, шифрование, кодирование и преобразование символов. Например, если текст в письме, полученном по электронной почте, представляет собой полную бессмыслицу, это означает что возникла проблема на представительском уровне.
Уровень 5 (сеансовый session)	На этом уровне устанавливаются соединения (или сеансы) между двумя оконечными точками связи (обычно приложениями). Он обеспечивает настройку в приложении, находящемся на другом конце соединения, правильных параметров, позволяющих установить двухстороннюю связь с приложением – отправителем.
Уровень 4 (транспортный transport)	Этот уровень обеспечивает взаимодействие двух прикладных программ. В зависимости от применяемого протокола, на этом уровне могут выполняться функции обнаружения и устранения ошибок, установки и разрыва сеанса транспортного уровня, мультиплексирование, фрагментации и управления потоком данных.
Уровень 3 (сетевой network)	Этот уровень отвечает в основном за логическую адресацию и определение маршрута (или маршрутизацию)между группировками логических адресов.
Уровень 2 (канальный datalink)	Этот уровень отвечает за физическую адресацию и управление сетевой интерфейсной платы (которую называют также сетевой платой). В зависимости от применяемого протокола, на этом уровне может также осуществляться управление потоком данных. Кроме того, на этом уровне в пакет вводится последовательность FCS, в результате чего появляется возможность обнаружения некоторой ошибки.
Уровень 1 (физический physical)	Этот уровень является самым простым, и выполняемые в нем функции в основном касаются физических характеристик сетевого соединения: кабельной разводки, соединителей и всех прочих физических компонентов. Этот уровень отвечает также за преобразование битов и байтов (логических единиц и нулей) в физическую форму (электрические импульсы, синусоидальные колебания или оптические сигналы) со стороны отправителя и за обратное преобразование в биты со стороны получателя.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Важно различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень семиуровневой модели.

Рассмотрим передачу данных по сети с одного компьютера на другой осуществляется такой процесс следующим образом: данные исходят из приложения, передаются вниз по уровням модели, проходят через передающую среду (чаще всего это медный или волоконно-оптический кабель) в виде электрического или оптического сигнала, представляющего отдельные логические нули и единицы, после чего поднимаются по уровням модели на другом конце соединения. По мере выполнения этих действий на каждом уровне, который имеет соответствующий протокол, к пакету добавляется заголовок, указывающий способ обработки пакета на другом конце соединения с помощью такого же протокола. Этот процесс называется инкапсуляция данных. Схема этого процесса приведена на рисунке. На этой схеме AHобозначает заголовок прикладного уровня (ApplicationHeader),PH- представительского (PresentationHeader),SHсеансового (SessionHeader),THтранспортного (TransportHeader),NHсетевого (NetworkHeader),DHканального (DatalinkHeader) иPHфизического (PhysicalHeader). После прибытия к месту назначения пакет проходит вверх по уровням модели и на каждом уровне удаляются заголовки с ответствующих протоколов. Ко времени поступления пакета в приложение в нем остаются только данные, которые принято также называть содержимым пакета (payload).

Перейдем к рассмотрению особенностей каждого уровня и дополнительных процессов, за которые отвечает каждый уровень.

Уровень 7 – ПРИКЛАДНОЙ

Прикладной уровень отвечает за взаимодействие с пользовательским приложением. Но, следует отметить, что обычно он обменивается данными не с самим пользовательским приложением, а скорее с сетевыми приложениями, которые применяются в пользовательском приложении. Например, при просмотре ресурсов Webпользовательским приложением является программа броузера, такая какMicrosoftInternetExplorer. А в качестве сетевого приложения в данном случае используется программное обеспечение протоколаHTTP, которое применяется также во многих других пользовательских приложениях (таких какNetscapeNavigator). В общем, можно считать, что прикладной уровень отвечает за создание первоначального пакета, поэтому, если создается впечатление, что программное обеспечение протокола создает пакеты, которых до сих пор не существовало, то оно обычно относится к протоколу прикладного уровня. Хотя такое правило не всегда соблюдается (поскольку собственные пакеты создаются также протоколами, которые существуют на других уровнях), это общее определение протокола прикладного уровня вполне приемлемо. К числу широко применяемых протоколов прикладного уровня относятсяHTTP,FTP,Telnetи т.д.

