Курс лекцій „Комп’ютерні мережі

Вид материалаКурс лекцій

Содержание


2. Обчислювальні мережі як частковий випадок розподілених систем (систем телеобробки).
Мультипроцесорний комп’ютер
Багатомашинна система
1. Мережі ЕОМ локальні.
Глобальна обчислювальна мережа (ГлОМ, Wide Area Network, WAN)
Мережеві протоколи
1.2. Ієрархічна організація мереж.
Кінцева система (end system)
Проміжна система (intermediate system) –
1.3. Еталонна модель взаємодії відкритих систем ISO/OSI.
Еталонна модель взаємодії ISO/OSI.
Фізичний рівень
Мережевий рівень
Транспортний рівень
Сеансовий рівень
Представницький рівень
Прикладний рівень
1.4. Модель та протокольний граф ТСР/ІР.
1.5. Фізичний рівень.
1.5.2. Перешкоди, шуми, спотворення.
...
Полное содержание
Подобный материал:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Курс лекцій „Комп’ютерні мережі”

1

Вступ.

1. Еволюція обчислювальних систем.

Концепція обчислювальних систем є логічним результатом еволюції комп’ютерних технологій. Перші комп’ютери 50-х рр. були призначені для невеликої кількості користувачів, а також були громіздкими та дорогими. Вони не були призначені для інтерактивної роботи користувача, а використовувалися у режимі пакетної обробки.

Системи пакетної обробки як правило будувалися на базі мейнфрейма – потужного та надійного комп’ютера універсального призначення. Користувачі могли отримати результати розрахунків лише на наступний день після видачі завдання на перфокартах. На той час інтерактивною взаємодією, під час якої користувач міг коригувати результати розрахунків доводилося пожертвувати, оскільки пакетний режим дозволяв найефективніше використати обчислювальні потужності машини.

По мірі здешевіння процесорів на початку 60-х рр. почали з’являтися нові способи організації обчислювального процесу, зокрема багатотермінальні системи розподілення часу. Кожен з кількох користувачів отримував у своє розпорядження термінал, з допомогою якого він міг спілкуватися із комп’ютером; до того ж, час реакції обчислювальної системи був достатньо малий для того, щоб не помітити паралельної роботи кількох користувачів. Користувач міг отримати доступ до спільних файлів та периферійних пристроїв, при цьому у нього підтримувалася ілюзія повного одноосібного володіння комп’ютером. Такі багатотермінальні системи стали першим кроком на шляху до створення локальних комп’ютерних мереж. Основним їх недоліком було те, що вони все ще зберігали централізованих характер обробки даних.

Перші мережі виникли як результат вирішення досить простого завдання – організації доступу до комп’ютера з терміналу, віддаленого на сотні і тисячі кілометрів. Термінали під’єднувалися до комп’ютерів через телефонні мережі з допомогою модемів. Потім з’явилися системи, у яких поряд із віддаленими з’єднаннями типу “термінал-комп’ютер” було реалізовано і віддалені зв’язки типу “комп’ютер-комп’ютер”. Комп’ютери отримали можливість обмінюватися даними у автоматичному режимі, що і є базовим механізмом обчислювальної мережі. Саме при побудові перших глобальних мереж було запропоновано та відпрацьовано більшість основних ідей та концепцій сучасних обчислювальних мереж.

На початку 70-х рр. завдяки появі великих інтегральних схем стало можливим створення міні-комп’ютерів, які стали реальними конкурентами мейнфреймів. Навіть невеликі підрозділи підприємств отримали можливість купувати комп’ютери, що призвели до появи концепції розподілу комп’ютерних ресурсів по всьому підприємству. Для об’єднання таких комп’ютерів у мережу спочатку використовувалися різноманітні нестандартні пристрої спряження із своїми власними способами представлення даних на лініях зв’язку, своїми типами кабелів і т.д.

У середині 80-х рр. було затверджено перші стандартні технології об’єднання комп’ютерів у мережу – Ethernet, Token Ring. Значним стимулом для їх створення послужила появи ПК. Ці масові продукти стали ідеальним матеріалом для побудови мереж – вони є достатньо потужними для роботи мережевого програмного забезпечення, а з іншого боку, вони потребують об’єднання своїх обчислювальних потужностей для розв’язування складних задач.

