1                                  Информационное, аппаратное и программное обеспечение КС

         Информационное обеспечение сети представляет собой единый информационный фонд, ориентированный на решаемые в сети задачи и содержащий базы данных общего применения, доступные для всех пользователей сети, базы данных индивидуального пользования, предназначенные для отдельных абонентов, базы знаний общего и индивидуального применения, автоматизированные базы данных – локальные и распределенные, общего и индивидуального назначения.

Аппаратное обеспечение составляют компьютеры различных типов, оборудование абонентских систем, средства территориальных систем связи (в том числе узлов связи), аппаратура связи и согласования работы сетей одного и того же уровня или различных уровней. Используемые в сетях компьютеры обычно универсального типа, обладающие возможностью выполнения практически неограниченного круга задач пользователей. Для повышения вычислительной мощности сети к ней могут подключаться вычислительные центры или центры обработки информации, к которым пользователи могут обращаться с запросами со своих абонентских систем или других рабочих мест. Такие центры снабжаются компьютерами в широком диапазоне по своим характеристикам: от персональных компьютеров до суперЭВМ.

Программное обеспечение (ПО) сетей отличается большим многообразием, как по своему составу, так и по перечню решаемых задач. В общем, виде функции ПО сети заключаются в следующем: планирование, организация и осуществление коллективного доступа пользователей к общесетевым ресурсам – телекоммуникационным, вычислительным, информационным, программным; автоматизация процессов программирования задач обработки информации; динамическое распределение и перераспределение общесетевых ресурсов с целью повышения оперативности и надежности удовлетворения запросов пользователей и т.д.

В составе ПО сетей выделяются такие группы:

· общесетевое ПО в качестве основных элементов включающее распределенную операционную систему (РОС) сети и комплект программ технического обслуживания (КПТО) всей сети и ее отдельных звеньев и подсистем, в том числе ТКС;

· специальное ПО, куда входят прикладные программные средства: интегрированные и функциональные пакеты прикладных программ (ППП) общего назначения, прикладные программы сети (ППС), библиотеки стандартных программ, а также прикладные программы специального назначения, отражающие специфику предметной области пользователей при реализации своих задач;

· базовое программное обеспечение компьютеров абонентских систем, включающее операционные системы ПК, системы автоматизации программирования, контролирующие и диагностические тест-программы.

                                 КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

         По степени территориальной рассредоточенности основных элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные, региональные и локальные компьютерные сети.

Глобальные компьютерные сети (ГКС) объединяют абонентские системы, рассредоточенные на большой территории, охватывающей различные страны и континенты. Они решают проблему объединения информационных ресурсов всего человечества и организации доступа к ним. Взаимодействие АС осуществляется на базе различных территориальных сетей связи (ТСС), в которых используются телефонные линии связи, радиосвязь, системы спутниковой связи.

Региональные компьютерные сети (РКС) объединяют абонентские системы, расположенные в пределах отдельного региона – города, административного района; функционируют в интересах организаций и пользователей региона и, как правило, имеют выход в ГКС. Взаимодействие абонентских систем осуществляется также с помощью ТСС.

        Локальные компьютерные сети (ЛКС) объединяют абонентские системы, расположенные в пределах небольшой территории (этаж здания, здание, несколько зданий одного и того же предприятия). К классу ЛКС относятся сети предприятий, фирм, банков, офисов, учебных заведений и т.д. Принципиальным отличием ЛКС от других классов сетей является наличие своей штатной системы передачи данных.

Отдельный класс представляют корпоративные компьютерные сети (ККС), которые являются технической базой компаний, корпораций, организаций и т.д. Такая сеть играет ведущую роль в реализации задач планирования, организации и осуществления производственно-хозяйственной деятельности корпорации.

       По способу управления различают сети с централизованным управлением, когда в сети имеется один или несколько управляющих органов, децентрализованным (каждая АС имеет средства для управления сетью) и смешанным управлением, в которых в определенном сочетании реализованы принципы централизованного и децентрализованного управления (например, под централизованным управлением решаются только задачи с высшим приоритетом, связанные с обработкой больших объемов информации).

По организации передачи информации различают сети с селекцией информации и маршрутизацией информации. Первые строятся на основе моноканала, взаимодействие АС осуществляется выбором (селекцией) адресованных им блоков данных (кадров): всем АС сети доступны все передаваемые в сети кадры, но копию кадра снимают только АС, которым они предназначены. Вторые используют механизм маршрутизации для передачи кадров (пакетов) от отправителя к получателю по одному из альтернативных маршрутов. По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией каналов, коммутацией сообщений и коммутацией пакетов. В эксплуатации находятся сети, в которых используются смешанные системы передачи данных.

По топологии, т.е. по конфигурации элементов в сети, различают широковещательные сети (рис.1) и последовательные (рис.2). Широковещательные сети и значительная часть последовательных конфигураций (кольцо, звезда с «интеллектуальным центром») характерны для ЛКС. Для глобальных и региональных сетей наиболее распространенной является произвольная (ячеистая) топология.

2       Для обеспечения обмена информацией между компьютерными сетями или между компьютерами данной КС в 1978 г. Международная организация по стандартизации (МОС) разработала многоуровневый комплект протоколов, известный как семиуровневая эталонная модель взаимодействия открытых систем (модель ВОС).

7 – прикладной уровень (уровень приложения), предоставляет конечным пользователям возможность пользоваться сетью. На этом уровне производятся высокоуровневые действия, управляемые компонентами локальной операционной системы. В его функции входит передача данных, обработка сообщений, управление структурой каталогов, удаленное выполнение программ и эмуляция терминала. Прикладной уровень обеспечивает доступ конкретным  прикладным службам к сетевым услугам. Существует огромное число протоколов прикладного уровня, например протоколы для работы с электронной почтой  POP3, IMAP, SMTP, протоколы маршрутизации RIP, OSPF, протокол сетевого управления SNMP и др.

Одна из ос­новных “обязанностей” этого уровня — определить, как следует обрабатывать запрос прикладной программы, иными словами — какой вид должен принять данный зап­рос. Если в запросе прикладной программы определен, например, дистанционный ввод заданий, то это потре­бует работы нескольких программ, которые будут соби­рать информацию, организовывать ее, обрабатывать и посылать по соответствующему адресу.

Виды сервиса прикладного уровня. Прикладной уровень содержит несколько так называемых общих эле­ментов прикладного сервиса ACSE — Application Common Service Elements и специальных элементов прикладного сервиса (SASE — Specific Application Service Elements). Общие элементы прикладного сepвиса ACSE предоставляются прикладным процессам во всех системах. Они включают, например, требование оп­ределенных параметров качества сервиса.

Специальные элементы прикладного сервиса (SASE) обеспечивают сервис для конкретных прикладных программ, таких как программы пересылки файлов и эмуля­ции терминалов. Если, например, прикладной програм­ме необходимо переслать файлы, то обязательно будет использован протокол передачи, доступа и управления файлами (FTAM — File Transfer, Access and Management), являющийся одним из ключевых протоколов прикладно­го уровня.

Важная составляющая SASE прикладного уровня – сервис виртуального терминала (VT – Virtual Terminal). VT – это сложный сервис, который освобождает компьютер от необходимости посылать соответствующие сигналы для обращения ко всем терминалам, подключённым ко второму компьютеру. Первый компьютер может использовать набор параметров виртуального терминала, а решение вопросов конкретизации конфигурации терминалов можно предоставить второму компьютеру.

Функции управления сетями на прикладном уровне. По мере усложнения информационных сетей вопрос административного управления ими приобрета­ет все большее значение Фирма IBM в качестве решения предложила свои си­стемы NetViewH NetView/PC, a Hewlett-Packard вышла на рынок с пакетом прикладных программ OpenView.

6 – Представительный уровень – уровень представления определяет форму, которую принимают данные при обмене между рабочими станциями. На компьютере-отправителе программное обеспечение этого уровня конвертирует данные из формата уровня приложений в промежуточный формат, распознанный остальными уровнями. На компьютере-получателе этот уровень совершает обратные преобразования данных.

Уровень представления также управляет средствами защиты сети от несанкционированного доступа, предоставляя такие услуги, как кодирование. Кроме того, этот уровень устанавливает правила передачи данных и занимается сжатием передаваемой информации для повышения пропускной способности сети. К представительному уровню чаще всего относят криптопротоколы, предназначенные для шифрования информации. Примерами криптопротоколов в стеке TCP/IP являются Secure Sockets Layer (SSL), Transport Layer Security (TLS) и Private Communication Technology (PCT). Наибольшее распространение получил криптопротокол SSL, который был разработан компанией Netscape и в настоящее время поддерживается всеми современными Web-браузерами.

Уровень представления данных отвечает за физическое отображение (представление) информации. Так, в полях базы данных информация должна быть представлена в виде букв и цифр, а зачастую — и графических изображений. Обрабатывать же эти данные нужно, например, как числа с плавающей запятой.

Уровень представления данных обеспечивает возмож­ность передачи данных с гарантией, что прикладные процессы, осуществляющие обмен информацией, смогут преодолеть любые синтаксические различия. Для того чтобы обмен имел место, эти два процесса должны ис­пользовать общее представление данных или язык.

Важность уровня представления данных заключается в том, что в основу его работы положена единая для всех уровней модели OSI система обозначений для описания абстрактного синтаксиса — ASN.1. Эта система служит для описания структуры файлов. На прикладном уровне си­стема ASN.1 применяется и для выполнения всех опера­ций пересылки файлов, и при работе с виртуальным тер­миналом. Использование этой системы позволяет также решить одну из важнейших проблем, возникающих при управлении крупными сетями, — шифрование данных. Шифрование данных с помощью ASN.1 можно выполнять на уровне представления данных; разработ­ка стандарта OSI для этого уровня окажет значительное влияние на обеспечение межмашинной связи.

5 – Сеансовый уровень выполняет функции посредника между верхними уровнями и нижними уровнями, ориентированными на коммуникации в реальном уровне. Сеансовый уровень представляет возможности для управления и контроля данных во множестве одновременных соединений, контролируя диалог связанных по сети приложений. Этот уровень обеспечивает возможности запуска, приостановки, инициализации или перезапуска сети. Сеансовый уровень позволяет двум субъектам соединения устанавливать, использовать и завершать сеанс связи. Сеансовый уровень не представлен ни одним протоколом из стека TCP/IP.

Сеансовый уровень отвечает за такие серьезные воп­росы, как режим передачи и установка точек синхрони­зации. Иными словами, на этом уровне определяется, какой будет передача между двумя прикладными процес­сами: полудуплексной (процессы будут передавать и при­нимать данные по очереди) или дуплексной (процессы будут передавать и принимать данные одновременно). В полудуплексном режиме сеансовый уровень выдает маркер данных тому процессу, который первым начинает передачу. Когда второму процессу приходит время отве­чать, маркер данных передается ему. Сеансовый уровень, таким образом, разрешает передачу только той стороне, которая обладает маркером данных.

Еще одна функция сеансового уровня модели OSI зак­лючается в решении вопроса о восстановлении связи в случае ее нарушения.

Сеансовый уровень, кроме того, отвечает за детали, связанные с упорядоченным (“плавным”) завершением соединения в конце сеанса. Могут возникнуть и ситуации, когда требуется безусловное (“резкое”) завершение. Это необходимо в тех случаях, когда одна из сторон прекра­щает обмен и отказывается с этого момента принимать данные.

Сеансовый уровень обрабатывает не все запросы на соединения. Он может выдать примитив отказа от соединения, если определит, что соединение приведет к перегрузке сети или что затребованный прикладной процесс отсутствует.

4 – Транспортный уровень отвечает за надежность обработки данных вне зависимости от нижележащих уровней. Этот уровень управляет потоком данных в сети и контролем соединения между конечными адресами. Стандартные протоколы этого уровня: Transport Class0, Class1 и Class4, относящиеся к модели OSI, TCP и SPX.

В задачу транспортного уровня входит обеспечение передачи данных вышележащим уровням модели OSI с той степенью надежности, которая им требуется. На транспортном уровне функционируют два протокола сте­ка TCP/IP: UDP (User Datagram Protocol) и TCP (Trans­mission Control Protocol). TCP-протокол является более надежным средством передачи информации по сравнению с протоколом UDP, поскольку перед передачей ТСР-сегментов здесь устанав­ливается специальное логическое соединение — вирту­альный канал, который ликвидируется сразу после за­вершения передачи данных. При использовании виртуаль­ного канала не нарушается последовательность передачи пакетов данных. Виртуальный канал может динамически пе­ренаправляться и физически изменяться в ходе одного сеан­са передачи данных Для идентификации ТСР-сегмента используют два 4-байтовых числа, которые играют также роль счетчика пакетов — порядковый номер (Sequence Number) и номер подтверждения (Acknowledgment Number). Во время уста­новления соединения хосты могут обмениваться коман­дами, номера которых указываются в 6-разрядном поле флагов (<Control bits>) и задаются установкой в единицу соответствующих битов этого поля.

3 – Сетевой уровень использует предоставляемые нижележащим уровням услуги связи для того, чтобы организовать передачу данных по сети. Сетевой уровень устанавливает правила связи компьютеров через многочисленные сегменты сети, включая “упаковку” сообщений в пакеты, снабженные адресами. Этот уровень отвечает за надежность передачи данных, основной его функцией является предоставление возможностей передачи данных для вышележащего транспортного уровня. Стандартными протоколами этого слоя являются CNLS, CONS, IP и IPX.

Основная задача сетевого уровня заключается и пре­образовании данных в пакеты и в их корректной передаче в точку назначения. На сетевом уровне эту задачу выполняют маршрутизаторы. Под маршрутизатором понимают узел сети, который на основе информации, хранящейся в таблицах маршрутизации, принимает решение о дальнейшем маршруте передачи сообщения. В отличие от мостов и коммутаторов маршрутизаторы оперируют с сетевыми IР-адресами.

Главным протоколом, работающим на сетевом уровне, является протокол IP (Internet Protocol). IP-протокол оперирует специальными пакетами, называемыми дейтаграммами.

2 – Канальный уровень организует биты в “кадры”, физический уровень передает их в виде электрических импульсов. На этом уровнепроисходит отслеживание и исправление ошибок. Довольно часто уровень передачи данных подразделяется еще на два слоя, которые позволяют сгладить различие между физическими сетями, используемыми для соединений в локальных и глобальных сетях:

2.1 LLC – Logical Link Control – управление логической связью;

2.2 MAC – Media Access Control – управление передающей средой.

Подуровень МАС предоставляет сетевым картам совместный доступ к физическому уровню. Подуровень МАС напрямую связан с сетевой картой и отвечает за безошибочную передачу данных между двумя сетевыми картами.

Подуровень LLC управляет передачей данных и определяет точки логического интерфейса (Service Access Points – точки доступа к службам), которые другие компьютеры могут использовать для передачи информации из подуровня LLC в высшие уровни OSI.

В задачи канального уровня входят физическая адресация кадров данных, а также проверка их целостности. На канальном уровне работают мосты и коммутаторы. Мосты выделяют МАС-адреса из принимаемых кадров и избирательно пересылают эти кадры в соответ­ствующие порты.

МАС-адрес (MAC address) – Media Access Control address – адрес управления доступом к среде. Также называется адресом устройства, или физическим адресом. Каждый адрес связан с определённым сетевым устройством. NIC и управляемые сетевые устройства, подсоединённые к локальной сети, имеют MAC-адреса, которые используются для идентификации их в сети. MAC-адреса имеют длину в шесть байт, специфицируются IEEE и заранее присваиваются каждому сетевому устройству.

1 – Физический уровень определяет механический и электрический интерфейс с физическим носителем (т.е. коаксиальным кабелем или витой парой). Под этот уровень подходят физические устройства, управляющие электрическим напряжением, передающим данные.Физический уровень модели OSI наименее противоречи­вый, поскольку включает международные стандарты на аппаратуру, уже вошедшие в обиход.  Для физического уровня определен очень подробный список рекомендованных к употреблению соединителей. Здесь упомянуты, к примеру, 25-контактные разъемы для интерфейсов RS-232C, 34-контактные разъемы для ши­рокополосных модемов спецификации V.35 CCITT и 15-контактные разъемы для интерфейсов общедоступных сетей передачи данных, определенных в рекомендаци­ях CCITT X.20, Х.21, Х.22 и т.д. Кроме того, регламенти­руются допустимые электрические характеристики, в частности RS-232C, RS-449, RS-410 и V.35 CCITT.

Физический уровень может обеспечивать как асинхронную (последовательную) передачу, которая исполь­зуется для многих персональных компьютеров и в неко­торых недорогих ЛВС, так и синхронный режим, кото­рый применяется для некоторых мэйнфреймов и миникомпьютеров.

На физическом уровне модели OSI определяются та­кие важнейшие компоненты сети, как тип коаксиально­го кабеля для одноканальной передачи при скорости 10 Мбит/с. Сюда включено принятое в стандарте IEEE 802.3 определение более тонкого коаксиального кабеля cheapenet. К физическому уровню будет добавлено и включенное в стандарт IEEE 802.3 определение одноканальной передачи данных по кабелю на витых парах со скоростью 10 Мбит/с.

К средствам, определенным на физическом уровне, также относятся волоконно-оптические кабели и витые пары, применяемые в самых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3-4                           УПРАВЛЕНИЕ ДОСТУПОМ К ПЕРЕДАЮЩЕЙ СРЕДЕ

                                               Классификация методов доступа

Метод доступа к предающей среде – это совокупность правил, по которым узлы сети получают доступ к ресурсу. Иначе: это способ «захвата» передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети. Так же называется набор правил (алгоритм), используемых сетевым оборудованием, чтобы направить поток сообщений через сеть, а также один из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование.

Методы доступа к передающей среде реализуются протоколами передачи данных (ППД) нижнего уровня (протоколами управления каналом). ППД нижнего уровня – это совокупность процедур, выполняемых на нижних уровнях модели ВОС по управлению потоками данных между рабочими станциями сети на одном физическом канале связи.

Методы доступа к передающей среде и соответствующие ППД нижнего уровня могут быть разделены на следующие классы :

- методы, основанные на резервировании времени, принадлежащие к числу наиболее ранних и простых. Любая РС осуществляет передачу только в течение временных интервалов (слотов, определяющих начало и продолжительность передачи), заранее для нее зарезервированных. В неприоритетных системах слоты распределяются между станциями поровну, в системе с учетом приоритетов некоторые станции за фиксированный интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом РС, так как канал используется неэффективно;

- селективные методы, при реализации которых с помощью соответствующих ППД рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, направляемого каждой РС по очереди центральным управляющим органом сети (такой алгоритм называется

циклическим опросом), или это разрешение передается от станции к станции (алгоритм передачи маркера);

- методы, основанные на соперничестве (методы случайного доступа, методы «состязаний» рабочих станций), когда каждая РС пытается «захватить» передающую среду;

- кольцевые методы, предназначенные только для ЛКС с кольцевой топологией. К ним относятся два метода – вставка регистров и сегментированная передача (метод временных сегментов).

Реализация метода вставки регистра связана с необходимостью наличия в РС регистра (буфера), подключаемого параллельно к кольцевому моноканалу. В регистр записывается кадр для передачи, и станция ожидает межкадрового промежутка в моноканале. С его появлением регистр включается в моноканал и содержимое регистра передается в линию. Если во время передачи станция получает кадр, он записывается в буфер и передается вслед за кадром, передаваемым этой станцией. Допускается «подсадка» в моноканал нескольких кадров.

В случае использования сегментированной передачи временные сегменты одинаковой протяжности формируются управляющей станцией сети и циркулируют по кольцевому моноканалу. Каждая станция, периодически обращаясь в сеть, может дождаться временного сегмента, помеченного меткой «свободен». В этот сегмент станция помещает свой кадр и при этом метка «свободен» заменяется меткой «занят». После доставки кадра адресату сегмент вновь освобождается. Важным преимуществом такого метода является возможность одновременной передачи кадров несколькими станциями, однако управление сетью, где этот метод используется, значительно сложнее.

Протоколы передачи данных типа первичный/ вторичные

Детализация такого деления методов доступа и ППД нижнего уровня приведена на рис.4. Все ППД делятся на два класса: ППД типа первичный/вторичные и одноранговые ППД. Первые из них предполагают наличие в сети первичного (главного) узла, который управляет всеми остальными (вторичными) узлами, подключенными к каналу, и определяет, когда и какие узлы могут производить обмен данными. В сетях, где реализуются одноранговые (одноуровневые, равноранговые) протоколы, все узлы имеют одинаковый статус. Однако если предварительно узлам присвоить разные приоритеты, то для них устанавливается неравноправный доступ в сеть.

ППД типа первичный/вторичные могут быть реализованы на основе нескольких технологий, образующих две группы: с опросом и без опроса .Наибольшее распространение в сетях с опросом получили протоколы «опрос с остановкой и ожиданием» и «непрерывный автоматический запрос на повторение». Оба протокола относятся к классу ППД, реализующих селективные методы доступа к передающей среде, хорошо известные по применению в многоточечных линиях глобальных сетей. Суть таких технологий доступа заключается в том, что первичный узел последовательно предлагает вторичным узлам подключиться к общему каналу передачи. В ответ на такой запрос вторичный узел, имеяподготовленные данные, осуществляет передачу. В противном случае выдается короткий пакет данных типа «данных нет», хотя в современных системах, как правило, вместо этого пакета реакцией является «молчание».

Получил распространение способ организации запроса – циклический опрос, т.е. последовательное обращение к каждому вторичному узлу в порядке очередности, определяемом списком опроса. Цикл завершается после опроса всех вторичных узлов из списка. Для сокращения потерь времени, связанных с опросом неактивных вторичных узлов, применяются специальные варианты процедуры опроса: наиболее активные узлы в течение одного цикла опрашиваются несколько раз; наименее активные узлы опрашиваются один раз в течение нескольких циклов; частота опроса отдельных узлов меняется динамически в соответствии с изменением их активности. В сетях с многоточечными линиями применяется также опрос по принципу «готов-вперед». В каждой многоточечной линии опрос начинается с самого удаленного вторичного узла к другому, пока не достигнет узла, ближайшего к опрашивающему органу. Реализация такого принципа позволяет сократить время на распространение сигнала опроса от первичного узла к вторичным.

       Протокол типа запрос передачи/разрешение передачи применяется в полудуплексных каналах связи ЛКС, так как взаимосвязан с распространенным короткодистанционным физическим интерфейсом RS-232-C. Организация передачи данных между вторичным и первичным органами производится в такой последовательности: выдача вторичным органом запроса на передачу – выдача первичным органом сигналаразрешения на передачу вторичным органом – передача данных от вторичного органа к первичному – сброс сигнала первичным органом по завершении передачи.

Протокол типа разрешить/запретить передачу часто используется периферийными устройствами (принтерами, графопостроителями) для управления входящим в них трафиком. Первичной орган (обычно компьютер) посылает данные в периферийный узел (вторичный орган), скорость работы которого существенно меньше скорости работы компьютера и скорости передачи данных каналом. В связи с этим возможно переполнение буферного ЗУ периферийного узла. Для предотвращения переполнения периферийный узел посылает к компьютеру сигнал «передача выключена», получив который компьютер прекращает передачу и сохраняет данные до тех пор, пока не получит сигнал «разрешить передачу», означающий, что буферное ЗУ освободилось и периферийный узел готов принять новые данные. Одноранговые протоколы разделяются на две группы: без приоритетов (в неприоритетных системах) и с учетом приоритетов (в приоритетных системах).

Мультиплексная передача с временным разделением – наиболее простая равноранговая неприоритетная система, где реализуются методы доступа к передающей среде, основанные на резервировании времени. Используется жесткое расписание работы абонентов: каждой станции выделяется интервал времени (слот) использования канала связи, и все интервалы распределяются между станциями поровну.

Недостатки такого протокола:

- возможность неполного использования канала, когда станция, получив слот, не может полностью загрузить канал из-за отсутствия необходимого объема данных для передачи;

- нежелательные задержки в передаче данных, когда станция, имеющая важную и срочную информацию, вынуждена ждать своего слота или когда выделенного слота недостаточно для передачи подготовленных данных и необходимо ждать следующего слота.

Множественный доступ с прослушиванием несущей частоты и разрешением коллизий, английская аббревиатура которого CSMA/CD – Caner Sense Multiple Access with Collection Detection. Это наиболее распространенный недерминированный метод случайного доступа к передающей среде.

Сети CSMA/CD реализуются достаточно просто и при малой загрузке обеспечивают быстрый доступ к передающей среде, а также позволяют легко подключать и отключить станции. Они обладают высокой живучестью, поскольку большинство ошибочных и неблагоприятных условий приводит либо к молчанию, либо к конфликту (а обе эти ситуации поддаются обработке) и, кроме того, нет необходимости в центральном управляющем органе сети. Их основной недостаток: при больших нагрузках время ожидания доступа к передающей среде становится большим и меняется непредсказуемо, следовательно, не гарантируется обеспечение предельно допустимого времени доставки кадра. Такие системы доступа применяются в локальных незагруженных сетях с небольшим числом абонентских станций (с увеличением числа станций увеличивается вероятность возникновения коллизий).

Метод передачи маркера широко используется в неприоритетных и приоритетных сетях с магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к классу селективных методов: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность битов информации (уникальный кадр). Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа «маркерная шина», а кольцевые сети – сетями типа «маркерное кольцо».

Протокол типа «маркерная шина» (рис.5.) применяется в локальных сетях с шинной или звездообразной топологией. Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. Вслед за своим кадром станция отправляет маркер другой станции, которая  является очередной по установленному порядку владения правом на передачу (для этого в адресном поле маркера стирается свой адрес и вместо него записывается адрес очередной станции, так как каждой станции известен идентификатор очередной станции). Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физическом канале формируется так называемое логическое кольцо. Все станции «слушают» канал, но захватить его для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера. Работая в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра.

          В сетях типа «маркерная шина», помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов.

 

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5                                                           Типы сетей связи

В соответствии с Федеральным законом «О связи» «взаимосвязанная сеть связи РФ представляет собой комплекс технологически сопряженных сетей связи общего пользования и ведомственных сетей электросвязи на территории РФ, обеспеченный общим централизованным управлением, независимо от ведомственной принадлежности и форм собственности

        Сеть связи общего пользования (ССОП) как составная часть взаимосвязанной сети связи РФ включает в себя все сети электросвязи, находящиеся под юрисдикцией РФ (кроме выделенных и ведомственных сетей) и предназначена для предоставления услуг всем физическим и юридическим лицам на территории РФ. Ответственность за ее функционирование и развитие возлагается на федеральные органы исполнительной власти в области связи.

        Ведомственные сети связи (ВСС) создаются и функционируют для обеспечения производственных и социальных нужд федеральных органов исполнительной власти, находятся в их ведении и эксплуатируются ими. Они могут также использоваться для предоставления услуг связи населению и другим пользователям связи.Выделенные сети связи на территории РФ могут создаваться любыми физическими и юридическими лицами, имеющими признанный правовой статус.

Корпоративные сети связи (КСС) предназначены для обеспечения производственно-хозяйственной деятельности (ПХД) корпораций (организаций, объединений). Появление корпораций по времени совпадает с распадом СССР, приватизацией государственных предприятий и целых отраслей. По своим функциям и статусу корпоративные сети связи могут быть приравнены к ведомственным сетям, поэтому имеют хождение оба термина. Можно согласиться с автором работы [4], где предлагается использовать термин «ведомственная сеть» к сетям преимущественно с коммутацией каналов, а термин «корпоративная сеть» - к интегрированным гибридным сетям.

Корпоративная сеть обеспечивает передачу информации между различными приложениями, используемыми в корпорации. Это инфраструктура корпорации, поддерживающая решение таких задач, как администрирование корпорации и передача управляющих воздействий между объектами управления, передача технологической и телеметрической информации вдоль линейно-протяженных коммуникаций и их техническое обслуживание, социально-культурное обеспечение сотрудников корпораций современными услугами связи и телерадиовещания. КСС, как правило, является территориально-распределенной, объединяющей офисы, подразделения и другие структуры, удаленные друг от друга на значительные расстояния. Она должна быть максимально универсальной, т.е. в ней должна быть заложена возможность интеграции уже существующих и будущих приложений. В настоящее время в КСС используются в основном достаточно медленные (десятки и сотни килобитов в секунду, реже до 2 Мбит/с) арендованные линии связи, где существенным элементом стоимости оказывается арендная плата за использование каналов, которая быстро растет с увеличением качества и скорости передачи данных.

Типы линий связи

В компьютерных сетях в качестве линий связи применяются проводные (воздушные), кабельные, радиоканалы наземной и спутниковой связи. Различие между ними определяется средой передачи данных. Физическая среда передачи данных может представлять собой кабель, а также земную атмосферу или космическое пространство, через которые распространяются электромагнитные волны.