Уровень 6 – ПРЕДСТАВИТЕЛЬСКИЙ

Назначение представительского уровня понять проще всего, поскольку протокол этого уровня можно легко увидеть в действии. На представительском уровне происходит модификация формата данных. Например, к сообщению электронной почты может прилагаться изображение. Но простой протокол электронной почты (SimpleMailTransferProtocol–SMTP) может обеспечить передачу только простого текста (состоящего из семибитовых символов в кодеASCII). Для обеспечения передачи изображения приложение должно воспользоваться протоколом представительского уровня для преобразования изображения в обычный текст. В данном случае применяется протокол многоцелевых почтовых расширенийInternet(MultipurposeInternetMailExtensions–MIME). Это протокол отвечает также за обратное преобразование текста в изображение после его прибытия к месту назначения. Если эта работа не будет выполнена, то содержимое сообщения будет выглядеть примерно так:

BSCH ^@%CNE (37ghjk)><{} I_DPI YYY

Такая последовательность знаков, безусловно, не похожа на графическое изображение, и ее получение свидетельствует о наличии проблемы. Тем самым мы видим, что у нас проблемы на представительском уровне. Кроме того представительский уровень отвечает за сжатие и шифрование, а также за выполнение других действий которые приводят к изменению формата. К числу наиболее широко применяемых форматов представления данных относятся ASCII,JPEC,MPEGиGIF.

Уровень 5 – СЕАНСОВОЙ

В отличии от предыдущих работу протоколов сеансового уровня понять сложнее всего. Эти протоколы отвечают за установление, поддержание и завершение сеансов. Но это определение является слишком общим и расплывчатым, поскольку в установлении, поддержании и завершении сеансов в той или иной степени фактически участвуют и протоколы других уровней. Проще всего можно представить себе назначение сеансового уровня в том, что он выполняет функции посредника между двумя приложениями. К наиболее широко применяемых протоколов сеансового уровня относятся RPC,LDAPи служба сеансовNetBIOS.

Уровень 4 – ТРАНСПОРТНЫЙ

На транспортном уровне выполняется целый ряд функций. Наиболее важными из них являются контроль ошибок, их исправление и управление потоком данных. Транспортный уровень отвечает за надежную работу служб межсетевой передачи данных, функции которой выполняются незаметно для программ более высокого уровня. Проще всего понять, как осуществляются функции контроля и исправления ошибок на транспортном уровне, изучив различия между связью с установлением и без установления логического соединения.

Связь с установлением и без установления логического соединения.

Связь с установлением логического соединения получила такое название потому, что она предусматривает установление соединения между двумя компьютерами, подключенными к сети (называемые также хостами), еще до начала передачи данных пользователем. Это позволяет обеспечить двухстороннюю связь. Иными словами, вначале протокол транспортного уровня предусматривает передачу получателю специальных пакетов, с помощью которых другой участник соединения может определить, что к нему вскоре поступят данные. Затем получатель передает специальный пакет отправителю, чтобы он мог узнать, что его «предупреждающее» сообщение получено. Такой предварительный обмен пакетами позволяет обоим участникам соединения убедиться в том, что связь между ними возможна.

В большинстве случаев связь с установлением логического соединения предусматривает также гарантии доставки. Иными словами, если при передачи пакета удаленному хосту происходит ошибка, то на транспортном уровне выполняется повторная передача этого же пакета, а если это невозможно, отправитель получает сообщение, что доставка пакета окончилась неудачей.

С другой стороны, связь без установления логического соединения обладает прямо противоположными свойствами. Во-первых, первоначально не устанавливается какое-либо соединение. Во-вторых, в большинстве случаев (но не во всех) не применяются какие-либо средства исправления ошибок. Обязанности по исправлению ошибок должно взять на себя само приложение или программное обеспечение протокола одного из уровней, находящегося выше или ниже транспортного уровня. Специалисты по сетям часто называют связь без установления логического соединения связью по принципу «отправить и забыть». По сути, протокол транспортного уровня отправляет пакет и «забывает» о нем.