На даний момент мережі продовжують розвиватися. З’являються все більш високошвидкісні канали зв’язку, високоінтелектуальне комутуюче обладнання дозволяє будувати великі розподілені корпоративні мережі. У мережах обробляється невластива їм раніше інформація – голос, відеозображення.

2

2. Обчислювальні мережі як частковий випадок розподілених систем (систем телеобробки).

Комп’ютерні мережі відносяться до розподілених (або децентралізованих) обчислювальних систем. Оскільки основною ознакою розподіленої обчислювальної системи є наявність кількох центрів обробки даних, існує ще кілька видів таких систем.

Мультипроцесорний комп’ютер містить кілька процесорів, кожен із яких може відносно незалежно від решти виконувати свою програму. Спільна для всіх операційна система оперативно розподіляє навантаження між процесорами, а взаємодія між ними здійснюється через спільну оперативну пам’ять.

Мультипроцесорний комп´ютер не підтримує територіальної розподіленості, але його перевагами є висока продуктивність, яка досягається за рахунок паралельної роботи кількох процесорів та відмовостійкість – за рахунок надлишковості.

Багатомашинна система – це обчислювальний комплекс, який включає у себе декілька комп´ютерів (кожен із яких працює під керуванням власної ОС), а також програмні та апаратні засоби зв´язку комп´ютерів, які забезпечують роботу всього комплексу як єдиного цілого.

Порівняно із мультипроцесорними системами можливості паралельної обробки у багатомашинних системах обмежені – зв´язок між комп´ютерами менш тісний, ніж між процесорами. Апаратні та програмні зв´язки між обробляючими пристроями менш тісні. Територіальна розподіленість також не забезпечується, оскільки відстані між комп´ютерами визначаються довжиною зв´язку між процесорним блоком та дисковою підсистемою.

У обчислювальних мережах програмні та апаратні зв´язки є ще більш слабкими, а автономність обробляючих блоків проявляється максимальним чином – основними елементами мережі є стандартні комп´ютери, які не мають ні спільних блоків пам´яті, ні спільних периферійних пристроїв. Взаємодія відбувається за рахунок передачі повідомлень через мережеві адаптери та канали зв´язку.

3

1. Мережі ЕОМ локальні.

1.1. Основні поняття та визначення.

Локальна обчислювальна мережа (ЛОМ, Local Area Network, LAN) – високошвидкісна обчислювальна мережа, яка оперує на порівняно невеликих географічних відстанях.

Глобальна обчислювальна мережа (ГлОМ, Wide Area Network, WAN) – мережа передачі даних, яка оперує на порівняно великих географічних відстанях та часто використовує передаюче обладнання громадського використання – наприклад, телефонні лінії.

Процес передачі інформації від одного додатку до іншого описується так званою моделлю взаємодії відкритих систем (Open System Interconnection, OSI). Вона складається з 7 рівнів, кожен з яких забезпечує виконання специфічних мережевих функцій.

Власне обмін даними як фізичний процес здійснюється між мережевими пристроями за каналами зв’зку (КЗ) згідно з певними протоколами.

КЗ складається із фізичної лінії зв’язку, якою передаються електричні або світлові сигнали, та апаратури передачі даних (АПД). АПД входить до складу мережевого пристрою і служить для перетворення інформації з вигляду, у якому вона представлена у мережевому пристрої, у вигляд, в якому вона передається лінією.




Рис. 1.1.1. Структура каналу зв’язку.

Протокол – це формальний набір правил та узгоджень, який управляє обміном інформацією за каналами зв’язку. Комунікаційні протоколи можна поділити на:
  • Протоколи локальних мереж – оперують на фізичному та канальному рівнях моделі OSI та описують передачу даних через середовище локальних мереж;
  • Протоколи глобальних мереж – оперують на трьох нижніх рівнях моделі OSI та описують передачу даних через середовище глобальних мереж;
  • Протоколи маршрутизації – протоколи мережного рівня, які відповідають за обмін інформацією між маршрутизаторами для вибору оптимального маршруту мережею;
  • Мережеві протоколи – різноманітні протоколи верхніх рівнів, які існують у певних протокольних стеках.

