Какие устройства исполняют физически функции поддержки аппаратных протоколов

Обновлено: 30.06.2024

Для обеспечения совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратныепротоколы) и характер взаимодействия программ и данных программныепротоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства протоколами.

Например, если два компьютера соединены между собой прямым соединением, то на низшем (физическом) уровне протокол их взаимодействия определяют конкретные устройства физического порта (параллельного или последовательного) и механические компоненты (разъемы, кабель и т. п.). На более высоком уровне взаимодействие между компьютерами определяют программные средства, управляющие передачей данных через порты. Для стандартных портов они находятся в базовой системе ввода/вывода

В соответствии с используемыми протоколами сети принято разделять на:

· локальные (LAN — Local Area Network);

· глобальные (WAN — Wide AreaNetwork).

Компьютеры локальнойсети используют единый комплект протоколов для всех участников. По территориальному признаку локальные сети отличаются компактностью. Они могут объединять компьютеры одного помещения, этажа, здания, группы компактно расположенных сооружений. Глобальные сети имеют, как правило, увеличенные географические размеры. Они могут объединять как отдельные компьютеры, так и отдельные локальные сети, в том числе и использующие различные протоколы.

Группы сотрудников, работающих над одним проектом в рамках локальной сети, называются рабочими группами. В рамках одной локальной сети могут работать несколько рабочих групп. У участников рабочих групп могут быть разные права для доступа к общим ресурсам сети.

Совокупность приемов разделения и ограничения прав участников компьютерной сети называется политикойсети.

Управление сетевыми политиками (их может быть несколько в одной сети) называется администрированиемсети. Лицо, управляющее организацией работы участников локальной компьютерной сети, называется системнымадминистратором.

Создание локальных сетей характерно для отдельных предприятий или отдельных подразделений предприятий. Если предприятие (или отрасль) занимает обширную территорию, то отдельные локальные сети могут объединяться в глобальные сети. В этом случае локальные сети связывают между собой с помощью любых традиционных каналов связи (кабельных, спутниковых, радиорелейных и т. п.). При соблюдении специальных условий для этой цели могут быть использованы даже телефонные каналы связи.

Простейшее устройство для соединения между собой двух локальных сетей, использующих одинаковые протоколы, называется мостом.

Для связи между собой нескольких локальных сетей, работающих по разным протоколам, служат специальные средства, называемые шлюзами.

Шлюзы могут быть как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовый сервер), или компьютерная программа. В последнем случае компьютер может выполнять не только функцию шлюза, но и какие-то иные функции, типичные для рабочих станций.

Для обеспечения сетевой безопасности между локальной и глобальной сетью устанавливают брандмауэры. Это специальный компьютер или компьютерная программа, препятствующая несанкционированному перемещению данных между сетями.

Сетевые службы. Основные понятия

Понятие виртуального соединения. Рассмотрим взаимодействие двух корреспондентов с помощью обычной почты. Если они регулярно отправляют друг другу письма и, соответственно, получают их, то они могут полагать, что между ними существует соединение на пользовательском (прикладном) уровне. Однако это не совсем так. Такое соединение можно назвать виртуальным. Оно было бы физическим, если бы каждый из корреспондентов лично относил другому письмо и вручал в собственные руки. В реальной жизни он бросает его в почтовый ящик и ждет ответа. Сбором писем из почтовых ящиков и доставкой в личные почтовые ящики занимаются местные почтовые службы. Это другой уровень модели связи, лежащий ниже. Для того чтобы наше письмо достигло адресата в другом городе, должна существовать связь между нашей местной почтовой службой и его местной почтовой службой. Это еще один пример виртуальной связи, поскольку никакой физической связью эти службы не обладают — поступившую почтовую корреспонденцию они только сортируют и передают на уровень федеральной почтовой службы.

Федеральная почтовая служба в своей работе опирается на службы очередного уровня, например на почтово-багажную службу железнодорожников. И только рассмотрев работу этой службы, мы найдем, наконец, признаки физического соединения, например железнодорожный путь, связывающий два города.

В реальности доставка письма может затронуть еще больше служб. Обратите внимание, образовалось несколько виртуальныхсоединений между аналогичными службами, находящимися в пунктах отправки и приема.

Не вступая в прямой контакт, эти службы взаимодействуют между собой. На каком-то уровне письма укладываются в мешки, мешки пломбируют, к ним прикладывают сопроводительные документы, которые где-то в другом городе изучаются и проверяются на аналогичном уровне.