В большинстве случаев уловить различие между протоколами с установлением и без установления логической связи очень легко. Это можно продемонстрировать с простым письмом или письмом с уведомлением.

Управление потоком данных.

В своей простейшей форме управление потоком данных представляет собой метод обеспечения того, чтобы чрезмерно интенсивный поток данных не захлестнул оконечную станцию. Например, предположим, что персональный компьютер А обрабатывает данные со скоростью 100 Мбит/с, а компьютер В – со скоростью 10 Мбит/с. Если компьютер А начнет передавать компьютеру В какие-либо данные на полной скорости, то 90% этой информации будет потеряно, поскольку компьютер В не способен принимать информацию на скорости 100 Мбит/с. В предотвращении этой ситуации и состоит назначение средств управления потоком данных.

Применяемые в настоящее время методы управления потоком данных подразделяются на три типа.

Буферизация

Самым простым из методов является буферизация, которая в основном применяется в сочетании с другими методами управления потоком данных. Буфер можно рассматривать как резервуар. Предположим, что из одной трубы в этот резервуар втекает четыре литра воды в минуту, а из другой трубы, подключенной к резервуару, вода вытекает, но со скоростью три литра в минуту. Если крышка резервуара открыта, что произойдет с лишней водой, если трубы, через которые поступает и вытекает вода, будут опущены в неглубокий поддон? Поддон быстро наполнится и вода польется через край. Тоже самое происходит с данными, поступающими с компьютера А. Для выхода из этой ситуации можно применить такое же решение как в гидравлике – для приема лишней воды поставить «резервуар», или буфер. Но очевидно, что такое решение приводит к появлению других проблем. Прежде всего, буфер не может иметь бесконечный объем. Он позволяет легко справляться с временным увеличением объема трафика, но если поток данных, превышающий возможности приемного устройства, движется непрерывно, резервное пространство в конечном итоге целиком заполнится и в этот момент снова возникает та же проблема – биты данных начнут бесследно исчезать.

Уведомление о заторе.

Метод с использованием уведомления о заторе является немного более сложным по сравнению с буферизацией и обычно используется в сочетании с буферизацией и обычно используется в сочетании с буферизацией для устранения ее основных недостатков. При использовании метода с уведомлением о заторе после того, как буфера приемного устройства начинают заполняться, приемная станция отправляет сообщение, которое по сути означает «замедлить передачу данных». После того как буфер немного разгрузится, приемная станция может отправить другое сообщение с указанием, что передача может быть возобновлена. Очевидным недостатком такого решения является то, что при наличии в цепочке промежуточных устройств (таких как маршрутизаторы) уведомления о заторе лишь усугубляет ситуацию, заполняя буфера на каждом маршрутизаторе вдоль этой цепочки.

Например, предположим, что маршрутизатор А передает пакеты маршрутизатору С через маршрутизатор В (рисунок). Как только буфер маршрутизатора С начнет заполняться, он передает уведомление о заторе маршрутизатору В. Затем маршрутизатор В отправляет уведомление о заторе маршрутизатору А. Это приводит к заполнению буфера маршрутизатора А, что в конечном итоге вызывает потерю данных (безусловно, этого не произойдет, если передающая станция определит, в чем смысл уведомления о заторе, и полностью прекратит передачу данных). В конечном итоге маршрутизатор С перешлет маршрутизатору В сообщение о том, что может быть возобновлена передача, но к этому времени часть пакетов уже будет потеряна.