Як правило, обмін інформацією за протоколом здійснюється не повідомленнями в цілому, а певними частинами, які мають чітко визначену структуру і містять як управляючу (службову), так і смислову інформацію. Структура такого блоку даних залежить від того, згідно з яким протоколом здійснюється обмін. Блок певної структури, визначеної для певного протоколу, називається протокольним блоком даних (ПБД, Protocol Data Unit, PDU)

4

1.2. Ієрархічна організація мереж.

Великі мережі, як правило, мають ієрархічну структуру. Така організація надає певні переваги, зокрема: легкість управління, гнучкість, зменшення надлишкового трафіку (інформації, що передається мережею).

Існує певна термінологія, затверджена Міжнародною організацією із стандартизації (International Organization for Standardization, ISO) яка застосовується для позначення мережевих пристроїв у ієрархічних системах.




Рис. 1.2.1. Ієрархічна організація мереж.

Ділянка (area) – це логічно згруповані мережеві сегменти та під’єднані до них пристрої. Ділянки є підрозділами автономних систем.

Автономна система (autonomous system) – це мережевий комплекс, який об’єднаний єдиною політикою адміністрування та поділяє єдину стратегію маршрутизації.

Кінцева система (end system) – мережевий пристрій, який не здійснює маршрутизації або інших дій по перенаправленню трафіку. Типова КС – термінал, ПК, принтер.

Проміжна система (intermediate system) – мережевий пристрій, який забезпечує маршрутизацію або інші функції по перенаправленню трафіку. Типові ПС – маршрутизатори, комутатори, мости.

Існує 2 типи ПС: інтрадоменні (функціонують в межах єдиної автономної системи) та інтердоменні (функціонують між автономними системами).

5

1.3. Еталонна модель взаємодії відкритих систем ISO/OSI.

Еталонна модель OSI являє собою 7-рівневу мережеву ієрархію, яка описує процес передачі даних між мережевими пристроями, розроблену ISO. Слід зауважити, що модель не забезпечує процесу передачі даних, а лише описує, або моделює його. Фактично, ця модель містить в собі 2:
  • горизонтальну модель на базі протоколів, яка забезпечує механізм взаємодії програм та процесів на різних мережевих пристроях;
  • вертикальну модель на основі послуг, які забезпечуються сусідніми рівнями один одному на одному мережевому пристрої.

В горизонтальній моделі двом програмам необхідна наявність спільного протоколу для обміну даними. У вертикальній сусідні рівні обмінюються даними з допомогою інтерфейсів.


Application

Прикладний




Application

Прикладний

Presentation

Представницький




Presentation

Представницький

Session

Сеансовий




Session

Сеансовий

Transport

Транспортний




Transport

Транспортний

Network

Мережевий




Network

Мережевий

Data Link

Канальний




Data Link

Канальний

Physical

Фізичний




Physical

Фізичний

Рис. 1.3.1 Еталонна модель взаємодії ISO/OSI.


Зв’язки між парними рівнями моделі OSI є віртуальними – кожен рівень взаємодіє з парним йому лише з допомогою сусідніх, а не напряму. Але ця взаємодія є прозорою, тобто невидимою для кожного конкретного рівня.

Фізичний рівень отримує дані від канального і перетворює їх у оптичні або електричні сигнали, які відповідають 0 і 1 бінарного потоку. Ці сигнали посилаються через середовище передачі на приймаючий вузол. Механічні і електричні/оптичні властивості середовища передачі даних визначаються на фізичному рівні та включають в себе:
  • типи кабелів і роз’ємів;
  • розводку контактів у роз’ємах;
  • схему кодування сигналів для значень 0 і 1.

Канальний рівень забезпечує створення, передачу та прийом ПБД канального рівня - кадрів (Frame). Цей рівень обслуговує запити мережевого рівня і використовує сервіс фізичного рівня для прийому і передачі кадрів. Стандарти ISO ділять канальний рівень на 2 підрівні: підрівень управління логічним каналом (Logical Link Control, LLC), який забезпечує взаємодію із мережевим рівнем і не залежить від конкретної технології, яка використовується, та підрівень контролю доступу до середовища (Media Access Control, MAC), який регулює доступ до розділюваного фізичного середовища і залежить від конкретної реалізації мережі.