Модель взаимодействия открытых систем. Согласно рекомендациям Международного института стандартизации ISO системы компьютерной связи рекомендуется рассматривать на семи разных уровнях (таблица 8.1).

Уровни модели связи

Уровень	Аналогия
Прикладной	Письмо написано на бумаге. Определено его содержание
Представления	Письмо запечатано в конверт. Конверт заполнен. Наклеена марка. Клиентом соблюдены необходимые требования протокола доставки
Сеансовый уровень	Письмо опущено в почтовый ящик. Выбрана служба доставки (письмо можно запечатать в бутылку, бросить в реку, но избрана другая служба)
Транспортный	Письмо доставлено на почтамт. Оно отделено от писем, с доставкой которых местная почтовая служба справилась бы самостоятельно
Сетевой	После сортировки письмо уложено в мешок. Появилась новая единица доставки — мешок
Соединения	Мешки писем уложены в вагон. Новая единица доставки — вагон
Физический	Вагон прицеплен к локомотиву. Новая единица доставки — состав. За доставку взялось ведомство, действующее по другим протоколам

Из таблицы видно, что каждый новый уровень все больше и больше увеличивает функциональность системы связи. Местная почтовая служба работает не только с письмами, но и с бандеролями и посылками. Почтово-багажная служба занимается еще и доставкой грузов. Вагоны перевозят не только почту, но и людей. По рельсам ходят не только почтово-пассажирские поезда, но и грузовые составы и т. д. То есть, чем выше уровень в модели связи, тем больше различных функциональных служб его используют.

Рассмотрим, как в модели ISO/OSI происходит обмен данными между пользователями, находящимися на разных континентах.

2. На уровне представления операционная система его компьютера фиксирует, где находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске и т. п.), и обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем.

4. На транспортном уровне документ преобразуется в ту форму, в которой положено передавать данные в используемой сети. Например, он может нарезаться на небольшие пакеты стандартного размера.

6. Уровень соединения необходим для того, чтобы промодулировать сигналы, циркулирующие на физическом уровне, в соответствии с данными, полученными с сетевого уровня. Например, в компьютере эти функции выполняет сетевая карта или модем.

7. Реальная передача данных происходит на физическом уровне. Здесь нет ни документов, ни пакетов, ни байтов — только биты — элементарные единицы представления данных. Восстановление документа из них произойдет постепенно, при переходе с нижнего на верхний уровень на ПК клиента.

Средства физического уровня лежат за пределами компьютера. В локальных сетях это оборудование самой сети. При удаленной связи с использованием телефонных модемов это линии телефонной связи, коммутационное оборудование телефонных станций и т. п.

Согласно модели IS0/OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях. Общее число уровней – до семи. Самый верхний уровень – прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень – физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройствами.

Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки, и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний (рис. 5.1).

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами.

Так, например, если два компьютера соединены между собой прямым соединением, то на низшем (физическом) уровне протокол их взаимодействия определяют конкретные устройства физического порта (параллельного или последовательного) и механические компоненты (разъемы, кабель и т.п.). На более высоком уровне взаимодействие между компьютерами определяют программные средства, управляющие передачей данных через порты. Для стандартных портов они находятся в базовой системе ввода/вывода (BIOS). На самом высоком уровне протокол взаимодействия обеспечивают приложения операционной системы. Например, для Windows 98 это стандартная программа, прямое кабельное соединение.

В соответствии с используемыми протоколами компьютерные сети принято разделять на локальные (LAN – Local Area Network) и глобальные (WAN – Wide Area Network). Компьютеры локальной сети преимущественно используют единый комплект протоколов для всех участников. По территориальному признаку локальные сети отличаются компактностью. Они могут объединять компьютеры одного помещения, этажа, здания, группы компактно расположенных сооружений.

Глобальные сети имеют, как правило, увеличенные географические размеры. Они могут объединять как отдельные компьютеры, так и отдельные локальные сети, в том числе и использующие различные протоколы.

Назначение всех видов компьютерных сетей определяется двумя функциями:

1) обеспечение совместного использования аппаратных и программных ресурсов сети;

2) обеспечение совместного доступа к ресурсам данных.

Так, например, все участники локальной сети могут совместно использовать одно общее устройство печати (сетевой принтер) или, например, ресурсы жестких дисков одного выделенного компьютера (файлового сервера). Это же относится и к программному, и к информационному обеспечению.

