Способы коммутации и передачи данных

Вычислительные сети классифицируются по различным признакам. Се­ти, состоящие из программно-совместимых ЭВМ, являются гомогенными или однородными. Если ЭВМ, входящие в сеть, программно несовместимы, то такая сеть называется неоднородной или гетерогенной.

По типу организации передачи данных различают сети:

ü с коммутацией каналов;

ü с коммутацией сообщений;

ü с коммутацией пакетов.

Иногда сети используют смешанные системы передачи дан­ных.

По характеру реализуемых функций сети подразделяются на:

ü вычислительные, предназначенные для решения задач, требующих вы­числительной обработки исходной информации;

ü информационные, предназначенные для получения справочных данных по запросам потребителей информации;

ü смешанные, в которых реализуются вычислительные и информационные функции.

По способу управления вычислительные сети делятся на сети с децентрализованным, централизованным и смешанным управлением. В первом случае каждая ЭВМ, входящая в состав сети, включает полный набор программных средств для координации выполняемых сетевых операций. Се­ти такого типа сложны и дороги, так как операционные системы отдельных ЭВМ разрабатываются с ориентацией на коллективный доступ к общему по­лю памяти сети. При этом в каждый конкретный момент времени доступ к общему полю памяти предоставляется только для одной ЭВМ. А координа­ция работы ЭВМ осуществляется под управлением единой операционной системы сети.

В условиях смешанных сетей под централизованным управлением ве­дется решение задач, обладающих высшим приоритетом и, как правило, свя­занных с обработкой больших объемов информации.

По структуре построения (топологии) сети подразделяются на одноузловые и многоузловые, одноканальные и многоканальные. Топология вы­числительной сети во многом определяется структурой сети связи, то есть способом соединения абонентов друг с другом и ЭВМ. Различают следующие топологии сетей: радиальная или звездообразная, кольцевая, многосвяз­ная ("каждый с каждым"), иерархическая, "общая шина" и др., рис. 23.

В сети с общей шинойодна из машин служит в качестве системного об­служивающего устройства, обеспечивающего централизованный доступ к общим файлам и базам данных, печатающим устройствам и другим вычисли­тельным ресурсам. Сети данного типа приобрели большую популярность бла-

годаря низкой стоимости, высокой гибкости и скорости передачи данных, лег-

Рис. 23. Основные типы структур сетей ЭВМ

кости расширения сети (подключение новых абонентов к сети не сказыва­ется на ее основных характеристиках). К недостаткам шинной топологии следует отнести необходимость использования довольно сложных протоко­лов и уязвимость в отношении физических повреждений кабеля.

Кольцевая топологияхарактеризуется тем, что информация по кольцу может передаваться только в одном направлении, и все подключенные ком­пьютеры могут участвовать в ее приеме и передаче. При этом абонент-получатель должен пометить полученную информацию специальным марке-

ром, иначе могут появиться "заблудившиеся" данные, мешающие нормаль­ной работе сети. Кольцо особенно уязвимо в отношении отказов: выход из строя какого-либо сегмента кабеля приводит к прекращению обслуживания всех пользователей (последовательная структура - ничего не поделаешь). Разработчики сетей приложили немало усилий, чтобы справиться с этой про­блемой. Защита от повреждений или отказов обеспечивается либо замыкани­ем кольца на обратный (дублирующий) путь, либо переключением на запас­ное кольцо. И в том, и в другом случае сохраняется общая кольцевая техно­логия.

Иерархическая сеть(конфигурация типа "дерево") представляет собой более развитой вариант структуры, построенной на основе общей шины. Де­рево образуется путем соединения нескольких шин с корневой системой, где размещаются самые важные компоненты сети. Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами сети несколько этажей в зда­нии или несколько зданий на одной территории, и реализуется, как правило, в сложных системах, насчитывающих десятки и сотни абонентов.

Радиальную или звездообразнуюконфигурацию можно рассматривать как дальнейшее развитие структуры "дерево с корнем" с ответвлением к каж­дому подключенному устройству. В центре сети обычно размещается комму­тирующее устройство, обеспечивающее жизнеспособность системы, рис. 24.

Сети подобной конфигурации находят наиболее частое применение в автомати­зированных учрежденческих системах уп­равления, использующих центральную базу данных. Звездообразные сети, как правило, менее надежны, чем сети с об­щей шиной или иерархические, но путем дублирования оборудования центрального узла эта проблема решается просто.

К недостаткам можно отнести также значительное потребление кабеля (иногда в несколько раз превышающее расход в аналогичных по функциональным возможностям сетях с общей шиной или и иерархических). Наиболее сложной и дорогой является многосвязная топология, в кото­рой каждый узел связан со всеми другими узлами сети. Эта топология при­меняется очень редко, в основном там, где требуются исключительно высо­кие надежность сети и скорость передачи данных.

На практике чаще встречаются гибридные сети, приспособленные к тре­бованиям конкретного заказчика и сочетающие фрагменты шинной, звездо­образной и других топологий.

В зависимости от используемых систем передачи данных и средств вы­числительной техники локальные сети подразделяются на четыре группы.

К первой группе относятся сети, ориентированные на массового пользо­вателя. Такие сети объединяют в основном персональные компьютеры с по­мощью недорогих систем передачи данных, обеспечивающих передачу ин­формации на расстояние 100-500 метров со скоростью 2400 - 19200 бод*.

Ко второй группе относятся сети, объединяющие, кроме персональных компьютеров, микропроцессорную технику, встроенную в технологическое оборудование (кассовые аппараты, средства автоматизации проектирования, обработки документальной информации и др.), а также средства электронной почты. Система передачи данных таких сетей обеспечивает передачу инфор­мации на расстояние до 1 км со скоростью от 19200 бод до 1 Мбод. Стои­мость передачи данных в таких сетях примерно на 30% превышает стоимость передачи в сетях первой группы.

К третьей группе относятся сети, объединяющие персональные компь­ютеры, миниЭВМ и ЭВМ среднего класса. Эти сети используются для орга­низации управления сложными производственными процессами с примене­нием робототехнических комплексов и гибких автоматизированных модулей, а также для создания крупных систем автоматизации проектирования, систем управления научными исследованиями и т.д. Системы передачи данных в та­ких сетях имеют среднюю стоимость и обеспечивают передачу информации на расстояние до нескольких километров со скоростью 120 Мбод.

Для четвертой группы характерно объединение в своем составе всех классов ЭВМ. Такие сети применяются в сложных системах управления крупными производственными объединениями и даже отдельной отраслью. Они включают в себя основные элементы всех предыдущих групп. В рамках данной группы сетей могут применяться различные системы передачи дан­ных, в том числе обеспечивающие передачу информации со скоростью от 10 до 50 Мбод на расстояние до 10 км. В своем составе они могут содержать разветвленную сеть соединений между различными абонентами, по функ­циональным возможностям сети этой группы мало, чем отличаются от ре­гиональных сетей, обслуживающих крупные города, районы и области.

Способы коммутации и передачи данных. Основная функция систем передачи данных в условиях функционирова­ния вычислительных сетей заключается в организации быстрой и надежной передачи информации произвольным абонентам сети, а также в сокращении затрат на передачу данных. Последнее особенно важно, так как за прошедшее десятилетие произошло увеличение доли затрат на передачу данных в общей структуре затрат на организацию сетевой обработки информации. Это объяс­няется тем, что затраты на техническое обеспечение вычислительных сетей сократились за этот период примерно в десять раз,а затраты на организацию и эксплуатацию каналов связи сократились только вдвое.

Важнейшая характеристика сетей передачи данных - время доставки информации - зависит от структуры сети передачи данных, пропускной спо­собности линий связи, а также от способов соединения каналов связи между взаимодействующими абонентами сети и способа передачи данных по этим каналам. В настоящее время различают системы передачи данных с постоян­ным включением каналов связи (некоммутируемые каналы связи) и комму­тацией на время передачи информации по этим каналам.

При использовании некоммутируемых каналов связи средства приема-передачи абонентских пунктов и ЭВМ постоянно соединены между собой, то есть находятся в режиме "on-line". В этом случае отсутствуют потери време­ни на коммутацию, обеспечивается высокая степень готовности системы к передаче информации, более высокая надежность каналов связи и, как след­ствие, достоверность передачи информации. Недостатками такого способа организации связи являются низкий коэффициент использования аппаратуры и линий связи, высокие расходы на эксплуатацию сети. Рентабельность по­добных сетей достигается только при условии полной загрузки этих каналов.

При коммутации абонентских пунктов и ЭВМ только на время передачи информации, то есть в режиме "off-line", принцип построения узла коммута­ции определяется способами организации прохождения информации в сетях передачи данных.

Передача информации в сети между абонентами осуществляется много­уровневыми протоколами обмена, что позволяет максимально эффективно организовать взаимодействие абонентов сети. Как правило, обмен информа­цией между абонентами сети на нижнем уровне осуществляется с помощью фиксированных блоков (фрагментов) информации, которые называют паке­тами или кадрами. При коммутации пакетов перед началом передачи сооб­щение разбивается на короткие пакеты фиксированной длины, которые затем передаются по сети. Сетевой адаптер и его управляющая программа ориен­тированы на передачу и прием именно пакетов. В пункте назначения эти па­кеты вновь объединяются в первоначальное сообщение, а так как их дли­тельное хранение в запоминающем устройстве узла связи не предполагается, то пакеты передаются от узла к узлу с минимальной задержкой во времени. При коммутации пакетов их фиксированная длина обеспечивает эффектив­ность обработки пакетов, предотвращает блокировку линий связи и значи­тельно уменьшает емкость требуемой промежуточной памяти узлов связи. Кроме того, сокращается время задержки при передаче информации, то есть скорость передачи превышает аналогичную скорость при коммутации сообщений целиком.

Кадры сообщений могут быть переданы в самых разных ситуациях, в том числе:

• для открытия сеанса связи с другим адаптером;

• при передаче данных, например, файла;

• для подтверждения приема кадра данных;

• при посылке общего сообщения всем адаптерам;

• при закрытии сеанса связи.

Формат типичного кадра приведен на рис. 25. Структуры кадров в раз­личных сетях могут быть разными, но некоторые разделы присутствуют во всех вариантах. К ним относятся:

• сетевой адрес отправителя;

• сетевой адрес получателя;

• идентификатор содержимого кадра;

• данные или сообщение;

• контрольная сумма или код CRC (Cyclic Redundancy Check) - цикли­-
ческий избыточный контроль для обнаружения возможных ошибок при пе-­
редаче.

Рис. 25. Типичная структура кадра информации

Рис. 26. Многоуровневая структура кадра

Различные фирмы-производители сетей по-разному разбивают на этапы процедуру передачи сообщений, но всегда руководствуются при этом моде­лью OSI.

Модель OSI.Международной организацией по стандартам (ISO) разра­ботана эталонная модель OSI (Open System Interconnection) взаимодействия открытых информационных сетей, принятая в качестве международного стандарта. В коммуникационных протоколах модели OSI предусмотрено семь уровней, характеризующих любую систему связи и взаимодействующих на строго иерархической основе по принципу "снизу вверх". Пока что в боль­шинстве сетевых операционных систем используется не более четырех уровней. Каждый уровень должен быть "самодостаточен" и связан с осталь­ными вполне определенным интерфейсом. На рис. 27 представлена модель OSI. Кратко рассмотрим каждый из уровней модели.

Физический. Осуществляет сопряжение с каналом. На этом уровне определены фи­-

зические и электрические параметры коммуникационных устройств сети (разъемов, витых пар, волоконно-оптических и коак­сиальных кабелей, буферных усилителей и т.д.). Это чисто аппаратный уровень. Несмотря на то, что операции на остальных уровнях могут быть реализованы как с по­мощью специализированных интеграль­ных схем, так и программно, все же они считаются программными по отношению к физическому уровню.

Уровень линии связи. Осуществляет уп­равление передачей информации по каналу,

На этом уровне определяются те электри- Рис. 27. Модель OSI

ческие сигналы (импульсы), которые поступают в сеть или принимаются из се­ти. Здесь и только здесь формируются структура и способы электрического представления передаваемой информации (последовательности битов, спо­собы кодирования, эстафеты). На этом же этапе обнаруживаются и корректи­руются ошибки (организуются запросы повторную передачу ошибочно пере­данной информации). Поскольку этот уровень достаточно сложен, его часто разделяют на две ступени: управления доступом к носителю информации (MAC - Media Access Control) и управления линией связи (LLC - Logical Link Control). Процедуры подуровня MAC касаются непосредственной организа­ции доступа к сети (передача эстафеты, контроль за столкновениями) и управления сетью. На подуровне LLC, более высоком, чем MAC, происходят передача и прием сообщений пользователей.

Управление каналом (линией связи) включает:

· генерацию стартового канала и организацию начала передачи инфор-­
мации;

· передачу информации по каналу;

· проверку получаемой информации и исправление ошибок;

· отключение канала при его неисправности и восстановление передачи
после его ремонта;

· генерацию сигнала окончания передачи и перевод канала в пассивное состояние.

Сетевой уровень. На этом уровне осуществляется адресация и определе­ние маршрутов прохождения пакетов данных. Процедуры этого уровня "про­кладывают" путь информации между системой-отправителем и системой-получателем и ответственны за "доставку" сообщений по необходимым адре­сам.

Уровень транспортировки. Реализуемые на этом уровне функции управляют процессом передачи информации по пути, определенном на пре­дыдущем уровне. Если в сети пересылаются одновременно более одного па­кета, процедуры этого уровня управляют очередностью их передачи, да и во­обще движением информации в сети. Одной из важных операций является поиск и уничтожение "двойников" - дублирующих друг друга пакетов.

Сессионный уровень. Реализованные на этом уровне функции позволяют скоординировать работу приложений, выполняющихся на двух рабочих станциях, в единый процесс {сессию или сеанс), то есть организовать очень сложный по своей структуре диалог. На этом уровне формируется сеанс, происходит управление пересылкой пакетов, имеющих к нему отношение, и организуется завершение сессии.

Уровень представления данных. Если в сети совместно должны работать компьютеры разных типов (например, фирм IBM, Apple, DEC и др.) то, как правило, приходится прибегать к преобразованию данных в форматы, приня­тые в этих компьютерах. Процедуры этого уровня предназначены именно для таких преобразований.

Уровень прикладных программ. Именно этот уровень в модели OSI "ви­дит" прикладная программа. Здесь сообщение, которое должно быть переда­но по сети, "входит" в модель, "спускается" вниз до физического уровня, пе­редается на другую рабочую станцию, а затем "поднимается" по уровням вверх до тех пор, пока не дойдет до программы-приложения на другом ком­пьютере.

Последние три уровня непосредственно связаны с организацией взаимо­действия прикладных программ пользователей, а также с вводом, хранением, обработкой данных и выдачей результатов. Все процессы, проходящие на этих уровнях, носят название прикладных. Это главные процессы в комму­никационных системах. Именно ради них создаются сети, в том числе и ло­кальные.

Каждый из уровней модели OSI выполняет указания уровня, располо­женного над ним. Так, физический уровень обслуживает канальный уровень,

который принимает распоряжения сетевого уровня и т.д. В результате при­кладной уровень использует сервис всех остальных уровней процессов взаи­модействия. Однако уровни работают так, чтобы в нужных случаях можно было проверить работу других уровней. Так, если канальный уровень слу­чайно пропустит ошибку, появившуюся при передаче информации, то ее оп­ределит и исправит транспортный уровень.

Одной из причин, по которой многие сетевые операционные системы оказываются чисто "фирменными" (в отличие от систем с открытой архи­тектурой) является то, что в них не выполняются требования международ­ного стандарта OSI.

В принципе в любую структуру сети может быть подключен любой компьютер, если он способен выполнять не только прикладные процессы, но и процессы взаимодействия. Это значит, что компьютер ставший абонентом сети, должен иметь: аппаратуру сопряжения с сетью и передачи данных, спе­циальное программное обеспечение, реализующее процессы взаимодействия, оперативную память достаточной емкости для хранения специального про­граммного обеспечения.

Лекция 23