Взаимодействие компьютеров в сети определяется специальными правилами которые называются

Обновлено: 04.07.2024

На рис. 11.4 показана модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимодействия этих двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон.

В сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закреплены разные области действия: протоколы определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы — модулей соседних уровней в одном узле.

Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, собственный протокол , а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.

Иерархически организованный набор протоколов , достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов .

Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней часто реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы верхних уровней — как правило, чисто программными средствами.

Программный модуль, реализующий некоторый протокол, часто для краткости также называют протоколом. При этом соотношение между протоколом как формально определенной процедурой и протоколом — программным модулем, реализующим эту процедуру, — аналогично соотношению между алгоритмом решения некоторой задачи и программой, решающей эту задачу.

Понятно, что один и тот же алгоритм может быть запрограммирован с разной степенью эффективности. Точно так же и протокол может иметь несколько программных реализаций . Именно поэтому при сравнении протоколов следует учитывать не только логику их работы, но и качество программных решений. Более того, на эффективность взаимодействия устройств в сети влияет качество всей совокупности протоколов, составляющих стек , в частности, то, насколько рационально распределены функции между протоколами разных уровней и насколько хорошо определены интерфейсы между ними.

Протоколы реализуются не только компьютерами, но и другими сетевыми устройствами — концентраторами , мостами , коммутаторами , маршрутизаторами и т. д. Действительно, в общем случае связь компьютеров в сети осуществляется не напрямую, а через различные коммуникационные устройства. В зависимости от типа устройства в нем должны быть встроенные средства, реализующие тот или иной набор протоколов.

Физический уровень определяет способ физического соединения компьютеров в сети. Основными функциями средств, относящихся к данному уровню, является побитовое преобразование цифровых данных в сигналы среды передачи, а также собственно передача сигналов по физической среде.

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие среды передачи. Среда передачи – это физическая среда, по которой возможно распространение информационных сигналов в виде электрических, световых и т.п. импульсов. В настоящее время выделяют два основных типа физических соединений: соединения с помощью кабеля и беспроводные соединения.

Технические характеристики среды передачи влияют на такие потребительские параметры сетей как максимальное расстояние передачи данных и максимальная скорость передачи данных.

Кабельные системы

Кабель (cable), используемый для построения компьютерных сетей, представляет собой сложную конструкцию, состоящую, в общем случае, из проводников, изолирующих и экранирующих слоев. В современных сетях используются три типа кабеля:

коаксиальный кабель (coaxial cable);
"витая пара" (twisted pair);
оптоволоконный кабель (fiber optic).

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством и обладает целым набором технических характеристик, влияющих на основные потребительские параметры сетей:

Тип кабеля

Характеристика

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в сеть. Кабель данного типа состоит из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим материалом, который, в свою очередь, окружен медной сеткой и/или алюминиевой фольгой. Этот внешний проводник обеспечивает заземление и защиту центрального проводника от внешней электромагнитной интерференции. При прокладке сетей используются два типа кабеля — "Толстый коаксиальный кабель" (Thicknet) и "Тонкий коаксиальный кабель" (Thinnet). Сети на основе коаксиального кабеля обеспечивают передачу со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная длина сегмента лежит в диапазоне от 185 до 500 м в зависимости от типа кабеля.

Витая пара

Кабель типа "витая пара" (twisted pair), является одним из наиболее распространенных типов кабеля в настоящее время. Он состоит из нескольких пар медных проводов, покрытых пластиковой оболочкой. Провода, составляющие каждую пару, закручены вокруг друг друга, что обеспечивает защиту от взаимных наводок. Кабели данного типа делятся на два класса — "экранированная витая пара" ("Shielded twisted pair") и "неэкранированная витая пара" ("Unshielded twisted pair"). Отличие этих классов состоит в том, что экранированная витая пара является более защищенной от внешней электромагнитной интерференции, благодаря наличию дополнительного экрана из медной сетки и/или алюминиевой фольги, окружающего провода кабеля. Сети на основе "витой пары" в зависимости от категории кабеля обеспечивают передачу со скоростью от 10 Мбит/с – 1 Гбит/с. Длина сегмента кабеля не может превышать 100 м.