Независимо от того, в какой сети работает некоторый компьютер, функции установленного на нем программного обеспечения условно можно разделить на две группы:

1) управление ресурсами самого компьютера (в том числе и в интересах решения задач для других компьютеров);

2) управление обменом с другими компьютерами (сетевые функции).

Собственными ресурсами компьютера традиционно управляет ОС. Функции сетевого управления реализует сетевое ПО, которое может быть выполнено как в виде отдельных пакетов сетевых программ, так и в виде сетевой ОС.

При разработке сетевого ПО используется иерархический подход, предполагающий определение совокупности сравнительно независимых уровней и интерфейсов между ними.

Это позволяет легко модифицировать алгоритмы программ произвольного уровня. Без существенного изменения других уровней. В общем случае допускается упрощение функций некоторого уровня или даже его полная ликвидация.

Для упорядочения разработки сетевого ПО и обеспечения возможности взаимодействия любых вычислительных систем Международная организация по стандартизации (ISO) разработала эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI).

Эталонная модель определяет следующие семь функциональных уровней:

1) физический (physical layer);

2) управления линией (звеном) передачи или канальный (data link);

3) сетевой (network layer);

4) транспортный (transport layer);

5) сеансовый (session layer);

6) представительный (presentation layer);

7) прикладной, или уровень приложений (application layer);

Физический уровень

Физический уровень обеспечивает интерфейс между ЭВМ сети и средой передачи дискретных сигналов. На физическом уровне через абонентские каналы передаются последовательности битов. Управление каналом сводится к выделению начала и конца кадра, несущего в себе передаваемые данные, а также к формированию и приему сигналов определенной физической природы.

Стандарты физического уровня включают рекомендации Х.21 либо Х.21 бис, определяющие механические, электрические, функциональные и процедурные характеристики, необходимые для установления (активизации), поддержания и расторжения (деактивизации) физических соединений.

Канальный уровень

Функции канального уровня состоят в управлении вводом-выводом информации в канале связи. Для повышения достоверности передачи процедуры канального уровня могут предусматривать введение избыточных кодов, повторную передачу данных и другие методы. Формируемые этим уровнем данные группируются в так называемые кадры. Обмен данными между двумя объектами канального уровня может вестись одним из трех способов: дуплексным (одновременно в обоих направлениях), полудуплексным (попеременно в обоих направлениях) или симплексным (в одном направлении).

Сетевой уровень

Сетевой уровень обеспечивает передачу сетевых блоков (пакетов) между узлами сети. Здесь решаются задачи выбора маршрута из числа возможных (при изменении нагрузки или конфигурации сети), управления входящим потоком, буферизации пакетов и т.д. Основная функция сетевого протокола – прокладка в каждом физическом канале совокупности логических каналов (до 4096), что существенно повышает эффективность использования ресурсов физического канала.

Транспортный уровень

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Компьютерной сетью называется объединение двух и более вычислительных машин специальными средствами связи, с помощью которых можно осуществлять обмен информацией между любыми включенными в сеть компьютерами.

Абоненты сети – объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети. Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, терминалы, промышленные роботы, станки с числовым программным управлением и т. д. Любой абонент сети подключается к станции. Станция – аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приёмом информации. Совокупность абонента и станции принято называть абонентской системой.

Для организации взаимодействия абонентов необходима физическая передающая среда. Физическая передающая среда – линии связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, и аппаратура передачи данных.

Для обеспечения необходимой совместимости как по аппаратуре, так и по программам в компьютерных сетях действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы поддержки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, часто тоже называют протоколами.

У пользователей компьютерной сети могут быть разные права для доступа к общим ресурсам сети. Совокупность приемов разделения и ограничения прав участников компьютерной сети называется политикой сети. Управление сетевыми политиками (их может быть несколько в одной сети) называется администрированием сети. Лицо, управляющее организацией работы участников локальной компьютерной сети, называется системным администратором.

Для связи между собой нескольких локальных сетей, работающих по разным протоколам, служат специальные средства, называемые шлюзами. Шлюзы могут быть как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовый сервер), а может быть и компьютерная программа, шлюзовое приложение. В последнем случае компьютер может выполнять не только функцию шлюза, но и какие-то иные функции, типичные для рабочих станций.

При подключении локальной сети предприятия к глобальной сети важную роль играет понятие сетевой безопасности. В частности, должен быть ограничен доступ в локальную сеть для посторонних лиц извне, а также ограничен выход за пределы локальной сети для сотрудников предприятия, не имеющих соответствующих прав. Для обеспечения сетевой безопасности между локальной и глобальной сетью устанавливают так называемые брандмауэры. Брандмауэром может быть специальный компьютер или компьютерная программа, препятствующая несанкционированному перемещению данных между сетями.

