Характеристики коммуникационной сети

Для оценки качества коммуникационной сети можно использовать следующие характеристики.

· Скорость передачи данных по каналу связи;

· Пропускную способность канала связи;

· Достоверность передачи информации;

· Надежность канала связи и модемов.

Скорость передачи данных по каналу связи измеряется количеством битов информации, передаваемых за единицу времени - секунду.

Скорость передачи данных зависит от типа и качества канала связи, типа используемых модемов и принятого способа синхронизации.

Так, для асинхронных модемов и телефонного канала связи диапазон скоростей составляет 300 - 9600 бит/с.

Для пользователей вычислительных сетей значение имеют не абстрактные биты в секунду, а информация, единицей измерения которой служат байты или знаки. Поэтому более удобной характеристикой канала является его пропускная способность, которая оценивается количеством знаков, передаваемых по каналу за единицу времени - секунду. При этом в состав сообщения включаются и все служебные символы. Теоретическая пропускная способность определяется скоростью передачи данных. Реальная пропускная способность зависит от ряда факторов, среди которых и способ передачи, и качества канала связи, и условия его эксплуатации, и структура сообщений.

Существенной характеристикой коммуникационной системы любой сети является достоверность передаваемой информации. Так как на основе обработки информации о состоянии объекта управления принимаются решения о том или ином ходе процесса, то от достоверности информации в конечном счете может зависеть судьба объекта. Достоверность передачи информации оценивают как отношения количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратуру, так и канал связи. Нецелесообразно использовать дорогостоящую аппаратуру, если относительно уровня достоверности канал связи не обеспечивает необходимых требований.

Наконец надежность коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы. Вторая характеристика позволяет более эффективно оценить надежность системы.

Для вычислительных сетей среднее время безотказной работы должно быть достаточно большим и составлять, как минимум, несколько тысяч часов.

Звенья данных

Пользователи вычислительных сетей работают с прикладными задачами, расположенными на абонентских ЭВМ, либо имеют доступ к сети с терминалом. Абонентские ЭВМ и терминалы объединяются понятием оконечное оборудование данных (ООД). Для работы друг с другом абоненты вычислительной сети должны быть соединены каналом связи и между ними должно быть установлено логическое соединение.

Звено данных - два и более абонентов вычислительной сети, соединенных каналом связи.

Задача коммуникационной сети - установить звено данных и обеспечить управление звеном данных при обмене информацией между абонентами сети. Существует два типа звеньев данных: двухпунктовые, многопунктовые. В двухпунктовом звене данных к каждой точке канала связи подключена либо одна ЭВМ, либо один терминал (рис.9).

Рис.9 Двухпунктовое звено.

В многопунктовом звене данных к одной точке канала связи может быть подключено несколько ЭВМ или терминалов (рис.10).

Многопунктовое звено позволяет сэкономить на каналах связи, но требует в процессе установления связи между абонентами выполнение дополнительной процедуры идентификации абонента. В двухпунктовом звене эта процедура не нужна, так как один канал соединяет только двух абонентов.

Рис.10. Многопунктовое звено.

4.2. Основныеформывзаимодействия абонентских ЭВМ

Самое существенное в работе вычислительной сети - определение набора функций, доступных ее абоненту.

Так как пользователи сети работают в определенных предметных областях и используют сеть для решения своих прикладных задач, напомним, что такое процесс, и определим понятие прикладной процесс.

Процесс - некоторая последовательность действий для решения задачи, определяемая программой.

Прикладной процесс - некоторое приложение пользователя, реализованное в прикладной программе.

Отсюда следует, что взаимодействие абонентских ЭВМ в сети можно рассматривать как взаимодействие прикладных процессов конечных пользователей через коммуникационную сеть.

Анализ работы вычислительных сетей позволяет установить следующие формы взаимодействия между абонентскими ЭВМ:

· Терминал - удаленный процесс;

· Терминал - доступ к удаленному файлу;

· Терминал - доступ к удаленной базе данных;

· Терминал - терминал;

· Электронная почта.

Взаимодействие терминал - удаленный процесс предусматривает обращение с терминала одной из абонентских ЭВМ к процессу, находящемуся на другой абонентской ЭВМ сети. При этом устанавливается логическая связь с процессом и проводится сеанс работы с ним.

При взаимодействии терминал - доступ к удаленному файлу можно открыть удаленный файл, модифицировать его или произвести транспортировку этого файла на любое внешнее устройство абонентской ЭВМ для дальнейшей работы с ним в локальном режиме.

Работа в режиме терминал - доступ к удаленной базе данных аналогична предыдущей форме взаимодействия. Только в этом случае производится работа с базой данных в ее полном объеме в соответствии с правами доступа, которыми обладает данный пользователь вычислительной сети.

Взаимодействие терминал - терминал предусматривает обмен сообщениями между абонентами сети в диалоговом режиме. Сообщения могут посылаться как отдельными абонентами, так и группами абонентов сети.

Форма взаимодействия электронная почта в последнее время стала очень распространенной. Каждый абонент имеет на своей ЭВМ "почтовый ящик". Это специальный файл, в который записываются все поступающие в его адрес сообщения. Конечный пользователь может проверять в начале работы свой "почтовый ящик", выводить сообщения на печать и передавать сообщения в адрес других абонентов вычислительной сети.

5. Сети с выделенным сервером («клиент-сервер»)

Локальная сеть малого офиса не предполагает наличия сложной иерархической структуры. Как правило, для управления сетью достаточно одного сервера. Конфигурация сервера может содержать следующие сервисы, как то:

· Файл сервер

· Автоматическое конфигурирование рабочих станций (DHCP)

· Сервер имен (DNS)

· Локальный почтовый сервер

· Сервер печати

· Сервер кеширования Web данных из интернет (Proxy server)

· Сервер баз данных (SQL)

Сеть фактически состоит из одной рабочей группы. При количестве рабочих мест менее 10 и в случае, когда совместный доступ к Интернет не требуется, можно обойтись без сервера (одноранговая сеть). Это позволяет уменьшить затраты, но, вместе с тем, существенно снижает возможности сети и информационную безопасность.

Распределение ресурсов, как то: совместный доступ к данным, общие принтеры, другие совместно используемые периферийные устройства, организуется путем предоставления локальных ресурсов и периферийных устройств в общее пользование, хотя не исключено и использование сетевых устройств, главным образом принтеров.
Сервер, помимо основной задачи, - хранения данных, может являться также и сервером приложений. Например обеспечивать совместный доступ к базе данных, подключения к Интернет и т.д.

Сеть не требует постоянного администрирования. Для поддержания сети в рабочем состоянии достаточно еженедельного проведения профилактических работ. Сопровождение сети заказчика также входит в число услуг, предоставляемых нашей компанией.

6. Взаимодействие компьютеров в сети

Чтобы общаться, люди чаще всего используют устную речь. Однако такое непосредственное обще­ние возможно, только если собеседники находятся рядом друг с другом и только в воздушной среде. Но представьте себе, что надо передать данные ва­шему товарищу, который живет в другом городе, а тем более — в другой стране. Здесь уже не обойтись без целого ряда определенных действий: нужно на­писать текст на листе бумаги, подписать его, вло­жить в конверт, указать на нем адреса отправителя и получателя, наклеить марку и отдать почтальону (или бросить в почтовый ящик). Дальнейшая судьба этого письма зависит уже не от вас, а от почтовой службы. Каким-либо способом — на поезде, кораб­ле, самолете или как-то иначе, но письмо доходит до страны и города, где живет ваш друг, затем достав­ляется в его почтовое отделение и, наконец, попада­ет к нему в почтовый ящик. Только тогда ваш адре­сат получает возможность открыть конверт и прочитать ваше сообщение. Заметим, что если ка­кая-либо из стадий доставки не сработает, например, из-за отсутствия почтальона или различий в правилах записи адресов в разных странах, то ин­формация до вашего друга так и не дойдет.

Точно так же поступают и компьютеры при об­щении в сети. Способов непосредственного обще­ния у них нет — разговаривать друг с другом компьютеры пока еще не научились. Поэтому, что­бы общаться, им приходится прибегать к целому ряду последовательно выполняемых процедур, на­зываемых сетевыми протоколами. Чтобы протоко­лы работали надежно и согласованно, каждая опе­рация в них строго регламентируется. А чтобы программы и оборудование разных производителей могли взаимодействовать друг с другом, протоколы должны соответствовать определенным промыш­ленным стандартам.

Протокол— набор правил и процедур, регулирую­щих порядок взаимодействия компьютеров в сети.

За долгие годы существования компьютерных сетей было создано великое множество различных протоколов — как открытых (опубликованных для бесплатного применения), так и закрытых (разра­ботанных коммерческими компаниями и требую­щих лицензирования для их использования). Одна­ко все эти протоколы принято соотносить с так называемой эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection Reference Model), или просто моделью OSI. Ее опи­сание было опубликовано в 1984 г. Международной организацией по стандартизации (International Standards Organization, ISO), поэтому для нее часто используется другое название — модель ISO/OSI. Эта модель представляет собой набор специфика­ций, описывающих сети с неоднородными устрой­ствами, требования к ним, а также способы их взаимодействия.

6.1. Структура модели OSI

Модель OSI имеет вертикальную структуру, в кото­рой все сетевые функции распределены между се­мью уровнями (рис. 2.1). Каждому такому уровню соответствуют строго определенные операции, обо­рудование и протоколы.

Реальное взаимодействие уровней, т. е. переда­ча информации внутри одного компьютера, возможно только по вертикали и только с соседними уровнями (выше- и нижележащими).

Логическое взаимодействие (в соответствии с правилами того или иного протокола) осуществ­ляется по горизонтали — с аналогичным уровнем другого компьютера на противоположном конце линии связи. Каждый более высокий уровень поль­зуется услугами нижележащего уровня, зная, в ка­ком виде и каким способом (т. е. через какой интер­фейс) нужно передать ему данные.

Рис.11 Взаимосвязи между уровнями модели OSI

Задача более низкого уровня — принять данные, добавить свою информацию (например, форматиру­ющую или адресную, которая необходима для пра­вильного взаимодействия с аналогичным уровнем на другом компьютере) и передать данные дальше. Только дойдя до самого нижнего, физического уров­ня сетевой модели, информация попадает в среду пе­редачи и достигает компьютера-получателя. В нем она проходит сквозь все слои в обратном порядке, пока не достигнет того же уровня, с которого была послана компьютером-отправителем.

6.2. Уровни модели OSI

Итак, взаимодействие компьютеров в сетях происходит в соответствии с определенными правилами обмена сообщениями и их форматами, то есть в соответствии с определенными протоколами. Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу взаимодействия узлов сети, называется стеком коммуникационных протоколов.

Существует достаточно много стеков протоколов, широко применяемых в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие распространение благодаря распространенности оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Internet и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI международной организации по стандартизации, стек DECnet корпорации Digital Equipment и некоторые другие.

Использование в сети того или иного стека коммуникационных протоколов во многом определяет лицо сети и ее характеристики. В небольших сетях может использоваться исключительно один стек. В крупных корпоративных сетях, объединяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.

Протоколы сетевого и более высоких уровней существующих стандартных стеков отличаются большим разнообразием и, как правило, не соответствуют рекомендуемому моделью ISO разбиению на уровни. В частности, в этих стеках функции сеансового и представительного уровня чаще всего объединены с прикладным уровнем. Такое несоответствие связано с тем, что модель ISO появилась как результат обобщения уже существующих и реально используемых стеков, а не наоборот.

7. Сетевые топологии и способы передачи данных

Термин "сетевая топология" описывает возможные конфигурации компьютерных сетей. Специфика сетевых технологий состоит в необходимости строгого согласования всех характеристик аппаратных и программных сетевых средств для успешного обмена данными. При этом существующие аппаратные средства способны обеспечивать различные возможности (скорость, надежность и т.п.) по передаче данных в зависимости от способа использования этих устройств. Для учета всех этих особенностей режимов работы оборудования и было введено понятие "сетевая топология". В настоящее время для описания конфигурации сети используют два вида топологий: физическую и логическую.

7.1. Физические топологии

Физическая топология описывает реально использующиеся способы организации физических соединений различного сетевого оборудования (использующиеся кабели, разъемы и способы подключения сетевого оборудования). Физические топологии различаются по стоимости и функциональности.

7.1.1. Физическая шина (Physical Bus)

Самая простая форма топологии физической шины представляет собой один основной кабель, оконцованный с обеих сторон специальными типами разъемов – терминаторами. При создании такой сети основной кабель прокладывают последовательно от одного сетевого устройства к другому. Сами устройства подключаются к основному кабелю с использованием подводящих кабелей и T-образных разъемов. Пример такой топологии приведен на рисунке.

Рис.12 Топология физической шины

Более сложной формой топологии физической шины является "распределенная шина" (чаще называется "древовидная топология"). В такой топологии основной кабель, начинаясь из одной точки, называемой "корнем" (root), разветвляется в различных направлениях определяемых реальным физическим местоположением сетевых устройств. В отличие от описанной выше топологии, в топологии "распределенная шина" основной кабель имеет более двух окончаний. Разветвление кабеля осуществляется с использованием специальных разъемов. Пример такой топологии приведен на рисунке.

Рис.13 Топология распределенной шины

7.1.2. Физическая звезда (Physical Star)

Самая простая форма топологии "физическая звезда" состоит из множества кабелей (по одному на каждое подключаемое сетевое устройство) подключенных к одному, центральному устройству. Это центральное устройство называют концентратором. Примером топологии физической звезды является технология Ethernet 10Base-T или Ethernet 100Base-T. В таких сетях каждое сетевое устройство подключается к концентратору с использованием кабеля типа "витая пара".

В случае использования простой топологии "физическая звезда" реальные пути движения сигналов могут не соответствовать форме звезды. Единственная характеристика, описываемая топологией "физическая звезда" – это способ физического соединения сетевых устройств. Пример самой простой топологии "физическая звезда" приведен на рисунке.

Рис. 14 Топология физической звезды

В топологии "распределенная звезда" способы соединения устройств могут быть существенно сложнее. В такой топологии центральные устройства (концентраторы) дополнительно соединяются между собой.

Рис.15 Топология распределенной звезды

7.1.3. Физическое кольцо с подключением типа "звезда" (Physical Star-Wired Ring)

В этой топологии все сетевые устройства подключаются к центральному концентратору так же, как это происходит при использовании топологии "физическая звезда". Но каждый из концентраторов внутри себя организовывает физические соединения, обеспечивающие построение единого физического кольца. При использовании нескольких концентраторов, кольцо в каждом из концентраторов размыкается, а сами концентраторы подключаются друг к другу с использованием двух кабелей, организуя физическое замыкание кольца.

В этой топологии все концентраторы являются "интеллектуальными" устройствами. При возникновении разрыва физического кольца в любой точке сети концентратор автоматически обнаруживает разрыв и восстанавливает кольцо путем замыкания внутри себя соответствующих портов. На рисунке показан пример такого восстановления кольца (концентратор А).

Рис.16 Топология физического кольца с подключением типа «звезда»

В настоящее время наибольшей популярностью пользуется звездообразная топология, поскольку она обеспечивает самый простой способ подключения новых устройств в сеть. В большинстве случаев включение нового устройства в сеть заключается лишь в прокладке отрезка кабеля, соединяющего подключаемое сетевое устройство с концентратором.

7.2. Логические топологии

Логическая топология определяет реальные пути движения сигналов при передаче данных по используемой физической топологии. Таким образом, логическая топология описывает пути передачи потоков данных между сетевыми устройствами. Она определяет правила передачи данных в существующей среде передачи с гарантированием отсутствия помех влияющих на корректность передачи данных.

В настоящее время существует три базовые логические топологии: "логическая шина", "логическое кольцо" и "логическая звезда" (коммутация). Каждая из этих топологий обеспечивает преимущества в зависимости от способов использования. Используя рассмотренные ранее рисунки, посвященные физическим топологиям, всегда помните, что логическая топология определяет направление и способ передачи, а не схему соединения физических проводников и устройств.

7.2.1. Логическая шина

В топологии "логическая шина" последовательности данных, называемые "кадрами" (frames), в виде сигналов распространяются одновременно во всех направлениях по существующей среде передачи. Каждая станция в сети проверяет каждый кадр данных для определения того, кому адресованы эти данные. Когда сигнал достигает конца среды передачи, он автоматически гасится (удаляется из среды передачи) соответствующими устройствами, называемыми "терминаторами" (terminators). Такое уничтожение сигнала на концах среды передачи данных предотвращает отражение сигнала и его обратное поступление в среду передачи. Если бы терминаторов не существовало, то отраженный сигнал накладывался бы на полезный и искажал его.

В топологии "логическая шина" среда передачи совместно и одновременно используется всеми устройствами передачи данных. Для предотвращения помех при попытках одновременной передачи данных несколькими станциями, только одна станция в любой момент времени имеет право передавать данные. Таким образом, должен существовать метод определения того, какая станция имеет право передавать данные в каждый конкретный момент времени

Топология "логической шины" базируется на использовании топологий "физическая шина" и "физическая звезда". Метод контроля доступа и типы физических топологий выбираются в зависимости от требований к проектируемой сети. Например, каждая из сетей: Ethernet, 10Base-T Ethernet и ARCnet® используют топологию "логическая шина". Кабели в сетях Ethernet (тонкий коаксиальный кабель) подключаются с использованием топологии "физическая шина", а сети 10Base-T Ethernet и ARCnet базируются на топологии "физическая звезда". Вместе с тем, сети Ethernet (физическая шина) и 10Base-T Ethernet (физическая звезда) используют CSMA/CD в качестве метода контроля доступа к среде передачи данных, а в ARCnet (физическая звезда) применяется маркер доступа.

7.2.2. Логическое кольцо

В топологии "логическое кольцо" кадры данных передаются по физическому кольцу до тех пор, пока не пройдут через всю среду передачи данных. Топология "логическое кольцо" базируется на топологии "физическое кольцо с подключением типа "звезда"". Каждая станция, подключенная к физическому кольцу, получает данные от предыдущей станции и повторяет этот же сигнал для следующей станции. Таким образом, данные, повторяясь, следуют от одной станции к другой до тех пор, пока не достигнут станции, которой они были адресованы. Получающая станция, копирует данные из среды передачи и добавляет к кадру атрибут, указывающий на успешное получение данных. Далее кадр с установленным "атрибутом доставки" продолжает путешествие по кольцу до тех пор, пока не достигнет станции, изначально отправившей эти данные. Станция, проанализировав "атрибут доставки" и убедившись в успешности передачи данных, удаляет свой кадр из сети. Рисунок демонстрирует процесс передачи данных в виде "логического кольца" в сети, базирующейся на топологии "физическое кольцо с подключением типа "звезда"".

Рис. 17 Топология логического кольца

Метод контроля доступа к среде передачи в таких сетях всегда базируется на технологии "маркеров доступа". Однако последовательность получения права на передачу данных (путь следования маркера), не всегда может соответствовать реальной последовательности подключения станций к физическому кольцу. IBM's Token-Ring является примером сети, использующей топологию "логического кольца", базирующегося на "физическом кольце с подключением типа "звезда".

7.2.3. Логическая звезда (коммутация)

В топологии "логическая звезда" используется метод коммутации, обеспечивающий ограничение распространения сигнала в среде передачи в пределах некоторой ее части. Механизм такого ограничения является основополагающим в топологии "логическая звезда".

В чистом виде, коммутация предоставляет выделенную линию передачи данных каждой станции. Когда одна станция передает сигнал другой станции подключенной к тому же самому коммутатору, то коммутатор передает сигнал только по среде передачи данных, соединяющей эти две станции. Рисунок показывает способ передачи данных между двумя станциями, подключенными к одному и тому же коммутатору. При таком подходе возможна одновременная передача данных между несколькими парами машин, так как данные, передающиеся между любыми двумя станциями, остаются "невидимыми" для других пар станций.

Рис.18 Коммутация

Коммутаторы имеют встроенную логику, позволяющую им интеллектуально управлять процессом передачи данных между машинами. Внутренней логике коммутаторов свойственно высокое быстродействие, т.к. они должны обеспечивать возможность одновременной передачи данных с максимальной скоростью между каждой парой портов. Таким образом, использование коммутаторов позволяет существенно увеличить производительность сети.

7.3. Подключение к простейшей сети

Теперь, когда мы обсудили вопросы связанные с аппаратной реализацией различных компонентов сети и уяснили различия между логическими и физическими топологиями, рассмотрим способы подключения оборудования в простейшей сети. На рисунке показаны некоторые ранее рассмотренные сетевые устройства, подключенные к простейшей компьютерной сети.

Рис. 19 Подключение к простейшей сети

Изображенная сеть состоит из следующих компонентов: три компьютера подключены к одному концентратору 10Base-T с использованием неэкранированной витой пары. На каждый компьютер установлены сетевые карты 10Base-T Ethernet. К одному из компьютеров также подключен лазерный принтер.

Компьютер в центральной нижней части рисунка является сервером и осуществляет контроль над всей сетью. Два оставшиеся компьютера – это рабочие станции. Рабочие станции используют сеть, контролируемую сервером. Одна рабочая станция – это персональный компьютер типа IBM PC, другая –компьютер Apple® Macintosh.

Концентратор 10Base-T обеспечивает физическое соединение всех трех компьютеров. Он также несет функции повторителя сигналов.

Линии между различными компонентами сети обозначают среду передачи: витую пару. Эта сеть использует топологию "физическая звезда", но базируется на логической топологии "логическая шина".

Принтер в этой сети подключен непосредственно к серверу с использованием параллельного порта этого компьютера. Такое подключение является стандартным для большинства принтеров. Сервер принимает задания на печать документов поступающих от каждой из рабочих станций. Поступившие задания на печать далее поступают к принтеру через параллельный порт сервера по соответствующему кабелю. Несмотря на то, что такой способ является наиболее простым для предоставления возможности нескольким станциям печатать документы на одном принтере, тем не менее существуют и другие способы подключения принтеров к сети. Вы можете, например, подключить принтер к специальному серверу печати или компьютеру со специальным программным обеспечением, предоставляющим возможность одновременно выполнять функции рабочей станции и сервера печати. Сейчас множество принтеров выпускается со встроенной в него сетевой картой, таким образом, принтер может подключаться непосредственно к среде передачи в любой точке сети.