Оптоволоконный кабель

Оптоволоконные кабели представляют собой наиболее современную кабельную технологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных на большие расстояния, устойчивую к интерференции и прослушиванию. Оптоволоконный кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного слоем стеклянного или пластикового покрытия и внешней защитной оболочкой. Передача данных осуществляется с помощью лазерного или светодиодного передатчика, посылающего однонаправленные световые импульсы через центральный проводник. Сигнал на другом конце принимается фотодиодным приемником, осуществляющим преобразование световых импульсов в электрические сигналы, которые могут обрабатываться компьютером. Скорость передачи для оптоволоконных сетей находится в диапазоне от 100 Мбит/c до 10 Гбит/с. Ограничение по длине сегмента зависят от используемого Стандарта Gigabit.

Топология сети

топологии сетей мы уже рассматривали в статье Топологии сетей.

Если сеть состоит всего из двух компьютеров, то они соединяются "напрямую". Такой способ соединения получил название "точка-точка" ("point-to-point").

Топология «Шина»

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального кабеля, называемый "шиной". Все сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине. На концах кабеля-шины устанавливаются специальные заглушки - "терминаторы" (terminator). Они необходимы для того, чтобы погасить сигнал после прохождения по шине. К недостаткам топологии "Шина" следует отнести следующее:

данные, предаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;
в случае повреждения "шины" вся сеть перестает функционировать.

Топология «Кольцо»

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек соединения; сеть замкнута, образуя неразрывное кольцо, по которому передаются данные. Эта топология подразумевает следующий механизм передачи: данные передаются последовательно от одного компьютера к другому, пока не достигнут компьютера-получателя. Недостатки топологии "кольцо" те же, то и у топологии "шина":

общедоступность данных;
неустойчивость к повреждениям кабельной системы.

Топология «Звезда»

В сети с топологией "звезда" все компьютеры соединены со специальным устройством, называемым сетевым концентратором или "хабом" (hub), который выполняет функции распределения данных. Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют. Благодаря этому, имеется возможность решения проблемы общедоступности данных, а также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы. Однако функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора.

Следует отметить, что термин топология может употребляться для обозначения двух понятий – физической топологии и логической топологии. Физическая топология – способ физического соединения компьютеров с помощью среды передачи, например, участками кабеля. Логическая топология определяет маршруты передачи данных в сети. Во многих случаях, физическая топология однозначно определяет логическую топологию. Однако существуют такие конфигурации, в которых логическая топология отличается от физической. Например, сеть с физической топологией «звезда» может иметь логическую топологию «шина» – все зависит от того, каким образом устроен сетевой концентратор.

Передача данных

Передача данных по физическим каналам подразумевает решение трех задач:

Способ физического кодирования определяется техническими характеристиками среды передачи. Наиболее известным и часто используемым способом является модуляция. Суть модуляции состоит в том, что по физическому каналу передается непрерывный синусоидальный сигнал (называемый несущим или опорным), физические параметры которого изменяются в соответствии со значениями информационного сигнала, представляющего данные. Модуляция используется, как правило, при передаче данных по каналам, специально не предназначенным для построения компьютерных сетей (например, телефонным).

Наряду с модуляцией для передачи данных могут использоваться различные виды цифрового кодирования, основанные на изменении уровня напряжения или полярности электрического сигнала. Поскольку сигналы, используемые для такого кодирования данных, достаточно легко искажаются под воздействием помех, то этот метод используется в каналах, специально предназначенных для построения именно компьютерных сетей и обладающих должными техническими характеристиками.

Для подключения компьютеров к среде передачи используются специализированные устройства. Основными функциями этих устройств является физическое кодирование и декодирование данных, а также синхронизация приема и передачи. Наряду с этим современные устройства могут решать задачи логической организации передачи, относящиеся к канальному уровню модели OSI. Наиболее известными в настоящее время устройствами являются модемы и сетевые адаптеры.