Применение окон

Метод с применением окон представляет собой наиболее сложную и гибкую форму управления потоком данных и в настоящее время, вероятно, является одним из наиболее широко применяемых методов управления потоком данных. При передаче с применением окон разрешается передавать одновременно заранее согласованное количество пакетов (называемое окном) до получения подтверждения (АСК – фрейм подтверждения ACKnowledgment) от приемной станции. Это означает, что возможность передачи одной станцией такого объема данных, который не может быть принят другой станцией, почти полностью исключена. Дело в том, что передающая станция, отправив разрешенное количество пакетов, должна дождаться ответа от удаленной приемной станции и только после этого отправить дополнительные данные. В протоколе ТСР используется одна из разновидностей метода передачи с применением окон, основанная на прямых подтверждениях (ForwardACKnowledgment–FACK), а предельные объемы передаваемых данных измеряются в байтах. Применение методаFACможно проиллюстрировать следующим примером. Предположим, что отправитель послал получателю данные объемом 50 байтов. Если получатель успешно принял все 50 байтов, он отправляет подтверждение АСК на 51 байт, которое сообщает отправителю, что все 50 байтов были получены и далее ожидается 51 байт. Отправитель не отправляет 51 байт пока не получит подтверждение на получения всех 50 байтов, если такое подтверждение не поступает по истечению тайм-аута (период ожидания принято называть тайм аутом повторной передачи –RetransmitTimer) отправитель выполнит повторную передачу данных. Если же отправитель получит подтверждение АСК на часть байтов, он выполнит повторную передачу только тех байтов, которые не были приняты получателем. Но этот пример несколько упрощен, так как следует учитывать, что в этом протоколе применяется еще одно средство – скользящие окна.

Скользящие окна получили такое название, поскольку в процессе передачи можно условно представить, что программное обеспечение ТСР «перемещает» окно в потоке данных на каждое подтверждение АСК.

Например, (рисунок) компьютер с сетевым именем Bartотправляет сообщение на компьютерHomer. Размер окна (т.е количество байтов, которое разрешено передавать до получения подтверждения)составляет 500 байтов. КомпьютерBartпередав допущенный объем информации, устанавливает тайм – аут и ожидает, будет ли получен ответ от компьютераHomer. КомпьютерHomerполучает данные и передает подтверждение, после чего компьютерBartначинает передавать данные с 501 байта по 1000 байт.

Метод передачи с применением окон, предусмотренный в протоколе ТСР – это динамический метод. Это означает, что размер окна может изменяться на протяжении одного сеанса передачи данных. Такие изменения происходят в ответ на ошибки; при этом размер окна уменьшается (или в ответ на их отсутствие; при этом окно увеличивается). В процессе первоначального установления сеанса определяется базовый размер окно. Кроме того, отправителю передается начальный порядковый номер (SEQuencenumber–SEQ), который указывает номер начального байта. В заголовке ТСР каждого передаваемого сегмента ТСР содержится поле размера окна, которое указывает размер окна, установленный другим участником соединения. Если возникает ошибка и часть данных теряется (вызывая повторную передачу данных программным обеспечением ТСР), хост получателя может уменьшить размер окна. С другой стороны, если значительные объемы данных были приняты без ошибки, хост отправителя может увеличить размер окна.

Например, на рисунке показано, как компьютер Childrenпередает данные компьютеруRachel. Первоначальный размер окна для компьютераChildrenсоставляет 100 байт.Childrenпередает 100 байт компьютеруRachel, который получает все 100 байтов, отправляет подтверждение АСК с разрешением отправить 101-й байт и увеличивает размер окна до 200 байтов. Затем компьютерChildrenперемещает свое окно на 101-й байт и расширяет его для включения следующих 200 байтов. После этого он посылает еще 200 байтов компьютеруRachel, который успешно получает только байты до 250-го. Поэтому компьютерRachelотправляет в ответ подтверждение АСК на получение байтов, начиная с 251-го, наряду с уменьшением окна на 100 байтов. КомпьютерChildrenперемещает окно назад к 251-му байту, и уменьшает окно, включив в него только байты с 251-го по 350-й.

