Информационные технологии управления

Вид материала

Документы

Содержание Контрольные вопросы 6.1. Системы телеобработки данных Рис. 6.1. Система телеобработки данных 6.2. Коммуникационные сети: основные элементы технологий Методы взаимодействия в сети Метод доступа к каналам связи Методы адресации Методы передачи данных 6.2.2. Протоколы передачи данных Пакетная передача данных Протоколы уровней модели OSI Канальный уровень Сеансовый уровень 6.2.3. Коммуникационное оборудование Средства линий передачи данных Витое двух- или трехжильное проводное соединение Коаксиальный кабель Оптоволоконные кабели Средства соединения линий передач с сетевым оборудованием Сетевой адаптер ... Полное содержание

Подобный материал:

• Темы рефератов по курсу «Основы автоматизированного управления», 13.91kb.
• Название Предмет Направление, 921.62kb.
• Информационные технологии в экономике и управлении, 1611.88kb.
• Рефераты по дисциплине «Информационные технологии в скс и Т. Оргтехника» Интернет-реклама,, 15.93kb.
• Вавилова в процессе проведения экзамена и приема зачетов по 2-м модулям дисциплины, 130.51kb.
• Тематический план изучения дисциплины «Информационные технологии управления» по специальности:, 363.97kb.
• Международная конференция «Информационные технологии в образовании и науке», 86.4kb.
• Программа-минимум кандидатского -экзамена по специальности 08. 00., 203.78kb.
• Программа минимум кандидатского экзамена по специальности 08. 00. 13 «Математические, 200.26kb.
• Программа «информатика и икт (информационные и коммуникационные технологии)», 443.93kb.

Контрольные вопросы

1. Что такое автоматизированное рабочее место?
   
2. Опишите уровни организационной иерархии предприятия (организации).
   
3. Охарактеризуйте трансакционные системы и приведите примеры систем.
   
4. Опишите средства автоматизации задач тактического уровня управления.
   
5. Охарактеризуйте системы стратегического уровня управления.
   
6. Приведите классификацию информационных систем по масштабу применения.
   
7. Что является отличительным признаком корпоративных информационных систем?
   
8. Дайте описание классов корпоративных информационных систем.
   
9. Что такое ERP-системы?
   
10. Что является предметом автоматизации на малых предприятиях. Приведите примеры программных средств.
    
11. Какие задачи реализуют информационные технологии на средних по размеру предприятиях?
    
12. Какие задачи реализуют информационные технологии на крупных предприятиях?
    

ГЛАВА 6. СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

6.1. Системы телеобработки данных

Бурное развитие систем телеобработки данных наблюдалось с начала 70-х гг. 20 в., когда оказалось, что существенный рост эффективности традиционных систем обработки данных возможен, если системы приблизить к местам создания и потребления информации.

Система телеобработки данных – совокупность технических и программных средств, предназначенная для обработки на ЭВМ данных, передаваемых по каналам связи.



Рис. 6.1. Система телеобработки данных


Терминалы – диалоговые или интерактивные устройства, предназначенные для ввода-вывода информации, первоначально с целью управления вычислительным процессом и наблюдения за его ходом, а в дальнейшем – для ввода и вывода исходных данных и результатов работы программ. Первоначально в качестве терминалов использовались механические устройства, заимствованные из смежных технологий (связь и оргтехника) телетайпы, телеграфные аппараты, электрические пишущие машинки. Применимость подобных устройств ограничивалась низкими скоростями обмена информацией с ЭВМ и трудностями исправления информации. Появление электронных терминалов, специально разработанных для использования с ЭВМ, привело к настоящему перевороту в применении машин, существенно приблизив все категории пользователей к вычислительному процессу. В настоящее время используются видеотерминалы различных типов (IBM 3270 фирмы IBM, TTY – телетайпы, ANSI и др.), а также специализированные терминалы типа банкоматов, кассовых аппаратов со сканерами штрих-кодов и др.

Абоненты системы (пользователи, технические объекты) подключаются к ЭВМ с помощью каналов связи. Канал связи состоит из линии связи, по которой передаются сигналы, и аппаратуры передачи данных, преобразующей данные в сигналы, соответствующие типу линии связи (канала).

В конце 70-х гг. повсеместно системы телеобработки данных стали объединяться каналами передачи данных. Наступила эпоха развития вычислительных сетей. Под термином «вычислительная сеть» понимают соединение между двумя и более компьютерами, которое позволяет им разделять локальные ресурсы (устройства, программы, данные). Данное определение указывает на основной принцип компьютерной сети, а именно предоставление ресурсов в совместное использование.

Вычислительная сеть - сеть, предназначенная для обработки, хранения и передачи данных.

В зависимости от расстояния между абонентскими системами вычислительные сети подразделяются на локальные, региональные и глобальные:

• локальные вычислительные сети (ЛВС, Local Area Network - LAN), объединяющие компьютеры в пределах небольшого ограниченного пространства, например, офиса или здания, имеют протяженность до 1 км;
  
• региональные вычислительные сети (РВС, Wide Area Network WAN), состоят из нескольких ЛВС, объединенных по территориальному или ведомственному признаку. К региональным принято относить сети, обслуживающие крупные корпорации (корпоративные сети), объединяющие университеты или ведомственные сети (например, сеть органов внутренних дел). Линии связи принадлежат корпорации или ведомству или арендуются у компании, специализирующейся на связи;
  
• глобальные вычислительные сети (ГВС, Global Area Network - GAN), дающие возможность объединять сети во всем мире.
  