Модем (МОдулятор/ДЕМодулятор, Modem) представляет собой устройство, осуществляющее физическое кодирование данных методом модуляции. Существуют различные типы модемов для подключения к сетям по разным физическим каналам, как правило, не предназначенным для построения компьютерных сетей. Так, для подключения по телефонным линиям используются телефонные модемы (или - просто модемы, поскольку исторически под этим термином понималось устройство для подключения по телефонным линиям), для подключения по кабельным каналам - кабельные модемы, для подключения по радиоканалам - радиомодемы. Технические характеристики используемого канала накладывают ограничения на правила формирования сигналов (модуляции).

Обычно модемы используются для взаимодействия в сетях типа "точка-точка". В таких сетях не требуется сложной логической организации передачи, поскольку нет необходимости упорядочивать взаимодействие нескольких пар абонентов. К числу дополнительных функций, связанных с организацией передачи, можно отнести сжатие передаваемых данных и обнаружение и исправление ошибок с целью повышения эффективности и надежности передачи по низкокачественным каналам, например, телефонных (подробнее см. раздел "Канальный уровень").

Сетевой адаптер (сетевая плата, плата сетевого интерфейса, Network Interface Card) - это устройство, которое предназначено для подключения компьютера к высококачественным физическим каналам компьютерных сетей. Поэтому для физического кодирования передаваемых данных используются различные типы цифрового кодирования.

Поскольку компьютерные сети могут иметь сложные топологии? и в них одновременно могут осуществлять взаимодействие несколько пар абонентов, то требуется решать достаточно сложные задачи по упорядочиванию этого взаимодействия. Поэтому сетевые адаптеры реализуют также определенное число логических функций организации взаимодействия, например, адресации абонентов и упорядочивания одновременного доступа нескольких к общей физической линии и т.д. (подробнее см. раздел "Канальный уровень").

Начиная разговор о построении корпоративных сетей, вначале необходимо определиться с базовыми понятиями, которые будут использованы далее.

Первым из них является понятие «сеть» (net, или network). Это слово в русском языке имеет много разных значений и применяется для определения различных взаимодействий. Сеть может быть телефонной или рыболовной, может быть компьютерной или радиотрансляционной. Мы будем говорить о построении корпоративных сетей, объединяющих компьютеры организации, которые чаще всего называются компьютерными, или вычислительными, сетями. Что же такое компьютерная сеть? Наверное, самым простым и общим будет следующее определение: сеть появляется тогда, когда двум или более компьютерам (а на самом деле пользователям этих компьютеров) есть что разделять. Под разделением понимается совместное использование ресурсов. Сам процесс разделения (совместного использования) сетевых ресурсов называется сетевым взаимодействием (networking).

Совместное использование ресурсов может осуществляться разными способами, зависящими от имеющихся в наличии компьютерных средств.

Первый способ взаимодействия предполагает полностью централизованную обработку информации и ее хранение, обеспечивая работу пользователей с терминалов. Часто эту модель взаимодействия называют «терминал-хост» (terminal-host).

Пользователь взаимодействует с ресурсами центрального компьютера, используя для решения своих задач его процессор, оперативную и дисковую память, а также периферийные устройства. При этом очень часто пользователь работает не один, а совместно с другими пользователями, то есть ресурсы центрального компьютера используются в режиме разделения. Центральный компьютер должен работать под управлением операционной системы, поддерживающей такое взаимодействие, которое называется централизованным (centralized computing).

Дальнейшее развитие компьютерной индустрии шло различными путями, увеличивались вычислительные мощности компьютеров, предназначенных для работы по взаимодействию «терминал-хост», появились и начали бурно развиваться персональные компьютеры. Персональные компьютеры полностью управляются пользователем, все ресурсы компьютера используются в монопольном режиме для решения задач пользователя. Несмотря на рост вычислительной мощности процессоров, не весь спектр задач может быть решен одним компьютером. Появилась необходимость создания нового взаимодействия, новой структуры, направленной на распределенную обработку информации (distributed computing). В этой модели взаимодействия каждый из компьютеров может решать свои задачи, появляется специализация компьютера.

Компьютеры объединяются в вычислительную сеть. Задачи распределяются по компьютерам сети, что позволяет расширить функциональные возможности каждого из них путем разделения доступа к другим компьютерам.

В настоящее время актуальной и быстроразвивающейся является задача объединения распределенных компьютерных ресурсов для выполнения (решения) общей задачи. Такая модель взаимодействия называется совместными, или объединенными, вычислениями (collaborative computing). При этом задача распределяется по компьютерам, компьютеры обмениваются между собой общими данными, суммарная вычислительная мощность и доступные ресурсы (оперативная и дисковая память) увеличиваются, повышается отказоустойчивость всей системы в целом с точки зрения решения задачи. Как правило, распределенное выполнение задачи контролируется специальной системой управления, которая при отказе одного из компьютеров переложит выполнение его части работы на оставшиеся компьютеры.

Сравнительно новой моделью сетевых взаимодействий является организация взаимодействий пользователей сети с сетевыми сервисами. С точки зрения пользователя, его взаимоотношения со множеством компьютеров подпадают под определение «клиент-сеть» (client-network). Для пользователя сети в общем-то не существенно, где конкретно в сети располагаются выделенные ему ресурсы, он должен только уметь обратиться к ним, используя принятую в сети систему обращений. При таком подходе существенно упрощается работа всех пользователей сети, а сами сетевые ресурсы и сервисы должны быть доступны пользователю в любой момент времени. Повышение уровня готовности сетевых сервисов требует соответствующих технических решений, например повышения отказоустойчивости или дублирования сервисов.

В компьютерной сети присутствует много различных компонентов. Самыми видимыми пользователям сети являются две. Это сервер сети и клиент. Сервер (server — в дословном переводе с английского означает «тот, кто обслуживает») сети предназначен для обслуживания поступающих от клиента (client) сети запросов. Другими словами, клиент всегда запрашивает обслуживание, а сервер всегда обслуживает клиента. В некоторых случаях клиент может выступать и в роли сервера, обеспечивая обработку запросов от других клиентов и запрашивая обслуживание у других серверов. По способу взаимодействия серверов и клиентов определяют два вида сетей: «клиент/сервер» (client-server) и «равный с равным» (peer-to-peer). Поскольку клиентом сети является пользователь, работающий на компьютере, то сам компьютер пользователя, подключенный к сети, определяется термином «рабочая станция» (workstation). Этот термин употребляется наравне с термином «компьютер».

Часто модели «клиент/сервер» и «равный с равным» могут одновременно существовать в одной сети. Сети, построенные по принципу «равный с равным», называют также одноранговыми сетями, в которых все компьютеры имеют одинаковый статус — ранг.

Файловый сервис обеспечивает выполнение задач по организации удаленного доступа, совместного использования, быстрого переноса и тиражирования, резервного копирования файлов. Этот сервис предусматривает наличие централизованных хранилищ файлов, эффективное использование их дисковых систем.

Сервис печати позволяет пользователям коллективно получать доступ к устройствам печати через ограниченное количество интерфейсов (как правило, устройство печати имеет один, реже два интерфейса), разделять дорогостоящее специализированное оборудование печати, устранять ограничения расстояний между компьютером пользователя и устройством печати, организовывать и обрабатывать очереди запросов на печать.

Сервис приложений предоставляет пользователям возможность совместно применять не только данные (как в файловом сервисе), но и вычислительную мощность сервера для выполнения задач. При этом задача пользователя выполняется на процессоре сервера. Сервер приложений имеет специализацию, он оптимизирован для выполнения конкретных задач и должен поддерживать возможности дальнейшего наращивания своей вычислительной мощности.

Сервис баз данных предназначен для организации централизованного хранения, поиска и обеспечения защиты данных. Этот сервис реализуется серверами баз данных, программно-аппаратными комплексами, оптимизированными для выполнения перечисленных задач, снижения времени доступа пользователя к информации, управления территориальным местоположением информации в сети.

Общие сведения о сетевых устройствах.

Другими компонентами сети являются средства организации канала передачи данных между клиентами и серверами сети. В общем случае канал передачи данных строится с использованием следующих компонентов: среды передачи данных — проводная (wire) или беспроводная (wireless) — и интерфейсных карт (network interface card, NIC), обеспечивающих взаимодействие компьютера со средой передачи данных. Однако это не единственные средства, используемые для соединения компьютеров и формирования самой вычислительной сети. Объединять компьютеры в сеть и обеспечивать их взаимодействие помогают сетевые аппаратные и аппаратно-программные средства. Эти средства можно разделить на группы по их основному функциональному назначению: соединительные разъемы (connectors), повторители (repeaters), преобразователи (adapters), модемы (modems), мосты (bridges), хабы (hubs), коммутаторы (switches), маршрутизаторы (routers).

Наиболее часто применяемые при построении сетей проводные среды передачи данных создаются с помощью кабельных соединений, в которых используется либо металлический проводник электрических сигналов, либо волоконно-оптический проводник световых сигналов.

Беспроводные среды передачи информации предусматривают организацию взаимодействия между компьютерами посредством передачи световых (инфракрасных) и радиочастотных сигналов.

С помощью сред передачи данных и некоторых аппаратно-программных средств обеспечения межкомпьютерного взаимодействия формируется физическая топология сети, осуществляются физические соединения всех компьютеров и других сетевых средств.

5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЯХ

Можно дать несколько определений компьютерной сети.

Определение 1. Компьютерная сеть – это система распределенной обработки информации, состоящая как минимум из двух компьютеров, взаимодействующих между собой с помощью специальных сре дств св язи.

Определение 2. Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров и различных устройств, обеспечивающих информационный обмен без использования каких-либо промежуточных носителей информации (гибких дисков, компакт дисков, флэш-карт и тому подобных).

Определение 3. Компьютерная сеть – это объединение двух или более вычислительных машин специальными средствами связи, с помощью которых можно осуществлять обмен информацией между любыми включенными в сеть компьютерами.

Следует различать компьютерные сети и сети терминалов (терминальные сети). Компьютерные сети связывают компьютеры, каждый из которых может работать и автономно. Терминальные сети обычно связывают мощные компьютеры - майнфреймы ( mainframes ), а в отдельных случаях и персональные компьютеры с устройствами (терминалами), которые могут быть достаточно сложны, но вне сети их работа или невозможна, или вообще теряет смысл. Например, сеть банкоматов или касс по продаже билетов. Строятся они на совершенно иных, чем компьютерные сети, принципах и даже на другой вычислительной технике.

Достоинства объединения компьютеров в сеть:

1. возможность оперативного, практически мгновенного, обмена информацией между пользователями, имеющими доступ к компьютерам сети;

2. возможность совместного использования дорогостоящей и эффективной аппаратуры, включенной в состав сети (например, лазерных принтеров; устрой ств дл я записи на компакт-диски, dvd -диски; профессиональных сканеров; жесткого диска большой ёмкости);

3. возможность совместного использования программного обеспечения и данных, хранящихся в компьютерах сети, что позволяет экономить дисковую память, не дублируя файлы на каждом из компьютеров;

4. доступ к уникальной, то есть имеющейся в единичных экземплярах, информации для большого числа людей;

5. возможность использования для обработки информации более мощных компьютеров;

6. возможность объединения вычислительных мощностей для решения сложных задач.

Однако работа в сети выдвигает и целый ряд проблем:

1. сохранность ценной информации общего использования;

2. обеспечение надежности работы сетевой аппаратуры;

3. ограничение доступа к конфиденциальной информации;

4. защита от вирусов;

5. разрешение конфликтов, когда несколько пользователей одновременно пытаются использовать одну и ту же аппаратуру, одни и те же программы или данные.

Любая компьютерная сеть характеризуется топологией, протоколами, интерфейсами, сетевыми техническими и программными средствами.

· Топология – это способ соединения компьютеров в сети

· Сетевые технические средства – это различные устройства, обеспечивающие объединение компьютеров в единую компьютерную сеть.

· Сетевые программные средства осуществляют управление работой компьютерной сети и обеспечивают соответствующий интерфейс с пользователями.

Из-за сложности коммуникаций между системами и необходимости соблюдения различных коммуникационных требований протоколы разделяются на модульные уровни. Каждый уровень выполняет конкретную функцию для расположенного выше уровня. В настоящее время используется достаточно большое количество сетевых протоколов, причем в рамках одной и той же сети определяется сразу несколько из них.

Интерфейсы – это средства сопряжения функциональных элементов сети. Следует обратить внимание, что в качестве функциональных элементов могут выступать как от дельные устройства, так и программные модули. Соответственно различают аппаратные и программные интерфейсы.

Читайте также: