Основные требования к вычислительным сетям. Модели взаимодействия открытых систем, понятие протокола.

Требования, предъявляемые к современным вычислительным сетям

Вычислительная сеть создается для обеспечения потенциального доступа к любому ресурсу сети для любого пользователя сети. Качество доступа к ресурсу как глобальная характеристика функционирования сети может быть описана многими показателями, выбор которых зависит от задач, стоящих перед вычислительной сетью. Среди основных показателей можно выделить следующие:

1. производительность;

2. надежность;

3. управляемость;

4. расширяемость;

5. прозрачность.

1) Производительность вычислительной сети может быть оценена с разных позиций. С точки зрения пользователя, важным числовым показателем производительности сети является время реакции системы, особенно в той части, которая относится к работе сети. Время реакции - это время между моментом возникновения запроса и моментом получения ответа. Время реакции зависит от многих факторов, таких как используемая служба сети, степень загруженности сети или отдельных сегментов и др. Поэтому при оценке производительности работы сети определяется среднее время реакции.

Пропускная способность сети определяется количеством информации, переданной через сеть или ее сегмент в единицу времени. Пропускная способность сети характеризует, насколько быстро сеть может выполнить свою основную задачу передачи информации. Пропускная способность определяется в битах в секунду.

2) Надежность работы вычислительной сети определяется надежностью работы всех ее компонентов. Для повышения надежности работы аппаратных компонентов обычно используют дублирование, когда при отказе одного из элементов функционирование сети обеспечат другие.

При работе вычислительной сети должна обеспечиваться сохранность информации и защита ее от искажений. Как правило, информация в сети хранится в нескольких экземплярах (для повышения надежности). В этом случае необходимо обеспечить согласованность данных (например, идентичность копий при изменении информации).

Одной из функций вычислительной сети является передача информации (передача осуществляется порциями, которые называются пакетами), во время которой возможны ее потери и искажения. Для оценки надежности исполнения этой функции используются показатели вероятности потери пакета при его передаче, либо вероятности доставки пакета.

В современных вычислительных сетях важное значение имеет другая сторона надежности - безопасность. Это способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа. Задачи обеспечения безопасности решаются применением как специального программного обеспечения, так и соответствующих аппаратных средств.

Управляемость

При работе вычислительной сети, которая в идеале объединяет отдельные компьютеры в единое целое, необходимы средства не только для наблюдения за работой сети, сбора разнообразной информации о функционировании сети, но и средства управления сетью. В общем случае система управления сетью должна предоставлять возможность воздействовать на работу любого элемента сети. Должна быть обеспечена возможность осуществлять мероприятия по управлению с любого элемента сети. Управлением сетью занимается администратор сети или пользователь, которому поручены эти функции. Обычный пользователь, как правило, не имеет административных прав.

Другими характеристиками управляемости являются возможность определения проблем в работе вычислительной сети или отдельных ее сегментов, выработка управленческих действий для решения выявленных проблем и возможность автоматизации этих процессов при решении похожих проблем в будущем.

Расширяемость

Любая вычислительная сеть является развивающимся объектом, и не только в плане модернизации ее элементов, но и в плане ее физического расширения, добавления новых элементов сети (пользователей, компьютеров, служб). Существование таких возможностей, трудоемкость их осуществления входят в понятие расширяемости. Другой похожей характеристикой является масштабируемость сети, которая определяет возможность расширения сети без существенного снижения ее производительности. Обычно одноранговые сети обладают хорошей расширяемостью, но плохой масштабируемостью. В таких сетях легко добавить новый компьютер, используя дополнительный кабель и сетевой адаптер, но существуют ограничения на количество подключаемых компьютеров в связи с существенным падением производительности сети. В многосегментных сетях используются специальные коммуникационные устройства, которые позволяют подключать к сети значительное количество дополнительных компьютеров без снижения общей производительности сети.

5) Прозрачность вычислительной сети является ее характеристикой с точки зрения пользователя. Эта важная характеристика должна оцениваться с разных сторон. Прозрачность сети предполагает скрытие (невидимость) особенностей сети от конечного пользователя. Пользователь обращается к ресурсам сети как к обычным локальным ресурсам компьютера, на котором он работает.

Вычислительная сеть объединяет компьютеры разных типов с разными операционными системами. Пользователю, у которого установлена, например, Windows, прозрачная сеть должна обеспечивать доступ к необходимым ему при работе ресурсам компьютеров, на которых установлена, например, UNIX. Другой важной стороной прозрачности сети является возможность распараллеливания работы, между разными элементами сети. Вопросы назначения отдельных параллельных заданий отдельным устройствам сети также должны быть скрытыми от пользователя и решаться в автоматическом режиме.

Интегрируемость означает возможность подключения к вычислительной сети разнообразного и разнотипного оборудования, программного обеспечения от разных производителей. Если такая неоднородная вычислительная сеть успешно выполняет свои функции, то можно говорить о том, что она обладает хорошей интегрируемостью.

Современная вычислительная сеть имеет дело с разнообразной информацией, процесс передачи которой сильно зависит от типа информации. Передача традиционных компьютерных данных характеризуется неравномерной интенсивностью. При этом нет жестких требований к синхронности передачи. При передаче мультимедийных данных качество передаваемой информации в существенной степени зависит от синхронизации передачи. Сосуществование двух типов данных с противоположными требованиями к процессу передачи является сложной задачей, решение которой является необходимым условием вычислительной сети с хорошей интегрируемостью.

Основным направлением развития интегрируемости вычислительных сетей является стандартизация сетей, их элементов и компонентов. Все стандарты можно разделить на следующие виды:

стандарты отдельных фирм;

стандарты специальных комитетов и объединений, создаваемых несколькими фирмами;

стандарты национальных организаций по стандартизации;

международные стандарты.

Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся большим количеством организаций. Среди них необходимо выделить те, которые давно и успешно работают в области стандартизации вычислительных сетей.

Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization - ISO). Эта организация известна разработкой модели взаимодействия открытых систем, которая в настоящее время является "эталонной" моделью вычислительной сети.

Международный союз электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) - организация при Организации Объединенных Наций, в которой существует телекоммуникационный сектор (ITU-T). ITU-T отвечает за разработку стандартов в области телекоммуникационного оборудования и услуг (телефонии, электронной почты, факсимильной связи, телетекста, телекса, передачи данных, аудио- и видеосигналов).

Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике - Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE - национальная организация США, определяющая стандарты электронных коммуникаций. Самыми известными его стандартами являются стандарты, разработанные группой 802 (802.1, 802.2, 802.3 и 802.5), которые описывают общие понятия, используемые в области локальных сетей.

Европейская ассоциация производителей компьютеров (ЕСМА) - некоммерческая организация, активно сотрудничающая с ITU-T и ISO. Она занимается разработкой стандартов и технических обзоров, относящихся к компьютерной и коммуникационной технологиям.

Американский национальный институт стандартов - American National Standarts Institute, ANSI. ANSI представляет США в международной организации ISO. Стандарт технологии FDDI является разработкой этого института.

Модель взаимодействия открытых систем OSI.

Управление процессом передачи и обработки данных в сети, требует стандартизации следующих процедур:

• выделения и освобождения ресурсов компьютеров и системы телекоммуникации;

• установления и разъединения соединений;

• маршрутизации, согласования, преобразования и передачи данных;

• контроля правильности передачи;

• исправления ошибок и др.

Указанные задачи решаются с помощью системы протоколов и стандартов, определяющих процедуры взаимодействия элементов сети при установлении связи и передаче данных.

Протокол — это набор правил и методов взаимодействия объектов вычислительной сети.

Протоколы для сетей — то же самое, что язык для людей. Говоря на разных языках, люди могут не понимать друг друга, — также и сети, использующие разные протоколы.

Международной организацией по стандартизации (ISO)разработана система стандартных протоколов, получившая название модели взаимодействия открытых систем (OSI), часто называемая также эталонной семиуровневой логической моделью открытых систем.

Открытая система – система, доступная для взаимодействия с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

Эта система протоколов базируется на разделении всех процедур взаимодействия на отдельные мелкие уровни, для каждого из которых легче создать стандартные алгоритмы их построения.

Модель OSI представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов, она же служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования. В настоящее время модель взаимодействия открытых систем является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью.

В общем случае сеть должна иметь 7 функциональных уровней (табл. 1.1).

Таблица 1.1.Уровни модели OSI

Прикладной уровень(application) – управляет запуском программ пользователя, их выполнением, вводом-выводом данных, управлением терминалами, административным управ­лением сетью. На этом уровне обеспечивается предоставление пользователям раз­личных услуг, связанных с запуском его программ. На этом уровне функционируют технологии, являющиеся как бы надстройкой над передачей данных.

Уровень представления(presentation) – интерпретация и преобразование передаваемых в сети данных к виду, удобному для прикладных процессов. На практике многие функции этого уровня задействованы на прикладном уровне, поэтому протоколы уровня представлений не получили развития и во многих сетях практически не используются.

Сеансовый уровень(session) – организация и проведение сеансов связи между прикладными процессами (инициализация и поддержание сеанса между абонентами сети, управление очередностью и режимами передачи данных). Многие функции этого уровня в части установле­ния соединения и поддержания упорядоченного обмена данными на практике реализуются на транспортном уровне, поэтому протоколы сеансового уровня име­ют ограниченное применение.

Транспортный уровень(transport) – управление сегментированием данных и транспорти­ровкой данных от источника к потребителю (т.е. обмен управляющей информацией и установление между абонентами логического канала, обеспечение качества пе­редачи данных). Протоколы транспортного уровня развиты очень широко и интенсивно используются на практике. Большое внимание на этом уровне уделено контролю достоверности передаваемой информации.

Сетевой уровень(network) – управление логическим каналом передачи данных в сети (адресация и маршрутизация данных). Каждый пользователь сети обязательно использует протоколы этого уровня и имеет свой уникальный сетевой адрес, используемый протоколами сетевого уровня. На этом уровне выполняется структуризация данных — разбивка их на пакеты и присвое­ние пакетам сетевых адресов.

Канальный уровень(data—link) – формирование и управление физическим ка­налом передачи данных между объектами сетевого уровня (установление, поддер­жание и разъединение логических каналов), обеспечение “прозрачности” физических соединений, контроля и исправления ошибок передачи.

Физический уровень(physical) – установление, поддержание и расторжение со­единений с физическим каналом сети. Управление выполняется на уров­не битовцифровых (импульсы, их амплитуда, форма) и аналоговых (амплитуда, частота, фаза непрерывного сигнала).

Блоки информации, передаваемые между уровнями, имеют стандартный формат: заголовок (header), служебная информация, данные, концевик. Каждый уровень при передаче блока информации нижестоящему уровню снабжает его своим заголовком. Заголовок вышестоящего уровня воспринимается нижестоящим как пе­редаваемые данные.

Средства каждого уровня отрабатывают протокол своего уровня и интерфейсы с со­седними уровнями.

Указанные уровни управления можно по разным признакам объединять в группы:

- уровни 1, 2 и частично 3 реализуются в большей части за счет аппаратных средств; верхние уровни с 4 по 7 и частично 3 обеспечиваются программными средствами;

- уровни 1 и 2 ответственны за физические соединения; уровни 3-6 заняты организацией передачи, передачей и преобразованием информации в понятную для абонентской аппаратуры форму; уровень 7 обеспечивает выполнение прикладных программ пользователя.