Вычислительная состоит из:

• абонентских и административных систем;
  
• связывающей их коммуникационной сети.
  

Если сеть включает еще и информационные ресурсы и оказывает, таким образом, информационные услуги, она приобретает свойства информационной сети. На базе одной коммуникационной сети можно создать несколько информационных сетей. Вычислительные сети часто называют информационно-коммуникационными сетями.

6.2. Коммуникационные сети: основные элементы технологий

Назначение коммуникационных сетей – обеспечивать передачу данных. В процессе установления взаимодействия между двумя компьютерами задействуются многие аппаратные и программные компоненты. Составляющими технологии коммуникаций являются метод взаимодействия в сети, метод доступа компьютеров к каналам связи, методы и протоколы передачи данных, методы адресации, коммуникационное оборудование, топология сети, методы обслуживания работы узлов сети. Обеспече­ние технологии работы сети ложится на сетевую операционную систему.

6.2.1 Методы передачи данных

Методы взаимодействия в сети

При установлении связи между компьютерами, прежде всего, необходимо наличие физического соединения между ними. Данные в сети могут передаваться с помощью специального кабеля, по телефону или по радио. При передаче информации происходит физическое преобразование сигнала, так как сетевой кабель или телефонный провод имеет характеристики, отличные от характеристик шины компьютера. Необходимо обеспечить правильное преобразование информации. Для этого в компьютере пользуется сетевой адаптер (в случае кабеля) или модем (в случае соединения по телефону или радио).

Отдельные компьютеры вычислительной сети называют узлами сети, а линии передачи данных – каналами связи. Боле точно, узлом сети называется место входа канала связи в компьютер или другое устройство. Поскольку в месте входа всегда находится сетевой адаптер или модем, обычно узел сети отождествляется сетевым адаптером (соответственно, модемом). Если к компьютеру подсоединено несколько сетевых адаптеров, этому компьютеру соответствует несколько узлов сети.

Сообщения, передаваемые по сети, состоят из блоков содержательных данных и служебной информации. В компьютерных сетях циркулирует цифровая информация. Если отвлечься от физических характеристик сигнала, блок информации представляет собой набор нулей и единиц некоторой длины. Прежде чем данные будут физически переданы по каналу связи, они подвергаются многократной обработке несколькими сетевыми модулями. На разных этапах обработки эти данные могут называться по-разному: датаграммы, пакеты, кадры, сообщения.

При получении и расшифровке любого сообщения первой задачей является определение начала и конца посылаемого блока данных. Эта операция называется синхронизацией пакетов. Возможны три способа синхронизации: посылать блоки фиксированной длины, задавать длину блока в его начале; специфицировать конец блока специальным маркером. Все эти три способа используются на практике. Однако в любом случае получатель информации должен знать, какой способ использовал отправитель сообщения. Поэтому необходимо наличие заранее утвержденных соглашений о способах оформления блоков данных, передаваемых по сети. Эти соглашения в общем случае носят название протоколов передачи данных, или коммуникационных протоколов. Разные коммуникационные протоколы описывают разные уровни обслуживания процесса передачи данных и выполняют разные функции. Существуют протоколы, предназначенные для выполнения одних и тех же функций, но делающие это разными способами. Формально коммуникационный протокол включает описание полей служебной информации, которые добавляются к отправляемому пакету для выполнения различных функций обслуживания передачи данных, а также алгоритмы заполнения и использования этих полей. Поэтому часто под протоколом понимают как

• собственно соглашения о структуре передаваемого пакета, так и
  
• программы, которые осуществляют обработку информации согласно тому или иному протоколу.
  

Трафиком сети называется:

• сам процесс прохождения сигна­лов по линиям связи, а иногда —
  
• общий объем переданной по сети информации.
  

Под быстродействием сети понимается максимальный объем данных, который может быть передан по каналам связи сети в единицу времени.

Используемые в сетях каналы связи могут иметь самые различные физические характеристики. Кабель, используемый для связи, может быть узко- и широкочастотным: по узкочастотному кабелю может идти только один сигнал, в широкочастотном разные частоты служат для одновременной передачи нескольких сигналов. По оптоволоконному кабелю идет одновременно очень много сигна­лов, не мешающих друг другу. Полоса частот связи – это диапазон между самой низкой и самой высокой частотой сигнала, который может быть пропущен через данный канал связи.

Если передача по каналу связи может идти только в одном направлении, то такая связь называется симплексной. Полудуплексный канал связи разрешает передачу в любом направлении, но в каждый момент времени в каком-либо одном. Дуплексная связь – это постоянная передача в двух направлениях.

Метод доступа к каналам связи

Метод доступа компьютеров к каналам связи определяется возможностью управления сеансом передачи блока данных: можно ли его начать, как обеспечить согласование передачи для разных компьютеров, как сообщить другим узлам об окончании передачи и т.д. Детерминированные методы предполагают централизованное управление доступом узлов к сети, например выделение квантов времени узлам для передачи или посылка по сети определенного маркера, сигнализирующего разрешение на передачу. Недетерминированные методы доступа предполагают прослушивание канала: как только канал освобождается, можно начинать передачу.

Для разрешения доступа к каналу используется несколько приемов:

• передача разрешена, если компьютер получил специальный маркер – блок сигналов определенного содержания;
  
• сетевой адаптер прослушивает канал и начинает передачу только тогда, когда по сети не идет сигнал;
  
• время делится на периоды, и в течение одного периода передавать данные может только один определенный компьютер.
  

Методы адресации

Адресация обеспечивает идентификацию узлов сети, которые обмениваются друг с другом информацией во время взаимодействия. Структура каналов связи в сети часто достаточно сложна. Пакет, адресованный некоторому абоненту (т.е. компьютеру), передается по каналам связи от одного узла сети к другому. Пакет прочитывается в любом узле, через который он проследовал, поэтому при передаче сообщения обязательно должен быть указан адрес как ближайшего узла, так и настоящего получателя сообщения. Оба адреса составляются по разным правилам. Адрес соседнего узла удовлетворяет правилам сетевого протокола. При межсетевой передаче данных передаваемый пакет проходит через несколько сетей и конечный адрес должен содержать указатель сети назначения и компьютера в нем. Эти задачи решает транспортный протокол.

Методы передачи данных

Очень важна при работе в сетях проблема обнаружения ошибок. В большинстве случаев она решается за счет передачи избыточной информации и проверки контрольных соотношений при получении информации. В основном это связано с установкой битов четности и вычислением контрольных битов.

Во многих случаях обработка информационных сообщений перед их отправкой включает разбиение сообщения на более мелкие порции. Это разбиение называется коммутацией пакетов. Отдельные пакеты сообщения отправляются независимо друг от друга. При этом возникает естественная проблема образования сообщения из составляющих его пакетов. Для этого отправляемый пакет может снабжаться информацией о его месте в первичном сообщении.

Управление потоком данных служит для распределения и синхронизации информационных потоков. Дело в том, что разные каналы в сети и разные узлы сети могут иметь разные скорости передачи и обработки данных. В этом случае более медленное устройство (например, принтер) должно иметь буфер для хранения порций данных. В результате данные в некоторых узлах могут накапливаться. Необходимо предусмотреть механизм такого накапливания и дальнейшей передачи.

Необходим также механизм защиты сообщений, передаваемых по каналу связи и предназначенных определенному адресату, от прочтения его другим адресатом. Одним из таких механизмов защиты является то, что сообщения по сети передаются не целиком, а маленькими порциями. Тем не менее, программное обеспечение, управляющее распределением и контролем передачи данных в сети, должно иметь надежную защиту при приеме и передаче сообщений. Распределение, контроль и управление ограничениями доступа к информационным ресурсам сети вменяются в обязанность программ контроля доступа к информации. Брандмауэром сети (сетевым экраном) называется оборудование и программное обеспечение, цель которого — предотвращение несанкционированного проникновения в эту сеть. Методы восста­новления используются после прерывания процесса передачи данных вследствие сбоя, с тем, чтобы вернуться к определенному положению для повторной передачи информации.

6.2.2. Протоколы передачи данных

Эталонная модель сетевого взаимодействия открытых систем

Проблема стандартизации, характерная для современного развития общества в целом, в сфере распространения информации особенно остра из-за возникновения глобального информационного пространства. Программы, формирующие сообщения, и программы, принима­ющие сообщения, должны работать по одним правилам: или это должна быть одна программа, что нереально, или сетевые программы различных фирм должны удовлетворять кем-либо установленным соглашениям — протоколам.

Для процедур межсетевого взаимодействия за основу берутся стандарты, разработанные Международной организацией по стандартизации (International Standard Organization – ISO) и Институтом инженеров в области электротехники и электроники. Их название - «Стандарты взаимодействия открытых систем» (Open Systems Interconnection – Reference Model) или кратко – OSI Ref. Model. Другое название - «Семиуровневая эталонная модель сетевого обмена». Для того чтобы компьютеры могли обеспечить взаимодействия в рамках сети, существуют определенные правила связи, так называемые протоколы. Протоколы базируются на общепринятых стандартах: сетевой модели OSI, разработанной Международной организацией по стандартизации ISO в качестве стандартизированного подхода к взаимодействию компьютеров, Уровни взаимодействия определяют все: от стандартов физического сочинения компьютеров до протоколов обмена прикладного программного обеспечения. Стандарт ISO OSI определяет правила построения информационных пакетов каждого уровня и последовательность действий, выполняемых при обработке этих пакетов. Он реализуется в форме коммуникационных протоколов – формализованных правил, описывающих взаимодействие на различных уровнях обработки информации. Протоколы содержат как нормативную информацию, обязательную к исполнению, так и правила рекомендательного характера в использовании того или иного метода.

Преимущество многоуровневой модели в том, что уровни независимы друг от друга. Если новое программное обеспечение ориентировано на усложненный алгоритм обработки для выпол­нения каких-то дополнительных задач некоторого уровня, то достаточно изменить протокол и алгоритм этого уровня, оставив все прочие этапы неизменными.

Пакетная передача данных

В модели ISO OSI предполагается, что сообщение, которое один компьютер хочет передать другому, подвергается многоэтап­ной обработке. Каждый этап обработки решает задачи своего уровня и выполняется модулем соответствующего уровня. В результате пакет данных, составляющих сообщение, каждый раз видоизменяется. Порядок работы сетевых модулей при отправке сообщения – от высших уровней к низшим. Очередной модуль должен получить пакет одного типа от модуля высшего уровня и передать на вход модуля нижележащего уровня один или несколько пакетов другого типа. При приеме сообщения происходит обратный процесс. Сетевые модули на принимающем компьютере последовательно – от низших уровней к высшим – собирают пакеты для воссоздания исходного сообщения.

Пакеты данных на разных уровнях называются по-разному – кадры, пакеты, датаграммы. Использование эталонной модели позволяет при рассмотрении содержательных вопросов некоторого уровня сетевого взаимодействия представлять действительность таким образом, как будто модули этого уровня непосредственно обмениваются сообщениями. Например, передачу данных в Интернет можно свести к взаимодействию сетевых модулей, общающихся между собой согласно протоколам TCP/IP. Реально по каналам связи передаются только пакеты физического уровня, а пакеты остальных уровней реально существуют только в момент перехода от одного уровня обработки к другому.

Сама обработка пакетов довольно проста. Для обрабатывающего модуля входной пакет представляет собой неструктурированный блок данных. Этот пакет может быть разделен на несколь­ко более мелких пакетов (такая операция называется коммутацией пакетов). После этого к каждому составляющему пакету добавляется или служебный заголовок (в начало), или хвостовик (в конец), или и то и другое вместе. Говорят, что пакет «обертывается» в служебную информацию. Вложение пакетов одного уровня внутрь пакетов другого уровня называется инкапсуляцией пакетов.

Служебная информация обычно состоит из нескольких по­лей, содержание которых зависит от уровня обработки и используемых соглашений — протоколов. Значения полей используются при расшифровке сообщения, когда из обертывающего пакета извлекается содержащийся там исходный пакет, после чего несколько пакетов собираются в один (операция, также предусмотренная технологией коммутации пакетов). Заметим, что каждый пакет обычно содержит указание протокола, согласно правил которого он построен.

Протоколы уровней модели OSI

Модель OSI разбивает все задачи передачи данных в сети на семь уровней:

• физический;
  
• канальный;
  
• сетевой;
  
• транспортный;
  
• сеансовый;
  
• уровень представления данных;
  
• прикладной.
  

Основным назначением протоколов физического уровня является обеспечение физической связи и неразрывной с ней эксплуатационной готовности. Соответствующий заголовок описывает характеристики физической сети передачи данных, которая используется для межсетевого обмена. Это такие параметры, как напряжение в сети, сила тока, число контактов на разъемах и т.п. На физическом уровне выполняется преобразование данных, поступающих от следующего, более высокого уровня (уровень управления передачей данных), в сигналы, передающиеся по кабелю. Ответственным за этот уровень является аппаратное и программное обеспечение сетевого адаптера или модема. Пакеты на физическом уровне идентичны пакетам канального уровня.

Канальный уровень, или уровень управления линией передачи данных (иногда он называется линейным уровнем), управляет передачей пакетов в локальной сети. Заголовок протокола канального уровня описывает характеристики канала передачи данных между двумя узлами сети. На основе данных этого протокола происходит взаимодействие между драйверами устройств и устройствами, а также между операционной системой и драйверами Устройства. Примерами протоколов канального уровня являются стандарты SLIP (Serial Line Internet Protocol) или PPP (Point to Point Protocol) из семейства протоколов TCP/IP.

Пакеты, непосредственно передаваемые по линиям связи, называются кадрами. Канальный уровень обеспечивает поддержку логической линии связи. Это означает, что он берет на себя все служебные функции, позволяющие безошибочно передавать данные в сети. При возникновении ошибок автоматически выполняется повторная посылка кадра. Кроме того, на уровне управления линией передачи данных обычно обеспечивается правильная последовательность передаваемых и принимаемых кадров: если один компьютер передает другому несколько блоков данных, то принимающий компьютер получит эти блоки именно в той последовательности, в какой они были переданы.

При помощи канальных протоколов проверяется также наличие соединения между компьютерами. При наличии физического соединения необходимо подтверждение готовности сети к пе­редаче информации, которое касается передающего и принимающего узлов, а также канала связи. Для этого должна быть предусмотрена процедура опроса канала связи и обработки вариантов его ответа. Линейные протоколы предусматривают контроль правильности передаваемых данных и подтверждение отсутствия ошибок при передаче. После окончания передачи данных канал связи переводится в неактивное состояние.

При передаче текстов символы кодируются с помощью определенной кодовой таблицы, которая задается используемым протоколом. Семибитовое кодирование позволяет передавать заглавные и строчные буквы английского алфавита, а также некоторые спецсимволы. Восьмибитовый код позволяет кодировать также знаки национального алфавита и специальные знаки.

Канал связи или принимающее устройство могут быть не готовы к передаче данных из-за занятости или по другим причинам. Такая ситуация называется сетевым конфликтом, или коллизией. Для разрешения конфликта процесс передачи данных откладывается на определенное время, а затем повторяется. Поскольку при передаче информации по каналам связи возможны искажения, приводящие к ошибкам, приходится принимать некоторые меры для того, чтобы установить наличие ошибки в переданном сообщении и по возможности локализовать ее позицию в сообщении. Для этого к сообщению добавляются дополнительные разряды, вычисленные на основе разрядов сообщения по определенному алгоритму (обычно это биты четности). После передачи сообщения вычисле­ние повторяется, и в случае несовпадения делается вывод о наличии ошибки и сообщение передается заново.

На канальном уровне осуществляются управление доступом к передающей среде, используемой несколькими компьютерами, синхронизация пакетов, обнаружение и исправление ошибок. В локальных вычислительных сетях канальный уровень разбит на два подуровня: подуровень логической связи и подуровень доступа к среде. За канальный уровень отвечают в коллекции документов обеспечение сетевого адаптера, сетевые драйверы и сетевая ОС.

Протоколы сетевого уровня действуют в пределах локальной сети. На этом уровне сетевой модуль добавляет к сообщению информацию об отправителе и получателе сообщения и всю необходимую информацию для доставки пакета, по сети. Передающий узел должен знать, с какими компьютерами он соединен. Эта информация хранится в виде таблиц либо в самом компьютере, либо в том компоненте сети, который управляет всей сетью. Благодаря этим таблицам, зная сетевой адрес получателя, сетевой модуль осуществляет маршрутизацию пакета внутри локальной сети. При этом требуется наличие сетевого адреса в пакете.

Сетевой уровень должен обеспечивать обработку ошибок, мультиплексирование (т.е. выбор одного из нескольких протоколов), управление потоками данных. В частности, на этом уровне должны выполняться буферизация данных и обеспечение правильного порядка передаваемых пакетов данных. К этому уровню в системе протоколов TCP/IP относится протокол IP (Internet Protocol). Отвечает за этот уровень сетевое программное обеспечение передающего узла. Обычно эти функции выполняет сетевая ОС или сетевая оболочка.

Протоколы транспортного уровня поддерживают непрерывную передачу данных между двумя взаимодействующими друг с другом компьютерами вне зависимости от их месторасположения. Транспортный заголовок позволяет обеспечить надежность доставки данных. Сетевые модули транспортного уровня проверяют контрольные суммы и принимают решение о сборке сообщения в одно целое. Если предыдущий уровень (сетевой) определя­ет только правила доставки информации, то транспортный уровень отвечает за целостность доставляемых данных.

Служебная информация, которая добавляется к пакетам согласно протоколам транспортного уровня, должна обеспечить адресацию пакетов, обнаружение сбоев передачи и сборку сообщения из пакетов. Ответственными за этот уровень являются передающие узлы, участвующие в передаче информации, поэтому служебная информация содержит сведения и для передающих узлов. От нее зависят качество транспортировки и сервис транспортировки из конца в конец, минимизация затрат, непрерывная и безошибочная передача данных. Транспортный уровень может выполнять разделение передаваемых сообщений на пакеты на передающем конце и сборку на приемном. На этом уровне может выполняться согласование сетевых уровней различных несовместимых между собой сетей через специальные шлюзы. Например, такое согласование требуется для объединения локальных сетей в глобальные. В частности, в системе протоколов TCP/IPB транспортный уровень представлен двумя протоколами: TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagramm Protocol).

Сеансовый уровень используется в тех случаях, когда прикладные программы на разных компьютерах обмениваются информацией несколько раз в рамках одного сеанса связи. В таких случаях кроме собственно данных необходимо передавать запросы на проведение сеанса и подтверждение к установлению сеансовой связи. Для координации необходимы контроль рабочих параметров сеанса связи и устройств, участвующих в передаче информации, управление потоками данных промежуточных накопителей и диалоговый контроль, гарантирующий передачу данных. Кроме того, сеансовый уровень дополнительно содержит функции управления паролями, подсчета платы за пользование ресурсами сети, управления диалогом, синхронизации и отмены связи в сеансе передачи после сбоя вследствие ошибок в нижерасполо­женных уровнях. Ответственной за этот уровень является сама прикладная программа.

В некоторых случаях передаваемый блок информации представляет собой данные в одном из стандартных форматов: это могут быть тексты, таблицы, картинки, аудиоданные и т.д. В этом случае пакет снабжается заголовком, задающим используемый формат. Кроме того, часто передаваемая информация сжимается с помощью одного из стандартных архиваторов. Указания подобного рода добавляются к пакету на уровне представления данных. Этот уровень задает формат представления данных в сообщении, их кодирование и сжатие, на этом будет основываться расшифровка данных принимающей стороной. Уровень представления данных предназначен для интерпретации данных, а также для их подготовки для пользовательского прикладного уровня. Так, если в состав сети входят рабочие станции с разным внутренним представлением данных (например, персональные компьютеры и мэйнфреймы), необходимо выполнить преобразование кодов символов.

Подготовка сообщения к передаче начинается с прикладного уровня. Ответственна за этот уровень та прикладная программа, которая посылает сообщение, а служебная информация используется той прикладной программой, которая сообщение получает. Например, к прикладному уровню относится обработка сообщений электронной почты, а также такие сервисы Интернета, как FTP, Telnet, HTTP и т.п.

6.2.3. Коммуникационное оборудование

Базой коммуникационных сетей являются физические средства соединения. В их качестве выступают различные типы каналов. В современных коммуникационных сетях используются телефонный и оптоволоконный каналы, радио- и спутниковый каналы, используется как аналоговый, так и цифровой способы передачи данных.

Средства линий передачи данных

В качестве средств коммуникации в сети используются проводные среды (телефонные линии, специальный провод, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель) и беспроводные (радиоволны). При выборе типа кабеля учитывают такие показатели, как стоимость монтажа и обслуживания, скорость передачи информации, ограничения на величину расстояния передачи информации (без дополнительных усилителей-повторителей), безопасность передачи данных.

Витое двух- или трехжильное проводное соединение, часто называемое витой парой, является наиболее дешевым кабельным соединением, позволяющим передавать информацию со скоростью до 10 Мбит/с. Оно легко наращивается, однако хуже защищено от помех по сравнению с другими типами кабеля. Для повышения помехозащищенности информации часто используют экранированную витую пару, т.е. витую пару, помещенную в экранирующую оболочку подобно экрану коаксиального кабеля. Это увеличивает стоимость витой пары и приближает ее цену к цене коаксиального кабеля.

Коаксиальный кабель имеет среднюю цену и хорошо защищен от помех, применяется для связи на большие расстояния (несколько километров). Скорость передачи может достигать 100 Мбит/с. Коаксиальный кабель используется для основной и широкополосной передачи информации. Широкополосный коаксиальный кабель невосприимчив к помехам, легко наращивается, но цена его выше. Скорость передачи информации 500 Мбит/с. При передаче информации в базисной полосе частот на расстояние более 1,5 км требуется усилитель (или повторитель, или репитер, или активный концентратор). При этом суммарное расстояние при передаче информации может увеличиваться до 10 км. Для качественной работы коаксиальный кабель должен иметь на кон­це специальное поглощающее устройство (терминатор).

Оптоволоконные кабели являются наиболее дорогими. Для передачи информации в них используется свет. Скорость распространения информации по оптоволоконному кабелю достигает 10 Гбит/с (в перспективе 50 Гбит/с). Длина кабеля не ограничена. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. На данный момент это наиболее дорогостоящее соединение для сетей, используемое при больших помехах или при необходимости передачи информации на любые расстояния без использования повторителей. Техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна, поэтому подсоединиться к нему практически невозможно.

Радиоканал получает все большее распространение. Организация беспроводной сети требует, чтобы рабочие станции находились в зоне прямой видимости от коммутатора. Тем не менее, отсутствие необходимости в прокладке кабеля к каждой рабочей станции делает такую сеть привлекательной для небольшого офиса либо при временной сети. Беспроводные технологии также часто применяются для организации связи с удаленным сегментом сети при помощи, например, радиомодема.

На спутниковой связи в последнее время основывается все большая часть каналов связи. Выделяют три типа коммуникаци­онных спутников:

• спутники на низких орбитах (Low Earth Orbit – LEO) характеризуются высотой орбиты от 290 до 1600 км и скоростью, превышающей скорость вращения Земли. Низкоорбитные спутники к нам ближе, и для того чтобы связываться с ними, нужна более слабая аппаратура, чем для геостационарных спутников. Но вместе с тем близость к Земле порождает проблемы в эксплуатации. Во-первых, спутники касаются атмосферы, следовательно, появляются помехи. Во-вторых, существует некоторая неустойчивость орбиты – спутник начинает «плавать», что усложняет работу наземных устройств слежения (требуются устройства большей мощности).
  
• среднеорбитные спутники (Middle Earth Orbit – МЕО) летают на высоте 10—16 тыс. км. Их угловая скорость также больше скорости Земли.
  
• высота орбиты спутников на геостационарных/геосинхронных орбитах (Geostationary Earth Orbit – GEO) около 35 тыс. км. Скорость вращения спутника этого типа согласована со скоростью вращения Земли, поэтому он «висит» над одной точкой над экватором. Это значительно упрощает работу следящих устройств ретрансляционных станций.
  

При цифровом способе передаче данных в зависимости от использования модуляции различают основополосные, узкополосные и широкополосные каналы. При передаче на основной частоте задействовано два канала: один канал - для передачи голоса, графики и данных другой – для передачи видеоинформации. Суммарная скорость каналов составляет 80 кб/с. При узкополосной передаче используется 24-30 каналов по 64 кб/с, суммарная скорость каналов составляет 1,5 -2 Мб/с. При передаче широкой полосой возможно достижения скорости передачи данных – до 150 Мб/с. Примером такой сети является сеть TWBNET – трансконтинентальная широкополосная сеть. Высокопроизводительные коммуникационные сети называются «базовые сети».

Средства соединения линий передач с сетевым оборудованием

Средства соединения линий передач с сетевым оборудованием реализуют ввод-вывод данных с оконечного оборудования в сеть.

Сетевой адаптер – устройство сопряжения компьютера и сети. Сетевой адаптер запрограммирован на выполнение части базовых функций, связанных с передачей данных. Он взаимодействует с процессором при помощи своих входов, которые идентифицируются с портами компьютера. Управляется сетевой адаптер командами, поступающими в порты, и далее сам формирует Управляющие сообщения, передаваемые по каналам связи, на­пример запросы к серверу. Сетевой адаптер принимает все сообщения, передаваемые по присоединенному каналу связи, и отбирает из них только те, которые адресованы данному компьютеру, полученное сообщение хранится в буфере сетевого адаптера до тех пор, пока процессор не даст команду принять это сообщение. Если сообщение должно быть послано сетевым адаптером, оно ожидает своей очереди в специальном буфере до тех пор, пока не образуется перерыв в передаче данных по сети, после чего сообщение отправляется по каналу связи. Сетевой адаптер обеспечивает также проверку правильности передачи сообщения по сети и в случае неудачи повторяет сообщение.

Сетевым драйвером называется программа, непосредственно взаимодействующая с сетевым адаптером. Задача сетевого драйвера – перевод запросов процессора в команды, понятные сетевому адаптеру, и наоборот.

Сетевым модулем называется системная программа, которая осуществляет обработку пакетов согласно тому или иному коммуникационному протоколу. Сетевой модуль взаимодействует с сетевым драйвером, программами се­тевой операционной системы или другими сетевыми модулями. Драйвер сетевого адаптера и, возможно, другие модули, специфичные для конкретной сети передачи данных, представляют сетевой интерфейс.

Средства увеличения дистанции передачи данных

Средства увеличения дистанции передачи данных осуществляют усиление сигналов или преобразование в форму, удобную для дальнейшей передачи.

Репитер обеспечивает сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче на большие расстояния;

Мостом называется узел сети, через который соединяются две сети, построенные по одной и той же технологии. Мост анализирует адреса всех сообщений, проходящих по обеим сетям. Те из них, которые адресованы своей сети, он не трогает, а сообщения, адресованные другой сети, он запускает в этой второй сети.

Шлюз связывает две сети с разными протоколами передачи данных и разными типами сетевого оборудования. Например, шлюз прикладного обеспечения может преобразовывать сообщения электронной почты из одного формата в другой. В частности, брандмауэром служит такой шлюз локальной сети, который анализирует входящие и исходящие сообщения, защищая сеть от несанкционированного доступа и не давая возможности передавать во внешнюю сеть служебную информацию без специального разрешения.

Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов в аналоговые и обратно.

Средства повышения емкости линий передачи данных

Средства повышения емкости линий передачи данных позволяют реализовывать нескольких логических каналов в рамках одного физического соединения.

Разветвитель используют для подключения нескольких рабочих станций к одному каналу связи. Разветвитель позволяет разветвить сигнал, идущий по одному каналу связи, на два или три канала.

Повторитель способен, если тре­буется продублировать сигнал более чем в трех экземплярах, одновременно его усилить. Часто его называют хаб, от англ. Hub. Иногда разветвитель и повторитель называют пассивным и активным концентратором. Пассивный концентратор может использоваться, если расстояние до рабочей станции не превышает нескольких десятков метров. Т.е. концентраторы (разветвители, хабы) – устройства, коммутирующие несколько каналов связи на один путем частотного разделения.

Мультиплексор – сетевой модуль, позволяющий продублировать сообщение и одновременно передать его сразу по нескольким каналам связи, а также объединять сообщения из нескольких каналов связи в один. Часто мультиплексором называют и концентратор, выполняющий указанные функции, т.е. это - устройство, позволяющее использовать отдельный канал связи для одновременной передачи данных от многих источников.

Средства управления информационными потоками в сети

Средства управления информационными потоками в сети (коммутацией каналов, коммутацией пакетов, разветвением линий передач) осуществляют адресацию сообщений.

Маршрутизатор - устройство межсетевого взаимодействия, предназначенное для пересылки пакетов в нужный сегмент локальной сети. Маршрутизатор (пакетный коммутатор) необходим, когда требуется соединить две или несколько сетей – возможно, с разной технологией. Он хранит таблицу адресов всей сетевой структуры. В отличие от моста он имеет в сети свой адрес и может использоваться для промежуточного хранения информации. Роль маршрутизатора выполняет один из компьютеров сети. В то время как мосты анализируют адреса сообщений и тратят много времени на их сорти­ровку, маршрутизаторы не способны анализировать сообщения, зато они могут выбрать оптимальный маршрут следования сообщения между сетями. Маршрутизаторы объединяют сети с одинаковыми протоколами, но с различными технологиями. Маршрутизатор работает после приема пакета от шлюза или до отправки пакета шлюзом.

Топологии сети

Топологией сети называется геометрическая форма соединения узлов сети. Наиболее распространены топология типа звезды, кольцевая топология и шинная топология.

Концепция топологии типа звезды позаимствована из технологии соединений узлов в больших ЭВМ, в которых центральный процессор получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств. В сети со звездной топологией один узел является центральным. Он соединен каналами связи со всеми остальными узлами, которые обычно называются рабочими станциями. Каждый канал входит в центральный узел через свой сетевой адаптер. Благодаря этому связь рабочей станции с центральным узлом независима от связей остальных станций. 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. Коллизий (столкновений) при передаче данных не возникает. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии. При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы имеющиеся кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология типа 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 невысока 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, так как вся вычислительная сеть управляется из центра.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу. По одному сетевому адаптеру компьютер принимает сообщение от одной станции, а по другому он это сообщение отправляет. Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если рабочие станции географически расположены далеко от кольца (например, в линию).

В такой сети сообщения циркулируют 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 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 (зато неисправности в кабельных соединениях локализуются легко). При подключении новой рабочей станции сеть должна быть отключена. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме одного канала связи, доступного для всех рабочих станций, к которому они подключаются. Все рабочие станции имеют право получать и посылать сообщения по сети. Адресат сообщения указывается в самом передаваемом пакете. В ЛВС с шинной технологией может существовать только одна станция, передающая информацию. Ситуация, когда два узла одновременно собираются отправить сообщение, называется коллизией. Для предотвращения коллизий применяется один из способов разрешения конфликтов, называемых шинным арбитражем. Один способ заключается в назначении каждому компьютеру своего кванта времени для передачи. Другой способ основан на широкополосной передаче информации: каждая рабочая станция получают свою частоту, на которой она может отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах. Для этого между оборудованием для передачи информации и рабочими станциями должны находиться модемы для модуляции и демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объем информации.

Наряду с перечисленными топологиями вычислительных се­тей на практике применяется и комбинированная, например древовидная, структура. Она образуется в основном в виде комбинаций названных топологий вычислительных сетей. От основной шины в отдельных узлах с использованием концентраторов расходятся коммуникационные линии, к которым подключаются рабочие станции. В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют пассивные или активные концентраторы с усилителем для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Управление отдельной рабочей станцией в древовидной сети происходит так же, как и в обычной линейной сети.

В СССР одной из первых ЛВС стала  ЛВС в ФИАН им. П. Н. Лебедева (Москва), созданная в 1975 г.

Архитектура сетей

Различают одноранговые сети и централизованные сети (сети клиент/сервер). Основной принцип одноранговых сетей – это то, что любой компьютер может быть как клиентом, так и сервером, т.е. в таких сетях отсутствует цен­трализованное управление ресурсами. Поскольку пользователи имеют идентичный «ранг» в отношении использования любых ресурсов сети, это также означает отсутствие приоритета в доступе к ресурсам (например, к использованию файла или возможностей печати). Кроме этого, каждый из пользователей компьютеров, объединенных в такую сеть, является вроде системного администратора собственных ресурсов и по своему усмотрению может предоставлять, не предоставлять либо лимитировать доступ к ресурсам, а также ограничивать доступ посредством пароля. Одноранговые сети просты в установке и настройке и наиболее доступны в приобретении и эксплуатации. Тем не менее, в качестве недостатков можно выделить:

• низкий уровень безопасности таких сетей как с точки зрения доступа к данным, так и с точки зрения их сохранности. Под­держка безопасности доступа к данным обеспечивается только на уровне пользователей или рабочих групп, однако инструменты для обеспечения безопасности в рамках сети в целом отсутствуют. Кроме этого, децентрализация резервного копирования данных, при которой каждый пользователь отвечает за сохранность собственных данных, не является наиболее эффективным решением;
  
• недостаточные возможности для поиска данных. Поскольку в рамках одноранговой сети каждый из компьютеров может выступать как в качестве клиента, так и в качестве сервера путем разделения ресурсов, пользователям сложно определить, где хранится интересующая их информация. В случае если интересующий файл может предположительно храниться на одном из пяти компьютеров, пользователь вынужден будет просматривать ресурсы всех компьютеров по очереди;
  
• падение производительности при получении доступа к ресурсу. Как правило, персональные компьютеры не обладают достаточной мощностью, чтобы выступать в качестве сервера, поэтому падение производительности у компьютера при работе с совместными ресурсами в рамках сети — норма для одноранговой сети.
  

В централизованных сетях основной упор делается на более мощный по отношению к остальным компьютер-сервер, который управляет обменом данными и является основным ресурсом сети с установленным специальным программным обеспечением, предоставляющим сервисы и ресурсы для остальных компьютеров. Такая машина называется файл-сервер (или файловый сервер). Файл-серверы могут быть выделенными или невыделенными. В первом случае файл – сервер не может использоваться как рабочая станция и выполняет только задачи управления сетью. Во втором случае параллельно с задачей управления сетью файл-сервер выполняет обычные пользовательские программы. Однако при этом снижается производительность файл-сервера и надежность работы всей сети.

Благодаря централизации обеспечивается безопасность хранения данных, в том числе и физическая (как правило, доступ серверу ограничивается), резервное копирование информации. Кроме этого, пользователи не ощущают падения производительности работе с сетью в отличие от одноранговой сети, так как общие ресурсы находятся на более производительном компьютере. Хранение, поиск данных, а также печать в такой сети также централизованы. Сеть клиент/сервер легче масштабируется, т.е. с ростом предприятия, одноранговые сети могут стать чересчур медленными и неуправляемыми; при наличии сервера, сеть может эффективно обслуживать большее количество пользователей одновременно. С другой стороны, централизованные сети требуют более значительных инвестиций. Неисправность сервера как основного ресурса делает сеть неработоспособной, что, в свою очередь, ставит вопрос о резервном копировании/восстановлении данных в качестве насущного. Кроме этого, для обслуживания такой сети необходим подготовленный персонал, способный обеспечить установку, настройку и поддержку специализированного оборудования и программного обеспечения.

Таким образом, при организации сети необходимо соблюдать баланс разумного и желаемого. В том случае, если сеть не требует централизации, компьютеры находятся в рамках нескольких удаленных друг от друга помещений, а нагрузка на сетевые ресурсы перспективе не приведет к значительному падению их произвольности, лучше ограничиться одноранговой сетью.