84765

Требования к организации компьютерных сетей

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Открытость возможность добавления в сеть новых компонентов узлов и каналов связи средств обработки данных без изменения существующих технических и программных средств; 2 гибкость сохранение работоспособности при изменении структуры сети в результате сбоев и отказов отдельных...

Русский

2015-03-21

439.39 KB

1 чел.

Лекция 2

1.5 Требования к организации компьютерных сетей

Для обеспечения эффективного функционирования к компьютерным сетям предъявляются требования, основными среди которых являются следующие (рис. 2.1):

Рис. 2.1

1) открытость - возможность добавления в сеть новых компонентов (узлов и каналов связи, средств обработки данных) без изменения существующих технических и программных средств;

2) гибкость сохранение работоспособности при изменении структуры сети в результате сбоев и отказов отдельных компонентов сети или при замене оборудования;

3) совместимость - возможность работы в сети оборудования разного типа и разных производителей;

4) масштабируемость способность сети увеличивать свою производительность при добавлении ресурсов (узлов и каналов связи);

5) эффективность - обеспечение требуемого качества обслуживания пользователей, задаваемого в виде показателей производительности, временных задержек, надежности и т.д., при минимальных затратах.

Данные требования реализуются за счет многоуровневой организации управления процессами в сети, в основе которой лежат понятия процесса, уровня, интерфейса и протокола.

Процесс - динамический объект, реализующий целенаправленный акт обработки или передачи данных.

Процессы делятся на:

1) прикладные - обработка данных в ЭВМ и терминальном оборудовании, а также передача данных в СПД;

2) системные - обеспечение прикладных процессов (активизация терминала для прикладного процесса, организация связи между процессами и др.).

Данные между процессами передаются в виде сообщений через логические программно-организованные точки, называемые портами.

Порты разделяются на входные и выходные.

Промежуток времени, в течение которого взаимодействуют процессы, называется сеансом или сессией.

В каждом узле обработки данных (компьютере) могут одновременно выполняться несколько независимых прикладных процессов, связанных например, с обработкой данных (такие процессы называются вычислительными процессами). Эти процессы путём обмена сообщениями через соответствующие порты могут взаимодействовать с прикладными процессами, протекающими в других узлах вычислительной сети (см. рис. 2.2).

В основе моделей всех сетевых технологий лежит понятие уровня.

Рис. 2.2

Уровень (layer) - понятие, позволяющее разделить всю совокупность функций обработки и передачи данных в вычислительной сети на несколько иерархических групп. На каждом уровне реализуются определенные функции обработки и передачи данных с помощью аппаратных и/или программных средств сети. Каждый уровень обслуживает вышележащий уровень и, в свою очередь, пользуется услугами нижележащего.

1.6 Модель взаимодействия открытых систем (ОSI-модель)

Международная Организация по Стандартам (International Standards Organization - ISO) предложила в качестве стандарта открытых систем семиуровневую коммуникационную модель (рис. 2.3), известную как ОSI-модель (Ореn Systems Interconnection) - модель Взаимодействия Открытых Систем (ВОС).

Каждый уровень ОSI-модели отвечает за отдельные специфические функции в коммуникациях и реализуется техническими и программными средствами вычислительной сети.

Рис. 2.3

1 уровень - физический (physical layer) - самый низкий уровень ОSI-модели, определяющий процесс прохождения сигналов через среду передачи между сетевыми устройствами (узлами сети).

Данный уровень осуществляет подключение и отключение канала связи,   формирование передаваемых сигналов и т.п.

На физическом уровне описаны механические, электрические и функциональные характеристики среды передачи и средства для установления, поддержания и разъединения физического соединения.

При необходимости физический уровень обеспечивает кодирование данных и  модуляцию сигнала, передаваемого по среде.

Данные физического уровня представляют собой поток битов (последовательность нулей или единиц), закодированные в виде электрических, оптических или радио сигналов.

Из-за наличия помех, воздействующих на электрическую линию связи, достоверность передачи, измеряемая как вероятность искажения одного бита, составляет  -  Это означает, что в среднем на 10000 - 1000000 бит передаваемых данных один бит оказывается искажённым.

2 уровень - канальный уровень или уровень передачи данных (data link layer).

Он реализует управление как доступом сетевых устройств к среде передачи, когда два или более устройств могут использовать одну и ту же среду передачи, так и надежной передачей данных в канале связи, позволяющей увеличить достоверность передачи данных на 2-4 порядка.

На данном уровне описаны методы доступа сетевых устройств к среде передачи, основанные, например, на передаче маркера или на соперничестве.

Канальный уровень обеспечивает следующее:

• функциональные и процедурные средства для установления, поддержания и разрыва соединения;

• управление потоком для предотвращения переполнения приемного устройства, если его скорость меньше, чем скорость передающего устройства;

• надежную передачу данных через физический канал с вероятностью искажения данных за счёт применения методов и средства контроля передаваемых данных и повторной передачи данных при обнаружении ошибки.

Таким образом, канальный уровень обеспечивает достаточно надежную передачу данных через ненадежный физический канал.

Блок данных, передаваемый на канальном уровне, называется кадром (frame).

На канальном уровне появляется свойство адресуемости передаваемых данных в виде физических (машинных) адресов, называемых также МАC-адресами и являющихся обычно уникальными идентификаторами сетевых устройств.

К процедурам канального уровня также относятся следующие функции:

• добавление в кадры соответствующих адресов;

• контроль ошибок;

• повторная, при необходимости, передача кадров.

На канальном уровне работают ЛВС Ethernet, Token Ring и FDDI.

3 уровень - сетевой (network layer), в отличие от двух предыдущих, отвечает за передачу данных в СПД и управляет маршрутизацией сообщений - передачей через несколько каналов связи по одной или нескольким сетям, что обычно требует включения в пакет сетевого адреса получателя.

Блок данных, передаваемый на сетевом уровне, называется пакетом (packet).

Сетевой адрес - это специфический идентификатор для каждой промежуточной сети между источником и приемником информации.

Функции реализуемые на сетевом уровне следующие:

• обработка ошибок;

• мультиплексирование пакетов;

• управление потоками данных.

Самые известные протоколы этого уровня:

• Х.25 в сетях с коммутацией пакетов;

• IP в сетях TCP/IP;

• IPX/SPX в сетях NetWare.

Кроме того, к сетевому уровню относятся протоколы построения маршрутных таблиц для маршрутизаторов: OSPF, RIP, ES-IS, IS-IS.

4 уровень - транспортный уровень (transport layer) - управляет сквозной передачей сообщений между оконечными узлами сети ("end-end"), обеспечивая надежность и экономическую эффективность передачи данных независимо от пользователя. При этом оконечные узлы возможно взаимодействуют через несколько узлов или даже через несколько транзитных сетей.

На транспортном уровне реализуется следующее:

1) преобразование длинных сообщений в пакеты при их передаче в сети и обратное преобразование;

2) контроль последовательности прохождения пакетов;

3) регулирование трафика в сети;

4) распознавание дублированных пакетов и их уничтожение.

Способ коммуникации " end-end" облегчается еще одним способом адресации - адресом процесса, который соотносится с определенной прикладной программой (прикладным процессом), выполняемой на компьютере. Компьютер обычно выполняет одновременно несколько программ, в связи с чем необходимо знать какой прикладной программе (процессу) предназначено поступившее сообщение. Для этого на транспортном уровне используется специальный адрес, называемый адресом порта. Сетевой уровень доставляет каждый пакет на конкретный адрес компьютера, а транспортный уровень передаёт полностью собранное сообщение конкретному прикладному процессу на этом компьютере.

Транспортный уровень может предоставлять различные типы сервисов, в частности, передачу данных без установления соединения или с предварительным установлением соединения. В последнем случае перед началом передачи данных с использованием специальных управляющих пакетов устанавливается соединение с транспортным уровнем компьютера, которому предназначены передаваемые данные. После того как все данные переданы, подключение заканчивается. При передаче данных без установления соединения транспортный уровень используется для передачи одиночных пакетов, называемых дейтаграммами, не гарантируя их надежную доставку. Передача данных с установлением соединения применяется для надежной доставки данных.

5 уровень - сеансовый уровень (session layer) - обеспечивает обслуживание двух "связанных" на уровне представления данных объектов сети и управляет ведением диалога между ними путем синхронизации, заключающейся в установке служебных меток внутри длинных сообщений. Эти метки позволяют после обнаружения ошибки повторить передачу данных не с самого начала, а только с того места, где находится ближайшая предыдущая метка по отношению к месту возникновения ошибки.

Сеансовый уровень предоставляет услуги по организации и синхронизации обмена данными между процессами уровня представлений.

На сеансовом уровне реализуется следующие функции:

1) установление соединения с адресатом и управление сеансом;

2) координация связи прикладных программ на двух рабочих станциях.

6 уровень - уровень представления (presentation layer) - обеспечивает совокупность служебных операций, которые можно выбрать на прикладном уровне для интерпретации передаваемых и получаемых данных. Эти служебные операции включают в себя:

• управление информационным обменом;

• преобразование (перекодировка) данных во внутренний формат каждой конкретной ЭВМ и обратно;

• шифрование и дешифрование данных с целью защиты от несанкционированного доступа;

• сжатие данных, позволяющее уменьшить объём передаваемых данных, что особенно актуально при передаче мультимедийных данных, таких как аудио и видео.

Служебные операции этого уровня представляют собой основу всей семиуровневой модели и позволяют связывать воедино терминалы и средства вычислительной техники (компьютеры) самых разных типов и производителей.

7 уровень - прикладной уровень (application lауег) – обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя, а также управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети. Другими словами, прикладной уровень обеспечивает интерфейс между прикладным ПО и системой связи. Он предоставляет прикладной программе доступ к различным сетевым службам, включая передачу файлов и электронную почту.

В соответствии с ОSI-моделью сообщения в передающем узле (компьютере) проходят вниз через все уровни от верхнего 7 до самого нижнего 1, причем на каждом уровне передаваемые сообщения модифицируются применительно к функциям, реализуемым на этом уровне. Модификация заключается в добавлении к сообщению на каждом уровне соответствующих заголовков  и концевиков , называемых обрамлением сообщения, в которых содержится информация об адресах взаимодействующих объектов, а также информация, необходимая для обработки сообщения на данном уровне.

Когда сообщение достигает низшего (физического) уровня 1, оно пересылается к другому узлу в виде потока битов, представляющего собой физические сигналы (электрические, оптические или радиоволны) передающей среды. В приемном узле (компьютере) сообщение от нижнего физического уровня проходит наверх через все уровни, где от него отсекаются соответствующие заголовки и концевики. Таким образом, каждый уровень оперирует с собственным заголовком и концевиком, за счет чего обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений.

1.7 IЕЕЕ-модель локальных сетей

Институт инженеров по электронике и электротехнике (Institute of Electrical and Electronics Engineers - IEEE) предложил вариант ОSI-модели, используемый при разработке и проектировании локальных сетей и получивший название IЕЕЕ-модели (рис. 2.4).

Рис. 2.4

В IЕЕЕ-модели канальный уровень разбивается на два подуровня:

• подуровень управления доступом к среде передачи (Medium Access Control, МАС-подуровень), описывающий способ доступа сетевого устройства к среде передачи данных;

• подуровень управления логическим соединением (Logical Link Control, LLС-подуровень), описывающий способ установления и завершения соединения, а также способ передачи данных.

LLС-подуровень предоставляет более высоким уровням возможность управлять качеством услуг и обеспечивает сервис трех типов:

1 ) сервис без установления соединения и без подтверждения доставки;

2) сервис без установления соединения с подтверждением доставки;

3) сервис с установлением соединения.

Сервис без установления соединения и подтверждения доставки не гарантирует доставку данных и обычно применяется в приложениях, использующих для контроля передачи данных и защиты от ошибок протоколы более высоких уровней.

Сервис с установлением соединения обеспечивает надежный обмен данными.

Главной функцией МАС-уровня является обеспечение доступа к каналу передачи данных. На этом уровне формируется физический адрес устройства, который называется МАС-адресом. Каждое устройство сети идентифицируется этим уникальным адресом, который присваивается всем сетевым устройствам.

1.8 Понятия интерфейса и протокола

Описание сетевой технологии и алгоритма функционирования компьютерной сети связано с описанием соответствующих интерфейсов и протоколов.

Интерфейс - соглашение о взаимодействии (границе) между уровнями одной системы, определяющее структуру данных и способ (алгоритм) обмена данными между соседними уровнями ОSI-модели.

Интерфейсы подразделяются на:

1) схемные - совокупность интерфейсных шин;

2) программные - совокупность процедур реализующих порядок взаимодействия между уровнями.

Протокол - совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры взаимодействия процессов одноименных уровней на основе обмена сообщениями.

Описание протокола предполагает задание:

1) логической характеристики протокола, определяющей структуру (формат) и содержание (семантику) сообщений путём перечисления типов сообщений и их смысла;

2) процедурной характеристики протокола, представляющей собой правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия и задаваемых в форме: операторных схем алгоритмов, автоматных моделей, сетей Петри и др.

Соответствие интерфейсов и протоколов уровням ОSI-модели представлено на рис. 2.5.

Рис. 2.5

Совокупность протоколов всех уровней некоторой сетевой технологии называется стеком протоколов. В настоящее время существует большое количество разнообразных сетевых технологий и соответствующих им стеков протоколов, наиболее известными и распространёнными среди которых являются стеки протоколов: TCP/IP, XNS, IPX, AppleTalk, DECnet, SNA.

1.9 Протокольные блоки данных (POU)

Данные, передаваемые на разных уровнях в сети, формируются в виде блоков, называемых протокольными блоками данных (Protocol Data Unit - PDU). PDU представляет собой единицу данных, передаваемую как единое целое и имеющую обрамление в виде заголовка со служебной информацией (адрес отправителя, адрес получателя, длина блока и т.п.) и, возможно, концевика.

На разных уровнях ОSI-модели используются разные PDU, имеющие специальные названия. Наибольшее распространение получили следующие названия блоков данных: сообщение, дейтаграмма, пакет, кадр (рис. 2.6).

Сообщение (message) - блок данных, рассматриваемых как единое целое при передаче между двумя пользователями (процессами) и имеющих определенное смысловое значение. Сообщения используются на 7-м уровне ОSI-модели для передачи данных между прикладными процессами и могут иметь произвольную длину.

Рис. 2.6

Кадр (frame) - блок данных 2-го (канального) уровня ОSI-модели, имеющий ограниченную длину и передаваемый как единое целое в локальной сети или по выделенному каналу связи между двумя узлами.

Пакет (packet) - блок данных на 3-го (сетевого) уровня ОSI-модели, имеющий ограниченную длину и представляющий собой единицу передачи данных в СПД.

Дейтаграмма (datagram) - блок данных 4-го (транспортного) уровня ОSI-модели, передаваемый дейтаграммным способом без установления соединения.

Предельный размер кадра, пакета и дейтаграммы зависит от сетевой технологии и устанавливается соответствующими протоколами, определяющими формат и допустимый размер блока данных.

Кроме перечисленных названий в стеке протоколов TCP/IP блок данных протокола ТСР называется сегментом, который получается путём вырезания из неструктурированного потока байтов, поступающих к протоколу ТСР в рамках логического соединения от протоколов более высокого уровня.

Для блоков данных 5-го и 6-го уровней ОSI-модели нет устоявшихся общепринятых названий, что в значительной степени обусловлено отсутствием этих уровней в наиболее распространённом стеке протоколов TCP/IP.

В АТМ-сетях данные передаются в виде блоков фиксированного размера в 53 байта, которые называются ячейками (cell).

1.10 Сетевая операционная система

Основной задачей сетевой операционной системы (ОС) является организация процессов обработки и передачи данных в компьютерной сети, связанная, в том числе, с разделением ресурсов сети (например, дискового пространства) и администрированием сети (определение разделяемых ресурсов, паролей и прав доступа для каждого пользователя или группы пользователей).

Для решения этих задач сетевая операционная система, в отличие от операционной системы ЭВМ, должна обладать встроенными возможностями для работы в сети за счёт дополнительных функций, таких как:

• поддержка функционирования сетевого оборудования - маршрутизаторов, коммутаторов, шлюзов и т.п. ;

• поддержка сетевых протоколов, включая протоколы маршрутизации и протоколы авторизации;

• реализация доступа к среде передачи данных и к удалённым ресурсам сети и т.д.

Совокупность операционных систем отдельных ЭВМ, входящих в состав вычислительной сети можно рассматривать как составную часть сетевой операционной системы. При этом разные ЭВМ могут работать под управлением как одинаковых, так и разных ОС (Windows ХР, Windows Vista, UNIX, NetWare, Solaris и т.д.). Последнее характерно для современных вычислительных сетей, объединяющих обычно множество компьютеров разных типов различных производителей. Все эти ОС обеспечивают управление вычислительным процессом и распределением ресурсов в каждой из конкретной ВС, выполняя следующие функции:

• управление памятью, включая распределение и защиту памяти;

• планирование и управление пользовательскими и системными процессами;

• управление файлами и внешними устройствами;

• защита данных и администрирование, включая поддержку отказоустойчивости аппаратных и программных средств;

• обеспечение удобного интерфейса для прикладных программ и пользователей и т.д.

Для обеспечения функций по обмену данными между ЭВМ сети операционные системы всех ЭВМ имеют в своём составе дополнительные компоненты сетевые средства, организующие взаимодействие процессов, выполняющихся в разных ЭВМ, и разделение общих ресурсов между пользователями сети. Сетевые средства можно рассматривать как совокупность трёх составляющих:

• серверная часть ОС, предназначенная для предоставления локальных ресурсов и услуг в общее пользование;

• клиентская часть ОС, обеспечивающая реализацию запросов доступа к удалённым ресурсам и услугам;

• коммуникационная (транспортная) часть ОС, обеспечивающая совместно со средствами телекоммуникаций передачу данных в виде сообщений между пользователями вычислительной сети.

Состав сетевой ОС по казана на рис. 2.7.

Рис. 2.7

Существуют специальные сетевые ОС, которым приданы функции обычных систем (например Windows NT) и обычные ОС, которым приданы сетевые функции (например Windows ХР). Сегодня практически все современные ОС имеют встроенные сетевые функции.

Примерами сетевых операционных систем могут служить:

• Мiсrоsоft Windows (95, NT и более поздние);

• Novell NetWare;

• различные UNlX системы, такие как Solaris, и т.д.

Реализация обмена данными между удаленными пользователями - одна из основных функций вычислительной сети. Эффективность передачи данных характеризуется совокупностью показателей (характеристик), в частности, временем и надежностью доставки сообщений, и в значительной степени зависит от структурной и функциональной организации вычислительной сети.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24111. Особенности научного познания. Роль науки в функционировании и развитии общества 14.9 KB
  Наука – особый вид познавательной деятельности людей направленный на выработку системы объективноистинного знания о природной и социальной действительности и о самом человеке. Современная наука это: 1. Наука имеет дело с объектами реальности которая не сводится к объектам обыденного опыта. Современная наука выполняет функции: 1.
24112. Естественнонаучное, техническое, гуманитарное знание 30.67 KB
  Естественнонаучное техническое гуманитарное знание. Техническое знание включает в себя от специализированных рецептурнотехнических до теоретических научнотехнических и системотехнических знаний. Современная техника и прежде всего техническое знание неразрывно связаны с развитием науки. техническое знание как конечный продукт познавательной деятельности определяет характер познавательного процесса выступая в качестве средства социальнотехнического проектирования.
24113. Социальная реальность и ее характеристики 16.73 KB
  Социальная реальность и ее характеристики. Социальная реальность это реальность в той или иной степени организованная упорядоченная и структурированная. Социальная реальность это реальность динамическая т. Социальная реальность это реальность стратифицированная.
24114. Общество как система. Сферы общественной жизни 17.51 KB
  Общество как система. Собственно философское значение этого термина таково: общество – это обособившаяся от природы часть материального мира представляющая собой исторически развивающуюся форму жизнедеятельности людей. В истории социологии и культурологии чаще используется более узкое понятие общества: общество – это определённый этап человеческой истории родовое общество общество капитализма или конкретный социальный организм французское общество общество США. Так древнекитайская мысль традиционно смотрела на общество сквозь призму...
24115. Понятие гражданского общества и государства 15.03 KB
  Понятие гражданского общества и государства. Это определение идеального общества реальность которого определяется соотношением идеала и достигнутого состояния общества которое провозгласило построение гражданского общества своей целью. Это фактически бесконечный процесс совершенствования общества власти политики и человека охватывающий все без исключения стороны жизни. Идея гражданского общества термин введен Аристотелем возникла первоначально как философская концепция.
24116. Проблема развития общества. Формационный, цивилизационный подходы, технологический детерминизм в понимании процесса исторического развития 15.08 KB
  Проблема развития общества. Формационный цивилизационный подходы технологический детерминизм в понимании процесса исторического развития. Проблема развития общества Формационный подход был разработан К. В общем же характерно отрицание единства человеческой истории всеобщих исторических закономерностей Недостатками цивилизационного подхода является то что он не позволяет взглянуть на историю как на целостный закономерный процесс; применяя цивилизационный подход трудно изучать закономерности исторического развития.
24117. Культура как объект философского познания, развитие представлений о культуре в истории мысли 15.03 KB
  Культура как объект философского познания развитие представлений о культуре в истории мысли. Культура – совокупность проявлений жизни творчества и достижений народа или группы народов. Культура представляет собой средство и способ развития духовного начала в человеке своей целью имея формирование и удовлетворение его духовных запросов; цивилизация же дает людям средства существования она направлена на удовлетворение их практических нужд. Культура являет собой духовные ценности достижения науки философии искусства образования а...
24118. Психоанализ и проблема человека (З.Фрейд, К.Г. Юнг, Э.Фромм) 17.18 KB
  В психике человека Фрейд сначала выделял две относительно автономные но постоянно взаимодействующие между собой структуры бессознательного оно и сознательного Я а затем добавил к ним сверх Я которое внедряется в Я но без специального анализа не осознается им. По мнению Фрейда причиной невроза является особого рода конфликт между оно Я и сверх Я . Согласно теории Фрейда оно набрало свою изна чальную силу но параллельно с этим развивалось и я . Так как инстинкты или оно служат всего лишь внутренним наполнителем то можно...
24119. Русская философия о человеке и обществе 15.01 KB
  Ориентация на гуманитарное знание на литературу и искусство на проблемы человека является безусловной доминантой в русской философии XX века. в виде религиозной философии человека. близкая к художественному творчеству Ориентация на гуманитарное знание на литературу и искусство на проблемы человека основа рус. во весь рост встали проблемы единства человека с космосом космической природы человека и космического масштаба человеческой деятельности.