Компьютерные сети

 Транспортный  уровень обеспечивает связывание  нижних уровней (физический, канальный,  сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными  средствами. Этот уровень как  бы разделяет средства формирования  данных в сети от средств  их передачи. Здесь осуществляется  разделение информации по определенной  длине и уточняется адрес назначения. Транспортный уровень позволяет  мультиплексировать передаваемые  сообщения или соединения. Мультиплексирование  сообщений позволяет передавать  сообщения одновременно по нескольким  линиям связи, а мультиплексирование  соединений передает в одной  посылке несколько сообщений  для различных соединений.

 На сеансовом  уровне осуществляется управление  сеансами связи между двумя  взаимодействующими пользователями (определяется начало и окончание  сеанса связи: нормальное или  аварийное; время, длительность  и режим сеанса связи; определяются  точки синхронизации для промежуточного  контроля и восстановления при  передаче данных; восстанавливается  соединение после ошибок во  время сеанса связи без потери  данных).

 На представительском  уровне осуществляются управление  представлением данных в необходимой  для программы пользователя форме,  генерация и интерпретация взаимодействия  процессов, кодирование/декодирование  данных, в том числе компрессия  и декомпрессия данных. На рабочих  станциях могут использоваться  различные операционные системы,  каждая из которых может иметь  свою файловую систему, свои  форматы хранения и обработки  данных. Задачей данного уровня  является преобразование данных  при передаче информации в  формат, который используется в  информационной системе. При приеме  данных уровень их представления  выполняет обратное преобразование. Таким образом, появляется возможность  организовать обмен данными между  станциями, на которых используются  различные операционные системы.

Компрессия или  упаковка данных сокращает время  их передачи. Кодирование передаваемой информации обеспечивает ее защиту от перехвата.

 Прикладной  уровень управляет прикладными  сетевыми программами, обслуживающими  файлы, а также выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические  преобразования информации, передачу  почтовых сообщений и т.п. Главная  задача этого уровня - обеспечить  удобный интерфейс для пользователя.

На разных уровнях  обмен происходит различными единицами  информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые  сообщения, пользовательские сообщения. 

 Основная  идея этой модели заключается  в том, что каждому уровню  отводится конкретная роль, в  том числе и транспортной среде.  Благодаря этому общая задача  передачи данных разделяется  на отдельные легкообозримые задачи.

 Необходимые  соглашения для связи одного  уровня с выше- и нижерасположенными называют протоколом.

 Так как  пользователи нуждаются в эффективном  управлении, система вычислительной  сети представляется как комплексное  строение, которое координирует  взаимодействие задач пользователей.

С учетом вышеизложенного можно вывести следующую уровневую модель с административными функциями, выполняющимися на пользовательском прикладном уровне.

 Отдельные  уровни базовой модели проходят  в направлении вниз от источника  данных (от уровня 7 к уровню 1) и  в направлении вверх от приемника  данных (от уровня 1 к уровню 7). Пользовательские  данные передаются в нижерасположенный  уровень вместе со специфическим  для уровня заголовком до тех  пор, пока не будет достигнут последний уровень.

 На приемной  стороне поступающие данные анализируются  и по мере надобности передаются  далее в вышерасположенный уровень,  пока информация не будет передана  в пользовательский прикладной  уровень.

 Для передачи информации по коммуникационным линиям данные преобразуются в цепочку следующих друг за другом битов (двоичное кодирование с помощью двух состояний: «О» и «1»). Передаваемые алфавитно-цифровые знаки представляются с помощью битовых комбинаций. Битовые комбинации располагают в определенной кодовой таблице, содержащей 4, 5, 6, 7 или 8-битовые коды. Количество представленных знаков в ходе передачи данных зависит от количества битов, используемых в коде: 4-битовый код может представить максимум 16 алфавитно-цифровых знаков, 5-битовый код - 32 знака, 6-битовый код - 64 знака, 7-битовый - 128 знаков и 8-битовый код - 256 знаков.

 При передаче  информации как между одинаковыми, так и между различными вычислительными системами применяют следующие коды. На международном уровне передача символьной информации осуществляется с помощью 7-битового кодирования, позволяющего закодировать заглавные и строчные буквы английского алфавита, а также некоторые спецсимволы. Так как национальные и специальные знаки с помощью 7-битового кода представить нельзя, то для их передачи используют специальную шифровку и/или перекодировку информации. Для представления национальных знаков применяют 8-битовый код.

  Протокол передачи  данных

 При передаче  файлов требуется, чтобы оба  компьютера, связывающиеся друг  с другом, договорились об общем  протоколе. Протоколом называется  набор правил и описаний, которые  регулируют передачу информации.

 Для борьбы  с ошибками, возникающими при  передаче файлов, в большинстве  современных протоколов имеются  средства исправления ошибок. Конкретные  методы в каждом протоколе  свои, но принципиальная схема  исправления ошибок одна и  та же. Она заключается в том,  что передаваемый файл разбивается  на небольшие блоки - пакеты, а  затем каждый принятый пакет  сравнивается с посланным, чтобы удостовериться в их адекватности. Каждый пакет содержит дополнительный контрольный байт. Если принимающий компьютер после некоторых логических действий получит иное значение этого байта, он сделает вывод, что при пересылке пакета произошла ошибка, и запросит повторение передачи этого пакета. Несмотря на то что такая процедура уменьшает объем полезной информации, передаваемой в единицу времени, проверка на наличие ошибок и их исправление обеспечивают надежность передачи файла.