Мережевий рівень відповідає за логічну адресацію учасників обміну інформацією та маршрутизацію – вибір оптимального шляху між учасниками обміну інформацією. ПБД мережевого рівня є пакет (packet).

Транспортний рівень ділить потоки інформації на такі ПБД як сегменти (segment), а також відповідає за надійну і достовірну передачу інформації та за контроль потоку даних.

Сеансовий рівень відповідає за організацію сеансів обміну даними між кінцевими машинами. Функції сеансового рівня забезпечуються протоколами, які є складовою частиною функції всіх трьох верхніх рівнів.

Представницький рівень відповідає за можливість діалогу між додатками на різних вузлах. Цей рівень забезпечує перетворення даних (компресія, кодування) прикладного рівня у потік інформації для транспортного рівня.

Прикладний рівень відповідає за доступ додатків користувача до мережі. Завданнями цього рівня є передача файлів, обмін поштовими повідомленнями та керування мережею.

Кожен рівень надає сервіси (послуги) верхньому сусідньому рівню і користується сервісами, наданими йому нижнім рівнем. Прикладний рівень надає сервіси безпосередньо додаткам користувача. Кожен рівень моделі OSI у процесі передачі інформації взаємодіє із 3-ма рівнями: сусіднім верхнім, сусіднім нижнім та парним йому рівнем іншого пристрою.

Процес передачі інформаційних блоків з верхнього рівня на нижній супроводжується інкапсуляцією (encapsulation) – формуванням ПБД кожного рівня з додаванням відповідної службової інформації у вигляді заголовків (header) та кінцівок (trailer). При цьому ПБД верхнього рівня із всією службовою інформацією є лише даними для нижнього рівня.





Рис. 1.3.2. Інкапсуляція в моделі OSI.

6, 7

1.4. Модель та протокольний граф ТСР/ІР.

Модель ТСР/ІР була створена при дослідженнях американського Міністерства Оборони. Вона описує мережу, яка зможе залишатися дієздатною у будь-яких умовах, навіть після ядерної війни. Така мережа повинна характеризуватися дуже різнорідними фізичними каналами зв’язку (електричними, оптичними, бездротовими, супутниковими), що дозволить їм виходити з ладу неодночасно та за різних умов, а також повною децентралізацією управляючих пристроїв, що також не дозволить їм вийти з ладу одночасно. Саме ця модель послужила основою для створення мережі Інтернет.

Модель ТСР/ІР містить 4 рівні на відміну від моделі OSI; відповідно деякі з цих рівнів поєднують у собі функції кількох рівнів моделі OSI.


Application

Прикладний

Протокольні рівні

(забезпечуються функціями конкретних протоколів)

Application

Прикладний

Прикладні рівні

Presentation

Представницький

Session

Сеансовий

Transport

Транспортний

Transport

Транспортний

Рівні потоку даних

Internet

Інтернет

Мережеві рівні

(залежать від певної мережевої технології)

Network

Мережевий

Network Access

Мережевого доступу

Data Link

Канальний

Physical

Фізичний

Рис. 1.4.1. Порівняльна характеристика моделей ISO/OSI та ТСР/ІР.


На основі моделі ТСР/ІР було розроблено протокольний стек ТСР/ІР, який включає в себе протоколи, необхідні для реалізації всіх функцій моделі. Ці протоколи взаємопов’язані і надають один одному певні сервіси. Однак вони можуть успішно працювати і в інших протокольних стеках.





Application

Прикладний

Transport

Транспортний

Internet

Інтернет

Network Access

Мережевого доступу


Рис.1.4.2. Протокольний граф ТСР/ІР.


Протокольний граф ТСР/ІР описує взаємодію між протоколами стеку ТСР/ІР та певними мережевими технологіями відповідно до функцій конкретних рівнів моделі ТСР/ІР.

8

1.5. Фізичний рівень.

1.5.1. Передача сигналів у середовищі.

Сигналом називається бажаний рівень напруги, інтенсивність світлового випромінювання або модульовані електромагнітні хвилі, які виникають у середовищі передачі даних. Всі такі сигнали можуть переносити інформацію.

На даний момент у електроніці та електротехніці використовуються 2 типи сигналів: аналогові та цифрові (дискретні).

Аналоговий сигнал характеризується тим, що є неперервним у часі; відповідно, він має неперервний графік залежності напруги від часу.


Рис. 1.5.1. Аналоговий сигнал

Цифровий сигнал ще називають дискретним (перервним), оскільки його графік залежності напруги від часу має наступний вигляд:


Рис. 1.5.2. Цифровий сигнал

Говорять, що дискретний сигнал (дискретні імпульси) мають форму квадратної хвилі; вона характеризується практично миттєвим переходом від високого рівня напруги до низького і навпаки. У сучасних цифрових пристроях така форма сигналу досягається за рахунок накладання синусоїдальних сигналів кратних частот (так зване перетворення Фур’є).


1.5.2. Перешкоди, шуми, спотворення.

Під час розповсюдження сигналу у фізичному середовищі на нього впливають як різні зовнішні фактори, так і внутрішні, спричинені фізичною природою середовища.

Жоден сигнал, незалежно від середовища передачі, не розповсюджується миттєво; рух від відправника до отримувача займає певний час. Числовою характеристикою цього часу є параметр RTT (Round-trip time, час подвійного обходу). Цей параметр визначає час, який проходить від початку передачі повідомлення відправником до прийому його отримувачем і повторного приходу повідомлення назад до відправника. Таким чином, , де - відстань між відправником та отримувачем, а - швидкість розповсюдження сигналу у фізичному середовищі. Величину називають часом розповсюдження сигналу (propagation time). При проектуванні нової мережі або підключення нових сегментів до існуючої необхідно обов’язково враховувати час розповсюдження сигналу: надто великий, він може спричинити зменшення продуктивності роботи мережі через значні затримки, а малий час розповсюдження вимагає наявності буфера на приймачі, якщо останній не встигає обробляти вхідні сигнали в темпі їх надходження.

У процесі проходження фізичним середовищем сигнал поступово затухає – втрачає амплітуду. Особливо значним є затухання, якщо відстань між пристроями перевищує максимально дозволену. Звичайно, повністю уникнути його неможливо через наявність електричного опору середовища, але можна зменшити, якщо оптимальним чином підібрати фізичні характеристики кабелю (форму, переріз) та довжину сегменту. Для сигналу основна загроза затухання полягає в тому, що зникає різниця між рівнем 0 і 1.

Відбиття (reflection) виникає через наявність неоднорідностей матеріалу. Наприклад, у середовищі на мідній основі, якщо опір кабелю не співпадає з опором конектора, частина електричного сигналу відбивається від межі розділу середовищ, накладається на наступний вхідний сигнал, таким чином спотворюючи його. Тому матеріали для кабелів, конекторів та контактів роз’ємів у мережевих розетках та адаптерах підбираються таким чином, щоб уникнути відбивання. Крім того, при термінуванні (обжимці) кабелю необхідно дотримуватися всіх стандартів та рекомендацій.

Шум – це небажаний додатковий сигнал, який накладається на електричні, оптичні або електромагнітні сигнали у середовищі, таким чином спотворюючи їх. Уникнути шумів на 100 % також неможливо, але важливо при передачі інформації досягти якомога вищого співвідношення сигнал/шум.

Термальний (білий) шум виникає внаслідок хаотичного руху електронів у середовищі. Уникнути його неможливо, але його інтенсивність досить мала, щоб спричинити значний вплив на корисний сигнал у середовищі.

Перехресні наводки (NEXT, near-end crosstalk) виникають у середовищі на мідній основі через вплив сигналу, що проходить у проводі, на сусідній. Вплив перехресних наводок особливо значний на кінцях кабелю при неправильному або неакуратному його термінуванні. Для зменшення впливу перехресних наводок використовується скручення пар проводів, а також ефект взаємокомпенсації – пропускання струму у сусідніх проводах у різних напрямках. При цьому напруженість електромагнітних полів, які виникають у проводах при проходженні електричного струму, теж має різні напрямки, і поля компенсують одне одного.

Електромагнітні та радіочастотні наводки (EMI/RFI, electromagnetic and radio frequency interference) виникають внаслідок впливу зовнішніх електричних пристроїв – електричного освітлення, електричних моторів та радіосистем. Особливо сприйнятливими до такого впливу є довгі мідні кабелі, які у випадку проходження поруч із джерелами наводок починають діяти як антени, підсилюючи наведений сигнал і тим самим ще більше спотворюючи корисний. Для захисту від шкідливого впливу EMI/RFI використовується екранування кабелів.


Рис. 1.5.3. Використання ефекту взаємокомпенсації

При передачі інформації сучасними засобами швидкість передачі досягає десятків мільйонів біт за секунду. При цьому питання надійної синхронізації стає критичним, а отже, і уникнення ситуацій, в яких синхронізація порушується.

Дисперсія („завалювання фронту”) означає розповзання сигналу у часі. Це призводить до накладання заваленого фронту на фронт наступного біта, що порушує синхронізацію сигналу і спотворює його, а також унеможливлює розпізнавання 0 і 1.

Розсинхронізація („,биття сигналу”, jitter) означає, що біт прибуває до отримувача дещо пізніше або раніше розрахункового часу. Через це він може накладатися на попередній або наступний біт і спотворювати його.

Затримка вноситься як самим середовищем за рахунок опору, так і різними проміжними мережевими пристроями у процесі обробки ними сигналу, і теж може негативно впливати на синхронізацію.

При одночасній передачі кількома вузлами інформації виникає колізія – накладання і спотворення сигналів. Механізм уникнення та відновлення роботи мережі після колізій залежить від конкретної мережевої технології.

9

1.5.3. Основні типи середовищ передачі даних.

Середовища передачі даних поділяються на:
  • середовища на мідній основі
  • оптоволоконні кабелі
  • безпровідні середовища.

Середовища передачі даних на мідній основі включають:

1. Екранована вита пара (Shielded twisted pair, STP)


Для захисту сигналу від шумів та спотворень використовується ефект взаємокомпенсації, екранування та попарне скручення проводів. Фізичні характеристики такого кабелю наступні:
  • хвильовий опір – 150 Ом
  • пропускна здатність – до 100 Мб/с
  • рекомендована довжина фізичного сегменту – до 100 м.

Такий кабель забезпечує добрий захист від електромагнітних та радіочастотних наводок, але є порівняно дорогим та важким у прокладанні.


Рис.1.5.4. Екранована вита пара (STP)


2. Екранована вита пара (Screened twisted pair, ScTP, Foiled twisted pair, FTP).


Володіє практично такими ж захисними властивостями, як і попередній. Фізичні характеристики:
  • хвильовий опір 100-120 Ом;
  • пропускна здатність до 100 Мб/с
  • рекомендована довжина фізичного сегменту – до 100 м.

Обидва вищеописані типи кабелю вимагають, щоб екрани були добре заземлені на обох кінцях, інакше замість екранування вони починають підсилювати зовнішні шуми.


Рис. 1.5.5. Екранована вита пара (FTP)

3. Неекранована вита пара (Unshielded twisted pair, UTP)


Для зменшення впливу як зовнішніх так і внутрішніх шумів покладається лише на ефект взаємокомпенсації та попарне скручення проводів. Фізичні характеристики:
  • хвильовий опір – 100 Ом
  • пропускна здатність – 100 і більше Мб/с (залежно від категорії кабелю)
  • максимальна рекомендована довжина фізичного сегменту – до 100 м.

Перевагами використання цього кабелю є його дешевизна та легкість у прокладанні; недоліками – неможливість використання у зашумленому та агресивному середовищі.


Рис. 1.5.6. Неекранована вита пара (UTP)


4. Коаксіальний кабель.


На даний момент цей кабель вже досить рідко застосовується для прокладання комп’ютерних мереж, хоча широко використовується для інших технологій передачі даних (телебачення). Фізичні характеристики:
  • хвильовий опір – 50 Ом
  • пропускна здатність – до 100 Мб/с
  • рекомендована довжина сегменту – до 185 м (тонкий коаксіал) та до 500 м (товстий коаксіал).

Мідне оплетення кабелю одночасно виступає і захисним екраном для центрального провідника, і другим провідником у кабелі. Він є досить дешевим, але вже не задовольняє сучасних вимог до комп’ютерних мереж через недосконалість фізичної топології, яку можна на ньому реалізувати.

Рис. 1.5.7. Коаксіальний кабель