Проводные (воздушные) линии связи – это провода без изолирующих или экранирующих оплеток, проложенные между столбами и висящие в воздухе. Традиционно они служат для передачи телефонных и телеграфных сигналов, но при отсутствии других возможностей применяются для передачи компьютерных данных. Проводные линии связи отличаются небольшой пропускной способностью и малой помехозащищенностью, поэтому они быстро вытесняются кабельными линиями.

Кабельные линии включают кабель, состоящий из проводников с изоляцией в несколько слоев – электрической, электромагнитной, механической, и разъемы для присоединения к нему различного оборудования. В КС применяются в основном три типа кабеля: кабель на основе скрученных пар медных проводов (это витая пара в экранированном варианте и неэкранированном), коаксиальный кабель (состоит из внутренней медной жилы и оплетки, отделенной от жилы слоем изоляции) и волоконно-оптический кабель (состоит из тонких – в 5 - 60 микрон - волокон, по которым распространяются световые сигналы).

Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Основные их преимущества: высокая пропускная способность (до 10 Гбит/с и выше), обусловленная использованием электромагнитных волн оптического диапазона; нечувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие собственных электромагнитных излучений, низкая трудоемкость прокладки оптического кабеля; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к агрессивным средам; небольшая удельная масса (отношение погонной массы к полосе пропускания); широкие области применения (создание магистралей коллективного доступа, систем связи ЭВМ с периферийными устройствами локальных сетей, в микропроцессорной технике и т.д.).

Недостатки ВОЛС: подключение к световоду дополнительных ЭВМ значительно ослабляет сигнал; необходимые для световодов высокоскоростные модемы пока еще дороги; световоды, соединяющие ЭВМ, должны снабжаться преобразователями электрических сигналов в световые и обратно.

Радиоканалы наземной и спутниковой связи образуются с помощью передатчика и приемника радиоволн. Различные типы радиоканалов отличаются используемым частотным диапазоном и дальностью передачи информации. Радиоканалы, работающие в диапазонах коротких, средних и длинных волн (КВ, СВ, ДВ), обеспечивают дальнюю связь, но при невысокой скорости передачи данных. Это радиоканалы, где используется амплитудная модуляция сигналов. Каналы, работающие на диапазонах ультракоротких волн (УКВ), являются более скоростными, для них характерна частотная модуляция сигналов. Сверхскоростными являются каналы, работающие на диапазонах сверхвысоких частот (СВЧ), т.е. свыше 4 ГГц. В диапазоне СВЧ сигналы не отражаются ионосферой Земли, поэтому для устойчивой связи требуется прямая видимость между передатчиком и приемником. По этой причине сигналы СВЧ используются либо в спутниковых каналах, либо в радиорелейных, где это условие выполняется.

 

 

Характеристики линий связи

К основным характеристикам линий связи относятся следующие: амплитудно-частотная характеристика, полоса пропускания, затухание, пропускная способность, помехоустойчивость, перекрестные наводки на ближнем конце линии, достоверность передачи данных, удельная стоимость.

Характеристики линии связи часто определяются путем анализа ее реакций на некоторые эталонные воздействия, в качестве которых используются синусоидальные колебания различных частот, поскольку они часто встречаются в технике и с их помощью можно представить любую функцию времени. Степень искажения синусоидальных сигналов линии связи оценивается с помощью амплитудно-частотной характеристики, полосы пропускания и затухания на определенной частоте.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) дает наиболее полное представление о линии связи, она показывает, как затухает амплитуда синусоиды на выходе линии по сравнению с амплитудой на ее входе для всех возможных частот передаваемого сигнала (вместо амплитуды сигнала часто используется его мощность). Следовательно, АЧХ позволяет определять форму выходного сигнала для любого входного сигнала. Однако получить АЧХ реальной линии связи весьма трудно, поэтому на практике вместо нее используются другие, упрощенные характеристики – полоса пропускания и затухание.

Полоса пропускания линии связи представляет собой непрерывный диапазон частот, в котором отношение амплитуды выходного сигнала ко входному превышает заранее заданный предел (обычно 0,5). Следовательно, полоса пропускания определяет диапазон частот синусоидального сигнала, при которых этот сигнал передается по линиисвязи без значительных искажений. Ширина полосы пропускания, в наибольшей степени влияющая на максимально возможную скорость передачи информации по линии связи - это разность между максимальной и минимальной частотами синусоидального сигнала в данной полосе пропускания. Полоса пропускания зависит от типа линии и ее протяженности.

Затухание – это относительное уменьшение амплитуды или мощности сигнала определенной частоты при его передаче по линии связи.

Затухание А измеряется в децибелах (dB, дБ) и вычисляется по формуле

 

                                                                               (1)

где , -мощность сигнала соответственно на выходе и на входе линии.

Пропускная способность линии связи – это ее характеристика, определяющая (как и ширина полосы пропускания) максимально возможную скорость передачи данных по линии. Она измеряется в битах в секунду (бит/с), а также в производных единицах (Кбит/с, Мбит/с,      Гбит/с).

Пропускная способность линии связи зависит от ее характеристик (АЧХ, ширины полосы пропускания, затухания) и от спектра передаваемых сигналов, который в свою очередь зависит от выбранного способа физического или линейного кодирования (т.е. от способа представления дискретной информации в виде сигналов). Для одного способа кодирования линия может обладать одной пропускной способностью, а для другого – другой.

Количество изменений информационного параметра несущего периодического сигнала в секунду (для синусоиды это количество изменений амплитуды, частоты или фазы) измеряется в бодах. Тактом работы передатчика называют период времени между соседними изменениями информационного сигнала.

Режимы передачи информации

В сетях связи нашли применение следующие режимы передачи информации:

-    симплексные, когда передатчик и приемник связываются одним каналом связи, по которому информация передается только в одном направлении (это характерно для телевизионных сетей связи);

-    полудуплексные, когда два узла связи соединены также одним каналом, по которому информация передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для информационно-справочных, запрос-ответных систем);

-    дуплексные, когда два узла связи соединены двумя каналами (прямым каналом связи и обратным), по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях. Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.

Коммутируемые и выделенные каналы связи.

 

В ТСС различают выделенные (некоммутируемые) каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании выделенных каналов связи приемо-передающая аппаратура узлов связи постоянно соединена между собой. Этим обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема трафика. Из-за сравнительно больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов.

Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме трафика). Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (на установление связи между абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6-7                          ПЕРЕДАЧА ДИСКРЕТНЫХ ДАННЫХ НА ФИЗИЧЕСКОМ УРОВНЕ

Исходная информация, которую необходимо передавать по линии связи, может быть либо дискретной (выходные данные компьютеров), либо аналоговой (речь, телевизионное изображение).

Передача дискретных данных базируется на использовании двух типов физического кодирования:

а) аналоговой модуляции, когда кодирование осуществляется за счет изменения параметров синусоидального несущего сигнала;

б) цифрового кодирования путем изменения уровней последовательности прямоугольных информационных импульсов.

Аналоговая модуляция приводит к спектру результирующего сигнала гораздо меньшей ширины, чем при цифровом кодировании, при той же скорости передачи информации, однако для ее реализации требуется более сложная и дорогая аппаратура.

В настоящее время исходные данные, имеющие аналоговую форму, все чаще передаются по каналам связи в дискретном виде (в виде последовательности единиц и нулей), т.е. осуществляется дискретная модуляция аналоговых сигналов.

   Синхронизация передатчика и приемника.

Самосинхронизирующиеся коды

Синхронизация передатчика и приемника необходима для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент следует осуществлять считывание поступающих данных. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение и поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных. Проблема синхронизации легко решается при передаче информации на небольшие расстояния (между блоками внутри компьютера, между компьютером и принтером) путем использования отдельной тактирующей линии связи: информация считывается только в момент прихода очередного тактового импульса

В настоящее время синхронизация передатчика и приемника в сетях достигается применением самосинхронизирующихся кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней информационного сигнала в канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.

Указанные требования к способам цифрового кодирования дискретной информации являются в определенной степени взаимно противоречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже способов кодирования имеет свои преимущества и недостатки по сравнению с другими.

Самосинхронизирующиеся коды. Наиболее распространенными являются следующие СК:

- потенциальный код без возвращения к нулю (NRZ – Non Return to    Zero);

- биполярный импульсный код (RZ-код);

- манчестерский код;

- биполярный код с поочередной инверсией уровня.

На рис.7 представлены схемы кодирования сообщения 0101100 с помощью этих СК.

                 

                                                           0     1     0     1     1     0     0

NRZ - код                                                                                                       

 

RZ - код          

Манчестерский код

Биполярный код с

поочередной

инверсией уровня

                                                                                                                             

Рис.7. Схемы кодирования сообщения с помощью самосинхронизирующихся кодов

Для характеристики и сравнительной оценки СК используются такие показатели:

- уровень (качество) синхронизации;

- надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;

- требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если пропускная способность линии задана;

- сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.

NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью реализации. Такое название он получил потому, что при передаче серий одноименных битов (единиц ли нулей) сигнал не возвращается к нулю в течение такта, как это имеет место в других способах кодирования. Уровень сигнала остается неизменным для каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания принимаемых битов (может произойти рассогласование таймера приемника по отношению к поступающему сигналу и несвоевременный опрос линий).

Для NRZ-кода имеют место соотношения

V₁ Ј V₂ ;     V_1,max =  V₂ , где V₁ – скорость изменения уровня сигнала в линии связи (бод); V₂ – пропускная способность линии связи (бит/с).

Кроме того, что этот код не обладает свойством самосинхронизации, у него есть и другой серьезный недостаток: наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных серий единиц или нулей. Вследствие этого код NRZ в чистом виде в сетях не используется. Применяются его различные модификации, в которых устраняют плохую самосинхронизацию кода и наличие постоянной составляющей.

NZ-код, или биполярный импульсный код (код с возвращением к нулю), отличается тем, что за время передачи одного информационного бита уровень сигнала меняется дважды независимо от того, передаются ли серии одноименных битов или поочередно изменяющихся битов. Единица представлена импульсом одной полярности, а ноль – другой. Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующимися свойствами, но стоимость его реализации довольно высокая, так как необходимо обеспечить соотношение                V₁ = 2V₂.

Спектр у NZ-кода шире, чем у потенциальных кодов. Из-за слишком широкого спектра он используется редко.

Манчестерский код обеспечивает изменение уровня сигнала при представлении каждого бита, а при передаче серий одноименных битов – двойное изменение. Каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала

к высокому, а ноль – обратным перепадом. Соотношение скоростей для этого кода такое:

V₁ Ј 2V₂ ;     V_1,max =  2V₂ .

Манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующимися свойствами, так как сигнал изменяется, по крайней мере, один раз за такт передачи одного бита данных. Его полоса пропускания уже, чем у RZ-кода (в среднем в полтора раза). В отличие от биполярного импульсного кода, где для передачи данных используются три уровня сигнала (что иногда весьма нежелательно, например, в оптических кабелях устойчиво распознаются только два состояния – свет и темнота), в манчестерском коде – два уровня.

Манчестерский код широко применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

Биполярный код с поочередной инверсией уровня (код AMI) является одной из модификаций кода NRZ. В нем используются три уровня потенциала – отрицательный, нулевой и положительный. Единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным. Для кодирования нуля используется нулевой потенциал. Код обладает хорошими синхронизирующими свойствами при передаче серий единиц, так как потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей. При передаче серий нулей синхронизация отсутствует. Код AMI сравнительно прост в реализации. Для него V₁ Ј V₂ , V_1,max =  V₂ .

При передаче различных комбинаций битов на линии использование кода AMI приводит к более узкому спектру сигнала, чем для кода NRZ, а следовательно, и к более высокой пропускной способности линии.

Заметим, что улучшенные потенциальные коды (модерни-зированные манчестерский код и код AMI) обладают более узким спектром, чем импульсные, поэтому они находят применение в высокоскоростных технологиях, например в FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

         Дискретная модуляция аналоговых сигналов

Дискретная модуляция основана на дискретизации непрерывных сигналов, как по амплитуде, так и по времени. Одним из широко распространенных методов преобразования аналоговых сигналов в цифровые является импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х.Ривсом (США).

       Первый этап – отображение. Амплитуда исходного непрерывного сигнала измеряется с заданным периодом, за счет чего происходит дискретизация по времени. На этом этапе аналоговый сигнал преобразуется в сигналы импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ).

На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании) двоичный код. На рис.8 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантованному сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементными кодами скорость передачи данных по каналу должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а при кодировании 8-элементными кодами – 64 Кбит/с. Стандартным является цифровой канал 64 Кбит/с, который называется также элементарным каналом цифровых телефонных сетей.

Устройство, которое выполняет указанные этапы преобразования аналоговой величины в цифровой код, называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На приемной стороне с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется обратное преобразование, т.е. производится демодуляция оцифрованных амплитуд непрерывного сигнала, восстановление исходной непрерывной функции времени.

Асинхронная и синхронная передачи

Синхронизация между приемником и передатчиком в основном обеспечивается средствами физического уровня (на этом уровне единицей информации является бит, и средства этого уровня поддерживают побитовую синхронизацию) и канального уровня (на этом уровне единицей информации является кадр, и средства этого уровня поддерживают покадровую синхронизацию). При покадровой синхронизации приемник обязан обеспечить распознавание начала первого байта поступившего кадра, границ полей кадра и признака окончания кадра.

При плохом качестве линии связи, кроме побитовой и покадровой синхронизации, для повышения надежности передачи данных используются дополнительные средства синхронизации на уровне байт, и тогда такой режим работы называется асинхронным или стартстопным. Его использование объясняется еще и тем, что в составе компьютера есть устройства, которые генерируют байты в случайные моменты времени (например, клавиатура, с которой вводятся данные в компьютер).

В асинхронном режиме передача осуществляется небольшими блоками фиксированной длины (обычно байтами). Каждый байт обрамляется двумя сигналами «стартбит» и «стоп-бит». Синхронизация приемника обеспечивается сигналом «стартбит». Асинхронным такой режим называется потому, что каждый байт может быть несколько смещен относительно побитовых тактов предыдущего байта. Асинхронный режим применяется в системах с невысокими скоростями передачи данных.

В синхронном режиме пользовательские данные передаются покадрово, причем каждый кадр обрамляется байтами синхронизации (старт-стопные биты для каждого байта отсутствуют). Байт синхронизации – это заранее оговоренный 8-разрядный двоичный код, который оповещает приемник о приходе очередного кадра данных. При передаче длинных кадров может произойти рассинхронизация приемника, и тогда используются самосинхронизирующиеся коды.

 

 

 

 

 

 

8                     ПЕРЕДАЧА ДИСКРЕТНЫХ ДАННЫХ НА КАНАЛЬНОМ УРОВНЕ

Протоколы канального уровня

Эти протоколы обеспечивают передачу пакетов данных адресату, причем каждый пакет оформляется в кадр собственного формата (отдельные поля кадра заполняются адресом назначения и контрольной суммой для выявления искаженных кадров). Доставка кадров данных осуществляется в пределах сетей с простой топологией связей и однотипной или близкой технологией. Например, это односегментные сети Ethernet или многосегментные сети Ethernet и Token Ring иерархической топологии, разделенных мостами и коммутаторами. В более сложных структурах сетей задача передачи кадров между узлами осуществляется с помощью протоколов сетевого уровня.

Протоколы, работающие на канальном уровне, обеспечивают передачу данных:

- в асинхронном и синхронном режимах;

- с предварительным установлением соединения и без предварительного установления соединения (дейтаграммную);

- с обнаружением искаженных данных и без обнаружения;

- с обнаружением потерянных данных и без обнаружения;

- с восстановлением искаженных и потерянных данных и без восстановления;

- с поддержкой динамической компрессии данных и без поддержки.

Многие из этих свойств и возможностей характерны и для протоколов более высоких уровней.

Асинхронные протоколы канального уровня оперируют со стандартными наборами символов (ASCII или EBCDIC) или кадрами, концевик которых содержит контрольную сумму для обнаружения искаженных кадров.

Синхронные протоколы канального уровня бывают двух типов:

- символьно-ориентированные (байт-ориентированные),

используемые для передачи в основном текстовых файлов;

- бит-ориентированные, применяемые при передаче как двоичных, так и символьных данных, т.е. являющиеся более универсальными протоколами.

Методы синхронизации битов в обоих типах протоколов одни и те же. Главное различие между ними – в методе синхронизации символов и кадров.

Большинство синхронных протоколов допускает использование в кадре поля данных переменной длины с указанием максимального его значения. Есть протоколы с кадрами фиксированной длины, например 53 байта в протоколе АТМ.

 Связь с соединением и связь без соединения

Протоколами канального уровня (с участием протоколов более высоких уровней) реализуются два способа связи между отправителем и получателем данных: без установления логического соединения между ними и с предварительным установлением логического соединения.

Способ связи без установления логического соединения характеризуется следующим:

- он используется в сетях с коммутацией пакетов, причем каждый пакет рассматривается как индивидуальный объект, независимая единица передачи информации;

- пакеты от отправителя можно передавать в произвольные моменты, а также одновременно множеству адресатов по различным маршрутам;

- перед передачей данных сквозная связь между отправителем и получателем заранее не устанавливается, не требуется также синхронизация аппаратуры связи на передающем и приемном пунктах;

- из-за занятости отдельных участков маршрута может осуществляться буферизация пактов в промежуточных узлах связи (такой способ не гарантирует доставку пакета);

- передача сигнала к отправителю от адресата, подтверждающего получение информации, не производится.

Это один из первых и простейших способов обмена данными в коммуникационной технологии. Он широко используется в дейтаграммных сетях, в которых реализуются дейтаграммные протоколы информационного обмена.

Способ связи (или режим связи), ориентированный на логическое соединение, относится к более поздней технологии. Он обеспечивает более высокий уровень сервиса по сравнению с дейтаграммой связью.

Особенности организации обмена данными с установлением логического соединения:

- перед передачей информации между взаимодействующими абонентами (отправителем и получателем) устанавливается логический (виртуальный) канал, причем технология создания (установления) канала такова: отправитель посылает запрос на соединение удаленному адресату через ряд промежуточных узлов связи; адресат, получив этот запрос, в случае «согласия» на установление логического канала посылает отправителю сигнал подтверждения; после получения сигнала подтверждения отправителем начинается обмен данными с управлением потоком, сегментацией и исправлением ошибок;

- после завершения обмена данными адресат посылает пакет подтверждения этого события отправителю (клиенту – инициатору установления логического канала), который воспринимается как сигнал для разъединения канала. Следовательно, при использовании этого способа связи выделяются три этапа: установление канала, обмен  данными, разъединение канала.

Связь с установлением логического канала применяется в виртуальных сетях, где используются протоколы информационного обмена типа виртуального соединения. Такая связь может быть многоканальной, и тогда каждая пара взаимодействующих абонентов, обмениваясь данными по своему виртуальному каналу, воспринимает его как выделенный канал, в распоряжение которого представлены все ресурсы связи. В действительности эти ресурсы распределяются между всеми одновременно работающими виртуальными каналами данной линии связи.

При передаче по виртуальному каналу длинных сообщений они разбиваются на одинаковые части (пакеты), которые отправляются в канал в порядке размещения в сообщении. Это избавляет от необходимости снабжать каждый пакет служебной информацией в полном объеме, с тем, чтобы превратить его в независимую единицу передачи информации, как это имеет место в дейтаграммных сетях. Кроме того, передача пакетов в их естественной последовательности, определяемой порядком размещения в сообщении, существенно облегчает задачу формирования первоначального сообщения из принимаемых пакетов на приемном пункте.

Первый из рассмотренных способов организации обмена данными в сетях отличается простотой в реализации и сравнительно небольшими накладными расходами. При малой загруженности линий связи сети он позволяет существенно сократить время на передачу длинного сообщения. Кроме того, он удобен при рассылке информации по многим адресам. В загруженных сетях реализация такого способа может привести к значительным задержкам пакетов в промежуточных узлах связи и даже к потере отдельных пакетов, что негативно отражается на надежности доставки информации адресатам. Второй способ, напротив, характеризуется высокими накладными расходами, однако он предоставляет абонентам существенно большие удобства, обеспечивает требуемую оперативность в обмене данными (в идеальном случае переполнение соединений в промежуточных узлах связи полностью исключается) и гарантированную надежность доставки информации абонентам.

Таким образом, каждый из режимов связи имеет свои особенности, а значит, и области применения.

Режим «с соединением» целесообразно использовать для тех применений, где взаимодействие имеет долговременный характер, конфигурация взаимодействующих объектов постоянна, а поток данных не имеет больших пауз. Протоколы с установлением соединения обладают рядом дополнительных свойств, например, способностью обнаруживать и восстанавливать искаженные кадры. Для обнаружения искаженных кадров используется ряд методов, в частности методы, основанные на избыточных циклических кодах, которые выявляют многократные ошибки. Восстановление кадров основано на использовании метода повторной передачи кадров.

Режим «без соединения» больше подходит там, где взаимодействие имеет кратковременный характер, при котором объем передаваемых данных невелик, а интервалы между передачами значительны (относительно скорости передачи). Кроме того, его целесообразно использовать в системах с повышенными требованиями к надежности доставки данных адресату, так как эти требования можно удовлетворить путем тиражирования данных и передачи адресату по разным маршрутам.

Повышение полезной скорости передачи данных, т.е. сокращение времени на их передачу, достигается применением динамической компрессии (сжатия) данных на основе различных алгоритмов. Коэффициент сжатия зависит от типа данных и применяемых алгоритмов компрессии. Он может колебаться от 1:2 до 1:8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9                                      ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

 Причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях

Выделяют две основные причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях:

- сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоприятных объективных событий в сети (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как правило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью планово предусмотренных средств;

- помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями. Помехи - это электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне. Наиболее распространенными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут быть атмосферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных импульсов малой длительности и большой амплитуды. Возможны и сосредоточенные помехи в виде синусоидальных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радиостанций, излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет обнаружен, либо искажен так, что “единица” может перейти  в “нуль” и наоборот.

Методы защиты от ошибок

Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной связью.

Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод, реализующий принцип Вердена, и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока.

Суть мажоритарного метода, давно используемого в телеграфии, состоит в следующем. Каждое сообщение ограниченной длины передается несколько раз, чаще всего три раза. Принимаемые сообщения запоминаются, а потом производится их поразрядное сравнение. Суждение о правильности передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом “два из трех”. Например, кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами, поэтому приемник принял такие комбинации: 10101 , 01110 , 01001 . В результате проверки каждой позиции отдельно правильной считается комбинация 01101.

Другой групповой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает передачу данных блоками с количественной характеристикой блока. Такими характеристиками могут быть: число единиц или нулей в блоке, контрольная сумма передаваемых символов в блоке, остаток от деления контрольной суммы на постоянную величину и др. На приемном пункте эта характеристика вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи. Если характеристики совпадают, считается, что блок не содержит ошибок. В противном случае на передающую сторону передается сигнал с требованием повторной передачи блока. В современных ТКС такой метод получил самое широкое распространение.

Помехоустойчивое (избыточное) кодирование, предполагающее разработку и использование корректирующих (помехоустойчивых) кодов, применяется не только в ТКС, но и в ЭВМ для защиты от ошибок при передаче информации между устройствами машины. Оно позволяет получить более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение - в обеспечении малой вероятности искажений передаваемой информации, несмотря на присутствие помех или сбоев в работе сети.

Существует довольно большое количество помехоустойчивых различных кодов, отличающихся друг от друга по ряду показателей и, прежде всего по своим корректирующим возможностям.

К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов относятся:

- значность кода, или длина кодовой комбинации, включающей информационные символы (m) и проверочные, или контрольные символы (К). Обычно значность кода n есть сумма m+К;

- избыточность кода К_изб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой комбинации к значности кода;

- корректирующая способность кода К_кс, представляющая собой отношение числа кодовых комбинаций L, в которых ошибки были обнаружены и исправлены, к общему числу переданных кодовых комбинаций М в фиксированном объеме информации.

Выбор корректирующего кода для его использования в данной ТКС зависит от требований по достоверности передачи информации. Для правильного выбора кода необходимы статистические данные о закономерностях появления ошибок, их характере, численности и распределении во времени. Например, корректирующий код, обнаруживающий и исправляющий одиночные ошибки, эффективен лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает некоторой величины. Он оказывается непригодным, если ошибки появляются группами. При выборе кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэффициент К_изб, тем менее эффективно используется пропускнаяспособность канала связи и больше затрачивается времени на передачу информации, но зато выше помехоустойчивость системы.

Заметим, что в ТКС корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок, исправление которых осуществляется путем повторной передачи искаженной информации. С этой целью в сетях используются системы передачи с обратной связью (наличие между абонентами дуплексной связи облегчает применение таких систем).Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с информационной обратной связью.Особенностью систем с решающей обратной связью (иначе: систем с перезапросом) является то, что решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) принимает приемник. Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной станции осуществляется проверка принимаемой информации. При обнаружении ошибки на передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому информация передается повторно.

В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв информацию по прямому каналу и зафиксировав ее в своей памяти, передает ее в полном объеме по каналу обратной связи передатчику, где переданная и возвращенная информация сравниваются.

 

10                                      МАРШРУТИЗАЦИЯ ПАКЕТОВ В СЕТЯХ

 Сущность, цели и способы маршрутизации

Сущность, цели и способы маршрутизации. Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сообщения, расчленяемого на пакеты, решается единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и получателем. В дейтаграммных сетях, где данные передаются в форме дейтаграмм, маршрутизация выполняется для каждого отдельного пакета.Выбор маршрутов в узлах связи ТКС производится в соответствии с реализуемым алгоритмом (методом) маршрутизации.

Алгоритм маршрутизации - это правило назначения выходной линии связи данного узла связи ТКС для передачи пакета, базирующееся на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя и получателя),таблице маршрутов и информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов) и, возможно, ТКС в целом.Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении:

-    минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю;

-    максимальной пропускной способности сети, что достигается в  нивелировкой загрузки линий связи ТКС;

-    максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации;

-    надежности доставки пакета адресату;

-    минимальной стоимости передачи  пакета адресату.

Различают следующие способы маршрутизации.

1. Централизованная маршрутизация. Реализуется обычно в сетях с централизованным управлением. Выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, а узлы сети связи только воспринимают и реализуют результаты решения задачи маршрутизации. Такое управление маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличается высокой гибкостью.

2. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация. Выполняется главным образом в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствующими средствами. Распределенная маршрутизация сложнее централизованной, но отличается большей гибкостью.

3. Смешанная маршрутизация. Характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится, например, гибридная адаптивная маршрутизация

Задача маршрутизации в сетях решается при условии, что кратчайший маршрут, обеспечивающий передачу пакета за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности линий связи, нагрузки на линии связи. Топология сети изменяется в результате отказов узлов и линий связи и отчасти при развитии ТКС (подключении новых узлов и линий связи). Пропускная способность линий связи определяется типом передающей среды и зависит от уровня шумов и параметров аппаратуры, обслуживающей линии. Наиболее динамичным фактором является нагрузка на линии связи, изменяющаяся довольно быстро и в трудно прогнозируемом направлении.Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии ТКС в целом - всех остальных узлов и линий связи. Данные о текущей топологии сети и пропускной способности линий связи предоставляются узлам без затруднений. Однако нет способа для точного предсказания состояния нагрузки в сети. Эффективность алгоритмов маршрутизации оценивается следующими показателями:

-    временем доставки пакетов адресату;

-    нагрузкой на сеть, которая при реализации данного алгоритма создается потоками пакетов, распределяемыми по линиям и узлам сети. Количественная оценка нагрузки осуществляется длиной очередей пакетов в узлах;

-    затратами ресурсов в узлах связи (временем работы коммуникационной ЭВМ, емкостью памяти).

Факторы, снижающие эффективность алгоритмов маршрутизации:

-    передача пакета в узел связи, находящийся под высокой нагрузкой;

-    передача пакета в направлении, не приводящем к минимальному времени его доставки;

-          создание на сеть дополнительной нагрузки за счет передачи служебной информации, необходимой для реализации алгоритма.

                                                                         Методы маршрутизации

Различают три вида маршрутизации - простую, фиксированную и адаптивную. Принципиальная разница между ними - в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при решении задачи выбора маршрута.

Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается ни изменение топологии сети, ни изменение ее состояния (нагрузки). Она не обеспечивает направленной передачи пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимущества - простота реализации алгоритма маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя отдельных ее элементов. Из этого вида некоторое практическое применение получили случайная и лавинная маршрутизации.

Случайная маршрутизация характеризуется тем, что для передачи пакета из узла связи выбирается одно, случайно выбранное свободное направление. Пакет “блуждает” по сети и с конечной вероятностью когда-либо достигает адресата. Естественно, что при этом не обеспечивается ни оптимальное время доставки пакета, ни эффективное использование пропускной способности сети.

Лавинная маршрутизация (или: заполнение пакетами всех свободных выходных направлений) - предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям. Поскольку это происходит в каждом узле, имеет место явление “размножения” пакета, что резко ухудшает использование пропускной способности сети. Значительное ослабление этого недостатка достигается путем уничтожения в каждом узле дубликатов (копий) пакета и продвижения по маршруту только одного пакета. Основное преимущество такого метода - гарантированное обеспечение оптимального времени доставки пакета адресату, так как из всех направлений, по которым передается пакет, хотя бы одно обеспечивает такое время. Метод может использоваться в незагруженных сетях, когда требования по минимизации времени и надежности доставки пакетов достаточно высоки.

Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения направление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), которая определяет кратчайшие пути. Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново при изменении топологии сети. Отсутствие адаптации к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети. Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации. Первая строится на основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами, что сопряжено с неустойчивостью к отказам и перегрузкам, а вторая - на основе нескольких возможных путей между двумя абонентами, из которых выбирается предпочтительный путь. Фиксированная маршрутизация применяется в сетях с мало изменяющейся топологией и установившимися потоками пакетов.

Адаптивная маршрутизация отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов осуществляется с учетом изменения как топологии, так и нагрузки сети. Существует несколько модификаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая именно информация используется при выборе маршрута. Получили распространение такие модификации - локальная, распределенная, централизованная и гибридная адаптивные маршрутизации.

Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, имеющейся в данном узле и включающей: таблицу маршрутов, которая определяет все направления передачи пакетов из этого узла; данные о состоянии выходных линий связи (работают или не работают); длину очереди пакетов, ожидающих передачи. Информация о состоянии других узлов связи не используется. Таблица маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обеспечивающие доставку пакета адресату за минимальное время. Преимущество такого метода состоит в том, что принятие решения о выборе маршрута производится с использованием самых последних данных о состоянии узла. Недостаток метода в его “близорукости”, поскольку выбор маршрута осуществляется без учета глобального состояния всей сети. Следовательно, всегда есть опасность передачи пакета по перегруженному маршруту.

Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, указанной для локальной маршрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети. В каждом узле формируется таблица маршрутов (каталог) ко всем узлам назначения, где указываются маршруты с минимальным временем задержки пакетов. До начала работы сети это время оценивается исходя из топологии сети. В процессе работы сети узлы периодически обмениваются с соседними узлами, так называемыми таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла. После обмена таблицами задержки каждый узел перерассчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом поступивших данных и длины очередей в самом узле. Обмен таблицами задержки может осуществляться не только периодически, но и асинхронно в случае резких изменений нагрузки или топологии сети. Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети служебной информацией. Кроме того, сведения об изменении состояния узловраспространяются по сети сравнительно медленно, поэтому выбор маршрута производится по несколько устаревшим данным.

Централизованная адаптивная маршрутизация характеризуется тем, что задача маршрутизации для каждого узла сети решается в центре маршрутизации (ЦМ). Каждый узел периодически формирует сообщение о своем состоянии (длине очередей и работоспособности линий связи) и передает его в ЦМ. По этим данным в ЦМ для каждого узла составляется таблица маршрутов. Естественно, что передача сообщений в ЦМ, формирование и рассылка таблиц маршрутов - все это сопряжено с временными задержками, следовательно, с потерей эффективности такого метода, особенно при большой пульсации нагрузки в сети. Кроме того, есть опасность потери управления сетью при отказе ЦМ.

Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ узлам сети, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Следовательно, здесь реализуются принципы централизованной и локальной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует недостатки централизованной маршрутизации (маршруты, формируемые центром, являются несколько устаревшими) и локальной (“близорукость” метода) и воспринимает их преимущества: маршруты центра соответствуют глобальному состоянию сети, а учет текущего состояния узла обеспечивает своевременность решения задач.

 СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ В СЕТЯХ СВЯЗИ

В любой сети связи всегда применяется какой-либо способ коммутации, обеспечивающий с помощью коммутаторов доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети, каждый из которых соединяется с ближайшим коммутатором индивидуальной линией связи. В любой момент времени эта линия используется только одним абонентом, а между коммутаторами линии связи используются совместно многими абонентами.

Используются три принципиально различных способа коммутации абонентов в сетях: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов. Сети с коммутацией сообщений и коммутацией пакетов относятся к типу сетей с промежуточным хранением передаваемой информации. Сети с коммутацией каналов и коммутацией пакетов разделяются, кроме того, на два класса – на сети с динамической коммутацией и сети с постоянной коммутацией.

В сетях с динамической коммутацией соединение абонента с любым другим устанавливается сетью по инициативе абонента, продолжается определенное время (от нескольких секунд до нескольких часов) и завершается также по инициативе абонента по окончании обмена информацией. Такой режим работы поддерживают телефонные сети общего пользования, локальные сети, сети TCP/IP.

В сетях с постоянной коммутацией соединение между взаимодействующими пользователями устанавливается персоналом сети на длительное время (несколько месяцев и более). Режим постоянной коммутации популярен в сетях технологии SDH, где создаются выделенные каналы связи с пропускной способностью в несколько гигабитов в секунду.

Некоторые сети поддерживают оба режима работы, например сети X.25 и АТМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11                                         СПУТНИКОВЫЕ СЕТИ СВЯЗИ

                                                    Характеристика спутниковых сетей связи

Первый спутник связи был запущен в 1958г., а в 1965г. запущен первый коммерческий спутник связи (оба - в США). Эти спутники были пассивными, позже на спутниках стали устанавливать усилители и приемопередающую аппаратуру.

В настоящее время спутники связи запускаются обычно на высоту 22300 миль и находятся на геосинхронной (геостационарной) орбите, плоскость которой параллельна плоскости экватора.  Линейная скорость вращения спутника вокруг Земли равна 6879 миль/ч., что обеспечивает уравновешивание гравитационного притяжения Земли и стационарность вращения спутника по отношению к вращению Земли. Спутник как бы «зависает» над неподвижной точкой поверхности Земли. При таком положении спутника антенна наземной станции слежения может находиться в относительно неподвижном состоянии. Геосинхронные спутники часто запускаются группами по три спутника. Разнесенные друг от друга на 120°, они обеспечивают охват почти всей поверхности  Земли.

В спутниковых системах связи используются антенны  СВЧ - диапазона частот для приема радиосигналов от передающих наземных станций и для ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции. Большинство спутников используют гигагерцовый диапазон 6/4 ГГц, некоторые работают в диапазоне 14/12 ГГц (первая цифра -  частота работы по звену «Земля – спутник», а вторая - частота работы по звену «спутник – Земля»). Способность спутника принимать и передавать сигналы обеспечивается специальным устройством - транспондером. Взаимодействие между абонентами осуществляется по цепи: абонентская станция (отправитель информации) - передающая наземная радиотелеметрическая станция (РТС) - спутник - приемная наземная радиотелеметрическая станция - абонентская станция (получатель информации). Одна наземная РТС обслуживает группу близлежащих АС.

Для управления передачей данных между спутником и наземными РТС используются следующие способы.

1. Обычное мультиплексирование с частотным разделением и временным разделением. В первом случае весь частотный спектр радиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между пользователями для передачи любого трафика. Издержки такого способа: при нерегулярном ведении передач подканалы используются нерационально; значительная часть исходной полосы пропускания канала используется в качестве разделительной полосы для предотвращения нежелательного влияния подканалов друг на друга. Во втором случае весь временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются предоставленными временными квантами (слотами). Здесь также возможно простаивание канала из-за нерегулярного его использования.

2. Обычная дисциплина «первичный/вторичный» с использованием методов и средств опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС, а реже - спутник. Цикл опроса и выбора занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС. Поэтому время реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.

3. Дисциплина управления типа «первичный/вторичный» без опроса с реализацией метода множественного доступа с квантованием времени. Здесь слоты назначаются первичной РТС, называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от характера трафика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям  конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих спутниковых сетях.

4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерным является то, что все пользователи имеют равное право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. В начале 1970-х годов Н.Абрамсон из Гавайского университета предложил метод эффективного соперничества за канал между некоординируемыми пользователями, названный системой ALOHA. Существует несколько вариантов этой системы: система, реализующая метод случайного доступа (случайная ALOHA); равноранговая приоритетная слотовая система (слотовая ALOHA) и др.

                                                                               Преимущества и недостатки спутниковых сетей связи.

К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:

-              большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи;

-              обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;

-              независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого трафика);

-              возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств, обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических линиях связи и коммуникационных устройствах.

Недостатки спутниковых сетей связи:

-              необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных, на предотвращение возможности перехвата данных «чужими» станциями;

-              наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных протоколов, а также временем ответа;

-              возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на соседних частотах;

-    подверженность сигналов на участках Земля-спутник и спутник-Земля влиянию различных атмосферных явлений.

Для разрешения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой связи.

 

 

 

                           

 

 

 

 

12-1                                                 Сети и технологии Х.25

Сети и технологии Х.25.

Рекомендация Х.25 описывает три уровня протоколов: физического, канального и сетевого. Они реализуют функции соответственнофизического, канального, сетевого и частично транспортного уровней модели взаимодействия открытых систем (BOC – OSI).

Физический уровень, широко представленный в оборудовании массового спроса, описывает уровни сигналов и логику взаимодействия на уровне физического интерфейса.

Канальный уровень, также широко представленный в оборудовании (например, в модемах), отвечает за эффективную и надежную передачу данных в соединении «точка-точка», т.е. между соседними узлами сети Х.25. На этом уровне осуществляется защита от ошибок при передаче между соседними узлами, управление потоком данных и, кроме того, обеспечивается получение оптимального по скорости передачи режима в зависимости от протяженности канала между двумя точками (времени задержки в канале) и качества канала (вероятности искажения информации при передаче), что важно при оценке эффективности функционирования двухточечного соединения.

Для реализации указанных выше функций поток информации разбивается на кадры (frame), каждый из которых представляет собой организованную определенным образом последовательность битов. Кадр обрамляется «флагами» (уникальными последовательностями битов, являющимися разделителем между кадрами) и состоит из служебных полей (поля адреса, поля управления с циклическим номером кадра, поля проверочной последовательности кадра) и информационного поля для информационных кадров. Длину кадра можно менять при настройке параметров протокола к физическим характеристикам линии связи. Чем короче кадр, тем меньше вероятность его искажения при передаче. С другой стороны, если линия хорошего качества, то информацию лучше передавать более длинными кадрами, обеспечивающими уменьшение процента избыточной информации (флаги, служебные поля кадра).

Наконец, на сетевом уровне, определяющем специфику сетей Х.25, производится маршрутизация пакетов (на этом уровне информация также структурируется, т.е. разбивается на «порции», называемые «пакетами») и доведение информации от «точки входа в сеть» до «точки выхода» из нее. Структура пакета во многом аналогична структуре кадра. При передаче пакет помещается в поле данных информационного кадра (кадра канального уровня).

В сетях Х.25 реализуется метод «коммутации пакетов», в соответствии с которым перед передачей информации от одного абонента к другому между ними сначала устанавливается виртуальное (логическое) соединение, т.е. происходит обмен пакетами «запрос вызова» – «вызов принят», после чего производится обмен информацией. Виртуальные соединения могут быть как постоянными, так и коммутируемыми, когда соединение устанавливается под каждый сеанс обмена информацией. Число виртуальных соединений, которые могут одновременно поддерживаться на базе одного физического канала, зависит от конкретного типа оборудования, используемого для поддержания таких соединений.

Доступ пользователей к сети Х.25 осуществляется в одном из двух режимов – в пакетном или монопольном. Доступ с персонального компьютера (ПК) в сеть в пакетном режиме реализуется путем установления в ПК специальной платы, обеспечивающей обмен данными в соответствии со стандартом Х.25. Подключение ЛКС через сеть Х.25 осуществляется с помощью сетевых плат (например, производимых компаниями Microdyne, Newport Systems Solutions и др.) или для этого могут использоваться мосты-маршрутизаторы удаленного доступа, включенные в виде отдаленных устройств и поддерживающие протокол Х.25. Преимущество таких устройств по сравнению с встроенными в компьютер платами (помимо большей производительности) состоит в том, что они не требуют установки специального программного обеспечения, а сопрягаются с ЛКС по стандартному интерфейсу локальной сети, что позволяет реализовать более гибкие и универсальные решения. Подключение пользовательского оборудования к сети в пакетном режиме удобно, когда требуется многопользовательский доступ к этому оборудованию через сеть.

Метод коммутации пакетов, лежащий в основе сетей Х.25, определяет основные преимущества таких сетей, а следовательно, и области их применения. Преимущества сетей Х.25 заключаются в следующем.

1. Сети Х.25 позволяют в режиме реального времени разделять один и тот же физический канал между несколькими абонентами. Благодаря этому во многих случаях оказывается экономически выгодней для передачи данных пользоваться сетью Х.25, производя оплату за каждый байт переданной информации, а не оплачивать времяиспользования телефонной линии. Метод разделения физического канала между абонентами в сетях Х.25 называют еще логическим или статистическим уплотнением (в отличие от временного разделения канала). При статистическом разделении канала нет строго регламентированной степени загрузки канала каждым абонентом в определенный момент времени. Эффективность использования статистического уплотнения зависит от статистических или вероятностных характеристик уплотняемых потоков информации. Имеется большой опыт эффективного использования сетей Х.25 для широкого спектра задач передачи данных, когда трафик в сети не является равномерным во времени: обмен сообщениями между пользователями, обращение большого числа пользователей к удаленной базе данных или к удаленному хвосту электронной почты, связь локальных сетей (при скоростях обмена не более 128 Кбит/с), объединение удаленных кассовых аппаратов или банкоматов.

2. Сети Х.25 позволяют передавать оптимальным образом данные по выделенным и коммутируемым каналам телефонной сети общего пользования. Критериями оптимизации являются максимально возможные на этих каналах скорость и достоверность передачи данных.

3. В сетях Х.25 имеется механизм альтернативной маршрутизации, с помощью которого, помимо основного маршрута, задается ряд альтернативных (резервных) маршрутов, за счет чего значительно увеличивается надежность работы сети. Однако это означает, что между любыми двумя точками подключения пользователя к сети должно быть, по крайней мере, два различных маршрута.

При всех достоинствах сетевой технологии Х.25 у нее есть и свои довольно серьезные ограничения:

-       невозможность передавать по сетям Х.25 такие виды информации, как голос и видеоинформацию;

-       существенное ограничение скорости передачи, основной причиной которого является наличие в таких сетях развитых механизмов коррекции ошибок. Эти механизмы требуют подтверждения получения информации между каждыми соседними узлами сети, что приводит к значительным задержкам распространения информации. Поэтому технология Х.25 обычно применяется в сетях, использующих каналы связи со скоростью передачи не более 128 Кбит/с.

 

 

12-2                                                       Сети и технологии Frame Relay

(ретрансляция кадров)

Сетью Frame Relay (далее – FR) называется сеть коммутации кадров, в которой используется технология (протокол) передачи данных одноименного названия. Протокол FR – это интерфейс доступа к сетям быстрой коммутации пакетов. Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик. Отличительные особенности протокола FR: малое время задержки при передаче информации через сеть, высокие скорости передачи, «высокая степень связности», эффективное использование полосы пропускания. По сетям FR возможна передача не только собственно данных, но и оцифрованного голоса.

Протокол FR выполняет функции первого, частично второго и третьего уровней модели ВОС. Он позволяет устанавливать соединение между взаимодействующими узлами сети, что аналогично соединению по Х.25 в случае, когда используется постоянное виртуальное соединение (PVC). Внутри каждого физического канала может быть создана совокупность PVC (логических каналов), что и объясняет «высокую степень связности», обеспечиваемую протоколом FR. Что касается коммутируемых виртуальных соединений (SVC), то их использование в FR-сетях описывается специальными протоколами.

В отличие от сетей Х.25, где на сетевом уровне обеспечивается гарантированная передача пакетов (в случае искажения при передаче какого-либо пакета происходит его повторная передача), кадр FR не содержит переменных нумераций передаваемых и подтверждаемых кадров. При межузловом обмене информацией в сетях FR ошибочные кадры просто «выбрасываются», их повторная передача средствами FR не происходит. Для обеспечения гарантированной и упорядоченной передачи кадров необходимо использовать либо протоколы более высокого уровня (например, протокол ТСР/IР), либо дополнение к протоколу FR (например, Q.922).

Кадр FR-сети имеет минимальную избыточность, т.е. доля служебной информации в кадре по отношению к передаваемым данным пользователя минимальна. Это способствует сокращению времени на передачу фиксированного объема информации. Кроме того, в сети FR может производиться маршрутизация своими средствами (беззадействования механизмов маршрутизации по Х.25 или по протоколу IP), что значительно увеличивает скорость маршрутизации. Однако такой эффект достигается только при использовании каналов, качество которых соответствует требованиям технологии FR. В противном случае сравнительно много кадров будут передаваться с ошибкой, и потребуется повторная передача кадров, обеспечиваемая дополнительными средствами. Это снизит информационную скорость передачи информации и более эффективной в этом случае станет сеть Х.25.

Эффективность технологии FR достигается также использованием специфических механизмов, управляющих загрузкой сети. Эти механизмы обеспечивают практически гарантированное время доставки кадров через сеть и одновременно дают возможность сети адаптироваться к крайне неравномерным во времени типам трафика (например, к трафику ЛКС).

Стремительному развитию технологии FR и повышению ее эффективности способствует ряд факторов, в частности улучшение качества каналов связи, использование современного многофункционального каналообразующего оборудования. К новому классу такого оборудования относятся мультимедийные пакетные коммутаторы (МПК).

Коммутаторы МПК, использующие технологию FR для транспортировки информации, совмещают несколько функций:

- статистическое уплотнение каналов передачи данных, при котором фиксированные промежутки времени в уплотняемом канале не предоставляются отдельно каждому каналу, как это имеет место при использовании метода временного уплотнения; информация каждого канала разбивается на отдельные блоки, к блоку прибавляются заголовок, содержащий идентификатор соответствующего канала, и хвост, что образует единицу передачи информации – кадр, с помощью которого могут передаваться все виды трафика. Основные преимущества такого уплотнения: динамическое распределение пропускной способности уплотненного канала связи в зависимости от активности в каналах передачи данных, возможность предоставления пропускной способности по требованию, возможность установки приоритетов для различных видов трафика;

- коммутациию и передачу различных видов трафика;

- управление потоком информации и установка приоритетов;

- поддержку функций телефонных станций. К функциям АТС, выполняемым МПК, относятся оцифровка и коммутация голоса, передача факсимильных сообщений. Для технологии FR характерным является возможное увеличение задержки при передаче голоса по сравнению с обычной телефонной сетью. Устранить это явление можно путем установления более высокого приоритета для голосового трафика и применения фрагментации кадров.

Распространению технологии FR способствует также наличие стандартов, обеспечивающих совместимость сетей FR с другими сетями. Например, имеется стандарт IETF 1294 для преобразования пакетов TCP/IP в кадры FR. Есть стандарты, обеспечивающие совместимость FR с самыми высокопроизводительными и современными сетями – сетями АТМ. При «входе» в сеть АТМ длинные кадры FR разбиваются на короткие, размещаемые внутри АТМ-ячеек, а при «выходе» из сети АТМ из ячеек АТМ-сети извлекаются фрагменты кадров FR и из них собираются полные кадры FR.

В настоящее время за рубежом, особенно в США, наблюдается стремительное развитие сетей FR. За один 1996 год число пользователей этих сетей выросло более чем в три раза. В начале 1997 г. около 1800 фирм США строили свои корпоративные сети на базе магистральных сетей FR. Наиболее распространенные способы доступа к сетям FR: использование выделенных линий; через сети Х.25 по обычным коммутируемым телефонным линиям; через ISDN для передачи данных и голоса.

В России большинство сетей передачи данных общего пользования также предоставляют пользователям FR-сервис. Основная проблема с реализацией магистральной сети FR заключается в том, что те магистральные междугородние каналы, которые построены на базе телефонных линий (линий тональной частоты), не обеспечивают необходимое для сети FR качество передачи. Для построения сетей FR самые широкие возможности имеют те предприятия, решения которых основаны на базе оптоволоконных или спутниковых каналов связи.

Технология FR и в будущем сохранит свои преимущества и актуальность, поскольку она обеспечивает идеальный доступ к высокоскоростной магистральной АТМ-сети по низкоскоростным каналам связи. Эта технология в настоящее время является наиболее эффективной для приложений, связанных с интеграцией неравномерного (пульсирующего) трафика локальных сетей, и чувствительной к задержке голосовой информации.

 

 

 

12-3                                      Сети и технологии ISDN и SDH

Сети и технологии ISDN. Сети ISDN (Integrated Services Digital Network – цифровая сеть с интеграцией услуг) относятся к классу сетей, изначально предназначенных для передачи как данных, так и голоса. Это сети, обеспечивающие цифровое соединение между оконечными абонентами сети для предоставления широкого набора услуг, к которым пользователи получают доступ через ограниченное число стандартных многофункциональных интерфейсов.

В сетях ISDN используется цифровая технология, получающая все большее распространение, так как:

-цифровые устройства, используемые в ISDN, производятся на основе интегральных схем высокой интеграции; по сравнению с аналоговыми устройствами они отличаются большой надежностью и устойчивостью в работе и, кроме того, в производстве и эксплуатации, как правило, дешевле;

-    цифровую технологию можно использовать для передачи любой информации по одному каналу (акустических сигналов, телевизионных видеоданных, факсимильных данных);

-    цифровые методы преодолевают многие из ограничений передачи и хранения, которые присущи аналоговым технологиям.

В сетях ISDN при передаче аналогового сигнала осуществляется преобразование его в последовательность цифровых значений, а при приеме – обратное преобразование.

Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амплитуды во времени. Например, при разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустических сигналов в электрические, механические колебания воздуха (чередование высокого и низкого давления) преобразуются в электрический сигнал с такой же характеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная передача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом недостатков: искажение сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями, затухание сигнала при передаче через среду, подверженность влиянию шумов в канале и др.

В ISDN эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сигнала представляется в виде цифровых (двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения амплитуды огибающей синусоидальных колебаний в точках, на дискретных уровнях. Цифровые сигналы также подвержены ослаблению и шумам при их прохождении через канал, однако на приемном пункте необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импульса, а не его абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Следовательно, цифровые сигналы принимаются надежнее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затухания станут ниже порогового значения.

Подключение пользовательского оборудования к сети ISDN производится на одной из двух стандартных скоростей. Первая из них – «базовая» скорость (BRI – Basic Rate Interface), а вторая – «первичная» (PRI – Primary Rate Interface). При передаче информации по BRI в канале создаются три логических подканала, два из которых, называемые В-каналами, предназначены для передачи «полезной» информации пользователя (в частности, голоса). Каждый из В-каналов требует полосы пропускания 64 Кбит/с. Третий подканал, называемый D-каналом, требует такой же полосы пропускания и используется прежде всего для передачи служебной информации, которая определяет порядок обработки информации, передаваемой по В-каналам. Иногда D-канал используется для передачи полезной информации, его полоса пропускания равна 16 Кбит/с. Следовательно, общая полоса пропускания, т.е. скорость передачи, соответствующая интерфейсу BRI, составляет 144 Кбит/с.

Канал PRI имеет свою специфику в разных странах. В США, Канаде и Японии он состоит из двух В-каналов и одного D-канала, каждый из них имеет пропускную способность 64 Кбит/с, а общая пропускная способность PRI-канала равна 1536 Кбит/с (с учетом служебной информации). В Европе канал PRI занимает полосу пропускания 1920 Кбит/с.

Большая полоса пропускания каналов, необходимая для построения сетей ISDN, является основным препятствием на пути их распространения, особенно в странах со слабо развитой инфраструктурой высокоскоростных каналов связи. Однако существуют механизмы, позволяющие строить такие сети, более экономно используя полосу пропускания каналов связи. Один из таких механизмов позволяет уплотнять В-каналы, используемые для передачи голоса. При этом реализуется техника кодирования (преобразования акустических сигналов в цифровой код), получившая название импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). В настоящее время техника кодирования голоса шагнула далеко вперед, обеспечивая вполне приемлемое качество голосовой связи при гораздо меньшей полосе пропускания (в одном из практических случаев голосовая информация, передаваемая по каждому из В-каналов, сжимается и передается со скоростью                    6,33 Кбит/с).

Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется различными методами. Один из них - импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

По мнению специалистов, развитию сетей и технологий ISDN способствуют такие факторы: либерализация и приватизация в области телекоммуникаций (это приводит в появлению новых конкурентов и новых сетевых продуктов); сближение технологий информатизации, телекоммуникаций и отрасли развлечений (это положительно воздействует на развитие кабельного телевидения, спутниковой связи и радиодоступа, при этом на первое место выходит задача обеспечения комплексности предоставления услуг связи); развитие сети Internet; непрекращающийся рост сетей подвижной связи (эти сети растут значительно быстрее фиксированных сетей, причем наблюдается перераспределение трафика – с фиксированных сетей на сети подвижной связи). Разное состояние этих факторов, выступающих в роли движущих сил развития ISDN-сетей, приводит к различию стратегических и тактических подходов в деле их внедрения в разных странах.

Резкое возрастание роли ISDN-сетей объясняется тем, что они обеспечивают интегрированный доступ к речевым и неречевым услугам, имеют сложившуюся инфраструктуру, являются цифровыми сетями, основанными на использовании цифровых каналов 64 Кбит/с, обладают достаточной гибкостью. Популяризация ISDN-сети возрастает, поскольку по определению она является мультисервисной (обеспечивает услуги по предоставлению связи, доставке информации, а также дополнительные услуги), ориентированной на приложения. Термин «приложение» означает определенную сферу применения ISDN (например, дистанционное обучение), а термин «решение» используется для объяснения, каким образом данное приложение реализуется средствами ISDN (дистанционное обучение осуществляется с помощью услуги видеоконференцсвязи).

Технология ISDN стабильно развивается, а сеть на ее основе имеет необходимые интерфейсы с не ISDN-сетями. Кроме того, имеется большой набор терминального оборудования для ISDN-сетей.

Терминальное оборудование ISDN разбивается на такие группы: цифровые телефонные аппараты, терминальные адаптеры для ПК, оборудование видеосвязи.

Основные средства доступа к сети ISDN: маршрутизаторы или мосты локальных сетей, оконечные сетевые устройства базового и первичного доступа для ВОЛС и медных линий связи, мультиплексоры (для сбора и передачи информации от удаленных абонентов), системы для проведения видеоконференций, мини-УАТС (управленческие автоматические телефонные станции).

Цифровые УАТС с функциями ISDN позволяют: более полно использовать каналы связи для передачи данных и речи, выйти абоненту в сеть ISDN с различных устройств (телефона, факса, компьютера), одновременно передавать речь и данные (если в составе УАТС имеются двухпроводные цифровые телефонные аппараты с расширенными функциями и портом для подключения ПК), подключать мосты или маршрутизаторы для взаимодействия удаленных ЛКС.

Сети и технологии ISDN предоставляют пользователям следующие основные услуги: передача данных со скоростью 64 Кбит/с, передача речи в цифровом виде, телетекст, факс, видеосвязь. При использовании каждой из них абонент может воспользоваться такими дополнительными услугами: организация замкнутых групп пользователей, организация конференцсвязи, предоставление сети своего номера или отказ на предоставление и др.

Таким образом, сети ISDN, основной целью разработки которых было объединение в одной сети трафиков цифровых телефонных сетей и компьютерных данных, в настоящее время широко используются для решения задач по передаче информации в следующих областях: телефония, передача данных, объединение ЛКС, доступ к глобальным компьютерным сетям, интеграция различных видов трафика, передача трафика, чувствительного к задержкам (звук, видео).

Сети и технологии SDH. В сетях стандарта SDH (Synchronous Digital Hierarchy – синхронная цифровая иерархия) реализуется технология синхронных волоконно-оптических сетей. Это высокоскоростные сети цифровой связи, которые строятся на базе оптоволоконных кабельных линий или цифровых радиорелейных линий. Основу инфраструктуры современных высокоскоростных телекоммуникационных сетей (магистральных, региональных или городских) составляют цифровые линии и узлы сети стандарта SDH.

При построении сетей SDH используются следующие модули:

-    мультиплексоры SDH – это основные функциональные модули сетей SDH, предназначенные для сборки высокоскоростного потока информации из низкоскоростных потоков и разборки высокоскоростного потока на низкоскоростные;

- коммутаторы, обеспечивающие связь каналов, закрепленных за пользователями путем полупостоянного перекрестного соединения между ними;

- концентраторы, служащие для объединения однотипных потоков нескольких удаленных узлов сети в одном распределенном узле;

- регенераторы, устройства мультиплексирования с одним оптическим каналом доступа и одним – двумя выходами, используемыми для увеличения расстояния между узлами сети SDH.

Сети и технологии SDH отличаются высоким уровнем стандартизации (что позволяет в одной сети использовать оборудование разных фирм-производителей), высокой надежностью (централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния узлов), наличием полного программного контроля (отслеживание и регистрация аварийных ситуаций, управление конфигурацией сети осуществляется программными средствами с единой консоли управления), возможностью оперативного предоставления услуг по требованию, сравнительно простой схемой развития сети. Благодаря этим преимуществам технология SDH стала основной при построении цифровых транспортных сетей самого различного масштаба.

Топология всей SDH-сети формируется из отдельных базовых топологий типа «кольцо», «линейная цепь», «звезда», «точка-точка», которые используются в качестве сегментов сети. Чаще применяется радиально-кольцевая архитектура SDH-сети, построенная на базе кольцевой и линейной топологий.

В России наибольшую активность в использовании SDH-технологии проявляет АО «Ростелеком». Это АО ежегодно строит 5 - 6 тыс. км магистральных цифровых линий на основе волоконно-оптических кабелей (ВОЛС) и цифровых радиорелейных линий [6]. Компанией RASCOM построена в 1994 г. и эксплуатируется высокоскоростнаяцифровая оптоволоконная магистральная линия стандарта SDH между Москвой и Санкт-Петербургом протяженностью 690 км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12-4                                          Сети и технологии АТМ

Технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode – режим асинхронной передачи) является одной из самых перспективных технологий построения высокоскоростных сетей. Она обеспечивает максимально эффективное использование полосы пропускания каналов связи при передаче различного рода информации: голоса, видеоинформации, данных от самых разных типов устройств – асинхронных терминалов, узлов сетей передачи данных, локальных сетей и т.д. (к таким сетям относятся практически все ведомственные сети). Сети, в которых используется АТМ-технология, называются АТМ-сетями. Эффективность АТМ-технологии заключается в возможности применения различных интерфейсов для подключения пользователей к сетям АТМ.

Основные особенности АТМ-технологии.

1.         АТМ – асинхронная технология, так как пакеты небольшого размера, называемые ячейками (cells), передаются по сети, не занимая конкретных временных интервалов, как это имеет место в В-каналах сетей ISDN.

2.         Технология АТМ ориентирована на предварительное (перед передачей информации) установление соединения между двумя взаимодействующими пунктами. После установления соединения АТМ-ячейки маршрутизируют себя сами, поскольку каждая ячейка имеет поля, идентифицирующие соединение, к которому она относится.

3.         По технологии АТМ допускается совместная передача различных видов сигналов, включая речь, данные, видеосигналы. Достигаемая при этом скорость передачи (от 155 Мбит/с до 2,2 Гбит/с) может быть обеспечена одному пользователю, рабочей группе или всей сети. В АТМ-ячейке не предусматриваются позиции для определенных видов передаваемой информации, поэтому пропускная способность канала регулируется путем выделения полосы пропускания потребителю.

4.         Поскольку передаваемая информация разбивается на ячейки фиксированного размера (53 байта), алгоритмы их коммутации реализованы аппаратно, что позволяет устранить задержки, неизбежные при программной реализации коммутации ячеек.

5.         АТМ-технология обладает способностью к наращиваемости, т.е. к увеличению размера сети путем каскадного соединения нескольких АТМ-коммутаторов.

6.         Построение АТМ-сетей и реализация соответствующих технологий возможны на основе оптоволоконных линий связи, коаксиальных кабелей, неэкранированной витой пары. Однако в качестве стандарта на физические каналы для АТМ выбран стандарт на оптоволоконные каналы связи синхронной цифровой иерархии SDH. Технология мультиплексирования и коммутации, разработанная для SDH, стала АТМ-технологией.

7.         АТМ-технологии могут быть реализованы в АТМ-сетях практически любой топологии, но оконечное оборудование пользователей подключается к коммутаторам АТМ индивидуальными линиями по схеме «звезда».

Главное отличие АТМ-технологии от других телекоммуникационных технологий заключается в высокой скорости передачи информации (в перспективе – до 10 Гбит/с), причем привязка к какой-либо одной скорости отсутствует. Важным является и то обстоятельство, что АТМ-сети совмещают функции глобальных и локальных сетей, обеспечивая идеальные условия для «прозрачной» транспортировки различных видов трафика и доступа к услугам и службам взаимодействующих с сетью АТМ-сетей.

АТМ-технология допускает использование как постоянных (PVC), так и коммутируемых (SVC) виртуальных каналов.

PVC представляет собой соединение (после предварительной настройки) между взаимодействующими пользователями сети, которое существует постоянно. Устройства, связываемые постоянным виртуальным каналом, должны вести довольно громоздкие таблицы маршрутизации, отслеживающие все соединения в сети. Следовательно, рабочие станции, соединенные PVC, должны иметь таблицы маршрутизации всех остальных станций сети, что нерационально и может вызывать задержки в передаче.

Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) позволяют устранить необходимость ведения сложных таблиц маршрутизации и таким образом повысить эффективность функционирования сети. Здесь соединение устанавливается динамически, при этом используются АТМ-маршрутизаторы. В отличие от традиционных маршрутизаторов, которые требуют физического подключения сетевого сегмента к каждому из своих портов, в АТМ-маршрутизаторах используется не физическая архитектура с ориентацией на соединения, а виртуальная сетевая архитектура, ориентированная на протоколы. Такие маршрутизаторы необходимы и удобны для создания виртуальной сети, для которой характерной является возможность переключения пользователей, находящихся в любой точке сети, с одного сегмента на другой с сохранением виртуального адреса рабочей группы, что упрощает администратору сети задачу учета изменений списка пользователей.

АТМ-технология способна обрабатывать трафики различных классов.

В существующих спецификациях предусмотрены четыре класса трафика, которые могут быть в режиме АТМ:

Класс А – синхронный трафик с постоянной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения. Протокол, обслуживающийтрафик этого класса, предназначен для обеспечения потребностей в сетевых услугах при передаче информации с постоянной скоростью (передача и прием АТМ-ячеек по АТМ-пути осуществляются с одной и той же скоростью). Примеры такого трафика – несжатая речь, видеоинформация.

Класс В – синхронный трафик с переменной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения (например, сжатая речь, видеоинформация). Здесь, как и в случае трафика класса А, необходимы синхронизация аппаратуры отправителя и получателя и предварительное установление связи между ними, но допускается переменная скорость передачи. Информация передается через фиксированные промежутки времени, но ее объем в течение сеанса передачи может изменяться. Если объем передаваемой информации превышает фиксированный размер одной ячейки, эта информация разбивается на несколько ячеек, сборка которых осуществляется в пункте назначения.

Класс С – асинхронный трафик с переменной скоростью передачии с предварительным установлением соединения. Здесь синхронизации аппаратуры отправителя и получателя не требуется. Такой способ передачи необходим в сетях с коммутацией пакетов (сети Х.25, Internet, сети с ретрансляцией кадров). Трафик класса С, видимо, станет основным для передачи информации в глобальных сетях.

Класс D – асинхронный трафик с переменной скоростью передачи и без установления соединения. Протокол, управляющий доставкой трафика класса D, разработан для обеспечения многобитовой коммутации данных без установления соединения. В этом протоколе предусматривается использование кадров переменной длины: с помощью передатчика каждый кадр делится на сегменты фиксированного размера, которые помещаются в АТМ-ячейки; приемник собирает сегменты в исходный кадр, завершая таким образом процесс, который называется сегментацией и сборкой.

Режим асинхронной передачи основан на концепции двух оконечных пунктов сети (абонентских систем, терминалов), осуществляющих связь друг с другом через совокупность промежуточных коммутаторов. При этом используются интерфейсы двух типов: интерфейс пользователя с сетью (UNI – User-to-Network Interface) и интерфейс между сетями (NNI – Network-to-Network Interface). UNI соединяет устройство оконечного пользователя с общедоступным или частным АТМ-коммутатором, а NNI представляет собой канал связи между двумя АТМ-коммутаторами сети

 Соединение между двумя оконечными пунктами сети (напомним, что АТМ-технология ориентирована на предварительное установление соединения) возникает с того момента, когда один из них передает через UNI запрос в сеть. Этот запрос через цепочку АТМ-коммутаторов отправляется в пункт назначения для интерпретации. Если узел-адресат принимает запрос на соединение, то в АТМ-сети между двумя пунктами организуется виртуальный канал. UNI-устройства этих пунктов и промежуточные узлы сети (т.е. АТМ-коммутаторы) обеспечивают правильную маршрутизацию ячеек за счет того, что каждая АТМ-ячейка содержит два поля – идентификатор виртуального пути (VPI – Virtual Path Identifier) и идентификатор виртуального канала (VCI – Virtual Circuit Identifier). Информация, содержащаяся в полях VPI и VCI АТМ-ячейки, используется для однозначного решения задачи маршрутизации даже в случае, если у оконечной системы организовано несколько виртуальных связей.

Движущей силой развития технологии  АТМ является ее эффективность в обслуживании низкоскоростных приложений и возможность работы на сравнительно низких скоростях (от 2 Мбит/с). Говорить о «конкуренции» сетей FR и АТМ неправомочно, так как в настоящее время FR является основным интерфейсом доступа к сетямАТМ, позволяющим обеспечивать передачу по сети АТМ разнородного трафика, динамически распределяя полосу пропускания.

Совмещение разнородных телекоммуникационных сетей, построенных на базе различных технологий (Х.25, FR, IP и др.), для предоставления пользователям всего спектра услуг в настоящее время возможно только при использовании технологии АТМ. Возможности этой технологии по совмещению различных ТСС возрастают, несмотря на их существенные различия, главные из которых состоят: в приспособленности к передаче разнородной информации (данных, голоса, видеоинформации), возможности полного использования имеющейся полосы пропускания и адаптации к качеству каналов связи, в наличии и качестве интерфейсного оборудования связи с другими сетями, в степени рассредоточенности элементов сети, а также в степени распространенности в том или ином регионе.

 

 

 

 

 

13-1                                                Области применения ЛКС

 К основным характеристикам ЛКС относятся следующие:- длина общего канала связи;-вид физической среды передачи данных (волоконно-оптический кабель, витая пара, коаксиальный кабель);-топология сети;-максимальное число АС в сети;-   максимально возможное расстояние между РС в сети;- максимальное число каналов передачи данных;-максимальная скорость передачи данных;- тип передачи сигналов (синхронный или асинхронный);-способ синхронизации сигналов;-метод доступа абонентов в сеть;- структура программного обеспечения сети;- возможность передачи голоса, изображений, видеосигналов;-    возможность связи ЛКС между собой и сетью более высокого уровня;-возможность использования процедуры установления приоритетов при одновременном подключении абонентов к общему каналу;-условия надежной работы сети.

К числу наиболее типичных областей применения ЛКС относятся следующие.

Обработка текстов - одна из наиболее распространенных функций средств обработки информации, используемых в ЛКС. Передача и обработка информации в сети, развернутой на предприятии (в организации, вузе и т.д.), обеспечивает реальный переход к "безбумажной" технологии, вытесняя полностью или частично пишущие машинки.Организация собственных информационных систем, содержащих автоматизированные базы данных - индивидуальные и общие, сосредоточенные и распределенные.         Обмен информацией между АС сети - важное средство сокращения до минимума бумажного документооборота. Передача данных и связь занимают особое место среди приложений сети, так как это главное условие нормального функционирования современных организаций.              Обеспечение распределенной обработки данных, связанное с объединением АРМ всех специалистов данной организации в сеть. Поддержка принятия управленческих решений, предоставляющая руководителям и управленческому персоналу организации достоверную и оперативную информацию, необходимую для оценки ситуации и принятия правильных решений.       Организация электронной почты - один из видов услуг ЛКС, позволяющих руководителям и всем сотрудникам предприятия оперативно получать всевозможные сведения, необходимые в его производственно-хозяйственной, коммерческой и торговой деятельности. Коллективное использование дорогостоящих ресурсов - необходимое условие снижения стоимости работ, выполняемых в порядке реализации вышеуказанных применений ЛКС. Речь идет о таких ресурсах, как высокоскоростные печатающие устройства, запоминающие устройства большой емкости, мощные средства обработки информации, прикладные программные системы, базы данных, базы знаний.

Основные особенности ЛКС

Отметим основные особенности ЛКС и их отличия от глобальных сетей.

1.  Качество линий связи, способ их прокладки и протяженность. Поскольку ЛКС по определению отличаются небольшой протяженностью линий связи, в таких сетях стало возможным применение высококачественных линий (коаксиального кабеля, витой пары, оптоволоконного кабеля), не всегда доступным в ГКС из-за экономических ограничений. В ГКС часто применяются уже существующие телефонные линии связи, а в ЛКС они прокладываются заново.

2.  Разделение каналов. Каналы связи в ЛКС используются, как правило, совместно несколькими узлами сети, а в ГКС - индивидуально.

3.  Использование метода коммутации пакетов. Для ЛКС характерно неравномерное распределение нагрузки, т.е. наличие пульсирующего трафика. В связи с этим очень эффективной оказывается коммутация пакетов, обеспечивающая большую пропускную способность сети. В ГКС наряду с коммутацией пакетов используются и другие методы коммутации, а также некоммутируемые каналы.

4.  Масштабируемось ЛКС отличаются плохой масштабируемостью из-за жесткости базовых топологий, определяющих способ подключения РС и длину линий связи. ГКС рассчитаны на работу с произвольными топологиями, поэтому для них характерна хорошая масштабируемость.

5.  Сложность оборудования и методов передачи данных. В ЛКС наличие качественных линий связи позволило упростить процедуры передачи данных (применяются немодулированные информационные сигналы, отсутствует обязательное подтверждение получения пакета) и соответствующее оборудование. В ГКС из-за низкой надежности физических каналов эти процедуры значительно сложнее: широко применяются модуляция, асинхронные методы передачи данных, сложные методы контроля достоверности передачи данных и обеспечения их безопасности и т.д.

6.  Скорость обмена данными. В ЛКС, где используются высокоскоростные каналы (10, 16, 100 и более Мбит/с), она неизмеримо больше, чем в ГКС, где скорости, передачи данных 2400, 9600, 28800, 33600 бит/с, 56 и 64 Кбит/с и только на магистральных каналах - до 2 Мбит/с.

7.  Оперативность удовлетворения запросов пользователей. Для ЛКС обычным является режим on-line, поэтому время доставки пакета (кадра) адресату составляет несколько миллисекунд. В ГКС, где скорость передачи данных сравнительно низкая, это время исчисляется несколькими секундами, реализация служб для режима on-line затруднена, зато широко используется режим off-line (дейтаграммный режим доставки пакетов).

8.  Перечень услуг пользователям. В ЛКС этот перечень существенно шире, чем в ГКС, где, в основном, предоставляются почтовые услуги и передача файлов.

Типы ЛКС

Для деления ЛКС на группы используются определенные классификационные признаки.

По назначению ЛКС делятся на информационные (информационно-поисковые), управляющие (технологическими, административными, организационными и другими процессами), информационно-расчетные и другие.

По типам используемых в сети ЭВМ их можно разделить на неоднородные, где применяются различные классы (микро-, мини -, большие) и модели (внутри классов) ЭВМ, а также различное абонентское оборудование, и однородные, содержащие одинаковые модели ЭВМ и однотипный состав абонентских средств. По скорости передачи данных в общем канале различают:

- ЛКС с малой пропускной способностью (единицы и десятки мегабит в секунду), в которых в качестве физической передающей среды мспользуется используется витая пара или коаксиальный кабель;

- ЛКС со средней пропускной способностью (десятки мегабит в секунду), в которых используется также коаксиальный кабель или витая пара;

- ЛКС с большой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду), где применяются оптоволоконные кабели (световоды).

По топологии, т.е. конфигурации элементов в сети, ЛКС бывают с шинной топологией, кольцевой, звездообразной, смешанной (звездно-кольцевой, сегментированной).

  

Протоколы локальных сетей

В локальных сетях основная роль в организации взаимодействия узлов принадлежит протоколу канального уровня, который ориентирован на вполне определенную топологию ЛКС. Так, самый популярный протокол этого уровня - Ethernet - рассчитан на топологию "общая шина", когда все узлы сети параллельно подключаются к общей для них шине, а протокол Token Ring - на топологию "звезда". При этом применяются простые структуры кабельных соединений между РС сети, а для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений реализовано совместное использование кабелей всеми РС в режиме разделения времени (в режиме TDH). Поскольку в ЛКС с простейшей топологией (общая шина, кольцо, звезда) имеется только один путь передачи информации, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети - надежностью пути. Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специальных коммуникационных устройств (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) эти ограничения постепенно снимались. Базовые конфигурации ЛКС (шина, кольцо) превратились в элементарные звенья, из которых формируются более сложные структуры локальных сетей, имеющие параллельные и резервные пути между узлами.

Стандартизация протоколов ЛКС осуществлена комитетом 802, организованном в 1980 в институте IEEE. Стандарты семейства IEEE 802.Х охватывают только два нижних уровня модели ВОС - физический и канальный. Именно эти уровни отражают специфику локальных сетей, старшие уровни, начиная с сетевого, имеют общие черты для сетей любого класса.

В локальных сетях, как уже отмечалось, канальный уровень разделен на два подуровня:

- логической передачи данных (LLC);

- управления доступом к среде (МАС).

Протоколы подуровней МАС и LLC взаимно независимы, т.е. каждый протокол подуровня МАС может работать с любым протоколом подуровня LLC, и наоборот.

Подуровень МАС обеспечивает совместное использование общей передающей среды, а подуровень LLC - организует передачу кадров с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных ЛКС используются несколько протоколов подуровня МАС, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде и определяющих специфику технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.

Протокол LLC. Для технологий ЛКС этот протокол обеспечивает необходимое качество транспортной службы. Он занимает положение между сетевыми протоколами и протоколами подуровня МАС. По протоколу LLC кадры передаются либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения между взаимодействующими станциями сети и восстановлением кадров путем их повторной передачи при наличии в них искажений.

Различают три режима работы протокола LLC:

- LLC1 - процедура без установления соединения и без подтверждения. Это дейтаграммный режим работы. Он обычно используется тогда, когда восстановление данных после ошибок и упорядочение данных осуществляется протоколами вышележащих уровней;

- LLC2 - процедура с установлением соединения и подтверждением. По этому протоколу перед началом передачи между взаимодействующими РС устанавливается логическое соединение и, если это необходимо, выполняются процедуры восстановления кадров после ошибок и упорядочения потока кадров в рамках установленного соединения (протокол работает в режиме скользящего окна, используемом в сетях ARQ). Логический канал протокола LLC2 является дуплексным, т.е. данные могут передаваться одновременно в обоих направлениях;

         -LLC3 - процедура без установления соединения, но с подтверждением. Это дополнительный протокол, который применяется, когда временные задержки (например, связанные с установлением соединения) перед отправкой данных не допускаются, но подтверждение о корректности приема данных необходимо. Протокол LLC3 используется в сетях, работающих в режиме реального времени по управлению промышленными объектами.

Указанные три протокола являются общими для всех методов доступа к передающей среде, определенных стандартами IEEE 802.Х.

Кадры подуровня LLC по своему назначению делятся на три типа - информационные (для передачи данных), управляющие (для передачи команд и ответов в процедурах LLC2) и ненумерованные (для передачи ненумерованных команд и ответов LLC1 и LLC2).

Все кадры имеют один и тот же формат: адрес отправителя, адрес получателя, контрольное поле (где размещается информация, необходимая для контроля правильности передачи данных), поле данных и два обрамляющих однобайтовых поля "Флаг" для определения границ кадра LLC. Поле данных может отсутствовать в управляющих и ненумерованных кадрах. В информационных кадрах, кроме того, имеется поле для указания номера отправленного кадра, а также поле для указания номера кадра, который отправляется следующим.

Протоколы верхнего уровня ЛКС

Протокол IPX/SPX. Этот протокол является набором протоколов IPX и SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе NetWare применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.

Протокол IPX/SPX относится к программно-реализованным протоколам. Он не работает с аппаратными прерываниями, используя функции драйверов операционных систем. Пара протоколов IPX/SPX имеет фиксированную длину заголовка, что приводит к полной совместимости разных реализаций этих протоколов.

Протокол IPX применяется маршрутизаторами в сетевой операционной системе (СОС) NetWare. Он соответствует сетевому уровню модели ВОС и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов данных. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения) в 95% случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам, и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.

Протокол SPX работает на транспортном уровне модели ВОС, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) ЛКС. После установления логической связи пакеты могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что они передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.

 

13-2                             Технология Ethernet (стандарт 802.3)

Это самый распространенный стандарт локальных сетей. Существует несколько вариантов и модификаций технологии Ethernet, составляющих целое семейство технологий. Из них наиболее известными являются 10-мегабитный вариант стандарта IEEE 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet. Все эти варианты и модификации отличаются типом физической среды передачи данных.

Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к передающей среде - метод случайного доступа CSMA/CD. Он применяется исключительно в сетях с общей логической шиной, которая работает в режиме коллективного доступа и используется для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Метод CSMA/CD описан в п. 8.3 этой книги. Такой метод доступа носит вероятностный характер: вероятность получения в свое распоряжение среды передачи зависит от загруженности сети. При значительной загрузке сети интенсивность коллизий возрастает и ее полезная пропускная способность резко падает.

Полезная пропускная способность сети - это скорость передачи пользовательских данных, переносимых полем данных кадров. Она всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет служебной информации кадра, межкадровых интервалов и ожидания доступа к среде. При передаче кадров минимальной длины (72 байта вместе с преамбулой) максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/с, а полезная пропускная способность - всего 5,48 Мбит/с, что немного превышает половину номинальной пропускной способности - 10 Мбит/с. При передаче кадров максимальной длины (1518 байт) полезная пропускная способность равна 9,76 Мбит/с, что близко к номинальной скорости протокола. Наконец, при использовании кадров средней длины с полем данных в 512 байт, полезная пропускная способность равна 9,29 Мбит/с, т.е. также мало отличается от предельной пропускной способности в 10 Мбит/с. Следует учесть, что такие скорости достигаются только при отсутствии коллизий, когда двум взаимодействующим узлам другие узлы не мешают. Коэффициент использования сети в случае отсутствия коллизий и ожидания доступа имеет максимальное значение 0,96.

Технологией Ethernet поддерживаются 4 разных типа кадров, имеющих общий формат адресов. Распознавание типа кадров осуществляется автоматически. В качестве примера приведем структуру кадра 802.3/LLC.

Такой кадр имеет следующие поля:

- поле преамбулы - состоит из семи синхронизирующих байт 10101010, которые используются для реализации манчестерского кодирования;

- начальный ограничитель кадра - состоит из одного байта 10101011 и указывает на то, что следующий байт - это первый байт заголовка кадра;

- адрес назначения - длина его 6 байт, он включает признаки, по которым устанавливает тип адреса - индивидуальный (кадр отправляется одной РС), групповой (кадр отправляется группе РС), широковещательный (для всех РС сети);

- адрес источника (отправителя) - длина его 2 или 6 байт;

- длина поля данных - 2-байтовое поле, определяющее длину поля данных в кадре;

- поле данных - длина его от 0 до 1500 байт. Если длина этого поля меньше 46 байт, то используется так называемое поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимального допустимого значения в 46 байт;

- поле заполнения - длина его такая, чтобы обеспечить минимальную длину поля данных в 46 байт (это необходимо для корректной работы механизма обнаружения ошибок). Поле заполнения в кадре отсутствует, если длина поля данных достаточна;

- поле контрольной суммы - состоит из 4 байт и содержит контрольную сумму, которая используется на приемной стороне для выявления ошибок в принятом кадре.

В зависимости от типа физической среды по стандарту IEEE 802.3 различают следующие спецификации:

- 10 Base-5 - толстый коаксиальный кабель (диаметр 0,5 дюйма), максимальная длина сегмента сети 500 метров;

- 10 Base-2 - тонкий коаксиальный кабель (диаметр 0,25 дюйма), максимальная длина сегмента без повторителей 185 метров;

- 10 Base-T - неэкранированная витая пара, образующая звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и РС - не более 100 метров;

- 10 Base-F - волоконно-оптический кабель, образующий звездообразную топологию. Расстояние между концентратором и РС - до 1000 м и 2000 м для различных вариантов этой спецификации.

В этих спецификациях число 10 обозначает битовую скорость передачи данных (10 Мбит/с), слово Base - метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц, последний символ (5, 2, Т, F) - тип кабеля.

Для всех стандартов Ethernet имеют место следующие характеристики и ограничения: -                номинальная пропускная способность - 10 Мбит/с;

- максимальное число РС в сети - 1024;

- максимальное расстояние между узлами в сети - 2500 м;

- максимальное число коаксиальных сегментов сети - 5;

- максимальная длина сегмента - от 100 м (для 10Base-T) до 2000 м (для 10Base-F);

- максимальное число повторителей между любыми станциями

сети - 4.

 Технология Token Ring (стандарт 802.5)

Здесь используется разделяемая среда передачи данных, состоящая из отрезков кабеля, соединяющих все РС сети в кольцо. К кольцу (общему разделяемому ресурсу) применяется детерминированный доступ, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право передается с помощью маркера. Маркерный метод доступа гарантирует каждой РС получение доступа к кольцу в течение времени оборота маркера. Используется приоритетная система владения маркером - от 0 (низший приоритет) до 7 (высший). Приоритет для текущего кадра определяется самой станцией, которая может захватить кольцо, если в нем нет более приоритетных кадров.

В сетях Token Ring в качестве физической среды передачи данных используются экранированная и неэкранированная витая пара и волоконно-оптический кабель. Сети работают с двумя битовыми скоростями - 4 и 16 Мбит/с, причем в одном кольце все РС должны работать с одной скоростью. Максимальная длина кольца - 4 км, а максимальное количество РС в кольце - 260. Ограничения на максимальную длину кольца связаны со временем оборота маркера по кольцу. Если в кольце 260 станций и время удержания маркера каждой станцией равно 10 мс, то маркер после совершения полного оборота вернется в активный монитор через 2,6 с. При передаче длинного сообщения, разбиваемого, например, на 50 кадров, это сообщение будет принято получателем в лучшем случае (когда активной является только

РС-отправитель) через 260 с, что для пользователей не всегда приемлемо.

Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Обычно он принимается равным 4 Кбайт для сетей 4 Мбит/с и 16 Кбайт для сетей 16 Мбит/с.

В сетях 16 Мбит/с используется также и более эффективный алгоритм доступа к кольцу. Это алгоритм раннего освобождения маркера (ETR): станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита своего кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра и занятого маркера. В этом случае по кольцу будут передаваться одновременно кадры нескольких станций, что существенно повышает эффективность использования пропускной способности кольца. Конечно и в этом случае в каждый данный момент генерировать кадр в кольцо может только та РС, которая в этот момент владеет маркером доступа, а остальные станции будут только ретранслировать чужие кадры.

Технология Token Ring намного сложнее технологии Ethernet. В ней заложены возможности отказоустойчивости: за счет обратной связи кольца одна из станций (активный монитор) непрерывно контролирует наличие маркера, время оборота маркера и кадров данных, обнаруженные ошибки в сети устраняются автоматически, например, потерянный маркер может быть восстановлен. В случае выхода из строя активного монитора, выбирается новый активный монитор, и процедура инициализации кольца повторяется.

Стандарт Token Ring  изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU, т.е. устройствами многостанционного доступа. Концентратор может быть пассивным (соединяет порты внутренними связями так, чтобы РС, подключенные к этим портам, образовали кольцо, а также обеспечивает обход какого-либо порта, если подключенный к этому порту компьютер выключается) или активным (выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем).

Для сетей Token Ring характерна звездно-кольцевая топология: РС подключаются к концентраторам по топологии звезды, а сами концентраторы через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) объединяются для образования магистрального физического кольца. Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующие кадры адресату (каждый кадр снабжается полем с маршрутом прохождения колец).

Технология FDDI

Это первая технология ЛКС, в которой для передачи данных используется волоконно-оптический кабель. ее официальное название - оптоволоконный интерфейс распределенных данных (Fiber Distributed Data Interface, FDDI). В настоящее время в качестве физической среды, кроме волоконно-оптического кабеля, применяется неэкранированная витая пара.

Технология FDDI предназначена для использования на магистральных соединениях между сетями, для подключения к сети высокопроизводительных серверов, в корпоративных и городских сетях. Поэтому в ней обеспечена высокая скорость передачи данных (100 Мбит/с), отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все это сказалось на стоимости подключения к сети: для подключения клиентских компьютеров эта технология оказалась слишком дорогой.

Существует значительная преемственность между технологиямиToken Ring и FDDI. Основные идеи технологии Token Ring восприняты и стали совершенствоваться и развиваться в технологии FDDI, в частности, кольцевая топология и маркерный метод доступа.

В сети FDDI для передачи данных используются два оптоволоконных кольца, образующих основной и резервный пути передачи между РС. Станции сети подключаются к обоим кольцам. В нормальном режиме задействовано только основное кольцо. В случае отказа какой-либо части основного кольца оно объединяется с резервным кольцом, вновь образуя единое кольцо (это режим "свертывания" колец) с помощью концентраторов и сетевых адаптеров. Наличие процедуры "свертывания" при отказах - основной способ повышения отказоустойчивости сети. Существуют и другие процедуры для определения отказов в сети и восстановления ее работоспособности.

Основное отличие маркерного метода доступа к передающей среде, используемого в сети FDDI, от этого метода в сети Token Ring, заключается в том, что в сети FDDI время удержания маркера является постоянной величиной только для синхронного трафика, который критичен к задержкам передачи кадров. Для асинхронного трафика, не критичного к небольшим задержкам передачи кадров, это время зависит от загрузки кольца: при небольшой загрузке оно увеличивается, а при большой - может уменьшаться до нуля. Таким образом, для асинхронного трафика метод доступа является адаптивным, хорошо регулирующим временные перегрузки сети. Механизм приоритетов кадров отсутствует. Считается, что достаточно разделить трафик на два класса - синхронный, который обслуживается всегда (даже при перегрузках кольца), и асинхронный, обслуживаемый при малой загрузке кольца. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как это сделано в сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с. Синхронизация сигналов обеспечивается применением биполярного кода NRZI.

В сети FDDI выделенный активный монитор отсутствует, все станции и концентраторы равноправны, и при обнаружении отклонений от нормы они осуществляют повторную инициализацию сети и, если это необходимо, ее реконфигурацию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13-3                           Технологии Fast Ethernet и 100VG-Any LAN

Обе эти технологии не являются самостоятельными стандартами и рассматриваются как развитие и дополнение технологии Ethernet, реализованное соответственно в 1995 и 1998 гг.. Новые технологии Fast Ethernet (стандарт 802.3и) и 100VG-Any LAN (стандарт 802.3z) имеют производительность 100 Мбит/с и отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.

В стандарте 802.3и сохранен метод случайного доступа CSMA/CD, и тем самым обеспечена преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/с.

В технологии 100VG-Any LAN используется совершенно новый метод доступа - Demand Priority (DP), приоритетный доступ по требованию. Эта технология существенно отличается от технологии Ethernet.

Отметим особенности технологии Fast Ethernet и ее отличия от технологии Ethernet:

- структура физического уровня технологии Fast Ethernet более сложная, что объясняется использованием трех вариантов кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5 (используются две пары), витая пара категории 3 (используются четыре пары). Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети этой технологии всегда имеют иерархическую древовидную структуру;

- диаметр сети сокращен до 200 м, время передачи кадраминимальной длины уменьшено в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз;

- технология Fast Ethernet может использоваться при создании магистралей локальных сетей большой протяженности, но только в полудуплексном варианте и совместно с коммутаторами (полудуплексный вариант работы для этой технологии является основным);

- для всех трех спецификаций физического уровня, отличающихся типом используемого кабеля, форматы кадров отличаются от форматов кадров технологий 10-мегабитного Ethernet;

- признаком свободного состояния передающей среды является не отсутствие сигналов, а передача по ней специального символа в кодированном виде;

- для представления данных при передаче по кабелю и обеспечения синхронизации сигналов манчестерский код не используется. Применяется метод кодирования 4В/5В, хорошо себя зарекомендовавший в технологии FDDI. В соответствии с этим методом каждые 4 бита передаваемых данных представляются 5 битами, т.е. из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов используются только 16 комбинаций, а из оставшихся 16 комбинаций выбираются несколько кодов, которые используются как служебные. Один из служебных кодов постоянно передается в течение пауз между передачей кадров. Если в линии связи он отсутствует, то это свидетельствует об отказе физической связи;

- кодирование и синхронизация сигналов осуществляются с помощью биполярного кода NRZI;

- технология Fast Ethernet рассчитана на использование концентраторов-повторителей для образования связей в сети (то же самое имеет место для всех некоаксиальных вариантов Ethernet).

Особенности технологии 10VG-Any LAN заключаются в следующем:

- используется другой метод доступа к передающей среде - Demand Priority, обеспечивающий более эффективное распределение пропускной способности сети между запросами пользователей и поддерживающий приоритетный доступ для синхронного режима работы. В качестве арбитра доступа используется концентратор, который циклически выполняет опрос рабочих станций. Станция, желая передать свой кадр, посылает специальный сигнал концентратору, запрашивает передачу кадра и указывает его приоритет. Имеются два уровня приоритетов - низкий (для обычных данных) и высокий (для данных, чувствительных к временным задержкам, например, мультимедиа). Приоритеты запросов имеют две составляющие                        - статическую, и динамическую, поэтому станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет;

- передача кадров осуществляется только станции назначения, а не всем станциям сети;

- сохранены форматы кадров Ethernet и Token Ring, что облегчает межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы;

- поддерживаются несколько спецификаций физического уровня, предусматривающих использование четырех и двух неэкранированных витых пар, двух экранированных витых пар и двух оптоволоконных кабелей. Если используются 4 пары неэкранированного кабеля, по каждой паре одновременно передаются данные со скоростью 25 Мбит/с, что в сумме дает 100 Мбит/с. Коллизии при передаче информации отсутствуют. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, идея использования которого аналогична коду 4В/5В.

Технология 100VG-Any LAN не получила такого широкого распространения, как Fast Ethernet. Это объясняется узостью технических возможностей поддержки разных типов трафика, а также появлением высокоскоростной технологии Gigabit Ethernet.

 Технология Gigabit Ethernet

Появление этой технологии - новая ступень в иерархии сетей семейства Ethernet, обеспечивающая скорость передачи в 1000 Мбит/с. Стандарт по этой технологии принят в 1998 г., в нем максимально сохранены идеи классической технологии Ethernet.

По поводу технологии Gigabit Ethernet следует отметить следующее:

- на уровне протокола не поддерживаются (так же, как и у его предшественников): качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования. Что касается качества обслуживания, то считается, что высокая скорость передачи данных по магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания пользователей сети. Поддержка избыточных связей и тестирование оборудования осуществляются протоколами более высоких уровней;

- сохраняются все форматы кадров Ethernet;

- есть возможность работы в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Первый из них поддерживает метод доступа CSMA/CD, а второй - работу с коммутаторами;

- поддерживаются все основные виды кабелей, как и в предшествующих технологиях этого семейства: волоконно-оптический, витая пара, коаксиал;

- минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт, максимальный диаметр сети тот же - 200 м. Можно передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.

Технология Gigabit Ethernet позволяет строить крупные локальные сети, в которых серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/с, а магистраль 1000 Мбит/с объединяет их, обеспечивая запас пропускной способности.

13-4         СЕТЕВОЕ КОММУНИКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Кабельная система.

Кабельная система составляет фундамент любой компьютерной сети и представляет собой набор коммуникационных элементов (кабелей, разъемов, кроссовых панелей и шкафов, коннекторов), которые удовлетворяют стандартам локальных сетей и позволяют создавать регулярные, легко расширяемые структуры сетей путем добавления сегментов, коммутаторов или изъятия ненужного оборудования.

Структурированная кабельная система (СКС), отвечающая высоким требованиям к качеству кабельной системы, строится избыточной, что облегчает реконфигурацию и расширение сетей (стоимость последующего расширения СКС превосходит стоимость установки избыточных элементов).

СКС состоит из трех подсистем: горизонтальной (в пределах этажа), соединяющей кроссовый шкаф этажа с розетками пользователей; вертикальной, соединяющей кроссовые шкафы каждого этажа с центральной аппаратной здания; подсистему кампуса, соединяющей несколько зданий с главной аппаратной всего кампуса. Горизонтальная подсистема отличается многообразием ответвлений и перекрестных связей, наиболее подходящий для нее тип кабеля - неэкранированная витая пара. Вертикальная подсистема (иначе называемая магистральной) должна передавать данные на большие расстояния и с большей скоростью. Для нее выбор кабеля ограничивается тремя вариантами: волоконно-оптический кабель (это предпочтительный вариант), толстый коаксиал, широкополосный кабель, используемый в кабельном телевидении. Для подсистемы кампуса предпочтительным кабелем является оптоволокно.

Структурированная кабельная система, по сравнению с хаотически проложенными кабелями, обладает рядом преимуществ: более высокой надежностью (производитель СКС гарантирует качество не только ее отдельных элементов, но и их совместимость), универсальностью (СКС может стать единой передающей средой в ЛКС для передачи компьютерных данных, организации локальной телефонной сети, передачи видеоинформации), большим сроком службы (до 10 - 15 лет), меньшими затратами при расширении сети с целью добавления новых РС (что объясняется избыточностью СКС), обеспечением более эффективного обслуживания (в СКС отказ одного сегмента не приводит к отказу всей сети, так как сегменты объединяются концентраторами, которые диагностируют и локализуют неисправный участок).

 Сетевые адаптеры (СА)

Сетевые адаптеры, концентраторы и кабельная система - это минимум оборудования для создания ЛКС с общей разделяемой средой. сетевые адаптеры и концентраторы используются для построения базовых фрагментов сетей, которые объединяются в более крупные структуры с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов.

Сетевой адаптер вместе со своим драйвером реализует функции канального уровня в компьютере конечного узла сети. Адаптеры ориентированы на определенную архитектуру ЛКС и ее характеристики. В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры бывают Ethernet-адаптеры, Token Ring-адаптеры, FDDI-адаптеры и т.д. По перечню выполняемых функций и объему работы различают адаптеры для клиентских компьютеров (адаптеры рабочих станций) и адаптеры для серверов. Первые из них проще и дешевле за счет того, что значительная часть работы перекладывается на драйвер, следствием чего является высокая загрузка центрального процессора компьютера рутинной работой по передаче кадров из оперативной памяти в сеть. Адаптеры для серверов значительно сложнее, они обычно снабжаются собственными процессорами, выполняющими больший перечень функций, в том числе и всю работу по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении.

Главные операции, которые выполняет сетевой адаптер совместно с драйвером,- передача и прием кадров.

Передача кадра из компьютера в сеть включает следующие этапы:

- прием кадра данных LLC вместе с адресной информацией МАС-уровня. В выполнении этого этапа участвует операционная система компьютера;

- оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC-уровня, заполнение адресов отправителя и получателя, вычисление контрольной суммы;

- формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В;

- реализация цифрового кодирования в соответствии с принятым линейным кодом - манчестерским, NRZI и т.п. и выдача сигналов в кабель.

Прием кадра из сети в компьютер включает такие действия:

- прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток;

- выделение информационных сигналов на фоне шума (выполняется специализированными микросхемами);

- проверка контрольной суммы кадра. Если она верна, то из МАС - кадра извлекается LLC-кадр и передается протоколу LLC и далее помещается в буфер оперативной памяти. Если контрольная сумма неверна, то кадр отбрасывается, а протоколу LLC передается соответствующий код ошибки.

В своем развитии наиболее распространенные адаптеры прошли четыре поколения.

Адаптеры первого поколения выполнялись на дискретных логических микросхемах и поэтому имели низкую надежность. В адаптерах второго поколения применялся метод многокадровой буферизации, что повысило их производительность: стало возможным одновременно взаимодействовать с оперативной памятью по передаче или приему кадра и с сетью.Адаптеры третьего поколения строятся на специализированных интегральных схемах, обеспечивающих повышение их производительности и надежность. Выпускаемые в настоящее время адаптеры можно отнести к адаптерам четвертого поколения. Они выполняют ряд высокоуровневых функций, таких как приоритезация кадров, дистанционное управление компьютером, адаптация к временным параметрам шины и оперативной памяти компьютера с целью повышения производительности обмена "сеть-компьютер".

                                                                                           Концентраторы

Концентратор, или хаб, повторитель используется во всех технологиях ЛКС.основная функция остается неизменной - это побитное повторение кадра на всех портах, либо только на некоторых портах. Концентратор имеет несколько портов, к которым подключаются рабочие станции сети. Он объединяет физические сегменты сети в единую разделяемую среду, логика доступа к которой зависит от используемой технологииК числу дополнительных функций концентраторов относятся следующие:

- отключение некорректно работающих портов и переход нарезервное кольцо (для технологии Token Ring). Функция отключения портов называется автосегментацией. - выполнение функций, облегчающих контроль и эксплуатацию сети;

- реализация некоторых способов защиты данных в разделяемых средах от несанкционированного доступа. Наиболее простой из них - назначение портам концентратора разрешенных МАС-адресов. Компьютер с таким  МАС-адресом нормально работает с сетью через данный порт. Если злоумышленник отсоединяет этот компьютер и присоединяет вместо него свой, концентратор это замечает, отключает порт и факт нарушения прав доступа фиксируется. Другой способ защиты данных - их шифрование.

Существуют несколько типов концентраторов, отличающихся конструктивным исполнением и выполняемыми функциями - концентратор с фиксированным количеством портов, модульный концентратор, стековый концентратор, модульно-стековый концентратор.

 Мосты и коммутаторы как средство логической структуризации сети

В настоящее время эксплуатируется огромное количество сравнительно небольших (на 10 - 30 РС) локальных сетей, в том числе и тех, в которых передаются большие объемы мультимедийной информации и применяются высокоскоростные технологии (скорость обмена до 1000 Мбит/с). Для них характерно использование одной разделяемой среды, что позволяет реализовать стандартные технологии и приводит к экономичным и эффективным решениям.

Эффективность одной разделяемой среды для небольших ЛКС очевидна

 - это:

- возможность использования стандартного набора протоколов, а следовательно, сравнительно дешевого коммуникационного оборудования - сетевых адаптеров, повторителей, конденсаторов;

- возможность наращивания (в определенных пределах) числа узлов сети;

- довольно простое управление сетью, чему способствует сама логика разделения среды, не допускающая потерь кадров из-за переполнения буферов коммуникационных устройств.

Однако по мере развития локальных сетей, появления новых технологий и протоколов все в большей степени стали проявляться недостатки ЛКС на одной разделяемой среде. Главные из них следующие:

- невозможность построения крупных сетей (на сотни и тысячи узлов) на основе одной разделяемой среды. Причина не только в том, что все технологии ограничивают количество узлов в разделяемой среде (Token Ring - 260 узлами, FDDI - 500 узлами, все виды семейства Ethernet - 1024 узлами), но и в плохой работе сети на одной разделяемой среде, если количество РС приближается к разрешенному пределу;

- резкое возрастание величины задержки доступа к передающей среде при достижении коэффициента использования сети некоторого порогового значения (коэффициент использования сети, иначе называемый коэффициентом нагрузки сети, это отношение трафика, который должна передать сеть, к ее максимальной пропускной способности). Для всего семейства технологий Ethernet пороговое значение этого коэффициента равно 40 - 50 %, для технологии Token Ring - 60% и для технологии FDDI - 70 %;

- имеются жесткие ограничения максимальной длины сети: они находятся в пределах нескольких километров и только для технологии FDDI это несколько десятков километров.

Мосты и коммутаторы осуществляют передачу кадров на основе адресов канального уровня (МАС-адресов), а маршрутизаторы - на основе номера сети. Таким образом, логические сегменты, построенные на основе мостов и коммутаторов, являются строительными элементами более крупных сетей, объединяемых маршрутизаторами. Коммутаторы относятся к категории наиболее быстродействующих коммуникационных устройств. Они соединяют высокоскоростные логические сегменты без блокировки (уменьшения пропускной способности) межсегментного трафика.

Основной характеристикой коммутатора является его производительность, которая определяется следующими показателями: скоростью фильтрации кадров, скоростью продвижения кадров, пропускной способностью, задержкой передачи кадра.

Скорость фильтрации - это скорость выполнения следующих операций: прием кадра в буфер коммутатора; просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта, куда следует направить кадр; уничтожение кадра, если порт назначения и порт отправителя находятся в пределах одного и того же логического сегмента (в этом случае передача кадров осуществляется без участия коммутатора).

У всех коммутаторов эта скорость является неблокирующей, т.е. кадры отфильтровываются в темпе их поступления.

Скорость продвижения кадров - это скорость выполнения следующих этапов обработки кадров: прием кадра в буфер коммутатора, просмотр адресной таблицы с целью нахождения порта-получателя кадра, передача кадра в сеть через найденный порт назначения.

Единицей измерения для указанных скоростей является число кадров в секунду.

Пропускная способность коммутатора - это количество пользовательских данных (в мегабитах в секунду), переданных в единицу времени через его порты. Естественно поэтому, что максимальное значение пропускной способности коммутатора достигается при передаче кадров максимальной длины, для которых доля служебной информации гораздо меньше, чем для кадров минимальной длины.

Задержка передачи кадров - это период  времени с момента прихода первого байта кадра на входной порт коммутатора до момента появления этого байта на его выходном порту. При полной буферизации кадров (для кадров минимальной длины) эта задержка колеблется от 50 до 200 мкс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13-5                     ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЛКС

Сетевые операционные системы

СОС - это система программных средств, управляющих процессами в сети и объединенных общей архитектурой, определенными коммуникационными протоколами и механизмами взаимодействия вычислительных процессов. Они обеспечивают пользователям стандартный и удобный доступ к разнообразным сетевым ресурсам и обладают высоким уровнем прозрачности, т.е. изолируют от пользователя все различия, особенности и физические параметры привязки процессов к обрабатываемым ресурсам. Возможны следующие варианты структур СОС ЛКС:

а) каждая РС сети реализует все функции СОС, т.е. хранит в своей ОП резидентную часть СОС и имеет доступ к любой нерезидентной части, хранящейся на внешних носителях;б) каждая РС сети имеет копии программ только часто реализуемых функций СОС, копии программ редко реализуемых функций имеются в памяти только одной (или нескольких) РС;в) каждая РС сети выполняет определенный набор функций СОС, причем этот набор является либо индивидуальным, либо некоторые функции будут общими для нескольких РС. Основные функции СОС выполняются сервером сети.

В сетях с централизованным управлением, т.е. типа "клиент-сервер", сетевая операционная система, называемая также ОС сервера, обеспечивает выполнение базовых функций, таких как поддержка файловой системы, планирование задач, управление памятью. Сетевая операционная система и ОС рабочей станции абонентской системы могут быть не совместимы, и тогда для обеспечения взаимодействия сервера и РС в рабочую станцию вводится специальная программа, называемая сетевой оболочкой. Оболочка загружается в оперативную память РС как резидентная программа. Она воспринимает прикладные запросы пользователей сети и определяет место их обработки - в локальной ОС станции или в СОС на сервере.

Получило широкое распространение и фактически стандартизировано несколько "семейств" операционных систем - СР/М, MSX, MS DOS, Windows, Unix, OS/2, ориентированных на определенные классы компьютеров.

Для обеспечения эффективного функционирования ЛКС большое значение имеет выбор СОС. Когда ЛКС типа "клиент-сервер" имеет простую структуру с общей разделяемой средой, использовались такие СОС, как NetWare фирмы Novell, LAN Server фирмы IBM, LAN Manager фирмы Microsoft, Vines фирмы Banyan, выполненная на базе Unix, Windows NT. Каждая из указанных СОС имеет свои достоинства и недостатки: NetWare обладает хорошим сервисом файлов и их печати, UNIX считается лучшим сервером приложений, первые версии Windows NT обладают конкурентоспособной службой файлов и печати.

В настоящее время выбор СОС для современных многосегментных ЛКС свелся к дилемме: последние версии NetWare или Windows NT фирмы Microsoft. В "битве гигантов", т.е. двух фирм Novell и Microsoft, уверенную победу одерживает Microsoft, продукция которой по всему миру завоевывает все более широкие рынки

Операционная система Windows NT относится к типу клиент-сервер. Ее архитектура отвечает современным требованиям к ОС и имеет ряд особенностей и преимуществ:

- наличие специального компонента для управления взаимодействием клиентов и сервера: прикладные программы не имеют прямого доступа к аппаратным средствам и защищенным компонентам ОС, их запросы воспринимаются, контролируются и выполняются специальным компонентом ОС - исполняющей системой NT Executive, основу которой составляет микроядро.

- переносимость, т.е. возможность работы на многих аппаратных платформах (на Intel - компьютерах с процессорами Pentium, на RISC - компьютерах RiMIPS R4x00, Digital Alpha AXP21xxx, Motorola Power PC60x и др.);

- масштабируемость, т.е. способность полностью использовать возможности симметричных многопроцессорных систем, способность эффективно управлять работой локальной сети в режиме "клиент-сервер";

- наличие более совершенной системы защиты, причем объектом защиты может быть любой ресурс - файл, программа, процесс, устройство, пользователь;

- наличие привилегированных подсистем, требующих доступа к системным ресурсам, которые обычно не предоставляются прикладным программам;

- поддержка распределенной обработки данных по запросам практически неограниченного количества пользователей, поддержка рабочих групп пользователей и разнообразных транспортных протоколов;

- возможность работы с любыми файловыми системами, что обеспечивает разнообразные возможности ОС;

- наличие системы приоритетов для выполняемых процессов и операций. Высший приоритет присваивается операциям ввода-вывода, выполняемым в режиме реального времени;

- возможность параллельной обработки в симметричных многопроцессорных системах;

- высокая надежность и отказоустойчивость, обеспечиваемые архитектурными решениями и избыточностью в уязвимых точках аппаратных и программных средств компьютера;

- возможность репликации (тиражирования) каталогов с одного сервера на другой, что весьма полезно в компьютерных сетях. Благодаря такой возможности пользователи могут обращаться к сетевым сервисам, не ожидая ответа от конкретного сервера.

Система Windows NT Server может использоваться в качестве(функции):

- сервера управления функционированием компьютерной сети (ЛКС, ККС, ГКС);

- сервера удаленного доступа, позволяющего пользователю удаленной рабочей станции, связанной с сетью через этот сервер, чувствовать себя полноправным клиентом сети;

- сервера обеспечения защиты данных от несанкционированного доступа и контроля за доступом;

- файл-сервера, обеспечивающего создание централизованного хранилища большого количества файлов для коллективного использования;

- сервера приложений, приспособленного для работы в системах клиент-сервер в качестве высокопроизводительного компьютера, выполняющего запросы РС;

- сервера печати, обеспечивающего выполнение запросов пользователей сети на печатные работы;

- сервера домена, обеспечивающего централизованное управление и защиту в больших сетях, где формируются домены - произвольные группы серверов, использующих единую базу учетных записей пользователей и политику защиты. Один из серверов этой группы, т.е. домена, выполняет функции контроллера домена (сервера домена);

- сервера резервирования данных, обеспечивающего возможность резервного копирования файлов на магнитную ленту;

- сервера связи для соединения различных сегментов многосегментной сети, а также сопряжения разнородных сетей, прежде всего с довольно распространенной сетью NetWare.

В связи с постоянным ростом популярности системы Windows NT ряд фирм выпустили продукты, позволяющие ее совместную работу с другими сетями.

В сетях с децентрализованным управлением, или одноранговых сетях (по сравнению с ЛКС с централизованным управлением их существенно меньше), объединяются компьютеры, каждый из которых может быть и сервером, и клиентом. В такой сети любой компьютер работает под управлением обычной дисковой ОС, а для выполнения сетевых функций в его оперативную память загружаются программы одноранговой СОС.

Для одноранговых ЛВС популярными СОС были NetWare Lite фирмы Novell и LANtastic фирмы Artisoft. Большинство этих систем базируютсяна ОС ПЭВМ типа MS DOS, OS/2, Unix и Windows.

Система NetWare Lite довольно удобна для управления работой небольших одноранговых сетей топологии Ethernet и Token Ring. В сети с системой NetWare Lite управление сетью сравнительно простое, оно включает распределение ресурсов между пользователями, управление доступом к сети и другие задачи. Здесь также может быть введен администратор, однако, как правило, каждый пользователь сам решает, какие ресурсы своей АС он выделяет в общее распоряжение. Система NetWare Lite работает в среде MS DOS, поэтому ее возможности, предоставляемые прикладным программам, не отличаются от возможностей DOS (например, режим "клиент-сервер" здесь невозможен). В одноранговых ЛКС применяются также более совершенные СОС: Windows for Workgrups, Personal NetWare, POWERLan.

 Прикладные программы сети

Сетевые операционные системы обеспечивают выполнение обширных, но лишь общих функций ЛКС (поддержка файл-сервера, обеспечение многопользовательской работы, безопасности и секретности данных и т.д.), но они не могут самостоятельно реализовать многочисленные прикладные процессы. Например, не все СОС имеют собственные средства программирования электронной почты - одного из основных приложений ЛКС. Поэтому важным требованием к большинству современных прикладных программных средств является их способность работать в условиях локальных сетей, т.е. выполнять функции прикладных программ сети (ППС).

В состав наиболее известных ППС входят:

- текстовые процессоры нового поколения (Word 97, Word 2000);

- пакеты электронных таблиц, или табличных процессоров (SuperCalc-5, Lotus 1-2-3 версии 2.01 и 3.0, Quatro Pro версия 3.0, Excel 7.0, Excel 97, Excel 2000);

- СУБД (Access 2000, SQL Server, dBASE - 4;5, CLIPPER - 5.0, Paradox 5.0 и др.);

- пакеты группового обеспечения (Notes, Offis Vision);

- пакеты электронной почты (Microsoft Mail, Exchange Server);

- интегрированные пакеты (Sumphony, FrameWork);

- пакеты телесвязи для обеспечения передачи файлов между ПК (CROSSTALK, SMARTTERM, SMARTCОM II, KERMIT).

Функционирование ЛКС

     Взаимодействие асинхронных параллельных процессов в сети, обеспечиваемое РОС, включает три элемента: инициацию, завершение и синхронизацию. Процесс инициируется и завершается путем посылки сообщения локальной операционной системе, находящейся в другом узле сети. Процессы и сообщения дополняют друг друга: сообщения инициируют выполнение процессов, а процессы вызывают посылку сообщений. Для синхронизации процессов используется механизм событий. Она считается выполненной корректно, если результат параллельных вычислений совпадает с результатом последовательныхвычислений.

Организация вычислительных процессов в ЛКС сопровождается планированием использования выделяемых ресурсов. Методы планирования отличаются большим многообразием, что объясняется многообразием структуры, режимов работы и методов управления ЛКС. Выделяются следующие режимы: однопрограммная (однозадачная) пакетная обработка, многопрограммная (многозадачная) пакетная обработка, однопрограммная мультипроцессорная обработка (т.е. параллельная обработка одной программы на нескольких компьютерах сети), однопрограммная обработка в режиме разделения времени (многопользовательские системы), многопрограммная обработка в режиме разделения времени, многопрограммная мультипроцессорная обработка (универсальный режим работы сети).

Способы установления и обеспечения связи ЛКС - удаленный абонент

Существуют два способа установления и обеспечения взаимосвязи ЛКС-удаленный абонент, различающиеся используемыми для их реализации программно-аппаратными средствами и степенью удобства для абонента.

Первый способ, называемый "удаленный клиент" или "удаленный вход в систему" (remote login), реализуется путем подключения удаленного персонального компьютера (УПК) к сети через коммутатор или мост, построенный на базе персонального компьютера. Связь между УПК и мостом осуществляется обычно по телефонному кабелю. Вход в ЛКС происходит так, будто УПК физически присоединен к сети.

Второй способ, именуемый "передача экрана" (screen transfer), реализуется путем подключения УПК к так называемому серверу доступа, который непосредственно подсоединен к сети. Связь между УПК и сервером доступа - также осуществляется по телефонному кабелю. УПК осуществляет контроль над сервером доступа: по командам, набранным на своей клавиатуре, он посылает запросы к серверу доступа и принимает на экране дисплея ответные сообщения.

               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14                                             ГЛОБАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ

 Принципы построения и функции ГКС

Созданием глобальных сетей обычно занимаются крупные телекоммуникационные компании и реже - крупные корпорации для своих внутренних потребностей. Компания, поддерживающая нормальную работу сети, называется оператором, а компания, оказывающая платные услуги абонентам сети, - поставщиком услуг, или провайдером. Владелец, оператор и поставщик могут представляться одной компанией. Кроме ГКС функционируют и другие виды территориальных сетей передачи информации - телефонные, телеграфные, телексные.

В основу архитектуры сетей положен многоуровневый принцип передачи сообщений. Формирование сообщения осуществляется на самом верхнем уровне модели ВОС. Затем (при передаче) оно последовательно проходит все уровни системы до самого нижнего, где и передается по каналу связи адресату. По мере прохождения каждого из уровней системы сообщение трансформируется, разбивается на сравнительно короткие части, которые снабжаются дополнительными заголовками, обеспечивающими информацией аналогичные уровни на узле адресата. В этом узле сообщение проходит от нижнего уровня к верхнему, снимая с себя заголовки. В результате адресат принимает сообщение в первоначальном виде.

В ГКС управление обменом данных осуществляется протоколами верхнего уровня модели ВОС. Независимо от внутренней конструкции каждого конкретного протокола верхнего уровня, для них характерно наличие общих функций: инициализация связи, передача и прием данных, завершение обмена. Каждый протокол имеет средства для идентификации любой рабочей станции сети по имени, сетевому адресу или по обоим этим атрибутам. Активизация обмена информации между взаимодействующими узлами начинается после идентификации узла адресата узлом, инициирующим обмен данными. Инициирующая станция устанавливает один из методов организации обмена данными: метод дейтаграмм или метод сеансов связи. Протокол представляет средства для приема/передачи сообщений адресатом и источником. При этом обычно накладываются ограничения на длину сообщений.

Возможности и конкурентоспособность любой КС определяются прежде всего ее информационными ресурсами - знаниями, данными, программами, которые сеть представляет пользователям. Естественно, что эти ресурсы должны как можно шире охватывать те области, в которых работают пользователи сети. Кроме того, они должны непрерывно обновляться и пополняться.

По мере развития сетей расширяется перечень предоставляемых ими услуг и повышается их интеллектуальный уровень.

К числу наиболее распространенных услуг, предоставляемых современными ГКС, относятся:

- телекоммуникационные (транспортные): обмен сообщениями в режиме "электронная почта" как между пользователями одной сети, так и между пользователями различных сетей; обмен сообщениями между участниками телеконференций и телесеминаров; организация электронных бюллетеней новостей (электронных досок объявлений); организация диалога и обмен сообщениями двух абонентов в режиме "запрос-ответ"; передача больших массивов - файлов; размножение сообщений и передача их по заранее подготовленному списку; приоритетное обслуживание сообщений согласно категориям срочности; организация замкнутых групп абонентов (подсетей) для взаимного обмена информацией только в рамка группы; доставка факсимильных сообщений; переадресация сообщений в случае изменения адреса получателя информации; выдача копий сообщений по запросам абонентов и др.;

-              вычислительные: удовлетворение запросов абонентов сети, требующих больших объемов работ по обработке информации;

- информационные: поиск информации по вопросам, интересующим абонентов;

- консультационные: консультации по информационному и программному обеспечению сети, консультации по технологии использования общесетевых ресурсов, обучение навыкам работы с компьютером и другими техническими средствами и др.;

- технические: установка программного обеспечения, установка и тестирование модемов и др.;

- рекламные: размещение рекламы в электронных конференциях и семинарах.

В основном ГКС используется для предоставления транспортных услуг, характерных для трех нижних уровней модели ВОС. Однако по мере развития глобальных сетей удельный вес других услуг, относящихся к верхним уровням этой модели (эти услуги называются высокоуровневыми), имеет устойчивую тенденцию к повышению. Это связано в первую очередь с использованием и развитием сети Internet. Высокоуровневые (прежде всего информационные и вычислительные) услуги этой сети оказывают огромное влияние на работу как предприятий, так и индивидуальных пользователей сети. Технологии Internet все в большей степени проникают в локальные и особенно в корпоративные сети. Появился даже специальный термин - intranet, применяемый в тех случаях, когда технология Internet переносится в корпоративную сеть.

В отличие от локальных сетей, в составе которых имеются свои высокоскоростные каналы передачи информации, глобальная (а также региональная и, как правило, корпоративная) сеть включает подсеть связи (иначе: территориальную сеть связи, систему передачи информации), к которой подключаются локальные сети, отдельные компьютеры и терминалы (средства ввода и отображения информации). Подсеть связи состоит из каналов передачи информации и коммуникационных узлов, которые предназначены для передачи данных по сети, выбора оптимального маршрута передачи информации, коммутации пакетов и реализации ряда других функций с помощью компьютера (одного или нескольких) и соответствующего программного обеспечения, имеющихся в коммуникационном узле. Компьютеры, за которыми работают пользователи-клиенты, называются рабочими станциями, а компьютеры, являющиеся источниками ресурсов сети, предоставляемых пользователям, называются серверами. Такая структура сети получила название узловой.

Типовая структура глобальной сети

Территориальная сеть связи включает ряд коммуникационных узлов (КУ), связанных между собой высокоскоростными магистральными линиями связи - выделенными аналоговыми или цифровыми. Коммуникационные узлы устанавливаются в тех пунктах, где требуются ответвления или слияние потоков данных конечных абонентов. Абоненты обычно подключаются к сети с помощью выделенных каналов связи с меньшей производительностью, чем у магистральных каналов. Допускается использование и коммутируемых каналов, хотя качество транспортных услуг при этом ухудшается.

Глобальные сети отличаются гораздо большим разнообразием конечных узлов по сравнению с ЛКС . Конечные узлы вырабатывают данные для передачи в глобальной сети, для которой они являются устройствами типа DTE (Data Terminal Equipment) - портом маршрутизатора или удаленного моста (на рис.1 мосты не показаны). Удаленные мосты строят таблицы МАС-адресов и принимают решение - передавать кадры в ТСС или нет. Маршрутизаторы определяют маршрут для передачи пакета следующему маршрутизатору.

Мультиплексоры обеспечивают совмещение в рамках одной ТСС компьютерного и голосового трафика. При передаче голосовые данные от АТС поступают в мультиплексор, где упаковываются в кадры или пакеты территориальной сети и отправляются в эту сеть. На приемной стороне мультиплексор должен распознать тип данных, находящихся в пакете, - это замеры голоса или компьютерные данные - и отсортировать их по своим выходам. Голосовые данные направляются в АТС, а компьютерные - через маршрутизатор в ЛКС. Если ГКС поддерживают приоритезацию трафика, то кадрам голосового трафика мультиплексор присваивает наивысший приоритет, с тем чтобы эти кадры в коммуникационных узлах обрабатывались в первую очередь.

В глобальной сети строго описан и стандартизован интерфейс "пользователь-сеть" (User-to-Network Interface, UNI), с тем чтобы пользователи могли подключаться к сети с помощью коммуникационного оборудования любого производителя, соблюдающего этот стандарт. Что касается протоколов взаимодействия коммутаторов внутри сети, называемых интерфейсом "сеть-сеть" (Network-to-Network Interface, NNI), то они стандартизуются не всегда. Для подключения сети к устройствам DTE имеется несколько стандартных интерфейсов, представляющих собой стандарты физического уровня. Эти интерфейсы обеспечивают передачу данных со скоростями от 300 бит/с до нескольких мегабит в секунду на небольшие расстояния (15 - 20 м), что вполне достаточно для удобного размещения маршрутизатора или модема. Наиболее популярным низко- и среднескоростным интерфейсом является интерфейс RS-232С/V.24, поддерживающий как асинхронный, так и синхронный режимы работы. Он позволяет подключить к компьютеру не только коммуникационное устройство (модем, маршрутизатор), но и такие периферийные устройства, как мышь, графопостроитель и др.

 Типы ГКС

В зависимости от того, какие компоненты используются для построения глобальных связей, различают следующие типы сетей:

- глобальные сети с выделенными каналами связи;

- глобальные сети с коммутацией каналов;

- глобальные сети с коммутацией пакетов.

В глобальных сетях с выделенными каналами выделенные (арендуемые) каналы предоставляются телекоммуникационными компаниями, владеющими каналами дальней связи, или телефонными компаниями, которые сдают в аренду каналы обычно в пределах города или района. Выделенные каналы применяются при построении магистральных связей между крупными ЛКС.

При передаче данных по выделенным аналоговым каналам используются модемы, работающие на основе методов аналоговой модуляции - амплитудной, частотной, фазовой.

Цифровые выделенные линии образуются путем постоянной коммутации в первичных сетях, построенных на базе аппаратуры, которая реализует принцип разделения канала во времени (TDM). Существуют две технологии передачи данных по таким линиям - североамериканская и европейская, ставшая международной.

Для передачи компьютерных данных по выделенным аналоговым или цифровым каналам применяются протоколы канального уровня РРР, SLIP, HDLC.

Протокол PPP (Point-to-Point Protocol, протокол "точка-точка") как часть стека TCP/IP применяется для передачи кадров по последовательным каналам связи. Протокол SLIP (Serial Line IP) выполняет единственную функцию: из последовательности передаваемых по последовательному каналу бит выделяет границы IP-пакета. Следовательно, для установления связи по этому протоколу компьютеры должны иметь информацию об IP-адресах друг друга.                                                                                              Объединение локальных сетей с помощью выделенных каналов осуществляется маршрутизаторами и удаленными мостами.

Глобальные сети с коммутацией каналов строятся на базе традиционных аналоговых телефонных сетей и цифровых сетей с интеграцией услуг ISDN.

Сети ISDN и телефонные сети, построенные на цифровых коммутаторах, во многом свободны от недостатков традиционных аналоговых телефонных сетей (низкое качество составного канала, большое время установления соединения). Однако по - прежнему оплата за использование сети идет не за объем переданного трафика, а за время соединения. Тем не менее сети с коммутацией каналов остаются широко распространеннымиПередача данных по аналоговым коммутируемым телефонным каналам осуществляется с использованием модемов, которые поддерживают процедуру автовызова абонента и работают по 2-проводному окончанию. Используются те же модели модемов, что и для выделенных каналов.

Для сетей ISDN основным режимом коммутации является режим коммутации каналов, а данные обрабатываются в цифровой форме. Абонентами этих сетей обычно являются компьютеры или локальные сети, подключаемые к сети с помощью маршрутизаторов или удаленных мостов. В архитектуре сети ISDN предусмотрен ряд видов служб: передача по выделенным цифровым каналам, передача голоса по коммутируемым каналам, передача данных по коммутируемым каналам, передача данных с коммутацией пакетов, передача данных с трансляцией кадров (Frame Relay), контроль и управление сетью. Стандарты ISDN описывают также ряд услуг прикладного уровня: факсимильная связь, телексная связь, видеотекс и др. Компьютерные глобальные сети с коммутацией пакетов (X.25, Frame Relay, ATM, TCP/IP) являются основным средством для передачи любой информации - компьютерных данных, акустических сигналов, телевизионных видеоданных, факсимильных данных (это утверждение справедливо не для всех типов сетей с коммутацией пакетов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15-1                                      Сеть Internet. Семейство протоколов TCP/IP

По мере развития Internet и особенно с появлением гипертекстовой системы WWW (World Wide Web) она значительно увеличилась, превратилась в коммерческую сеть. Теперь Internet имеет типичную для глобальных сетей узловую структуру. Она представляет собой совокупность взаимосвязанных коммуникационных центров, к которым подключаются региональные поставщики сетевых услуг и через которые осуществляется их взаимодействие. с точки зрения пользователя, в сети Internet выделяются поставщики услуг, поддерживающие необходимую информацию на серверах, и потребители этих услуг - клиенты.

Протоколы семейства TCP/IP были выбраны за основу сети Internet по ряду причин: возможность работы с этими протоколами как в локальных (LAN), так и в глобальных (WAN) сетях; способность протоколов управлять большим количеством стационарных и мобильных пользователей; удобство для использования пользователями; обеспечение высокого уровня взаимодействия между различными операционными системами; предоставление средств для разработки на их основе приложений и т.д.

В сущности в комплекс протоколов Internet входит множество протоколов (FTP, TELNET, ARP и др.), но наиболее известные из них TCP и IP, поэтому, ссылаясь на этот комплекс протоколов, используют термин TCP/IP - технологию межсетевого взаимодействия. Часть протоколов семейства TCP/IP обеспечивает выполнение низкоуровневых сетевых функций (работа с аппаратными протоколами, поддержка механизма доставки пакетов адресатам, обеспечение достоверности и надежности соединения взаимодействующих узлов и др.), а другая часть - выполнение прикладных задач (передача файлов между компьютерами сети, отправка электронной почты, чтение гипертекстовой страницы WWW-сервера).

Протокол IP (Internet Protocol - межсетевой протокол) является главным протоколом семейства, он реализует распространение информации в IP-сети и выполняется на третьем (сетевом) уровне модели ВОС. Протокол IP обеспечивает дейтаграммную доставку пакетов, его основная задача - маршрутизация пакетов. Он не отвечает за надежность доставки информации, за ее целостность, за сохранение порядка потока пакетов. Сети, в которых используется протокол IP, называются IP-сетями. Они работают в основном по аналоговым каналам (т.е. для подключения компьютера к сети требуется IP-модем) и являются сетями с коммутацией пакетов. Пакет здесь называется дейтаграммой.

Высокоуровневый протокол TCP (Transmission Control Protocol - протокол управления передачей) работает на транспортном уровне и частично на сеансовом уровне модели ВОС. Это протокол с установлением логического соединения между отправителем и получателем. Он обеспечивает сеансовую связь между двумя узлами с гарантированной доставкой информации, осуществляет контроль целостности передаваемой информации, сохраняет порядок потока пакетов. Протокол ТСР делит поток байт на сегменты и передает их сетевому уровню. На приемной стороне этот протокол снова собирает сегменты в непрерывный поток байт.

Многоуровневая структура протоколов TCP/IP

Семейство протоколов (или стек протоколов) ТCP/IP имеет четыре ярко выраженных уровня:

I - прикладной уровень;

II - транспортный (основной) уровень;

III - сетевой уровень (уровень межсетевого взаимодействия);

IV - канальный уровень (уровень сетевых интерфейсов).

Каждый уровень выполняет свои функции по решению основной задачи - организации надежной и эффективной работы составной сети, т.е. совокупности нескольких сетей, построенных на основе разных сетевых технологий и соединенных между собой маршрутизаторами. Протокол на более высоком уровне при своей работе использует сервисы, предоставляемые протоколами более низкого уровня.

Каждый протокол стека TCP/IP оперирует со своей единицей передаваемых данных, названия которых либо стандартизированы, либо определяются традиционно . От прикладного уровня к транспортному данные поступают в виде потока. На транспортном уровне протоколами TCP и UDР из потока нарезаются сегменты или дейтаграммы. Под дейтаграммой понимается единица данных, которыми оперируют протоколы без установления соединений (дейтаграммные протоколы). К ним относится и протокол IP сетевого уровня. На сетевом уровне протоколом IP дейтаграмма преобразуется в пакет. Наконец, на канальном уровне пакеты преобразуются в кадры (фреймы). Кадрами принято называть единицы данных, на основе которых IP-пакеты переносятся через подсети составной сети. Каждая единица данных состоит из заголовка и собственно данных. По мере перемещения данных сверху вниз на каждом уровне добавляется свой заголовок, т.е. каждый пакет более высокого уровня вкладывается в "конверт" протокола нижнего уровня (это напоминает вложенные друг в друга матрешки). Рассмотрим состав и основные функции протоколов каждого уровня стека TCP/IP.

Прикладной уровень объединяет все службы, предоставляемые пользовательским приложениям. Он идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, определяет наличие ресурсов для реализации взаимодействия с другими узлами сети, обеспечивает читабельность информации на прикладном уровне другой абонентской системы, устанавливает соглашение по процедурам устранения ошибок и управления целостностью информации, устанавливает и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами, управляет этими сеансами, синхронизирует диалог между взаимодействующими узлами сети и управляет обменом информацией между ними.

Транспортный уровень предоставляет услуги по транспортировке данных, решая вопросы надежной и достоверной передачи данных через сеть. Он реализует механизмы установки, поддержания и закрытия соединения, а также механизмы обнаружения и устранения ошибок в передаваемых данных, управления информационным потоком.На этом уровне функционирует протокол управления передачей TCP, о котором сказано выше, и протокол дейтаграмм пользователя UDP (User Data gram Protocol). Протокол UDP работает без установления соединения, т.е. обеспечивает передачу пакетов дейтаграммным способом.Протокол TCP обеспечивает полный сервис транспортного уровня - надежность, достоверность и контроль соединения.

Сетевой уровень является стержнем всей архитектуры стека TCP/IP. Он обеспечивает передачу (через составную сеть) пакетов дейтаграммным способом, используя наиболее рациональный в данный момент маршрут. На этом уровне работает основной протокол стека - межсетевой протокол IP. Протокол IP отличается от других сетевых протоколов способностью выполнять динамическую фрагментацию пакетов при передаче их между различными сетями. К сетевому уровню относятся и все протоколы, обеспечивающие маршрутизацию пакетов. Это протоколы сбора маршрутной информации RIP и OSPF, необходимой для составления и модификации таблиц маршрутизации, протокол межсетевых управляющих сообщений ISMP, предназначенный для обмена информацией об ошибках между маршрутизаторами сети и узлом-источником пакета.

Канальный уровень (уровень сетевых интерфейсов, уровень сопряжения с физической средой) обеспечивает передачу данных по физическому каналу. Протоколы этого уровня должны обеспечивать интеграцию в составную сеть других сетей независимо от того, какая внутренняя технология передачи данных в них используетсяПротоколы канального уровня тесно связаны с физической (аппаратной) средой, в которой они работают (Ethernet, Token Ring, FDDI, ISDN и др.). В стеке TCP/IP нет протоколов этого уровня, за счет чего и достигается аппаратная независимость семейства TCP/IP.

Ниже канального уровня расположен только аппаратный уровень, главные функции которого состоят в определении электротехнических, механических, функциональных и процедурных характеристик активизации, поддержания и деактивизации физического канала между взаимодействующими конечными узлами.

Более полноценным является такое подключение индивидуального компьютера к сети, когда провайдеры обеспечивают связь по коммутируемым линиям по протоколу SLIP или PPP. В этом случае индивидуальный компьютер превращается как бы в хост-компьютер; программы и файлы, получаемые из сети, хранятся на индивидуальном компьютере.

 Адресация в IP-сетях

В семействе протоколов TCP/IP используются три типа адресов: локальные (физические, аппаратные), IP-адреса и символьные доменные имена (доменная адресация).

Локальные адреса уникальны для каждого сетевого соединения, они используются для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом составной интерсети. Вопросы физической адресации решаются на канальном уровне стека TCP/IP. Если подсетью является локальная сеть, то локальный адрес - это МАС-адрес, который назначается сетевым адаптерам и сетевым интерфейсам маршрутизаторов. МАС-адрес для всех технологий локальных сетей имеет формат 6 байт.Локальные адреса присваиваются сетевой плате адаптера компьютера при ее изготовлении. Эти адреса выбираются производителем сетевого интерфейсного оборудования из выделенного для него по лицензии адресного пространства.

IP-адресация в сети Internet базируется на концепции составной сети, состоящей из хостов и других сетей, причем под хостом понимается узел сети (компьютер рабочей станции, сервер, маршрутизатор), который может принимать и передавать IP-пакеты. Хосты соединяются через одну или несколько сетей (подсетей сети Internet), и адрес любого из них состоит из адреса сети и адреса хоста в этой сети. IP-адреса являются основным типом адресов, используемых сетевым уровнем для передачи пакетов между сетями.

IP-адрес представляется четырьмя десятичными числами, разделенными точками (например, 108.25.17.100). Каждое из этих чисел не может превышать 255 и представляет один байт 4-байтного адреса.

32-битный адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Длина каждой части является переменной величиной. Номер сети (он представляется старшими битами адреса) выбирается администратором произвольно, либо назначается по рекомендации специальной административной службы Internet

IP-адресация обеспечивает пять различных классов сетей - классы А, В, C, D, E. Для кодирования каждого класса в IP-адресе выделяются несколько старших бит .Сети класса А предназначены для использования крупными организациями. Это большие сети, для их адресации выделено всего 7 бит, зато для адресации хостов выделено 24 бита.Сети класса В - это сети среднего размера (сети университетов, крупных компаний), для их адресации выделено 14 бит.Сети класса С - это сети с небольшим количеством рабочих станций. Таких сетей много, поэтому для их адресации выделен 21 бит.Адреса класса D используются при обращении к группам рабочих станций. Таких групп может быть очень много, поэтому их адресация осуществляется 28-битовыми двоичными числами. Групповая адресация используется для распространения информации от одного хоста сразу нескольким узлам, образующим группу. Адреса класса Е зарезервированы для использования в будущем.

Доменная адресация. Для пользователей применение 32-разрядных IP-адресов, однозначно идентифицирующих любой сетевой компьютер, не очень удобно. Поэтому в Internet принято всем компьютерам присваивать имена, что позволяет пользователям лучше ориентироваться в киберпространстве сети.На сетевом уровне адресация пакетов осуществляется не по именам, а по IP-адресам, т.е. для непосредственной адресации пакетов адресация по именам не годится. Символьные имена в IP-сетях называются доменами и строятся по иерархическому признаку, т.е. различаются домены нижнего уровня, домены верхнего уровня и домены средних (промежуточных уровней). Адресация с помощью доменов получила название "доменная адресация".Система доменной адресации DNS (Domain Name System) в сети Internet рассматривается как метод иерархической организации адресов в этой сети, а также как механизм, используемый для получения по имени компьютера его IP-адреса. В своей работе этот механизм использует таблицы соответствия имен и IP-адресов, создаваемые администраторами.Пусть хост некоторой организации имеет IP-адрес 196.146.24.10, который, естественно, не содержит информации о расположении и характере деятельности этой организации. Если к ней потребуется часто обращаться, такой адрес трудно запомнить. Другое дело, если этому хосту присвоено имя, например такое: www.obender.com. Это имя состоит из доменов, разделенных точками. Иерархия имен задается справа налево, т.е. com - это старший домен (домен верхнего уровня), он определяет наименование и профиль организации, в сети которой располагается необходимый хост; obender - средний домен, являющийся частью домена com и обозначающий наименование подразделения организации; www - одно из имен компьютеров в домене obender. Такое имя хоста легче запомнить и использовать.

В США шесть доменов высшего уровня определены для различных организаций:-          gov. - правительственные организации;- mil. - военные организации;-............................... edu. - образовательные организации;- com. - коммерческие организации;-            org. - общественные организации;- net. - организации, предоставляющие сетевые услуги.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15-2                     Типы сервисов Internet. Электронная почта

Типы сервисов Internet. Все прикладные сервисы сети Internet можно разделить на три группы: интерактивные, прямого обращения и отложенного чтения.

К группе интерактивных сервисов относятся такие, где требуется немедленная реакция от получателя информации, т.е. получаемая информация, в сущности, является запросом.

Сервисы прямого обращения характеризуются тем, что информация по запросу возвращается немедленно.

Наиболее распространенными являются сервисы отложенного чтения, например электронная почта. Для них основным признаком служит та особенность, что запрос и получение информации могут быть достаточно заметно разделены во времени. Сервисы отложенного чтения наиболее универсальны и наименее требовательны к ресурсам ЭВМ и линиям связи.

Электронная почта (e-mail). К числу наиболее популярных прикладных сервисов Internet принадлежит, электронная почта (ЭП). Эффективность, простота использования и скорость (E-mail сообщения могут передаваться и достигать адресата через весь земной шар за считанные минуты) сделали этот сервис наиболее распространенным.

В настоящее время предлагается множество различных пакетов программ для организации системы ЭП, в том числе в локальных сетях. Если ЛКС через шлюз связана с сетью более высокого уровня, что практически повсеместно распространено, то можно пользоваться услугами ЭП в более широком масштабе. Наиболее распространенными системами ЭП являются Microsoft Mail, Microsoft Exchange, Lotus cc: Mail. В качестве основного протокола работы с ЭП используется SMTP (Simple Mail Transfer Protocol, простой протокол передачи почты) - протокол прикладного уровня. Он обеспечивает достоверную и надежную передачу сообщений между произвольными узлами сети Internet. SMTP-протокол в своей работе использует TCP как транспортный протокол. В сети Internet, как правило используются SMTP-серверы в качестве почтовых ящиков, промежуточных пунктов пересылки сообщений. Они принимают поступающую почту и затем самостоятельно переправляют ее адресату (это процесс ретрансляции почтовых сообщений). Любое почтовое сообщение состоит из конверта (заголовка) сообщения и тела сообщения. Конверт содержит информацию, необходимую для доставки и обработки сообщения. Тело сообщения содержит информацию, которую отправитель передает получателю. Структура конверта обычно определяется локальным почтовым программным обеспечением. В конверте содержится информация о структуре и составе передаваемых данных, дате формирования сообщения, имени и адресе отправителя, имени и адресе получателя (или группы получателей), теме сообщения и др.Система адресации электронной почты в Internet, называемая также стандартом RFS-822 (по названию документа, в котором она описана), принята во многих других сетях.

Скорость доставки электронных писем сильно зависит от используемого механизма передачи. В Internet существуют два механизма передачи. Первый основан на протоколе UUCP и реализует пакетный режим передачи off-line, характерный для дейтаграммных сетей. Письмо передается по сети от узла к узлу программами Sendmail, и возможны задержки в каждом узле. Это дополнительный способ передачи. Основной (второй) механизм передачи базируется на протоколе SMTP семейства протоколов TCP/IP в сети коммутации пакетов. Он реализует передачу почты в режиме on-line: на время передачи между отправителем и получателем создается виртуальный канал, и письмо пересылается в течение нескольких секунд, при этом вероятность потери или подмены письма минимальна.Обычный алгоритм работы почтовой программы таков: сначала предпринимается попытка отправить письмо немедленно (по протоколу SMTP); если это не получилось из-за неудачи в получении связи с узлом назначения, письмо попадает в очередь (в соответствии с протоколом UUCP), и время его задержки будет определяться загруженностью сети. Оптимальное время доставки сообщения по протоколу UUCP составляет 5 - 10 минут.

В качестве примера рассмотрим специальный пакет программ Mircosoft Mail, представляющий собой универсальную систему корпоративной электронной почты, обеспечивающую: создание почтового отделения (ПчО) для управления почтовыми услугами; регистрацию и подключение пользователей к ПчО; формирование сообщений пользователями, их пересылку и обслуживание (хранение, сортировку, поиск, создание шаблонов документов, просмотр, редактирование, сопровождение комментариями и т.п.); конфиденциальность информации и т.д.

Система новостей UseNet, почтовые списки, передача файлов

Система новостей UseNet (телеконференции) - второй по распространенности сервис Internet, представляющий собой распределенную систему ведения дискуссий, механизм распространения сетевых новостей. Эта система обеспечивает ведение дискуссий (телеконференций) по выбранной теме, осуществляет фильтрацию статей по ключевым словам, тиражирование и рассылку подписчикам статей. В отличие от электронной почты в системе новостей необходимо централизованное хранение статей на UseNet-серверах, так как к банку статей должны иметь доступ все пользователи сети, подсоединенные к этому серверу.

Система UseNet работает по протоколу прикладного уровня NNTP (Network News Transport Protocol, протокол передачи новостей). Он работает поверх транспортного протокола TCP/IP и используется для обеспечения связи между серверами, работающими с программным обеспечением UseNet, и, следовательно, взаимодействия участников дискуссий по модели клиент-сервер. В первое время для передачи пакетов новостей (как и для передачи электронной почты) использовался протокол UUCP (Unix-to-Unix Copy). Он и сейчас применяется, но активно вытесняется более быстрым и гибким протоколом NNTP.

В системе телеконференций (ТК) принцип электронной почты получил дальнейшее развитие. Если в системе ЭП сообщения адресуются "один к одному" и каждому пользователю предоставляется индивидуальный "почтовый ящик", то в системе ТК адресация осуществляется по принципу "один ко всем" и на всех участников ТК выделяется один ящик.

В число основных иерархий конференций, составляющих "большую семерку" и присутствующих на всех крупных системах сети ТК USENET, входят: - comp - конференции по вопросам, связанным с компьютерами и программированием;-       misc - темы, не входящие ни в один из основных классов или относящиеся сразу к нескольким;- news - вопросы по программам обмена новостями и развитию системы телеконференции;- rec - вопросы на темы отдыха, хобби, увлечений;-         sci - конференции для дискуссий и обмена опытом по различным научным дисциплинам;- soc - вопросы общественной жизни;-               talk - конференции, ориентированные на обсуждение спорных вопросов по любой тематике.

Почтовые списки. Иначе они называются списками рассылки (Mailing Listc). Это практически единственный сервис, не имеющий собственного протокола и программы-клиента и работающий только через электронную почту. Это очень простой и полезный сервис. Идея его организации заключается в следующем: в сети выделяется адрес электронной почты, который является общим адресом многих пользователей-подписчиков определенного списка рассылки. Каждый список рассылки посвящается какой-то конкретной теме. Пользователи-подписчики могут посылать свои сообщения по общему адресу, и тогда эти сообщения рассылаются всем, кто подписался на данный список рассылки. Имеются общедоступные почтовые списки, а некоторые списки имеют ограничения на участие в них.

По своим задачам, которые призван решать такой сервис, почтовые списки похожи на сетевые новости USЕNET (телеконференции). Однако имеются и существенные отличия. Основные из них:

- статьи в сетевых новостях по прошествии определенного периода времени стираются и становятся недоступны, а сообщения, распространяемые по электронной почте по списку рассылки, всегда будут прочитаны подписчиком, дождавшись его в почтовом ящике;

- списки рассылки более управляемы и конфиденциальны, так как администратор списка контролирует набор подписчиков и следит за содержанием сообщений. Каждый список рассылки ведется какой-то организацией, которая имеет полный контроль над ним. В системе USENET сетевые новости никому не принадлежат и потому менее управляемы;

- для работы со списком рассылки обычно достаточно доступа к электронной почте, подписчиками могут быть пользователи, не имеющие доступа к новостям USENET;

- передача сообщений по спискам рассылки может осуществляться быстрее, так как они передаются абонентам напрямую, а не по цепочке между серверами USENET.

Передача файлов. Это один из первых широко используемых сервисов Internet, в основе которого лежит протокол передачи файлов FTР (File Transfer Protocol), обеспечивающий доступ к файлам в файловых архивах. FTP - это стандартная программа, работающая по протоколу ТСР. Она обеспечивает передачу файлов между компьютерами, взаимодействующими в сетях ТСР/IP: на одном из них работает программа-сервер, а на другом пользователь запускает программу-клиент, которая соединяется с сервером и передает или получает по протоколу FTP-файлы. FTP - сервис прямого доступа, требующий подключения компьютера в сеть Internet

Системы автоматизированного поиска информации в сети Internet

В сети Internet имеются тысячи баз данных и десятки навигационных систем. Для облегчения и ускорения поиска необходимой информации используются вспомогательные программы, интегрированные в структуру Internet и составляющие ядро автоматизированных систем поиска и получения информации.

Сеть Internet работает с тремя основными системами поиска информации - Gopher, Wais и WWW.

Система Gopher. Это достаточно известное и распространенное средство поиска информации в сети Internet, позволяющее находить информацию по ключевым словам и фразам. При работе с Gopher пользователю предлагается пройти сквозь ряд вложенных меню, из которых доступны файлы различных типов. Gopher, будучи распределенной системой экспорта структурированной информации, является сервисом прямого доступа и требует, чтобы и сервер, и клиент были полноценно подключены к Internet.

Система WAIS. Это информационная система широкого профиля, представляющая собой комплекс программ, предназначенных для индексирования больших объемов неструктурированной (как правило, просто текстовой) информации, поиска по таким материалам и извлечения из них запрашиваемых данных. Эти функции выполняются с помощью программ индексирования, программ локального поиска по полученным индексам, а также серверных и клиентских программ, взаимодействующих между собой по специальному протоколу Z39.50.

Система WWW (World Wide Web - всемирная информационная сеть). В качестве основного протокола системой WWW используется протокол HTTP (HyperText Transfer Protocol, протокол передачи гипертекста).

WWW - самое популярное и удобное средство работы с информацией. Больше половины потока данных в Internet приходится на долю WWW. Количество серверов WWW сегодня превышает несколько десятков тысяч. WWW - гипертекстовая, гипермедийная, распределенная, интегрированная, глобальная децентрализованная информационная система, реализующая самую передовую и массовую технологию. Это сервис прямого доступа, требующий полноценного подключения к Internet. WWW работает по принципу клиент-серверы. Имеется множество серверов, которые по запросу клиента представляют ему гипермедийный документ, состоящий из частей с разнообразным представлением информации (текст, звук, графика, трехмерные объекты и т. д.). Программные средства WWW являются универсальными для различных сервисов Internet, а сама система играет интегрирующую роль. Соединение между клиентом и сервером WWW одноразовое: получив запрос от клиента и выдав ему документ, сервер прерывает связь.

Гипертекст можно рассматривать как систему документов с перекрестными ссылками. Связь между гипертекстовыми документами осуществляется с помощью ключевых слов, причем документы, на которые сделаны ссылки, могут находиться на удаленных компьютерах. Следовательно, по ссылкам можно значительно удалиться от первоначального источника информации, но возврат к нему не вызывает затруднений.

Гипермедиа-документы (т.е. гипертекстовые документы, включающие не только тексты, но и графику, звук и видео) хранятся на WWW-серверах сети Internet. Для работы с гипермедиа-документами имеется много различных программ-клиентов, называемых программами просмотра WWW, или броузерами (browsers). По известному адресу броузеры позволяют вызывать нужные документы, накапливать их, сортировать, объединять, редактировать, печатать. Наибольшее распространение в настоящее время получили программы просмотра Netscape Navigator и Microsoft Internet Explorer

Кроме описанных услуг, сетью Internet предоставляются и другие услуги. Краткие сведения о некоторых из них представлены ниже. Telnet - удаленный доступ. Пользователь может работать на любом компьютере сети, как на своем собственном.              Rsh (Remote Shell) - удаленный доступ. В отличие от Telnet работает только в случае, когда на удаленном компьютере установлена ОС Unix. NFS (Network File System) - распределенная файловая система. Абонент может пользоваться файловой системой удаленного компьютера, как своей собственной. Rexec (Remote Execution) - выполнение одной команды на удаленном Unix-компьютере.    Lpr - сетевая печать. Отправка файлов на печать на удаленном (сетевом) принтере. Lpq - сетевая печать. Показывает файлы, стоящие в очереди на печать на сетевом принтере. Talk - обеспечивает установление взаимодействия ("разговора") с пользователем удаленного компьютера. При этом на экране дисплея одновременно виден вводимый текст и ответ удаленного пользователя.         Iptunnet - позволяет получить доступ к серверу ЛКС NetWare, с которым отсутствует непосредственная связь по ЛКС, но есть связь по сети Internet.          Whois - адресная книга сети Internet. Абонент имеет возможность по своему запросу получить информацию о принадлежности удаленного компьютера, о пользователях. Finger - получение информации о пользователях удаленного компьютера. Webster - сетевая версия толкового словаря английского языка.Факс-сервис - дает возможность пользователю отправлять сообщения по факсимильной связи, пользуясь факс-сервером сети.Электронный переводчик - осуществляет перевод текста с одного языка на другой. Обращение к электронным переводчикам происходит через электронную почту.

Шлюзы - дают возможность абоненту отправлять сообщение в сети, не работающие с протоколами ТСР/IP .

 

15-3                                         Клиентское программное обеспечение сети Internet

Практически все услуги сети Internet построены на принципе клиент-сервер, причем сервер - это компьютер, способный предоставлять клиентам сетевые услуги по их запросам. С приходом запросов от клиентов сервер запускает различные программы предоставления сетевых услуг. По мере их выполнения сервер отвечает на запросы клиентов. Программное обеспечение сети можно разделить на серверное и клиентское. Программное обеспечение сервера занимается предоставлением сетевых услуг, а клиентское программное обеспечение осуществляет передачу запросов серверу и получение от него ответов.

Сеть Internet построена в основном на базе компьютеров, работающих под управлением ОС Unix. Эта операционная система требует обычно мощных компьютеров с большими объемами оперативной памяти и НЖМД. Кроме того, она имеет не самый хороший пользовательский интерфейс. В связи с этим для приобщения к сети новых абонентов особое значение имеют пакеты клиентского программного обеспечения (КПО), работающие под управлением операционных систем MS Windows. Они намного дешевле, чем ОС Unix, просты в использовании и обеспечивают доступ почти ко всем ресурсам сети Internet.

В состав доступного КПО входят такие пакеты, как Mail2, NCSA-Telnet, KA9Q, Chameleon, Cello, Mosaic, Minuet, PC-NET, PC-Interface, Waterloo-TCP, LAN-WorkPlace, PC-TCP, TCP-Open, Trumpet, Dmail.

Для оценки возможностей этих пакетов могут использоваться следующие критерии:

- функции пакета в МS Windows;

- качество пользовательского интерфейса;

- наличие средств поиска информации;

- наличие средств связи по коммутируемым линиям;

- наличие интерфейса для работы в ЛКС;

- возможность работы по коммутируемым линиям;

- возможность настройки пакета на сложные конфигурации локальных и глобальных сетей;

- требования к программно-техническим средствам, которые необходимы для использования пакета;

- состав установочного комплекта;

- наличие исходных текстов;

- качество документации на пакет;

- цена пакета.

В результате оценки по всем указанным критериям получены рекомендации по использованию пакетов КПО в сети Internet.

Для операционной среды MS DOS лучшим пакетом КПО, с точки зрения пользователя, признан пакет Minuet, разработанный Миннесотским университетом (США). Он обладает полным спектром услуг сети Internet и отличным пользовательским интерфейсом, прост в использовании, может работать как в локальных, так и в глобальных сетях по коммутируемым линиям, значительно дешевле своих аналогов. Пакет Minuet рекомендуется практически всем категориям абонентов сети. Для этой же операционной среды, но уже, с точки зрения специалиста, наиболее подходящим считается пакет КА9Q, который распространяется вместе с исходными текстами и имеет в своем составе весь спектр сетевых услуг. Он эмулирует многозадачный и многопользовательский режимы работы, может использоваться как маршрутизатор для связи ЛКС с глобальной сетью. Пакет КА9Q рекомендуется специалистам сети в качестве исходного материала при разработке новых пакетов КПО. Для рядовых пользователей сети в качестве абонентского пакета его применять нецелесообразно из-за сложности в настройке и неудовлетворительного пользовательского интерфейса.

Для операционной среды MS Windows предпочтительным пакетом КПО считается пакет Chameleon, разработанный фирмой NetManage (США). Обладая полным набором услуг сети Internet и отличным пользовательским интерфейсом, он имеет в своем составе NFS-сервер, может работать маршрутизатором сети и обеспечивать связь ЛКС с глобальной сетью.   Лучшим почтовым пакетом для операционной среды MS Windows считается пакет Dmail for Windows, разработанный фирмой Демос (Россия). Он рекомендуется тем абонентам, которые нуждаются в электронной почте и привыкли работать в среде Windows. По существу этот пакет является аналогом пакета Mail2 для Windows. Пакет DMail for Windows обладает хорошим пользовательским интерфейсом, несложен в работе, но не прост в настройке, полный комплект документации - на русском языке, может работать как в ЛКС, так и по коммутируемым линиям.

Для наиболее полного использования информационных ресурсов сети Internet рекомендуется пакет Mosaic, разработанный фирмой NCSA (National Centre of Supercomputing Application, США). Это наиболее мощный инструмент для путешествия по сети Internet. Он обеспечивает доступ к гипертекстовым библиотекам WWW, к обычным базам данных сети и системам поиска информации в них. Возможность просмотра новейших гипертекстовых библиотек WWW - основное достоинство пакета Mosaic. При наличии в просматриваемом документе ссылки на какой-либо другой документ осуществляется переход к этой ссылке и загружается документ, на который была ссылка, независимо от его местоположения в сети Internet. В качестве интерфейса для работы в ЛКС используются пакетные драйверы, средства связи по коммутируемым линиям - SLIP, PPP. Пакет обладает отличным пользовательским интерфейсом. Для работы Mosaic необходим канал связи с сетью Internet со скоростью не менее 14400 бит/ с.

         Кроме абонентского программного обеспечения, среди пользователей сети Internet распространены телекоммуникационные пакеты, главное применение которых - обеспечение связи с электронными досками объявлений общего пользования (ВВS). Такие пакеты позволяют пользователю получить доступ к хосту сети (сетевому компьютеру, который, помимо сетевых функций, выполняет пользовательские задания) через обычные телефонные линии. При этом он может работать на одном из хостов сети в режиме "online", пользуясь таким образом всеми ресурсами узла сети так, как если бы работа выполнялась на его терминале. К каждому модему прилагается свой телекоммуникационный пакет. Наиболее распространенными являются телекоммуникационные пакеты TELEMATE, MTEZ, BITCOM, COMIT, PROCOM. Все они просты в настройке и в использовании и мало отличаются друг от друга по предоставляемым ими возможностям.

 

 

 

 

16                           корпоративные компьютерные сети

 Функции и характеристики корпоративных компьютерных сетей (ККС)

Корпоративная компьютерная сеть (Intranet) – это сеть на уровне компании (организации, предприятия), в которой используются программные средства, основанные на протоколе TCP/IP Internet. Другими словами, Intranet – это версия Internet на уровне компании, адаптация некоторых технологий, созданных для Internet, применительно к частным локальным (LAN) и глобальным (WAN) сетям организаций.

Корпоративные сети, как и Internet, основаны на технологии клиент-сервер, т.е. сетевое приложение делится на стороны: клиента, запрашивающего данные или услуги, и сервера, обслуживающего запросы клиента.

Корпоративная сеть, объединяющая локальные сети отделений и предприятий корпорации (организации, компании), является материально-технической базой для решения задач планирования, организации и осуществления ее производственно-хозяйственной деятельности. Она обеспечивает функционирование автоматизированной системы управления и системы информационного обслуживания корпорации.

Основные характеристики ККС. К корпоративной сети, как и к другим типам компьютерных сетей, предъявляется ряд требований. Главное из них – обеспечение пользователям возможности оперативного доступа к разделяемым ресурсам всех компьютеров, объединенных в сеть. Решению этой основной задачи подчинены остальные требования: по производительности, надежности, безопасности, управляемости, совместимости, расширяемости, масштабируемости и прозрачности. Качество предоставления услуг сетью определяется тем, насколько полно выполняются эти требования, особенно по производительности и надежности.

Производительность сети – одно из ее основных свойств. Оно обеспечивается возможностью распараллеливания работ между несколькими элементами сети (компьютерами, альтернативными маршрутами, распределенными базами данных и т.д.).

Для оценки производительности сети используются такие показатели: время реакции на запрос, пропускная способность всей сети или отдельных ее звеньев (подсетей), задержка передачи данных.Время реакции на запрос – это интервал времени между подачей запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос. Пропускная способность сети (или ее звена) оценивается количеством информации (в пакетах, битах), передаваемой сетью в единицу времени. Она характеризует качество выполнения основной функции сети - транспортировки сообщений.Задержка передачи данных – это задержка между моментом поступления пакета на вход какого-либо устройства сети (или части сети, или, наконец, всей сети) и моментом появления его на выходе этого устройства. Этот показатель характеризует только сетевые этапы передачи данных и не относится к задержкам, связанным с обработкой данных на компьютерах. Обычно задержка передачи данных составляет сотни миллисекунд, реже – несколько секунд.

Надежность функционирования сети оценивается рядом показателей. К ним относятся:

-    коэффициент готовности – доля времени, в течение которого сеть используется по основному своему назначению;-        вероятность доставки пакета адресату без искажений;-                вероятность потери пакета при его передаче;-        отказоустойчивость, т.е. способность сети скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. В отказоустойчивой сети отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества работы сети, но не к полному ее останову.

Безопасность сети – это способность сети защитить циркулирующую в ней информацию от несанкционированного доступа (подробно об этом см. ниже).

Управляемость сети – возможность централизованно контролировать состояние как всей сети, так и основных ее элементов, выявлять причины отказов элементов сети и восстанавливать ее работоспособность, анализировать производительность сети и планировать ее развитие.

Основные принципы управления сетью определяют главные решения по реализации функций в рамках указанных категорий управления. Эти принципы подробно рассматриваются ниже.

Совместимость (интегрируемость) – способность сети использовать самое разнообразное аппаратное и программное обеспечение от разных производителей. Сети с разнотипными элементами называются неоднородными (гетерогенными). Для нормальной работы такой сети необходимо использование в ней модулей, отвечающих требованиям открытых стандартов и спецификаций. В случае выполнения этого условия сеть получается интегрированной.

Расширяемость – возможность сравнительно легкого добавления (без ухудшения других характеристик сети) отдельных элементов сети(компьютеров, приложений, служб), наращивания длины ее сегментов и замены аппаратуры более современной.

Масштабируемость – возможность наращивания количества узлов и увеличения протяженности связей в очень широких пределах без ухудшения производительности сети. Обеспечение масштабируемости достигается применением дополнительного коммуникационного оборудования и специального структурирования сети.

Прозрачность – способность сети в ходе предоставления услуг пользователям скрывать от них особенности используемых операционных систем и различия в типах компьютеров.

Поддержка различных видов трафика – очень важная характеристика сети, определяющая ее возможности. Сети, в которых, кроме традиционного трафика компьютерных данных, обеспечена возможность передачи и обработки трафика мультимедийных данных, используются для организации видеоконференций, обучения и развлечения на основе видеофильмов и т.п. Такие сети являются гораздо более сложными по своему программному и аппаратному обеспечению и по организации функционирования по сравнению с сетями, где осуществляется передача и обработка только трафика компьютерных данных или только мультимедийного трафика.

 Типовая структура ККС

Типовая структура корпоративной компьютерной сети. Здесь выделены: оборудование центрального офиса предприятия и его отделений (филиалов), магистральная сеть, сеть доступа, удаленные персональные компьютеры (УПК) сотрудников предприятия, телефонные сети.

В центральном офисе имеются коммутатор центрального офиса и учрежденческая автоматическая телефонная станция (УАТС) сподключенными к ней через телефонные сети телефонными аппаратами (Т), сервер удаленного доступа (программно-аппаратный комплекс, совмещающий функции маршрутизатора, моста и шлюза и обеспечивающий организацию массового удаленного доступа через аналоговые телефонные сети или ISDN), офисная ЛКС, связанная с мультиплексором-коммутатором с помощью маршрутизатора. Оборудование центрального офиса имеет выход на территориальную сеть связи через мультиплексор-коммутатор.

Региональные отделения предприятия имеют свою локальную сеть, связанную с ТСС с помощью оборудования СРЕ (Customer Premises Equipment). Оборудование СРЕ, размещаемое на территории регионального отделения, объединяет устройства типа:

- DTE (Data Terminal Equipment) – устройства выработки данных для передачи в ТСС, это маршрутизаторы или удаленные мосты. Для ТСС они представлены единым устройством – портом маршрутизатора или моста;

- DCE (Data Circuit terminating Equipment) устройства, которые обеспечивают необходимый протокол физического уровня данного канала связи. Используются DCE трех основных типов: модемы для работы по коммутируемым и выделенным аналоговым каналам, устройства для работы по цифровым выделенным каналам сетей технологии TDM и терминальные адаптеры для работы по цифровым каналам сетей ISDN.

Кроме того, в ККС имеется ряд удаленных персональных компьютеров, подключенных к ТСС через местные телефонные сети.Территориальные сети связи, используемые для построения корпоративной сети, можно разделить на магистральные сети и сети доступа.

Магистральные сети связи используются для связи региональных отделений предприятия между собой и с центральным офисом. Они обеспечивают высокую пропускную способность (от 2 до 622 Мбит/с) и высокий коэффициент готовности. В качестве магистральных сетей обычно используются цифровые выделенные каналы.

Сеть доступа – это территориальная сеть, обеспечивающая связь удаленных ЛКС и УПК с центральным офисом предприятия. У предприятия может быть очень много точек удаленного доступа, поэтому к таким сетям предъявляются повышенные требования к разветвленной инфраструктуре доступа. В качестве сетей доступа применяются телефонные аналоговые сети, сети Frame Relay и ISDN.

Для установления Intranet необходимы следующие компоненты:

- компьютерная сеть для совместного использования ресурсов или сеть взаимосвязанных ЛКС и УПК;

- сетевая операционная система, поддерживающая протокол ТСР/IP (Unix, Windows NT, Netware);

- компьютер-сервер, который может работать как сервер Internet;

- программное обеспечение сервера, поддерживающее запросы броузеров в формате протокола передачи гипертекстовых сообщений (НТТР);

- компьютеры-клиенты, на которых имеется сетевое программное обеспечение, позволяющее посылать и принимать пакетные данные по протоколу ТСР/IP;

- программное обеспечение броузера для различных компьютеров-клиентов (Netscape Navigator, Microsoft Internet Explorer).

Эти требования к оборудованию и программному обеспечению Intranet дополняются требованиями к знанию технологии составления документов на языке описания гипертекста (HTML).

 Программное обеспечение ККС

Для управления работой сети необходима сетевая операционная система (СОС), реализующая принцип сетевой модели клиент-сервер. Наиболее популярными СОС являются Windows NT компании Microsoft и NetWare компании Novell.

Система Windows NT для передачи данных использует протоколы ТСР/IP или IPX/SPX. Подобно ТСР/IP, протокол IPX/SPX определяет набор правил для координации сетевой связи между двумя системами. Если сеть не поддерживает протокол ТСР/IP, то необходимо использовать программы-шлюзы для трансляции ТСР/IP в используемый протокол сетевой операционной системы.

Система NetWare позволяет соединять компьютеры в сети типа Ethernet или Token Ring, используя модель клиент-сервер. Программное обеспечение сервера NetWare выполняется на всех главных компьютерных платформах типа Unix, Dos, Windows, Macintosh. Для того чтобы компьютер-клиент имел доступ к сети, на нем должно быть установлено программное обеспечение клиента системы NetWare. После этого клиенты могут совместно использовать файлы и ресурсы принтеров, а также выполнять ряд различных приложений с помощью сервера. Программное обеспечение стороны клиента системы NetWare создано и успешно используется для Unix, Dos, Macintosh, OC/2 и Windows.

 Сетевое оборудование ККС: состав, назначение и характеристики

Ниже даются краткие сведения по основному сетевому оборудо-ванию ККС, используемому в сетях Х.25 и FR.

Модемы – это наиболее массовый вид оборудования в сетях. Они различаются между собой по способу модуляции, пропускной способности, способу коррекции ошибок, способу сжатия данных. Для различных скоростей работы модемов, различных способов коррекции ошибок и сжатия данных разработаны стандарты.

Большой популярностью пользуются технические средства для построения корпоративных сетей связи, производимые компанией RAD DATA COMMUNICATIONS. Среди них – модемы для проводных выделенных линий связи, в частности синхронные модемы для работы на 4-х проводных линиях в дуплексном режиме:

- ASM – 20 скорость от 32 Кбит/с до 256 Кбит/с, радиус действия на проводе сечением 0,5 мм равен 7,5 км при скорости передачи 64 Кбит/с;

- ASM – 40 скорость от 64 Кбит/с до 2048 Кбит/с, радиус действия может достигать до 20 км;

- МТМ – 20 – скорость от 32 до 64 Кбит/с, радиус действия до 14 км при скорости передачи 32 Кбит/с.

Мультиплексоры - это многофункциональные устройства, используемые в качестве устройств доступа к сетям, а также для построения узлов корпоративной сети. В настоящее время в сетях с коммутацией пакетов чаще всего используются мультиплексоры СХ-1000 фирмы Memotec, MPRouter 6520 фирмы Motorola, Kilomux-3000 фирмы RAD.

 

 

 

 

                                

 

 

 

 

 

 

 

17                                                 СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ККС

 Политика безопасности и принципы построения системы обеспечения безопасности (СОБ) корпоративной сети

Система обеспечения безопасности СОБ представляет собой единую совокупность организационных (административных) мер, правовых и морально-этических норм, программно-аппаратных средств, направленных на противодействие угрозам сети с целью сведения до минимума возможного ущерба пользователям и владельцам сети. Формирование СОБ корпоративной сети базируется на политике безопасности (способе управления доступом) – наборе законов, правил и практических рекомендаций, реализуемых с помощью различных мер, норм и средств защиты. Для конкретной организации и ее сети политика безопасности должна быть индивидуальной, учитывающей указанные выше особенности. Ее реализация осуществляется с помощью средств управления механизмами защиты.

Основу политики безопасности составляет способ управления доступом, определяющий порядок доступа субъектов сети к ее объектам. Субъект– это активный компонент сети, являющийся причиной потока информации или изменения состояния сети. Объект– пассивный компонент сети, выполняющий функции хранения, приема или передачи информации. Доступ к объекту подразумевает доступ к содержащейся в нем информации.Различают два вида политики безопасности: избирательную и полномочную.

В основе избирательной политики безопасности лежит избирательное управление доступом, подразумевающее, что все субъекты и объекты сети идентифицированы, а права доступа субъекта к объекту определяются некоторым правилом (свойством избирательности). Наибольшее применение избирательная политика получила в коммерческом секторе, поскольку ее реализация практически отвечает требованиям коммерческих организаций по разграничению доступа, а также имеет небольшие накладные расходы и стоимость.Полномочная политика безопасности основана на использовании полномочного управления доступом, для которого характерны следующие: субъекты и объекты сети также идентифицированы; каждому объекту присваивается метка критичности, определяющая ценность, уровень приоритета содержащийся в нем информации; каждому субъекту присваивается уровень прозрачности (уровень доступа), определяющий максимальное значение метки критичности объектов, к которым субъект имеет право доступа

При построении СОБ корпоративной сети принципиально возможен выбор одной из двух концепций:

- создание надежной СОБ на базе каналов связи и средств коммутации территориальной сети связи (ТСС) общего пользования, в которой применяются протоколы Internet. Использование этой концепции связано с большими затратами на обеспечение надежной защиты при подключении ККС к Internet;

- создание СОБ на базе специализированной или выделенной сети связи ККС с использованием конкретной сетевой технологии, в частности FR, ATM, ISDN. Здесь предлагается отказаться от средств, услуг и технологий Internet, убедительно доказавших свою жизнеспособность и эффективность.

В рамках указанных концепций создания СОБ корпоративной сети возможны два подхода к обеспечению безопасности ККС: фрагментарный и комплексный.

Главной отличительной особенностью фрагментарного подхода является отсутствие единой защищенной среды. Такой подход ориентируется на противодействие строго определенным угрозам при определенных условиях, например, использование специализиро-ванных антивирусных средств или автономных средств шифрования. Фрагментарные меры защиты обеспечивают эффективную защиту только конкретных объектов ККС от конкретной угрозы. Даже небольшое видоизменение угрозы ведет к потере эффективности защиты. Естественно, что фрагментарный подход имеет ограниченные области применения.

Для комплексного подхода отличительной особенностью является создание защищенной среды передачи, приема, хранения и обработки информации, объединяющей разнородные меры и средства противодействия угрозам безопасности. Эта среда строится на основе разработанной для конкретной ККС политики безопасности, что позволяет гарантировать определенный уровень безопасности.

                             Классификация средств защиты и способы из разработки

В зависимости от способа реализации методы и средства защиты разделяются на следующие группы.

1. Организационные методы. Они представляют собой набор инструкций, определяющий обязательные для всех пользователей порядок и правила использования компьютеров сети, а также ограничения по правилам доступа в компьютерные помещения.

2. Технологические методы. Они рассматриваются как основа защиты любой системы. Любое технологическое решение реализуется организационно, аппаратно или программно. Примеры технологическихрешений: фильтрация пакетов, мониторинг и аудит сети, автоматическое ведение журналов регистрации, система «обратного дозвона» (по запросу удаленного пользователя соединение не устанавливается, а лишь регистрируется запрос на соединение, после чего система сама производит обратный вызов абонента по указанному им адресу).

3. Аппаратные средства защиты (АСЗ). Они обеспечивают наиболее надежную защиту, с их помощью могут быть реализованы практически любые концепции защиты, но стоимость реализации оказывается на порядок выше по сравнению с аналогичными по назначению программным средствами. Аппаратные средства исключают любое вмешательство в их работу непосредственно из сети, изучение их работы возможно только при наличии непосредственного физического доступа к ним. Кроме того, они отличаются большей производительностью по сравнению с программными средствами (особенно если они используются в устройствах криптографической защиты).

4. Программные средства защиты (ПСЗ). Это наиболее распространенные средства, с их помощью реализуются все идеи и методы защиты, причем стоимость реализации сравнительно невысока. Основной недостаток программных средств – доступность для хакеров, особенно это касается широко распространенных на рынке средств защиты. Поэтому желательна разработка собственных оригинальных программных средств защиты.

5. Программно-аппаратные (гибридные) средства защиты. Они основаны на использовании технологических устройств, допускающих некоторую настройку параметров их работы программными методами, и представляют собой компромисс между предыдущими двумя способами, совмещая высокую производительность аппаратно реализованных систем и гибкость настройки программных. К числу таких гибридных средств относятся аппаратно реализованные маршрутизаторы фирмы Cisco, допускающие их настройку для работы в качестве пакетных фильтров.

                            Традиционные методы и средства обеспечения безопасности ККС

Традиционные методы и средства. К ним относятся следующие.

1. Криптографические методы защиты. Они необходимы во всех случаях обеспечения безопасности (независимо от того, применяются они в сети или вне ее) и основаны на шифровании информации и программ. Шифрование программ гарантирует невозможность внесения в них изменений. Криптографическая защита данных осуществляется как при их хранении, так и при передаче по сети. В настоящее времядоступны как программная, так и высокопроизводительная аппаратная реализация средств криптографии.

Различают два способа шифрования: канальное и оконечное (абонентское).

2. Парольная защита. Основана на использовании некоторой комбинации символов (пароля), открывающей доступ к запрашиваемому ресурсу сети. С помощью паролей защищаются файлы, личные или фирменные архивы, программы или отдельные компьютеры (пароль на его включение). В сетях пароли используются как самостоятельно, так и в качестве основы для различных методов аутентификации.

3. Идентификация пользователей. Это развитие системы парольной защиты на более современном техническом уровне. Для идентификации пользователей применяются специальные электронные карты, содержащие идентифицирующую конкретного пользователя информацию. Реализация системы идентификации пользователей осуществляется аппаратно, поэтому она является более надежной, чем парольная защита.

4. Аутентификация пользователей. Это процедура проверки пользователей, аппаратуры или программы для получения доступа к определенному ресурсу. В сущности это также развитие системы парольной защиты для использования в сетях. По отношению к пользователю система аутентификации обычно требует указания имени и предъявления пароля или электронной карты. 5. Привязка программ и данных к конкретному компьютеру. Основная идея этого метода состоит в том, что в данные или программу включаются конкретные параметры (характеристики) конкретного компьютера, что делает невозможным чтение данных или исполнение программ на другом компьютере.

6. Разграничение прав доступа пользователей к ресурсам сети. В основу метода положено использование таблиц или наборов таблиц, определяющих права пользователей и построенных по правилам«разрешено все, кроме» или «разрешено только». Таблицы по идентификатору или паролю пользователя определяют его права доступа к ресурсам сети – дискам, конкретным файлам, операциям записи, чтения или копирования, системному принтеру и т.д. Возможность такого разграничения определяется, как правило, возможностями используемой операционной системы, которые заложены именно в ней.

7. Использование заложенных в ОС возможностей защиты. Это превратилось в обязательное правило, однако большинство используемых ОС имеют недостаточную защиту или предоставляют возможности ее реализации дополнительными средствами.

                                                        Специфические методы и средства

Основными типами устройств защиты промежуточной сети являются пакетные фильтры, прокси-системы, системы контроля текущего состояния, которые обычно реализуются в межсетевых экранах.

1. Межсетевые экраны (брандмауэры) – механизмы защиты сети от внешнего мира, они служат барьером, ограничивающим распространение информации из одной сети в другую. Межсетевые экраны (МЭ) реализуются программными, аппаратными или программно-аппаратными средствами. Они могут быть: открытыми (функционируют на основе открытых протоколов Internet и служат для подключения к ККС открытых серверов Internet) и корпоративными (служат для обеспечения в ККС защищенного взаимодействия «клиент-сервер» с закрытыми серверами корпоративной сети, в том числе по виртуальным каналам сетей общего пользования), внешними (работают на виртуальном канале парами – входной и выходной МЭ, предназначены для разграничения прав доступа к виртуальному каналу связи и согласования параметров его защищенности при взаимодействии «клиент-сервер») и внутренними (обеспечивают разграничение прав доступа к ресурсам информационного сервера).

2. Средства усиления защиты сети – это некоторые устройства промежуточной сети и отдельные технологические решения. К ним относятся:- шлюзы уровня виртуального канала, позволяющие пользователям соединяться и обмениваться пакетами с сервером. При этом каждый пакет в отдельности не проверяется, а после проверки адресных данных принимаются сразу несколько пакетов. Такие шлюзы могут использоваться для полного запрета прямых контактов компьютеров внутренней сети с внешней сетью;- переключаемые мосты на концентраторе, контролирующие направление трафика в сети и реализующие дополнительную фильтрацию пакетов, создавая таким образом еще один барьер для хакеров;- создание виртуальной части сети, если предусматривается подключение удаленных пользователей к ККС. Применение такой технологии основано на аутентификации удаленных пользователей и шифровании всего сетевого трафика;- изоляция протоколов путем использования протокола TCP/IP только для связи с Internet. Во внутренней сети используются другие протоколы, несовместимые с TCP/IP, а доступ к Internet осуществляется через шлюз прикладного уровня;- реализация межсетевого экрана на внутреннем сервере. Такой экран располагается после выделенного сетевого экрана и является последним рубежом защиты.

3. Архитектурные методы защиты – это решения, принимаемые на уровне топологии и архитектуры сети с целью повышения ее защищенности. Такие решения могут приниматься на уровне внутренней сети (корпоративной, локальной) или на уровне промежуточной сети, которая связывает внутреннюю сеть с внешней (например, с сетью Internet).На уровне топологии и архитектуры внутренней сети могут приниматься такие решения:- физическая изоляция закрытого сегмента внутренней сети, содержащего конфиденциальную информацию, от внешней сети, связь с которой поддерживается через открытый сегмент внутренней сети;- кратковременное (сеансовое) подключение внутренней сети к сегменту сети, подключенному к Internet, с помощью коммутатора и/или переключаемого моста (такое подключение более безопасно, чем постоянное соединение);- функциональное разделение внутренней сети на подсети, при котором в каждой подсети работают пользователи (сотрудники компании), объединенные по профессиональным интересам.Меры обеспечения безопасности на уровне архитектуры промежуточной сети нередко связаны с реализацией компонентов многоуровневой защиты. Если промежуточная сеть включает маршрутизатор, компьютер, выделенный для межсетевого экрана, и концентратор, соединенный непосредственно с сервером внутренней сети, то средства защиты могут быть реализованы на каждом из этих устройств. Например, на маршрутизаторе – фильтрация пакетов, на компьютере – межсетевой экран, на концентраторе – переключаемый мост и виртуальная ЛКС, на сервере внутренней сети – еще один межсетевой экран.

Обязательным дополнением к рассмотренным сетевым методам и средствам защиты является мониторинг и аудит сети, составляющие основу обеспечения ее безопасности

 

 

18                     эффективность функционирования компьютерных сетей

        Понятие эффективности функционирования компьютерных сетей и методология ее оценки

Наиболее общей, интегральной характеристикой любой сложной, тем более человеко-машинной, системы является эффективность ее функционирования, т.е. способность системы достигать поставленную цель в заданных условиях применения и с определенным качеством. Иначе говоря, это комплексное операционное свойство целенаправлен-ного процесса функционирования системы, характеризующее приспособленность этого процесса к достижению цели реализуемой системой операции.

Под системой понимается совокупность взаимосвязанных эргатических и неэргатических элементов (аппаратных, программных, информационных средств, обслуживающего персонала, пользователей), непосредственно участвующих в процессе выполнения операции. Операция – это упорядоченная совокупность взаимосвязанных действий, направленных на достижение заданной цели. Цель – это желаемый результат функционирования системы, достижимый в течение определенного времени.

В теории эффективности различают объект и предмет исследования. Объектом исследования является операция, т.е. процесс применения (функционирования) системы. Применительно к КС под операцией понимается упорядоченная совокупность взаимосвязанных действий эргатических и неэргатических элементов сети, направленных на удовлетворение запросов пользователей. Предмет исследования – это закономерности оптимальной организации процесса функционирования системы, а применительно к компьютерной сети – закономерности оптимальной (или рациональной) организации процессов удовлетворения запросов пользователей. Следует различать понятия «эффективность» и «качество». Если эффективность относится к операции, к процессу функционирования системы, то качество – непосредственно к самой системе. Качество системы – это совокупность ее свойств, обусловливающих пригодность системы удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением. Подсвойством системы понимается ее объективная особенность, проявляемая при создании и эксплуатации (использовании) системы. Понятие эффективности функционирования системы является более широким, чем понятие качества системы. Эффективность зависит от качества, но не наоборот. Оценивание эффективности связано не только со свойствами системы, но и со свойствами результата ее функционирования и ресурсов, затрачиваемых на достижение этого результата, т.е. с оцениванием объектов, не включаемых в систему. Иначе говоря, эффективность функционирования системы определяется не только ее свойствами, но и способами и условиями применения системы.

Оценка эффективности предусматривает совместный анализ эффекта и затрат на его достижение. Такая оценка рассматривается в тесной связи с целями, которые достигаются (или должны быть достигнуты) при использовании системы (в нашем случае компьютерной сети). Она напрямую согласуется с задачами производственно-хозяйственной или любой другой деятельности организации, использующей сеть в качестве технической базы по решению всех задач.

                                                       Показатели эффективности КС

В общем случае показатель эффективности функционирования компьютерной сети, как человеко-машинной системы, представляет собой количественно (реже качественно) оцениваемую характеристику с учетом: выходных временных, точностных и надежностных показателей трудовой деятельности человека-оператора (пользователей, управленческого и обслуживающего персонала сети); параметров и характеристик машины (аппаратных, программных и информационных средств сети, рассматриваемых с системных позиций); параметров и характеристик, определяющих условия функционирования сети. Ниже рассматриваются только количественно оцениваемые показатели эффективности КС.

Показатели эффективности сети W определяются процессами ее функционирования, они являются функционалом от этого процесса. В соответствии с конкретизацией понятия эффективности показатели множества W разделяются на три группы:

                                                     W={W_ц, W_т, W_э},

где - W_ц – показатели целевой эффективности функционирования сети, или эффективности использования сети по целевому назначению; это количественная мера соответствия сети своему назначению;

W_т – показатели технической эффективности сети; это количественная мера, отражающая техническое совершенство КС;

W_э – показатели экономической эффективности функционирования КС; это количественная мера экономической целесообразности использования сети.

Принадлежность того или иного показателя эффективности к одной из указанных групп не всегда бывает однозначной. Это определяется назначением сети и целями ее исследования.

Показатели целевой эффективности КС (W_ц). Любая компьютерная сеть, используемая той или иной организацией (или отдельными людьми), прямо или опосредованно участвует в достижении целей деятельности этой организации, в решении конкретных задач. Показатели множества W_ц предназначены для количественной оценки степени этого участия. С их помощью оценивается эффект (целевой результат), получаемый за счет решения тех или иных прикладных задач с использованием общесетевых ресурсов (аппаратных, программных, информационных), а не с использованием других, менее эффективных, средств.

Показатели множества W_ц отличаются большим многообразием. Для их количественной оценки применяются самые различные единицы измерения.

Примеры показателей целевой эффективности:

- временные показатели целевого использования сетевых структур в управлении деятельностью предприятия, характеризующие повышение оперативности управления. Это повышение достигается использованием вычислительных мощностей сети для оперативной реализации алгоритмов управления и коммуникационных средств для доставки результатов выработки управленческих решений по назначению;

- точностные (W_тн), надежностные (W_н) и временные (W_в) показатели, применяемые в системах специального назначения для оценки эффективности использования в них сетевых структур. Например, прирост (за счет использования сети) вероятности выполнения некоторого задания, сокращение времени на выполнение этого задания, повышение точности решения некоторой задачи;

- показатели целевой эффективности КС при решении задач планирования хозяйственной деятельности на различных уровнях (отрасль, подотрасль, объединение, фирма, предприятие и т.д.). Могут быть две группы этих показателей: а) показатели эффективности использования ресурсов сети для составления краткосрочных, текущих планов. Эффект определяется тем, что разработка планов при этом осуществляется быстрее, точнее и полнее, с учетом большего количества факторов; б) показатели эффективности использования сетевых структур для составления долгосрочных, перспективных планов. В этом случае эффект определяется не только тем, что разработанный с применением КС перспективный план будет получен быстрее и окажется точнее и полнее, но и тем, что он вообще стал возможным благодаря использованию сетевых ресурсов;

- показатели, характеризующие повышение качества продукции, технология производства которой включает использование КС (например, использование ЛКС на предприятиях);

- показатели, характеризующие экономику производства продукции с применением сетевых структур (например, повышение производительности труда, увеличение объема выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости, увеличение доли экспортируемой продукции и т.д.), если цель использования КС заключается именно в улучшении характеристик производственно-хозяйственной деятельности предприятия или организации. В этом случае показатели целевойэффективности одновременно являются и показателями экономической эффективности.

Показатели технической эффективности КС (W_т). Показатели этой группы используются для оценки компьютерной сети как сложной аппаратно-программно-информационной кибернетической человеко-машинной системы при работе ее в различных режимах и условиях. При этом не принимается во внимание эффект, получаемый за счет реализации результатов решения задач (удовлетворения запросов) пользователей сети. Оцениваются только технические возможности КС. Оценка с помощью показателей W_т может осуществляться как всей сети, так и отдельных ее систем, подсистем, звеньев и узлов.

Примеры показателей технической эффективности КС:

- Т_зс – суммарная задержка в сети, вносимая в передачу данных пользователя, т.е. время доставки сообщения от отправителя к получателю. Эта задержка зависит от длины маршрута, скорости передачи электрических сигналов, несущих информацию, пропускной способности канала связи, времени на прием, обработку и передачу информации в каждом промежуточном узле связи;

- V_п – скорость передачи пакетов, т.е. количество пакетов, передаваемых по сети за единицу времени;

- V_пд – фактическая пропускная способность сети, т.е. средний поток данных, фактически передаваемых через сеть (измеряется в Кбит/с, Мбит/с). В отличие от физической пропускной способности канала или линии связи V_к, которая определяется возможностями и свойствами передающей среды и является одним из главных ее параметров, фактическая пропускная способность, естественно, зависит от величины V_к, но она определяется и многими другими факторами: используемыми методами доступа в передающую среду, загрузкой канала, задержкой передаваемой информации в промежуточных узлах связи и т.д.

Показатели экономической эффективности использования КС (W_э). Для оценки экономической эффективности всей сети или отдельных ее элементов и звеньев могут использоваться две группы показателей: интегральные показатели и частные показатели.

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19-1                  РАЗВИТИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

                                                          Пути развития компьютерных сетей

К основным направлениям и путям развития компьютерных сетей можно отнести следующие.

1.   Развитие топологии сетей, направленное на обеспечение одновременного обслуживания запросов от большего количества абонентских систем и увеличение оперативности и надежности доставки пакетов адресатам за счет создания альтернативных маршрутов.

2.   Создание новых, более совершенных протоколов обмена информацией и управления сетями, развитие информационных и телекоммуникационных технологий.

3.   Совершенствование существующих и создание новых аппаратных средств передачи и обработки информации, расширение работ по проектированию и производству многофункциональных мультиплексоров, коммутаторов и других изделий, по оснащению центров коммутации каналов, сообщений, пакетов более совершенным оборудованием.

4.   Развитие программного обеспечения сетей. В этом направлении постоянно работают многие коллективы, предлагающие новые версии операционных систем (обладающие более широкими возможностями по управлению функционированием сетей и более удобные для пользователей), прикладных программных систем, программ технического (в том числе дистанционного) обслуживания аппаратных средств КС.

5.   Повышение надежности сетей, совершенствование и развитие методов и средств обеспечения высоких показателей по всем аспектам проблемы надежности КС – техническому, программному, информационному, функциональному.

6.   Развитие методов и средств (традиционных и специфических) обеспечения более высокого уровня безопасности информации, циркулирующей в сетях, повышение эффективности служб безопасности и механизмов реализации их функций.

7.   Расширение перечня предоставляемых информационно-вычислительных услуг, повышение их интеллектуального уровня за счет широкого использования интеллектуальных систем и баз знаний.

8.   Рациональное сочетание различных организационных форм использования СВТИ в рамках компьютерных сетей. Речь идет о более широком подключении к сетям мощных, средних и малых вычислительных центров, которые использовались бы в КС как центры обработки и хранения информации, а также о массовом подключении к сети персональных компьютеров, находящихся в индивидуальном пользовании граждан в домашних условиях

 9.  Совершенствование организационных форм технического обслуживания СВТИ и телекоммуникаций, используемых в сетях. Повышение эффективности обслуживания достигается совершенствованием индивидуальной, централизованной и смешанной организационных форм обслуживания, а также развитием технологии обслуживания.

10. Рациональная организация обслуживания очередей запросов пользователей сети.

11. Повышение эргономичности компьютерных сетей, достигаемое путем оптимизации трудовой деятельности пользователей сети, ее управленческого и обслуживающего персонала.

12. Интенсивный переход на использование методов и средств, определяющих процессы интеграции в системах передачи информации. Основные направления интеграции – электронизация, цифровизация, компьютеризация, интеллектуализация, унификация, персонализация, глобализация, стандартизация (см. гл. 9 книги).

13. Создание и непрерывное совершенствование глобальной интеллектуальной сети, объединяющей сети всех государств. В рамках такой сети вполне реально решение задачи по удовлетворению запроса пользователя из любой точки планеты и в любое время.

Основные этапы создания и развития глобальной интеллектуальной сети:

- телефонизация страны, участвующей в создании сети;

- цифровизация сети, т.е. повсеместный переход на использование цифровых сетей связи, входящих в состав глобальной интеллектуальной сети;

- интеграция услуг, т.е. обеспечение возможности удовлетворения любого запроса (из числа тех, которые входят в перечень удовлетворяемых запросов) в любом звене сети;

- интеллектуализация сети, т.е. повышение интеллектуального уровня предоставляемых услуг, базирующееся на широком использовании интеллектуальных систем и баз знаний.

                         Перспективы развития телекоммуникаций в России: общие положения

Пути совершенствования и развития телекоммуникаций в России определяются их состоянием в настоящее время и тенденциями развития мировых сетей связи. Действующие в России сети связи и передачи данных представляют весь диапазон используемых в мировой практике телекоммуникационных технологий. В большинстве эксплуатируемых российских сетей передачи данных используется протокол коммутаций пакетов X.25 (их доля составляет около 63 %), так как этот протокол обеспечивает надежную связь даже на линиях связи среднего качества. Внедрение перспективных сетевых технологий (АТМ, ISDN и др.) сдерживается нехваткой цифровых каналов связи, особенно высокоскоростных.

В России функционирует ряд сетей передачи данных. Наиболее распространенные из них (по числу охвата городов) Роспак, РИКО, Relcom, RoSprint, РОСНЕТ, ИНФОТЕЛ. Ими предоставляются следующие услуги: электронная почта, телеконференции, электронные доски объявлений, обеспечение доступа к базам данных, обеспечение многопротокольных режимов доступа, передача данных в режиме on-line, документооборот по стандарту EDIFAKT, передача телетайпных, телексных и факсимильных сообщений, клиринговые расчеты, электронные платежи и др. Однако не все из действующих сетей одновременно предоставляют все эти услуги.

Стратегия развития отрасли связи РФ определена в «Концепции программы Российской Федерации в области связи», разработанной Министерством связи РФ, в соответствии с которой главными задачами на период до 2005 г. являются создание технической базы информатизации общества и обеспечение органов управления народным хозяйством, населения средствами и услугами связи, соответствующими уровню развития страны. На завершающих этапах реализации этой программы планируется создание в крупных городах цифровых сетей, обеспечивающих услуги ISDN, повышение процента цифровизации телефонной сети, достижение достаточно высокого уровня качества функционирования международной и междугородной сети, создание национальной интеллектуальной сети.

 

 

19-2    расширение предоставляемых ею услуг. На этих этапах все вновь устанавливаемое оборудование местных сетей должно быть цифровым.В настоящее время усилия организаций связи направлены на развитие основы электросвязи России – Взаимосвязанной сети связи (ВСС), формирование стратегии внедрения новых сетей и технологий, разработку требований и создание отечественных систем и средств связи, внедрение новых услуг связи, формирование международных, государственных и отраслевых стандартов. Развитие технологии передачи данных по протоколу Х.25

Получившая распространение в общероссийских широко-масштабных сетях передачи общего пользования технология коммутации пакетов Х.25 имеет существенные ограничения по скорости передачи (до 64 Кбит/с, а типичной для межузловых каналов в магистральной сети является скорость 28,8 Кбит/с) и по видам передаваемой информации. Однако эта технология имеет ряд решающих преимуществ. Благодаря своей универсальности протокол Х.25 является признанным международным стандартом и поддерживается многими глобальными зарубежными сетями.

Оценивая перспективы применения в России технологии Х.25 с учетом указанных ее ограничений, можно утверждать, что:

- эта технология и далее может быть использована для построения региональных СПД ввиду своей эффективности и надежности наканалах связи низкого качества, а также в магистральных сетях до ее постепенного вытеснения более скоростной технологией FR;

- ее дальнейшее применение объясняется и тем, что она составляет выгодную дешевую альтернативу более дорогим технологиям;

- она позволяет осуществлять сопряжение с другими эксплуатиру-емыми в России традиционными и широко используемыми сетями связи (телефонной сетью, телеграфной сетью, сетью телекс);

- развитие сети, построенной на основе технологии Х.25, позволяет беспрепятственно реализовать переход к более скоростной технологии пакетной коммутации FR.

                              Развитие технологии передачи данных на базе протоколов TCP/IP

Перспективы развития этой технологии определяются тем, что Internet, в котором используются протоколы TCP/IP, является быстро развивающейся, дешевой и общедоступной транспортной сетью компьютерной связи, предоставляющей ее пользователям доступ к всемирной системе информационных и телекоммуникационных услуг. Российская часть Internet продолжает активно развиваться. В настоящее время имеются десятки коммерческих организаций по предоставлению доступа и услуг Internet, десятки тысяч Web-узлов и более 700 тыс. зарегистрированных пользователей этой сети. Быстро расширяется русскоязычная часть информационных ресурсов Internet, доступ к которым обеспечивается рядом компаний (Relcom, Demos, Global One, РОСНЕТ и др.).

Самой крупной и распространенной IP-сетью в России является коммерческая компьютерная сеть Relcom, обслуживающая сотни тысяч пользователей. Общий трафик сети составляет более 2 Гбайт в день, в том числе международный трафик – до 300 Мбайт в день. Сеть строится с использованием оптоволоконных, спутниковых, кабельных и радиорелейных линий связи.

Развитием и эксплуатацией сети Relcom занимается АО «РЕЛКОМ», получившее статус провайдера (поставщика услуг) Internet. Основными задачами, которые решаются этим АО, являются:

- развертывание и развитие сетевых центров доступа в Internet в крупных городах (прежде всего в областных центрах) России с выходом на высокоскоростную АТМ-сеть;

- создание межсетевых пунктов обмена трафиком Internet;

- создание международной инфраструктуры для обеспечения эффективного взаимодействия с транснациональными провайдерами Internet;

- построение в России магистральной сети, обеспечивающей предоставление необходимого набора услуг региональным провай-дерам и пользователям Internet;

- создание системы доступа к Internet через коммутируемую телефонную сеть абонентов сети общего пользования и провайдеров услуг Internet.

Основные направления развития технологии передачи данных на базе протоколов TCP/IP (для Internet в целом и для российской ее части) заключается в следующем:

- расширение перечня предоставляемых услуг и повышение их интеллектуального уровня, обеспечиваемого увеличением сети баз данных и баз знаний;

- развитие сетевых технологий (в том числе и путем реализации проекта Java);

- развитие и создание нового программного обеспечения сети и активного сетевого оборудования в связи с разработкой протокола IP нового поколения, в котором для адреса отводится 128 бит;

- разработка и внедрение методов и средств, обеспечивающих эффективную интерактивность в общении пользователей, идентификацию удаленных абонентов, полный контроль циркулирующих в сети документов, реализацию законов об экспорте и авторских правах, повышение управляемости сети;

- существенное совершенствование и развитие методов и средств повышения безопасности информации пользователей сети, защиты ее от несанкционированного доступа;

- создание и развитие высокоскоростной инфраструктуры российской части Internet на базе АТМ-сети с охватом на первом этапе 9 городов России (канальная скорость в магистралях составит 2 - 155 Мбит/с). Работа эта ведется АО «Ростелеком» совместно с ЗАО «Роспак». После ее окончания пользователи сети получат возможность высокоскоростного обмена данными между абонентами в крупнейших городах России и передачи голосовой и видеоинформации.

                      Развитие технологии цифровых сетей с интеграцией обслуживания (ISDN)

Основной целью создания такой технологии было объединение в одной сети трафиков цифровых телефонных сетей и компьютерных данных. Успешная реализация этой цели позволила широко использовать технологию ISDN в таких областях, как передача данных, телефония, доступ к сети Internet, передача трафика, чувствительного кзадержкам (звук, видео), интеграция различных видов трафика, объединение удаленных ЛКС.

В России внедрение технологии ISDN находится в начальной стадии: имеется опытный участок сети ISDN, осуществляется расширение цифровых станций с функциями ISDN, установленных в крупных городах страны. Построение сети ISDN в России связывается с необходимостью внедрения установленного российского стандарта ISDN, наличия цифровых трактов международной, междугородской и городской связи между цифровыми АТС, установки сертифицированных цифровых АТС и наличия рынка таких АТС, а также рынка сетевых терминалов, терминального оборудования и средств доступа у конечных пользова-телей. Кое-что из указанного для создания и развития общенаци-ональной сети ISDN общего пользования уже сделано или делается: выработан российский стандарт ISDN, создается междугородная магистральная сеть цифровых каналов с пропускной способностью 64 Кбит/с, начато лицензионное производство цифровых АТС.

Однако в настоящее время инфраструктура сетей ISDN создана и развивается только в некоторых крупных городах России. В то же время цифровые АТС, способные поддерживать сервис ISDN, работают примерно в 80 городах страны.

                                                         Развитие технологии Frame Relay

Технология ретрансляции кадров FR появилась как средство реализации преимуществ пакетной коммутации на скоростных каналах связи (2 Мбит/с и более). Она требует использования достаточно качественных каналов связи: вероятность ошибки в канале должна быть не более 10^-6 – 10^-7, что обеспечивается только цифровыми каналами (обычные аналоговые линии связи обеспечивают качество передачи на 1 - 3 порядка ниже).

Основная область применения сетей и технологий FR – организация обмена данными между ЛКС. Кроме того, технология FR является эффективной для реализации доступа к высокоскоростным сетям на базе АТМ. Для обеспечения передачи речи современное оборудование сетей FR реализует следующие функции: компрессию речи и передачу оцифрованного голоса, подавление пауз в телефонном разговоре, переменную скорость оцифровки.

В России в настоящее время услуги сетей FR доступны более чем в 15 городах. Однако по мере развития магистральной междугородной сети цифровых высокоскоростных каналов технология FR получит большее распространение, особенно там, где используются сети Х.25.

                                            Развитие технологии высокоскоростных SDH-сетей

Цифровые линии и узлы высокоскоростной сети стандарта SDH, построенные на базе оптоволоконных кабельных линий или цифровых радиорелейных линий, составляют основу инфраструктуры современных магистральных, региональных и городских телекоммуникационных сетей. В России внедрением SDH-сетей наиболее успешно занимается АО «Ростелеком». Это касается прежде всего магистральных и городских линий.Создание современной городской телекоммуникационной сети на базе технологии SDH связано с необходимостью решения стоятельных задач: построения первичной кольцевой оптоволоконной сети и создания сети абонентского доступа. При решении первой задачи осуществляется прокладка оптических кабелей в кабелепроводах городской телефонной сети или по туннелям и сооружениям метрополитена. В первом случае есть возможность довести высокоскоростные симметричные и асимметричные каналы до абонентов по существующей телефонной проводке. Во втором случае узлы SDH-сети располагаются в зданиях метрополитена, и доведение цифровых потоков (до 155 Мбит/с и выше) до абонентов требует значительно больших капитальных затрат.

В настоящее время разработан ряд современных технологий абонентского доступа, использование которых позволяет операторам эффективно действовать на рынке городских телекоммуникаций.

Многие крупные компании – операторы связи («Ростелеком», Golden Line, Sovam Teleport, «КОМКОР», MetroCom и др.) в России имеют собственные мощные городские высокоскоростные цифровые инфраструктуры на базе технологии SDH.

                                                                 Развитие технологии АТМ

Технология асинхронного режима передачи АТМ является новой, бурно развивающейся, получающей все большее распространение. В развитых странах она становится основой построения современных магистральных телекоммуникационных сетей. Для АТМ стандартом на физические каналы выбран стандарт на оптоволоконные каналы связи синхронной цифровой иерархии SDH. Технология мультиплексирования и коммутации, используемая в SDH-сетях, стала АТМ-технологией.

Высокая скорость передачи данных (в перспективе – до 10 Гбит/с) – главное отличие технологии АТМ от других телекоммуникационных технологий. В отличие от других стандартов в АТМ-сетях отсутствует привязка к какой-либо одной скорости передачи.

Общие тенденции развития в России современных телекоммуникационных технологий состоят в следующем.

1. Имеет место некоторая стагнация рынка услуг Х.25 (за рубежом наметилась устойчивая тенденция к снижению этого рынка), происходящая на фоне стремительного роста услуг на базе технологии FR.

2. Рост услуг Internet объясняется открытостью архитектуры сети, сравнительной простотой доступа к ней, большой информационной насыщенностью мира Internet.

3. Рост услуг на базе FR-технологии определяется следующим:

- технология FR успешно заменяет технологию Х.25; особенно это стало необходимо с использованием цифровых каналов от 2 Мбит/с и выше, которые обладают более высоким качеством передачи. Появилась возможность существенно упростить технологию коммутации пакетов, реализуемую на 3-м уровне модели ВОС, и заменить ее технологией ретрансляции кадров, которая осуществляется на 2-м уровне этой модели;

- пропускная способность сети FR в три раза выше, чем сети Х.25 (на базе тех же скоростных каналов);

- FR-технология дает возможность пользователям использовать больший набор программного обеспечения, чем технология Х.25;

- с развитием алгоритмов и их аппаратной реализации по компрессии речи, аудиоинформации и видеоизображений можно через FR-сеть передавать и эти типы данных.

4. Созданы предпосылки для внедрения технологии АТМ. Успешное распространение этой технологии связывается с широким внедрением сетей на базе оптоволоконного кабеля и средств синхронной цифровой иерархии SDH, дальнейшим снижением ошибок в канале, достижениями в разработке интегральных схем.