 Наиболее  совершенным и распространенным  протоколом из всех доступных  на сегодняшний день является TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Он обеспечивает сетевое взаимодействие компьютеров, работающих под управлением сетевой операционной системы, и возможность подключения к ним различных сетевых устройств. Все современные операционные системы поддерживают протокол TCP/IP, и почти все крупные сети используют его для обеспечения большей части своего трафика. Также протокол TCP/IP является стандартным для Интернета.

Методы  передачи данных в  компьютерных сетях

 При обмене  данными между узлами сети  используются три метода передачи  данных:

 ·          симплексная (однонаправленная) передача (телевидение, радио);

·          полудуплексная (прием и передача информации осуществляются поочередно);

 ·          дуплексная (двунаправленная), каждая  станция одновременно передает  и принимает данные.

 Для передачи  данных в сетях наиболее часто  применяется последовательная передача. Широко используются следующие  методы последовательной передачи: асинхронная и синхронная.

 При асинхронной  передаче каждый символ передается  отдельной посылкой (рис. 2). Стартовые  биты предупреждают приемник  о начале передачи. Затем передается  символ. Для определения достоверности передачи используется бит четности (бит четности = 1, если количество единиц в символе нечетно, и 0 в противном случае. Последний бит «стопбит» сигнализирует об окончании передачи.

 Преимущества: несложная отработанная система;  недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование.

 Недостатки асинхронной передачи: третья часть пропускной способности теряется на передачу служебных битов (старт/стоповых и бита четности); невысокая скорость передачи по сравнению с синхронной; при множественной ошибке с помощью бита четности невозможно определить достоверность полученной информации.

 Асинхронная  передача используется в системах, где обмен данными происходит  время от времени и не требуется  высокая скорость передачи данных. Некоторые системы используют  бит четности как символьный  бит, а контроль информации  выполняется на уровне протоколов  обмена данными.

 При использовании  синхронного метода данные передаются  блоками. Для синхронизации работы  приемника и передатчика в  начале блока передаются биты  синхронизации. Затем передаются  данные, код обнаружения ошибки  и символ окончания передачи. При синхронной передаче данные  могут передаваться и как символы,  и как поток битов. В качестве  кода обнаружения ошибки обычно  используется циклический избыточный  код обнаружения ошибок (CRC). Он  вычисляется по содержимому поля  данных и позволяет однозначно  определить достоверность приятой  информации. 

 Преимущества  синхронного метода передачи  информации: высокая эффективность  передачи данных; высокие скорости  передачи данных; надежный встроенный  механизм обнаружения ошибок.

 Недостатки: интерфейсное оборудование более  сложное и соответственно более  дорогое.

Топологии вычислительных сетей

 Конфигурация  сети, т.е. порядок соединения  объектов сети, называют топологией  сети. Базовыми типами конфигурации  сети являются «звезда», «кольцо»  и «шина».

  Топология типа  «звезда»

 В сети  в виде звезды (рис. 3) компьютер-сервер  получает и обрабатывает все  данные с компьютеров - рабочих  станций. Вся информация между  двумя любыми рабочими станциями  проходит через центральный узел  вычислительной сети.

 Каждая рабочая  станция связана с узлом, поэтому  пропускная способность сети  определяется вычислительной мощностью  узла и гарантируется для каждой  рабочей станции. Топология в  виде звезды является наиболее  быстродействующей из всех топологий  вычислительных сетей, поскольку  передача данных между рабочими  станциями проходит через центральный  узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым  только этими рабочими станциями.  Вся вычислительная сеть может  управляться из ее центра. Недостатком  такой топологии является нарушение  работы всей сети в случае  выхода из строя центрального  узла.

  Топология типа  «кольцо»

 При кольцевой  топологии сети рабочие станции  связаны одна с другой по  кругу, т.е. рабочая станция  1 с рабочей станцией 2, рабочая  станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д., как показано на рис. 4. Последняя рабочая станция связана  с первой. Коммуникационная связь  замыкается в кольцо.

 В сети  кольцевой топологии сообщения  циркулируют регулярно по кругу.  Рабочая станция посылает по  определенному конечному адресу  информацию, предварительно получив  из кольца запрос. Пересылка сообщений  является очень эффективной, так  как большинство сообщений можно  отправлять «в дорогу» по кабельной  системе одно за другим. Очень  просто можно сделать кольцевой  запрос на все станции. Продолжительность  передачи информации увеличивается  пропорционально количеству рабочих  станций, входящих в вычислительную  сеть.

 Основная  проблема при кольцевой топологии  заключается в том, что каждая  рабочая станция должна активно  участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя  хотя бы одной из них вся  сеть парализуется. Подключение  новой рабочей станции требует  краткосрочного выключения сети, так как во время установки  кольцо должно быть разомкнуто.

Шинная  топология

 При шинной  топологии (рис. 5) среда передачи  информации представляется в  форме общей магистрали, к которой  должны быть подключены все  рабочие станции. При этом все  рабочие станции могут непосредственно  вступать в контакт с любой  рабочей станцией, имеющейся в  сети. 

 Особенностью  такой топологии сети является  то, что функционирование сети  не зависит от состояния отдельной  рабочей станции, а рабочие  станции в любое время без  прерывания работы всей вычислительной  сети могут быть подключены  к ней или отключены. 

 Благодаря  тому что рабочие станции можно подключать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды.

 Древовидная структура сети

 Наряду с  известными топологиями вычислительных  сетей «кольцо», «звезда» и «шина»  на практике применяется и  комбинированная древовидная структура  (рис. 6). Она образуется в основном  в виде комбинаций вышеназванных  топологий вычислительных сетей.