Существуют два основных вида сетей:

локальная сеть — (Local Area Network) или LAN;

региональные (Wide Area Network- WAN) и глобальные сети.

Локальная сеть, как правило, объединяет несколько компьютеров в пределах ограниченного территориального пространства — комнаты, отдела, здания. Структура локальной сети подчинена факторам.

Аппаратный фактор . Для создания локальных компьютерных сетей используют специальные сетевые карты, посредством которых компьютеры соединяются друг с другом.

Организационный фактор . Локальная сеть создается для определенных целей. Ее топология зависит от того, где расположены компьютеры пользователей.

Локальные сети различаются по физическому носителю, использованному для их организации:

Локальная сеть на коаксиальном кабеле . В таком кабеле центральный медный проводник покрыт слоем изоляции, а поверх этого слоя находится второй слой проводника, покрытый в свою очередь вторым слоем изоляции. Второй слой проводника играет экранирующую роль, он защищает центральный проводник от помех . Коаксиальный кабель можно сделать более или менее толстым. Более толстые кабели обеспечивают лучшую передачу данных на большие расстояния, но они дороже и прокладывать их сложнее. Сеть на коаксиальном кабеле имеет множество недостатков. Так, например, общая длина сетевого кабеля не может быть более 180 метров. Компьютеры должны быть соединены между собой в цепочку. Ответвления не допускаются. Если происходит обрыв какого-нибудь сегмента сети, то вся сеть становиться неработоспособной. Максимальная скорость передачи данных в сети равна 10 Мбит/с.

Сеть на "витой паре" . Для функционирования такой сети необходимы дополнительные устройства — концентраторы или хабы (hub). Они представляют коробку небольших размеров, к которой подключаются сегменты сети. Каждый сегмент подключается только к одному компьютеру. В результате получается топология сети типа "звезда". Преимущества такой схемы — надежность сети: если повреждается один сегмент, то это никак не сказывается на работе других пользователей сети. Скорость передачи в зависимости от используемого кабеля и оборудования может быть до 100 Мбит/с. Хабы можно подключать друг к другу, и таким образом расширять локальную сеть.

Использование оптоволоконного кабеля. Оптоволоконные кабели представляют собой достаточно тонкие жгуты из специального материала, по которому распространяются световые волны, генерируемые микролазерными установками. Оптоволоконные каналы не применяются для подключения к каждому компьютеру — такие каналы связи еще слишком дороги. Объединение локальных сетей там, где возможностей обычного "коаксиала" и "витой пары" недостаточно, — предусматривает применение оптоволокна. Таким способом возможна передача данных со скоростью до 100 Мбит/с на расстояние до 200 км.

Беспроводные сети . Физическим носителем сигнала в таких сетях является электромагнитные волны . Беспроводные сети делят на

персональные (-в непосредственной близости от пользователя, связь осуществляется с помощью радиоволн 2.4ГГц –Bluetooth или с помощью ИК-излучения –стандарт IrDA-в пределах прямой видимости)

локальные (в пределах зданий, связь осуществляется с помощью радиоволн 2.4-5 ГГц-стандарт Wi-Fi)

Геометрическая схема соединения компьютеров в сети называется топологией. Для локальных сетей в основном используются три стандартные топологии: шина, кольцо и звезда.

В шинной (линейной) топологии компьютеры подсоединяются к центральному кабелю, который принято называть магистралью или шиной. Это соединение аналогично соединению различных устройств внутри компьютера.

Топология типа кольцо в общем похожа на шинную топологию, но концы магистрали соединены, образуя замкнутое кольцо.

В топологии типа звезда все компьютеры подсоединены к одной центральной машине, которая, как правило, бывает мощнее, чем подсоединяемые к ней. Она играет ведущую роль в сети, так как все информационные потоки между остальными компьютерами сети проходят через центральный компьютер. Для такой топологии характерны небольшие размеры.

Компьютеры, подключаемые к локальной сети, должны быть укомплектованы специальным устройством - сетевой платой (сетевым адаптером ). Участок кабеля, обеспечивающий связь между компьютерами в ЛВС без использования вспомогательных устройств, принято называть сегментом . Обычно к сегменту электрического кабеля подключается один-два десятка компьютеров. В сетях, использующих соединения из электрических или оптоволоконных кабелей, для увеличения дальности передачи могут использоваться специальные устройства - повторители , или репитеры (repeat — повторение), и ретрансляторы , связывающие отдельные сегменты кабелей и обеспечивающие восстановление исходной мощности сигналов и возможность их дальнейшей передачи. Для разветвления сети с топологией звезда используются концентраторы, или хабы ( hub — ступица).

