Предпосылки развития и эволюция вычислительных сетей

Содержание

1. Общие принципы организации вычислительных сетей.. 4

1.1. Предпосылки развития и эволюция вычислительных сетей. 4

1.2. Понятие вычислительной сети. 5

1.3. Компоненты ВС.. 5

1.4. Одноранговые ЛВС и ЛВС с выделенными серверами. 7

1.5. Топология ЛВС.. 8

2. Открытые системы и проблемы стандартизации.. 11

2.1. Уровни сетевой архитектуры.. 11

2.2. Источники сетевых стандартов. 13

2.3. Сети открытых систем.. 14

2.4. Модель OSI 14

3. Линии связи.. 20

3.1. Характеристики линий связи. 21

3.2. Кабели. 23

4. Методы физического кодирования.. 26

4.1. Аналоговая модуляция. 26

4.2. Цифровое кодирование. 27

4.3. Логическое кодирование. 29

4.4. Дискретная модуляция аналоговых сигналов. 30

5. Методы передачи данных канального уровня.. 31

5.1. Асинхронная и синхронная передача данных. 31

5.2. Коммутация каналов и пакетов. 32

5.3. Принципы мультиплексирования. 36

5.4. Обнаружение и коррекция ошибок. 37

6. Литература.. 38

1. Общие принципы организации вычислительных сетей

Предпосылки развития и эволюция вычислительных сетей

Концепция ВС является логическим результатом эволюции компьютерных технологий и телекоммуникаций.

50-е годы. Первые компьютеры были весьма громоздки. Они не предназначались для интерактивной работы, а работали в пакетном режиме. Программист набивал текст программы на перфокарты, относил их вычислительный центр, а на другой день получал распечатанный результат. При этом подходе наиболее эффективно использовалось рабочее время процессора.

Мейнфреймы не пропали. Сейчас они используются, так как один супермощный компьютер содержать и обслуживать легче, чет несколько менее мощных.

60-е годы. Появился новый способ организации вычислительного процесса. Начали развиваться интерактивные многотерминальные системы разделения времени. Процессор один, к нему подключено несколько терминалов. Время реакции системы было достаточно мало, так что пользователь не замечал параллельной работы с другими пользователями. Обеспечивался доступ к общим файлам и периферийным устройствам. Это внешне очень похоже на ЛВС, но такая система имеетцентрализованный характер обработки данных.

Сейчас этот принцип используют, например, сети банкоматов.

В это время назрела потребность объединения компьютеров, находящихся друг от друга на большом расстоянии. Началось это с решения проблемы подключения терминала к компьютеру, удаленному на сотни километров. Это производилось через телефонные линии при помощи модемов. Такие системы позволяли пользователям получить удаленный доступ к разделяемым ресурсам мощных компьютеров. Затем были реализованы связи типа компьютер-компьютер. Компьютеры получили возможность обмениваться данными в автоматическом режиме, а это уже является базовым механизмом в ВС. Так с использованием этого механизма были реализованы службы обмена файлами, электронной почтой, синхронизации баз данных и др.

70-е годы. Произошел технологический прорыв в области производства компьютеров – появились большие интегральные схемы. Появились первые мини компьютеры. Их стоимость постоянно уменьшалась, и теперь даже небольшие подразделения предприятий получили возможность иметь компьютеры. Теперь на одном предприятии имелось много разрозненных компьютеров. Возникла потребность обмена данными между близко расположенными компьютерами. Так образовались первые ЛВС. Было разработано программное обеспечение и устройства сопряжения, необходимые для взаимодействия компьютеров. Отличие от современных ЛВС в том, что для соединений использовались разнообразные нестандартные устройства со своими способами представления данных на линии и со своими кабелями. Эти устройства могли соединять только те типы компьютеров, для которых они были разработаны.

80-е годы. Широкое распространение персональных компьютеров. Они стали идеальными элементами для построения сетей. С одной стороны они были достаточно мощными для работы сетевого программного обеспечения, а с другой их мощности не хватало для решения сложных задач. Утвердились стандартные технологии объединения компьютеров в сеть Ethernet, Arcnet, Token Ring.

Понятие вычислительной сети

Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Узлы сети – конечные или промежуточные устройства, имеющие сетевой адрес. Это рабочие станции или сервера (компьютеры с сетевым интерфейсом), периферийные устройства (принтер, плоттер, сканер), сетевые телекоммуникационные устройства (модем коллективного пользования) и маршрутизаторы.

Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и др. устройствами коммуникации. Все сетевое оборудование работает под управлением системного и прикладного программного обеспечения.

Благодаря вычислительным сетям пользователи получили возможность совместного использования ресурсов, программ и данных всех компьютеров.

Понятие локальная вычислительная сеть – ЛВС (англ. LAN – Lokal Area Network) относится к географически ограниченным (территориально или производственно) аппаратно-программным реализациям, в которых несколько компьютерных систем связаны друг с другом с помощью соответствующих средств коммуникаций. Благодаря такому соединению пользователь может взаимодействовать с другими рабочими станциями, подключенными к этой ЛВС.

Локальные сети могут объединяться в более крупные сети – CAN (Campus Area Network). Это сеть, расположенная в близко стоящих зданиях. Более крупные сети — это сети городского масштаба (MAN, Metropolian Area Network) и широкомасштабная сеть (GAN, Global Area Network).

Локальные сети характеризуются более высокой скоростью передачи данных от 10 Мбит/с и тем, что для них обычно прокладываются специальная кабельная система. В глобальных сетях используются уже проложенные линии связи и скорости передачи в них существенно ниже.

Компоненты ВС

Аппаратная платформа

Компьютеры. От персональных компьютеров до супер ЭВМ. Набор компьютеров должен соответствовать классу задач, решаемых сетью.

Коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры являются центральными элементами обработки информации в сети, коммуникационное оборудование играет тоже важную роль. Это кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, модульные концентраторы. Они влияют как на характеристики сети, так и на ее стоимость.

Программная платформа сети

Операционные системы. Эффективность работы сети зависит от того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС. (Novell NetWare, Windows NT)

Сетевые приложения. Самый верхний слой сетевых средств это различные сетевые приложения: сетевые базы данных, почтовые системы, системы автоматизации коллективной работы и др.

Таблица 1. Компоненты ВС

Приложения предметной области (бух.учет, автоматизированное проектирование, управление технологическими процессами и др.)	Программная платформа
Системные сервисы (www, e-mail, файловый, мультимедийный, IP-телефония, эл. коммерция)
СУБД
Сетевые операционные системы
Транспортная система	Аппаратная платформа
Компьютеры

Вопрос: когда нужна сеть?

Внедрение сети на предприятии должно в конечном итоге должно повысить эффективность его работы, что отразиться в увеличении прибыли.

В производственной практике ВС играют очень большую роль. Посредством ЛВС в систему объединяются персональные компьютеры, расположенные на многих удаленных рабочих местах, которые используют совместно оборудование, программные средства и информацию. Рабочие места сотрудников перестают быть изолированными и объединяются в единую систему. Рассмотрим преимущества, получаемые при сетевом объединении персональных компьютеров по сравнению с автономными компьютерами или многомашинными системами.

1. Возможность совместного использования данных и устройств.

Это обеспечивает оперативный доступ к обширной корпоративной информации, что позволяет принимать быстрые и качественные решения. Разделение ресурсов позволяет экономно их использовать, например, управлять периферийными устройствами, такими как лазерные печатающие устройства, со всех присоединенных рабочих станций. К разделяемым ресурсам относят дисковое пространство, принтеры, модемы, факс-модемы.

Разделениепрограммных средств предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств. Хотя работа такого приложения несколько замедлится (нужно время на передачу данных по сети), но такой подход облегчит администрирование и поддержку приложения.

При разделении ресурсов процессора возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть. Предоставляемая возможность заключается в том, что на имеющиеся ресурсы не «набрасываются» моментально, а только лишь через специальный процессор, доступный каждой рабочей станции.

2. Совершенствование коммуникаций.

Это улучшение процесса обмена информацией между сотрудниками предприятия, клиентами, поставщиками. Сети снижают потребность предприятий в других формах передачи информации (телефон или обычная почта). Новые технологии позволяют передавать не только компьютерные данные, но и видеоинформацию. Про программы электронной почты, чаты, планировщики и говорить не приходится.

3. Высокая отказоустойчивость.

Это способность системы выполнять свои функции при отказе отдельных элементов аппаратуры и при неполной доступности данных. Основой этого является избыточность обрабатывающих узлов. При отказе узла его задачи переназначаются на другие узлы. Наборы данных могут дублироваться на ВЗУ нескольких компьютеров сети, так что при отказе одного из них данные продолжают оставаться доступными.

4. Способность выполнять параллельные вычисления.

За счет этого в системе с несколькими узлами может быть достигнута производительность, превышающая производительность отдельного процессора.

Одноранговые сети

Одноранговая сеть представляет собой сеть равноправных компьютеров (равные права доступа к ресурсам друг друга). Функции управления сетью передаются по очереди от одной станции к другой. Как правило, рабочие станции имеют доступ к дискам других станций. Целесообразно использовать одноранговые сети, если идет интенсивный обмен данными между станциями.

В одноранговых сетях все компьютеры равны в правах доступа к ресурсам друг друга. Каждый пользователь может по своему желанию объявить какой-либо ресурс своего компьютера разделяемым, после чего другие пользователи могут его эксплуатировать. В таких сетях на всех компьютерах устанавливается одна и та же ОС, которая предоставляет всем компьютерам в сети потенциально равные возможности.

В одноранговых сетях также может возникнуть функциональная несимметричность: одни пользователи не желают разделять свои ресурсы с другими, и в таком случае их компьютеры выполняют роль клиента. За другими компьютерами администратор закрепил только функции по организации совместного использования ресурсов, а, значит, они являются серверами. В третьем случае, когда локальный пользователь не возражает против использования его ресурсов и сам не исключает возможности обращения к другим компьютерам, ОС, устанавливаемая на его компьютере, должна включать и серверную, и клиентскую части. В отличие от сетей с выделенными серверами, в одноранговых сетях отсутствует специализация ОСв зависимости от преобладающей функциональной направленности – клиента или сервера. Все вариации реализуются средствами конфигурирования одного и того же варианта ОС.

Достоинство одноранговой сети – простота обслуживания (это функции системного администратора). Однако эти сети применяются в основном для объединения небольших групп пользователей, не предъявляющих больших требований к объемам хранимой информации, ее защищенности от несанкционированного доступа и к скорости доступа.

Иерархические сети

При повышенных требованиях к этим характеристикам более подходящими являются двухранговые сети (иерархические, с выделенным сервером), где сервер лучше решает задачу обслуживания пользователей своими ресурсами, так как его аппаратура и сетевая операционная система специально спроектированы для этой цели.

Тип сервера определяется множеством задач, для решения которых он предназначен:

· сервер файлов – хранение данных и управление доступом к ним

· сервер печати – управление принтером и доступом к нему

· сервер служб безопасности – обеспечивает функционирование системы защиты ресурсов, хранит информацию об устройствах и пользователях

· сервер приложений – выполняет вычисляющие части клиент-серверных приложений

· почтовый сервер – отвечает за функционирование электронной почты.

Топология ЛВС

Топология (topos – место, logos – учение) – это раздел математики, изучающий способы соединения различных сущностей. Применительно к компьютерным сетям это способы соединения элементов сети.

Топология ЛВС – это конфигурация графа, вершины которого это компьютеры или иное оборудование, дуги – физические связи между ними.

Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями. Она может отличаться от конфигурации логических связей, которые определяются маршрутами передачи данных путем настройки коммуникационного оборудования.

Выбор той или иной топологии влияет на состав оборудования, на методы управления сетью, на возможности расширения сети.

Пассивная топология та, в которой устройства не регенерируют сигнал, переданный источником. Примером являются топологии шина и звезда. В активной топологии устройства регенерируют не предназначенный им сигнал и передают его дальше. Примером активной топологии является кольцо.

а б в

Рис. 1 Базовые топологии

Общая шина

В сети с шинной топологией (рис. 1, а) все устройства объединены единой средой передачи. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Пропускная способность канала связи делится между всеми узлами сети.

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

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

Плюсы: низкая стоимость и простота разводки, не требуется дополнительное оборудование.

Минусы: низкая надежность и производительность. Дефект кабеля или разъема парализует всю сеть.

Звезда

Концепция топологии сети в виде звезды (рис. 1, б) пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети. Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции.

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии. При расширении вычислительных сетей к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая, по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального узла. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

Плюсы: более высокая пропускная способность, простота подключения новых узлов, более высокая защищенность от прослушивания.

Минусы: зависимость работоспособности от состояния центра, высокий расход кабеля, более высокая стоимость.

Кольцо

При кольцевой топологии сети (рис. 1, в) рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо. В настоящее время вместо попарного соединения используется центральное устройство, внутри которого реализована топология кольцо. Это устройство может быть активным и регенерировать сигнал, а может быть просто коммутатором.

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию).

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

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует кратко срочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Минусы: низкая отказоустойчивость, разрыв сети для добавления узлов.

Таблица 2. Характеристики топологий вычислительных сетей

Характеристика	Топология
Шина	Звезда	Кольцо
Стоимость расширения	Средняя	Незначительная	Средняя
Присоединение абонентов	Пассивное	Пассивное	Активное
Защита от отказов	Высокая	Незначительная	Незначительная
Размеры системы	Ограниченны	Любые	Любые
Защищенность от прослушивания	Незначительная	Хорошая	Хорошая
Поведение системы при высоких нагрузках	Плохое	Хорошее	Удовлетворительное
Возможность работы в реальном режиме времени	Плохая	Очень хорошая	Хорошая
Разводка кабеля	Хорошая	Удовлетворительная	Удовлетворительная

Звездообразные топологии занимают лидирующие позиции в локальных сетях.

На шинной топологии основано соединение большинства системных компонентов во внутренней архитектуре компьютера.

Двукольцевая топология

Эта топология представляет собой два кольца, первое из которых является основным, а второе используется при сбое на первом.

Плюсы: высокая отказоустойчивость

Минусы: высокая цена, большой расход кабеля.

Полносвязная топология

Каждый компьютер соединен с каждым. Значит, должно быть большое количество коммуникационных портов на каждом компьютере. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная линия связи. Это обеспечивает максимальную скорость передачи данных и очень высокую отказоустойчивость.

Минусы: так можно соединить небольшое число узлов (определяется числом портов).

Такая топология может применяться на высоких уровнях иерархии для соединения промежуточного оборудования (концентраторов, коммутаторов).

Уровни сетевой архитектуры

Суть сети – соединение разного оборудования, поэтому проблема совместимости является очень острой. Нужны общепринятые правила построения оборудования и организации взаимодействия. Поэтому все развитие компьютерной отрасли отражено в стандартах. На ранних этапах развития компьютерных сетей процесс приема и передачи данных определялся каждой фирмой по своим фирменным закрытым стандартам. Приложения, работающие на оборудовании различных поставщиков, обмениваться данными не могли. Назрела необходимость принятия стандартных процедур взаимодействия. Основой этой стандартизации стал многоуровневый подход к разработке средств взаимодействия.

Одним из приемов решения сложных задач является декомпозиция. При этом сложная задача разбивается на несколько более простых задач (модулей). Множество модулей разбивается на уровни. Множеству модулей, составляющих один уровень нужна информация только от непосредственно нижнего уровня. Между собой модули одного уровня не взаимодействуют. Результаты работы модулей передаются только на непосредственно верхний уровень. (пример: динамическое программирование).

С помощью этой схемы представляются уровни сетевого взаимодействия.

В процессе обмена участвуют две машины. С одной пользователь отправляет текстовое сообщение. Потом оно в виде электрических сигналов проходит по кабелям. При приеме эти сигналы опять преобразуются в текст.

При передаче сообщения надо согласовать все уровниприема (уровень и форма эл. сигналов, способ определения длины сообщения, метод контроля корректности и т.п.).

Протокол – формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которым обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне в разных узлах.

Стек протоколов – это иерархический набор протоколов, достаточный для взаимодействия узлов сети.

Так как связь компьютеров идет через различные устройства, протоколы реализуются не только компьютерами, но и концентраторами, мостами, коммутаторами, маршрутизаторами.

Рис. 2 Передача сообщения

Модули,находящиеся в одном узле взаимодействуют в соответствии с определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений.

Интерфейс – правила взаимодействия модулей одного узла. Он определяет набор сервисов, предоставляемых данным уровнем соседнему.

Средства каждого уровня должны обрабатывать свой протокол и интерфейсы соседних уровней.

Адресация узлов

Адрес – это уникальный идентификатор узла в сети. В современных сетях для адресации узлов применяются приведенные ниже схемы.

Аппаратные. Эти адреса чаще всего назначаются производителями оборудования и являются уникальными адресами, так как назначаются централизовано. Для узлов, входящих в локальные сети это МАС-адрес сетевого адаптера, например, 11-А0-17-3D-BC-01.Для всех существующих технологий локальных сетей МАС-адрес имеет 6-ти байтовый формат: старшие 3 байта – идентификатор фирмы производителя, а младшие 3 байта назначаются уникальным образом самим производителем. Для узлов, входящих в глобальные сети, такие как Х.25 или frame relay, локальный адрес назначается администратором глобальной сети.

Аппаратные адреса относятся к классу плоских адресов. Это означает, что множество адресов никак не структурировано. Отличная от этой схема адресации – иерархическая, в которой адресное пространство представляет собой вложенные друг в друга подгруппы (пример: почтовый адрес, состоящий из страны, региона, города, улицы и т.д.).

Примером иерархических числовых адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. Такой адрес состоит из двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно, либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Network Information Center). Номер узла должен быть уникален внутри сети. Соответствие между IP-адресом и МАС-адресом определяется протоколом разрешения адреса (Address Resolution Protocol, ARP). В ARP-таблице содержится информация о соответствии между IP-адресом и МАС-адресом, а также динамическая или статическая это запись.

Для удобства восприятия существуют иерархические символьные адреса. Они так же являются уникальными идентификаторами узлов, но несут смысловую нагрузку (например, mail.nnov.ru). Соответствие между IP-адресом и символьным именем храниться в таблице. За нее отвечает служба – система доменных имен (Domain Name System, DNS).

Сети открытых систем

Открытая система – это любая система (компьютер, ОС, ВС, программный пакет), которая создана в соответствии с открытыми спецификациями.

Спецификация – это описание компонентов, способов их функционирования, условий эксплуатации, ограничений, особых характеристик. Не всякая спецификация является стандартом. Открытые спецификации – это общедоступные, соответствующие стандартам и принятые всеми заинтересованными сторонами. Это позволяет разрабатывать создавать комплексы из продуктов разных производителей.

Модель OSI касается открытости средств взаимодействия устройств, соединенных в сеть. Что это дает:

· Возможность построения сети из аппаратных и программных средств разных производителей.

· Легкая замена устаревших компонентов сети новыми.

· Легкое сопряжение одной сети с другой.

Примером открытой сети является сеть Internet. Она развивалась в соответствии в полном соответствии с требованиями, предъявляемыми к открытым системам. В разработке ее стандартов принимали участие тысячи специалистов-пользователей (документы RFC – Request for comments).

Модель OSI

В начале 80-х годов (по другим сведениям 1978) ряд международных организаций по стандартизации (ISO – International Standards Organization, ITU-T International Telecommunication Unit) разработали модель – модель взаимодействия открытых систем OSI Reference Model (Open Systems Interconnection, OSI). Модель была разработана на основании опыта, полученного при создании компьютерных сетей в 70-е годы. Основная идея этой модели заключается в том, что каждому уровню отводится конкретная роль, в том числе и транспортной среде. Благодаря этому общая задача передачи данных расчленяется на отдельные обозримые задачи.

Эта модель определяет уровни сетевого взаимодействия, дает им стандартные имена и определяет их функции.

Она описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые ОС, системными аппаратными средствами. Она не включает средства взаимодействия приложений. Свои протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным. Поэтому различают уровень взаимодействия приложения и прикладной уровень.

Модель содержит семь отдельных уровней. Каждый уровень оперирует с определенными порциями данных – протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU).

Таблица 3. Уровни модели OSI

Уровень	Блоки данных
1. физический – битовые протоколы передачи информации;	биты
2. канальный – формирование кадров, управление доступом к среде;	кадры
3. сетевой – маршрутизация, управление потоками данных;	пакеты
4. транспортный – обеспечение взаимодействия удаленных процессов;
5. сеансовый – поддержка диалога между удаленными процессами;
6. представление данных – интерпретация передаваемых данных;
7. прикладной – пользовательское управление данными.	сообщения

Некоторое приложение с узла 1 обращается с запросом к прикладному уровню. Формируется сообщение стандартного формата (заголовок, поле данных, конечный ограничитель). Далее это сообщение проходит в направлении вниз от источника данных (от уровня 7 к уровню 1), передается по среде передачи, принимается и передается в направлении вверх к приемнику данных (от уровня 1 к уровню 7). Пользовательские данные передаются в нижерасположенный уровень вместе со специфическим для уровня заголовком до тех пор, пока не будет достигнут последний физический уровень. На приемной стороне поступающие данные анализируются и, по мере надобности, передаются далее в вышерасположенный уровень, пока информация не будет передана в пользовательский прикладной уровень.

Рис. 3 Вложенность сообщений

Уровень 1. Физический

Описывает физические аспекты передачи двоичной информации по физическим каналам связи (электрический, оптический интерфейсы ).

Детально описывается, например, природа передающей среды, полоса пропускания, напряжения, частоты. Этому уровню ставится в обязанность поддержание связи и приём-передача битового потока. Безошибочность желательна, но не требуется.

В качестве среды передачи данных используют

· трехжильный медный провод (экранированная витая пара),

· коаксиальный кабель,

· оптоволоконный проводник,

· радиорелейная линия.

Для кодирования данных определяется:

· какие сигналы будут представлять двоичный 0 и 1 (цифровая или аналоговая передача),

· как распознается момент прихода битов.

Стандарты физического уровня включают рекомендации V.24 МККТТ (CCITT), EIA RS232 и Х.21, ISDN (Integrated Services Digital Network).

Пример протокола физического уровня – спецификация 10Base-Т технологии Ethernet, которая определяет в качестве кабеля неэкранированную витую пару с волновым сопротивлением 100 Ом, разъем Rj-45, мах длина сегмента 100 метров, манчестерский код представления данных в кабеле.

Функции этого уровня выполняет сетевой адаптер или последовательный порт.

Уровень 2. Канальный

На первом уровне не учитывалось, что линия связи может быть занята. Задача второго уровня: связать 2 смежных компьютера по индивидуальной линии и корректно передать кадр. При этом решаются следующие задачи:

· проверка доступности среды передачи,

· реализация механизма обнаружения и коррекции ошибок.

Канальный уровень формирует из данных (бит), передаваемых 1-м уровнем, так называемые «кадры» (последовательности кадров). Протокол канального уровня ориентирован на определенную топологию (это протоколы канального уровня Ethernet, Token Ring, FDDI). Сеть, с точки зрения этого уровня – это множество компьютеров, объединенных одной топологией. Внутри такой сети и работает протокол канального уровня.

Вторая задача протокола – обнаруживать ошибки. Исправлять ошибки они не обязаны. Если в сети искажения и потеря кадров случается редко (Ethernet), то протоколы ошибки не исправляют. Если же искажения происходят часто, то желательно уже на канальном уровне корректировать ошибки, т.к. протоколы верхних уровней восстановят данные с задержкой.

Методы обнаружения ошибок основаны на передаче в кадре служебной избыточной информации – контрольной суммы. Принимающая сторона повторно вычисляет контрольную сумму и сравнивает ее значение с переданной. Если после получения кадра контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка, которая может быть исправлена за счет повторной передачи кадра.

Уровень 3. Сетевой

Сетевой уровень обеспечивает доставку данных между любыми двумя узлами в сети с произвольной топологией, при этом он не берет на себя никаких обязательств по надежности передачи данных.

Сетевой уровень служит для образования единой системы, объединяющей несколько сетей.Причем эти сети могут иметь различные принципы передачи данных и обладать различной структурой связей. Объединяют сети маршрутизаторы.

Сетевой уровень устанавливает связь в составной вычислительной сети между любыми двумя абонентами. Соединение происходит благодаря функциям маршрутизации, которые требуют наличия сетевого адреса в пакете.

Маршрутизатор – это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Хоп – количество транзитных передач между сетями.

Рис.4 Пример составной сети

В составной сети рис.4 существует два пути от узлов Сети 1 к узлам Сети 2 : 1®3 или 1®2®3

Маршрутизация – это выбор наилучшего пути. Критерий выбора маршрута – время передачи по нему данных или надежность. Время зависит от пропускной способности канала, интенсивности трафика. Оно может оцениваться в среднем за период.

Сообщения сетевого уровня называют пакетами. При доставке пакета нужен номер сети. Он содержится в старшей части адреса получателя. Младшая часть содержит номер узла в сети. Можно рассматривать сеть как совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.

Есть два принципиально различных способа работы сетевого уровня.

Первый – это метод виртуальных каналов. Он состоит в том, что канал связи устанавливается при вызове (в начале сеанса связи), по нему передаётся информация, и по окончании передачи канал закрывается (уничтожается). Передача пакетов происходит с сохранением исходной последовательности, даже если пакеты пересылаются по различным физическим маршрутам, т.е. виртуальный канал динамически перенаправляется. При помещении данных в этот канал не требуется указания адреса пункта назначения, т.к. он определяется во время установления связи.

Второй – метод дейтаграмм. Дейтаграммы – независимые пакеты, они включают всю необходимую для их пересылки информацию.

В то время, как первый метод предоставляет следующему уровню (уровню 4) надёжный канал передачи данных, свободный от искажений (ошибок) и правильно доставляющий пакеты в пункт назначения, второй метод требует от следующего уровня работы над ошибками и проверки доставки нужному адресату.

Уровень 4. Транспортный

Транспортный уровень обеспечивает верхним уровням передачу данных с той степенью надежности, которая им требуется. Также гарантируется отсутствие потерь и дублирования пакетов. Гарантируется доставка сообщений в том порядке, в каком они были посланы.

Модель OSI предоставляет 5 классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Они отличаются срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, способностью обнаружения и исправления ошибок передачи (потеря, искажение, дублирование пакетов).

Выбор класса сервиса определяется важностью задачи, надежностью канала передачи, от сервиса нижних уровней.

Так если качество канала высокое, то вероятность возникновения ошибок, необнаруженных протоколами нижних уровней, невелика. Поэтому разумно выбрать протокол, не обремененный проверками.

Если уровень канала и сетевой уровни не являются надежными или поддерживает только дейтаграммный режим рабо