Уровень 3 – СЕТЕВОЙ

Протоколы сетевого уровня обеспечивают логическую адресацию и определение маршрута. Методы логической адресации зависят от набора протоколов, но основные принципы остаются одинаковыми. Адреса сетевого уровня применяются в основном для указания местонахождения хоста. Эта задача обычно решается путем разделения адреса на две части: роле группы и поле хоста. Вместе эти поля полностью описывают хост, но лишь в контексте группы, к которой он относится. Такое разделение адреса позволяет каждому хосту учитывать только наличие других хостов в его группе и применять для передачи пакетов от одной группы к другой специализированные устройства, называемые маршрутизаторами. К числу широко применяемых протоколов сетевого уровня относятся IPиIPX.

Уровень 2 – КАНАЛЬНЫЙ

Канальный уровень предусматривает выполнение таких функций, как устранение коллизий, физическая адресация, распознавание ошибок и фреймирование.

Устранение коллизий.

Методы устранения коллизий позволяют определить, как должен быть организован доступ к одному каналу передачи данных, если к нему подключено несколько хостов, которые пытаются одновременно использовать его для передачи. При полудуплексной широкополостной передачи без устранения коллизий нельзя обойтись, поскольку в применяемой при этом сетевой среде в любой момент времени только одно устройство может успешно передавать электрический сигнал. А если в этой среде попытки передачи будут предприняты одновременно двумя устройствами, то сигналы от этих устройств смешаются и возникнет так называемая коллизия.

Физическая адресация

Все устройства должны иметь физический адрес. В технологиях локальной сети таковым обычно является МАС – адрес. Физический адрес формируется таким образом, чтобы он мог однозначно обозначить определенное устройство, позволяя отличить его от всех прочих устройств в мире. МАС – адрес (называемый также адресом Ethernet, адресом локальной сети, физическим, аппаратным адресом) представляет собой 48-битовый адрес, который обычно записывается в виде 12 шестнадцатеричных цифр, таких как 01-02-03-АВ-CD-EF. Первые шесть определяют изготовителя устройства, а последние шесть – отдельное устройство, выпущенное этим изготовителем. Структура МАС адреса показана на рисунке.

По традиции принято говорить, что эти постоянные адреса «прошиваются в сетевой плате. Тем не менее, хотя достаточно редко, иногда обнаруживаются дубликаты МАС – адресов. Поэтому в настоящее время очень многие сетевые устройства имеют МАС – адреса с перестраиваемой конфигурацией. Но так или иначе, физический адрес определенного типа явялется обязательным компонентом пакета.

Обнаружение ошибок

Еще одна функция канального уровня, обнаружение ошибок, позволяет определить, не произошло ли искажение пакета во время передачи. Для этого перед отправкой пакета на удаленный компьютер к нему добавляют концевик (так называемое поле с контрольной суммой в конце пакета) с последовательностью FCS. Метод контроля с применениемFCSпредусматривает использование циклического избыточного кода (CyclicRedundancyCheck–CRC) для выработки цифрового значения и размещение этого значения в концевике пакета. После прибытия пакета к получателю извлекается значениеFCSи снова применяется тот же алгоритм, с помощью которого было вычислено это первоначальное значение. Если пакет подвергся каким либо изменениям, прежнее и новое значениеFCSне совпадают, пакет отбрасывается как ошибочный.

Контроль с помощью FCS обеспечивает только обнаружение ошибок, но не их устранение. За устранение ошибок отвечает протокол более высокого уровня, как правило, транспортного.

Фреймирование.

Термин фреймирование используется для описания организации элементов в пакете (пакет, передаваемый по сети, оформляется в виде фрейма). Эта задача является очень важной. Чтобы понять, с чем это связано, необходимо рассмотреть, как происходит передача данных физическим устройством. Прежде всего следует учесть, что все данные, передаваемые по кабелям сети, являются просто комбинацией битов 0 и 1. Поэтому при получении устройством цепочки битов, такой как 011010010010010000111000111 и т.д., оно должно определить, какая часть цепочки соответствует МАС – адресу, данным или последовательностиFCS. Для этого требуется ключ. Физический формат пакета показан на рисунке.

Кроме того, поскольку существуют разные типы фреймов, в протоколах канального уровня на обоих взаимодействующих компьютерах должны использоваться фреймы одинаковых типов, так как лишь при этом условии получатель сможет определить, что фактически содержит полученный им пакет. Пример искажения, возникающего при нарушении формата фрейма, показан на рисунке.

Уровень 1 – Физический

На физическом уровне выполняются наиболее важные функции передачи данных по сравнению со всеми другими уровнями. К физическому уровню относятся все соединители, кабели, спецификации частот, требования к расстояниям и задержкам при распространении сигналов, короче говоря, все физические параметры.

В заключении рассмотрим пример обмена данными по сети между двумя компьютерами на примере электронной почты по протоколам TCP/IP. Передача сообщения начинается с уровня 7. К нему добавляется заголовокMAPI(MailApplicationProgrammingInterface– интерфейс прикладного программирования для электронной почты). Затем пакет передается на представительский уровень, где происходит добавление заголовкаMIME, с помощью которого получатель сможет определить формат сообщения. На сеансовом уровне происходит преобразование имен, и доменное имяtechtrain.comпреобразуется вIP– адрес 209.130.62.55. На транспортном уровне все это сообщение, которое имеет длину 256 Кбайт, разбивается на четыре фрагмента по 64 Кбайта и устанавливается сеанс ТСР с использованием метода окон для управления потоком данных. На сетевом уровне выполняется маршрутизация и пакет передается на ближайший маршрутизатор (который здесь обозначен с помощью поля промежуточного адреса назначения).

Следует также отметить, что на сетевом уровне (логические) IP– адреса преобразуются в (физические) МАС – адреса, чтобы с ними мог работать протокол более низкого уровня. На канальном уровне пакет снова фрагментируется, но на этот раз преобразуется во фреймы, которые соответствуют максимальной единице передачи данных (MaximumTransmissionUnit–MTU) передающей среды. На физическом уровне данные передаются в виде электрических сигналов. Принятые данные снова проходят по уровням модели, но в обратном направлении. При этом выполняются действия, обратные тем, которые были выполнены на компьютере отправителя, и в конечном итоге пакет преобразуется в один фрагмент данных размером 256 Кбайт в формате, приемлемом для соответствующего приложения.

ПОТОК ДАННЫХ	Приложение (программа электронной почты)		Приложение (программа электронной почты)	ПОТОК ДАННЫХ
	Прикладной уровень Формат данных: письмо для Вовы Иванова (через MAPI) <Начало сообщения>		Прикладной уровень Формат данных: получено от Вовы Иванова (через MAPI) <Полученное сообщения>
	Представительский уровень Формат данных: передано <по SMTP через TCP/IP> для vivanov@techtrain.com <Версия MIME: 1.0; тип данных:text/plain; набор символов: US – ASCII; сжатие: нет>		Представительский уровень Формат данных: получено <по SMTP через TCP/IP> от vivanov@techtrain.com <Начать декодирование: Версия MIME: 1.0; тип данных:text/plain; набор символов: US – ASCII; сжатие: нет>
	Сеансовый уровень Формат данных: передано <по TCP/IP через DNS> vivanov@209.130.62.55		Сеансовый уровень Формат данных: получено <по TCP/IP через DNS> vivanov@209.130.62.55
	Транспортный уровень Формат данных: передано для vivanov@209.130.62.55 <Установить сеанс ТСР; размер окна: 32 Кбайт; формат сегмента: 64 Кбайт; общее количество сегментов: 4; общее количество байтов: 256 Кбайт>		Транспортный уровень Формат данных: получено от vivanov@209.130.62.55 <Начать прием пакета; приступить к формированию сегмента; подтвердить прием; формат пакета: 64 Кбайт; общее количество пакетов: 4; общее количество байтов: 256 Кбайт>
	Сетевой уровень Формат данных: передано <через МАС - адрес> для 2d6c9e446a32 <Адрес отправителя: 165.200.2.23=6587da32b5d6; окончательный адрес получателя: 209.130.62.55=2d6c9e446a32; промежуточный адрес получателя: 209.215.192.10 = 4adc500ad23a; размер пакета: 64 Кбайт; общее количество пакетов 4; общее количество байтов: 256 Кбайт>		Сетевой уровень Формат данных: передано <через МАС - адрес> от 6587da32b5d6 <Адрес отправителя: 165.200.2.23=6587da32b5d6; окончательный адрес получателя: 209.130.62.55=2d6c9e446a32; приступить к формированию пакета: размер пакета: 64 Кбайт; общее количество пакетов 4; общее количество байтов: 256 Кбайт>
	Канальный уровень <Установить соединение; номер передатчика: 0; размер фрейма; 1500 байтов; общее количество фреймов: 175; общее количество байтов: 256 Кбайт; начать нумерацию фреймов; приступить к передаче>		Канальный уровень <Соединение установлено; номер передатчика: 0; размер фрейма; 1500 байтов; общее количество фреймов: 175; общее количество байтов: 256 Кбайт; начать проверку порядковых номеров; приступить к к сборке фреймов>
	Физический уровень Формат данных 01101100011001111001100…		Физический уровень Формат данных 01101100011001111001100…
Поток данных

Необходимо отметить еще один момент Стек протоколов TCP/IP состоит всего из четырех уровней в отличие от семиуровневой эталонной модели OSI (Open Systems Interconnection – Группа по стандартизации обмена данными между компьютерными системами различных стандартов). В таблице 1.2 приведено сопоставление уровней модели OSI и стека протоколов TCP/IP, а также дан список протоколов работающих на этих уровнях.

Таблица 1.2.

Уровень модели OSI	Уровень стека протоколов TCP/IP	Приложения и протоколы стека TCP/IP, работающие на этом уровне
7 (уровень приложений) 6 (уровень представления данных) 5 (сеансовый уровень)	Уровень 4 TCP (уровень приложений)	FTP(File Transfer Program – программы, использующие протокол передачи файлов) Telnet (программы использующие протокол виртуального терминала) SMTP (простой протокол передачи электронной почты) POP3/IMAP4 (почтовые клиенты)
4 (транспортный уровень)	Уровень 3 TCP (также называемый узел-узел (Host – to- Host); узел (host) – любое сетевое устройство, работающее по протоколу TCP/IP)	TCP (Transmission Control Protocol – протокол управления передачей) UDP (User Datagram Protocol – протокол дейтаграмм пользователя)
3 (сетевой уровень)	Уровень 2 TCP (Интернет)	IP (Интернет протокол)
2 (канальный уровень) 1 (физический уровень)	Уровень 1 TCP (сетевой интерфейс)	Оборудование (адаптеры сетевого интерфейса, кабельные линии, концентраторы и т.д.

Как видно из этой таблицы, стек протоколов TCP/IP по выполняемым функциям полностью соответствует эталонной модели OSI.

Чтобы технология TCP/IP могла решать свою задачу объединения сетей, ей необходима собственная глобальная система адресации, не зависящая от способов адресации узлов в отдельных сетях. Эта система адресации должна позволять универсальным и однозначным способом идентифицировать любой интерфейс составной сети. Очевидным решением является уникальная нумерация всех сетей составной сети, а затем нумерация всех узлов в пределах каждой из этих сетей. Пара, состоящая из номера сети и номера узла, отвечает поставленным условиям и может служить в качестве сетевого адреса.

В технологии TCP/IPсетевой адрес называютIP – адрес.

Перед тем как отправить пакет в следующую сеть, маршрутизатор должен определить на основании найденного IP – адреса следующего маршрутизатора его локальный адрес. Для этой цели протокол IP, как показано на рисунке обращается к протоколу разрешения адресов (ARP –Address Resolution Protocol протокол разрешения адресов).

НА ЗАМЕТКУ

Рассмотрим IP – сеть. Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей, следовательно, каждый его интерфейс имеет собственный IP – адрес. Конечный узел также может входить в несколько IP – сетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP – адресов, по числу сетевых связей. Таким образом, IP – адрес идентифицирует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое соединение.