Для соединения локальных сетей с однотипным аппаратным оборудованием и программным обеспечением используются так называемые мосты ( bridge ). Роль моста может играть специальная сетевая плата, вставляемая внутрь компьютера, или же отдельный компьютер со специальным программным обеспечением.

Для соединения локальных сетей с различными аппаратными и программными средствами в каждой из сетей выделяется специализированный компьютер, который называется шлюзом ( gateway ). Шлюзы каждой из сетей соединяются друг с другом с помощью линий связи и обеспечивают преобразование и пересылку информации от сети с одним методом ее передачи к сети с другим методом. Роль шлюзов существенно сложнее роли мостов.

В городских сетях в качестве линии связи может использоваться телефонная сеть . Для присоединения компьютера к телефонной сети необходимо устройство, которое называется модем. Слово модем образовано из двух слов мо дулятор и де модулятор. Эти слова обозначают процессы прямого и обратного преобразования сигналов из цифровой, дискретной формы, использующейся для представления информации внутри компьютера, к непрерывной, аналоговой форме, характерной для представления сигналов в телефонной сети.

Сеть, в которой все компьютеры имеют совершенно одинаковые права и могут использовать сетевые ресурсы друг друга, называется одноранговой.

В более развитых сетях существует специализация компьютеров. Одни компьютеры, как правило, более мощные, предоставляют свои ресурсы другим компьютерам, а последние — используют эти ресурсы для своих целей. В этом случае сеть относится к типу клиент-сервер.

Клиентом называется компьютер или набор аппаратных средств, который использует в своей работе ресурсы другого компьютера.

Региональные и глобальные сети

Региональные сети ( WAN — Wide Area Network — сеть широкой области) объединяют локальные или городские сети, расположенные в различных городах или районах. Такие сети могут охватывать несколько областей, а также целые страны и континенты. В качестве примера территориальных сетей можно указать действующие в России сети: Relcom (Reliable Communications — надежные коммуникации), Relarn (Russian Electronic Academic Research Network -российская академическая исследовательская электронная сеть), Rosnet, Sprint, Unicom, Роспак и ряд других.

По мере роста и развития территориальных сетей возникали устойчивые соединения и связи между ними. Таким образом появились глобальные сети, сети планетарного масштаба, охватывающие все континенты Земли, например, сети Usenet, Fidonet, Интернет. Фрагменты глобальных сетей соединяются друг с другом с помощью спутниковой связи, радиосвязи, телефонных линий и оптоволоконных каналов.

У большинства людей, знакомых с компьютером, глобальная сеть сразу ассоциируется с Internet. Это справедливо отчасти. Параллельно с Internet существует и любительская сеть FidoNet.
Формально FidoNet представляет собой глобальную некоммерческую информационную сеть, охватывающую весь цивилизованный мир. Основным преимуществом FidoNet является ее "бесплатность" для пользователей сети. Вместе с тем, FidoNet — некоммерческая сеть, т. е. в ней запрещена любая коммерческая деятельность (за исключением специально выделенных телеконференций).Одним из популярных сервисов FidoNet является BBS (Board Bulletin System) — электронная доска объявлений.

Сеть FidoNet имеет иерархическую древовидную структуру. Структура сети определяет правила передачи почты между станциями, подчиненность узлов, а также людей, ответственных за выполнение сетью тех или иных функций (координаторов).

Глобальная сеть Internet начала развиваться в 1969 году, когда ARPA (Агентство передовых исследовательских проектов) Министерства обороны США создало сеть, которая должна была обеспечить связь с исследовательскими организациями оборонной промышленности.
При создании сети была поставлена задача децентрализации. Сеть должна была функционировать в случае выхода из строя любого количества узлов, даже тогда, когда оставались 2 компьютера. Философия заключалась в том, что любой компьютер сети мог связываться, как равный, с любым другим компьютером. Такая система, не имея центрального узла управления, могла менять свою конфигурацию.
Первоначально сеть состояла из 17 компьютеров и называлась APRANet, а в 1990 году на ее месте возник Internet. Но это был еще не тот Internet, к которому привыкло большинство современных пользователей. Тогда совершенно не было WWW-серверов. В основном пересылались файлы и неформатированный текст (письма). Физики из Женевы Tim Berners-Lee и Robert Cailiau предложили способ обмена отформатированного и иллюстрированного текста со ссылками на другие публикации. Так появился язык HTML и было положено начало World Wide Web — Всемирной Информационной Паутине, которая и сделала Internet доступным и популярным во всем мире.
Для работы сети используются специальные программы. Их можно поделить на два типа — программы-серверы и программы-клиенты. Второй тип необходим для превращения желания пользователя в запрос и отправки его к нужному компьютеру, а также получения ответа и показа его в понятном виде.
В частности, для перемещения в WWW используются программы — браузеры. Чтобы просмотреть определенный сайт, необходимо ввести его адрес в адресную строку браузера. После нажатия клавиши отправляется запрос к требуемому сайту, затем, получив ответ, эта программа выводит содержимое ответа на экран компьютера.

Занятие №3 по курсу "Информационные сети"

Аппаратные компоненты компьютерных сетей

Существует множество сетевых устройств, используемых для создания, сегментирования и усовершенствования сети. Основными из них являются сетевые адаптеры, повторители, усилители, мосты, маршрутизаторы и шлюзы.

Сетевые адаптеры (карты), или NIC (Network Interface Card), являются устройствами, физически соединяющими компьютер с сетью. Прежде чем выполнить такое соединение, надо правильно установить и настроить сетевой адаптер. Простота или сложность этой установки и настройки зависит от типа используемого сетевого адаптера. Автоматически конфигурирующиеся адаптеры и адапте-ры, отвечающие стандарту Plug and Play (Вставь и работай), автоматически производят свою настройку. Если сетевой адаптер не отвечает стандарту Plug and Play, то настраивают его запрос на прерывание IRQ (Interrupt Request) и адрес ввода/вывода (Input/Output address).

IRQ представляет логическую коммуникационную линию, используемую устройством для связи с процессором.

Адрес ввода/вывода – это трёхзначное шестнадцатеричное число, идентифицирующее коммуникационный канал между аппаратными устройствами и центральным процессором. Для правильного функционирования сетевого адаптера следует правильно настроить как IRQ, так и адрес ввода/вывода.

Сетевые адаптеры (карты), или NIC (Network Interface Card), являются устройствами, физически соединяющими компьютеры с сетью.

Повторители и усилители

При перемещении по сети сигнал ослабевает. Для его усиления используют повторители и (или) усилители, усиливающие проходящие через них сигналы.

Повторители (repeater) используются в сетях с цифровым сигналом для борьбы с ослаблением сигнала. Они обеспечивают надёжную передачу данных на большие расстояния. Получив ослабленный входящий сигнал, повторитель очищает и увеличивает его мощность и посылает этот сигнал следующему сегменту.

Усилители (amplifier), имеют сходное назначение, но обычно применяются в сетях с аналоговыми сигналами для увеличения дальности их передачи. Аналоговые сигналы могут переносить голос и данные одновременно. При этом носитель делится на несколько каналов, и разные частоты передаются параллельно.

Усилители, хотя и имеют сходное назначение, используются для увеличения дальности передачи в сетях, использующих аналоговый сигнал.

Существуют три основных типа концентраторов: пассивные (passive), ак-тивные (active) и интеллектуальные (intelligent). Пассивные концентраторы, не требующие электроэнергии, действуют как физическая точка соединения, ничего не добавляя к проходящему сигналу. Активные концентраторы требуют энергии, используемой ими для восстановления и усиления проходящего через них сигна-ла. Интеллектуальные концентраторы могут предоставлять сервисы переключения пакетов (packet switching) и перенаправления трафика (traffic routing).

Возможным недостатком мостов является то, что они передают данные дольше, чем повторители, так как проверяют адрес сетевой карты получателя для каждого пакета. Они сложнее в управлении и дороже, чем повторители.

Сейчас мосты, практически не используются. Их функции выполняют компьютеры-шлюзы, коммутаторы, или маршрутизаторы.

Маршрутизатор (router) представляет собой сетевое коммуникационное устройство, связывающее два и более сетевых сегмента (или подсетей).

Маршрутизатор – это сетевое коммуникационное устройство, которое может связывать два и более сетевых сегмента (или подсетей).

Существуют два типа маршрутизирующих устройств: статические и динамические.

Статические маршрутизаторы (static router) используют таблицы маршрутизации, создаваемые и вручную обновляемые сетевым администратором.

Динамические маршрутизаторы (dynamic router) создают и обновляют свои собственные таблицы маршрутизации. Они используют информацию, как найденную на своих собственных сегментах, так и полученную от других динамиче-ских маршрутизаторов. Динамические маршрутизаторы всегда содержат свежую информацию о возможных маршрутах по сети, а также информацию об узких местах и задержках в прохождении пакетов. Эта информация позволяет им определить наиболее эффективный путь, доступный и данный момент, для перена-правления пакетов данных к их получателям.

Поскольку маршрутизаторы могут осуществлять интеллектуальный выбор пути и отфильтровывать пакеты, которые им не нужно получать, они помогают уменьшить загрузку сети, сохранить ресурсы и увеличить пропускную способ-ность сети. Они также повышают надёжность доставки данных, так как могут выбрать для пакетов альтернативный путь, если маршрут по умолчанию недоступен.

Другое важное преимущество маршрутизатора как соединительного устройства заключается в том, что, поскольку он работает на сетевом уровне, то он может соединять сети с различными сетевой архитектурой, методами доступа к устройствам или протоколами. Например, маршрутизатор может соединить подсеть Ethernet и сегмент Token Ring, связать несколько небольших сетей, использующих различные протоколы, если последние поддерживают маршрутизацию.

Статических маршрутизаторов в настоящее время практически нет. Точнее говоря, их не используют.

Современный маршрутизатор – это обычно специализированный компьютер, оптимизированный для выполнения функций маршрутизатора. На нём работает специализированная операционная система, в рамках настройки параметров которой можно осуществить и статическую маршрутизацию.

Шлюз (gateway) представляет собой метод осуществления связи между двумя или несколькими сетевыми сегментами. В качестве шлюза обычно используют выделенный компьютер с ПО шлюза, на котором производятся преобразования, позволяющие взаимодействовать нескольким системам в сети. Например, при использовании шлюза персональные компьютеры на базе Intel-совместимых процессоров на одном сегменте могут связываться и разделять ресурсы с компьютерами Macintosh.

Шлюзы имеют много преимуществ, но при принятии решения об их использовании в сети следует учитывать ряд факторов. Шлюзы сложны в установке и настройке, дороже других коммуникационных устройств. Вследствие лишнего этапа обработки, связанного с процессом преобразования, они работают медленнее, чем маршрутизаторы и подобные устройства.

Шлюз – это метод осуществления связи между двумя или несколькими сетевыми сегментами.

Кроме маршрутизаторов существуют ещё и коммутаторы.

Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch).

Фактически любое из выше перечисленных устройств должно решать задачу мультиплексирования и демультиплексирования.

Задача демультиплексирования (demultiplexing) – разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.

Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция – мультиплексирование.

Задача мультиплексирования (multiplexing) – образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети.

Технология мультиплексирования должна позволять получателю суммарного потока выполнять обратную операцию – разделение (демультиплексирование) данных на составляющие потоки. На рис. 3.1 коммутатор выполняет демультиплексирование потока на три составляющих подпотока. В общем случае на каждом интерфейсе могут одновременно выполняться обе задачи – мультиплексирование и демультиплексирование.

Частный случай коммутатора (рис. 3.1а), у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где мультиплексируются в один агрегированный поток и направляются в один физический канал, называется мультиплексором (multiplexer, mux). Коммутатор (рис.3.1б) имеет один входной интерфейс и несколько выходных и называется демультип-лексором.

Рис. 3.1. Мультиплексор (а) и демультиплексор (б).

Рис. 3.2. Схема "общая шина"

Существуют различные способы организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. В одних случаях используют централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство – арбитр, в других – децентрализованный. Внутри компьютера проблемы разделения линий связи между различными модулями также существуют, примером может служить доступ к системной шине, которым управляет процессор, или специальный арбитр шины. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. В результате процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать много времени и приводить к значительному снижению производительности сети.

Несмотря на все эти сложности, в локальных сетях разделяемые среды используются часто. Этот подход, в частности, реализован в широко распространённых классических технологиях Ethernet, Token Ring, FDDI. В глобальных сетях разделяемые между интерфейсами среды практически не используются. Это объясняется тем, что большие временные задержки при распространении сигналов вдоль протяженных каналов связи приводят к длительным переговорным процедурам доступа к разделяемой среде, сокращая до неприемлемого уровня долю полезного использования канала связи на передачу данных абонентов.

Наметилась тенденция отказа от разделяемых сред передачи данных и в локальных сетях. Это связано с тем, что за достигаемое таким образом снижение стоимости сети приходится расплачиваться производительностью. Сеть с разделяемой средой при большом количестве узлов всегда будет работать медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальной линии связи достаётся одному компьютеру, а при совместном использовании – делится на все компьютеры сети. Часто с такой потерей производительности приходится мириться ради увеличения экономической эффективности сети. Не только в классических, но и в новых технологиях, разработанных для локальных сетей, сохраняется режим разделяемых линий связи. Например, разработчики принятой в 1998 году в качестве нового стандарта технологии Gigabit Ethernet включили режим разделения передающей среды в свои спецификации наряду с режимом работы по индивидуальным линиям связи.

Напомним, что коммутация бывает канальной и пакетной. Ethernet – пример стандартной технологии коммутации пакетов.

Рассмотрим, каким образом описанные выше общие подходы к решению проблем построения сетей воплощены в наиболее популярной сетевой технологии – Ethernet. (остановимся некоторых принципиальных моментах, иллюстрирующих ряд уже рассмотренных базовых концепций).

Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъёмов), достаточный для построения вычислительной сети.

Протоколы, на основе которых строится сеть определённой технологии (в узком смысле), создавались специально для совместной работы, поэтому от разработчика сети не требуется дополнительных усилий по организации их взаимодействия.

Иногда сетевые технологии называют базовыми технологиями, имея в виду, что на их основе строится базис любой сети. Примерами базовых сетевых технологий служат такие известные технологии локальных сетей, как Ethernet, Token Ring и FDDI, технологии территориальных сетей Х.25 и frame relay. Для получе-ния работоспособной сети в этом случае достаточно приобрести программные и аппаратные средства, относящиеся к одной базовой технологии – сетевые адаптеры с драйверами, концентраторы, коммутаторы, кабельную систему и т. п. – и соединить их в соответствии с требованиями стандарта на данную технологию.

Основной принцип, положенный в основу Ethernet, – случайный метод доступа к разделяемой среде передачи данных. В качестве такой среды может использоваться толстый или тонкий коаксиальный кабель, витая пара, оптоволокно или радиоволны (кстати, первой сетью, построенной на принципе случайного доступа к разделяемой среде, была радиосеть Aloha Гавайского университета).

Рис.3.3. Сеть Ethernet.

Суть случайного метода доступа состоит в следующем. Компьютер может передавать данные по сети Ethernet только если сеть свободна, то есть если никакой другой компьютер в данный момент не занимается обменом. Поэтому важной частью технологии Ethernet является процедура определения доступности среды.

Кадр – это единица данных, которыми обмениваются компьютеры в сети Ethernet.

Кадр имеет фиксированный формат и наряду с полем данных содержит различную служебную информацию, например адрес получателя и адрес отправителя.

Сеть Ethernet устроена так, что при попадании кадра в разделяемую среду передачи данных все сетевые адаптеры начинают одновременно принимать этот кадр. Они анализируют адрес назначения, располагающийся в одном из началь-ных полей кадра, и, если этот адрес совпадает с их собственным, кадр помещается во внутренний буфер сетевого адаптера. Таким образом компьютер-адресат получает предназначенные ему данные.

Может возникнуть ситуация, когда несколько компьютеров одновременно решают, что сеть свободна, и начинают передавать информацию – коллизия. Она препятствует правильной передаче данных по сети. В стандарте Ethernet преду-смотрен алгоритм обнаружения и корректной обработки коллизий. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.

После обнаружения коллизии сетевые адаптеры, пытавшиеся передать свои кадры, прекращают передачу и после паузы случайной длительности пытаются снова получить доступ к среде и передать тот кадр, который вызвал коллизию.

Главным достоинством сетей Ethernet, благодаря которому они стали такими популярными, является их экономичность. Для построения сети достаточно иметь по одному сетевому адаптеру для каждого компьютера плюс один физический сегмент коаксиального кабеля нужной длины.
В сетях Ethernet реализованы простые алгоритмы доступа к среде, адресации и передачи данных. Простота логики работы сети ведёт к упрощению и, соответственно, снижению стоимости сетевых адаптеров и их драйверов. По той же причине адаптеры сети Ethernet обладают высокой надёжностью.
Ещё одним замечательным свойством сетей Ethernet является их хорошая расширяемость, то есть возможность подключения новых узлов.

Основные выводы

У сетей существует физическая и логическая организация. Физическая и логическая организация сетей может не совпадать. Физические сетевые устройства или сетевое оборудование может выполнять большой набор логических функций.

Читайте также: