Информационные сети Тема 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТИ

Информационные сети Тема 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ОРГАНИЗАЦИЯ СЕТИ Докладчик Чернов Е. И. 1

Задачи, построение курса Задача – познакомить с основами организации современных информационных сетей В курсе использована следующая последовательность изложения материала: от описания функционирования сетевых приложений к их реализации и, затем, основам информационного взаимодействия систем. 2

Понятие сети Сеть - это совокупность объектов, образуемых устройствами передачи и обработки данных. Международная организация по стандартизации определила вычислительную сеть как последовательную бит-ориентированную передачу информации между связанными друг с другом независимыми устройствами. Сеть (network) – группа компьютеров, принтеров, маршрутизаторов, сетевых устройств, которые обмениваются информацией через какую-либо среду передачи данных. 3

Преимущества сетевых технологий Первые вычислительные системы представляли собой автономные системы. Для повышения эффективности использования компьютерных систем используется их объединение в вычислительную сеть. Такой подход позволяет: Устранить дублирование оборудование и ресурсов; Обеспечить эффективный обмен данными между устройствами; Обеспечить разделение процессов хранения и обработки информации. 4

Организация сети Организацией сети называется обеспечение взаимодействия между рабочими станциями, периферийным оборудованием и другими устройствами. Важной задачей является согласование различных типов компьютеров (Macintosh, IBM-совместимые, мэйнфреймы). Для обеспечения совместимости обмена данными используются сетевые протоколы – формальное описание набора правил о том, как устройства выполняют обмен информацией. 5

¢ В состав сети в общем случае включается следующие элементы: § § ¢ ¢ ¢ сетевые ЭВМ (оснащенные сетевым адаптером); каналы связи (кабельные, спутниковые, телефонные, цифровые, волоконнооптические, радиоканалы и др. ); различного рода преобразователи сигналов; сетевое оборудование. Различают два понятия сети: коммуникационная сеть и информационная сеть. Коммуникационная сеть предназначена для передачи данных, также она выполняет задачи, связанные с преобразованием данных. Коммуникационные сети различаются по типу используемых физических средств соединения. На базе коммуникационной сети может быть построена группа информационных сетей. Информационная сеть предназначена для хранения информации и состоит из информационных систем. Под информационной системой следует понимать систему, которая является поставщиком или потребителем.

Компьютерная сеть состоит из информационных систем и каналов связи. Под информационной системой следует понимать объект, способный осуществлять хранение, обработку или передачу информация. В состав информационной системы входят: ЭВМ, программы, пользователи и другие составляющие, предназначенные для процесса обработки и передачи данных. 7

• Информационная система, предназначенная для решения задач пользователя, будет называться - рабочая станция (client). Рабочая станция в сети отличается от обычного персонального компьютера (ПК) наличием сетевой карты (сетевого адаптера), канала для передачи данных и сетевого программного обеспечения. • Под каналом связи следует понимать путь или средство, по которому передаются сигналы. Средство передачи сигналов называют абонентским, или физическим, каналом. • Каналы связи (data link) создаются по линиям связи при помощи сетевого оборудования и физических средств связи. Физические средства связи построены на основе витых пар, коаксиальных кабелей, оптических каналов или эфира. Между взаимодействующими информационными системами через физические каналы коммуникационной сети и узлы коммутации устанавливаются логические каналы. • Логический канал - это путь для передачи данных от одной системы к другой. Логический канал прокладывается по маршруту в одном или нескольких физических каналах. Логический канал можно охарактеризовать, как маршрут, проложенный через физические каналы и узлы коммутации. • Информация в сети передается блоками данных по процедурам обмена между объектами. Эти процедуры называют протоколами передачи данных. 8

Протокол - это совокупность правил, устанавливающих формат и процедуры обмена информацией между двумя или несколькими устройствами. ¢ Загрузка сети характеризуется параметром, называемым трафиком. Трафик (traffic) - это поток сообщений в сети передачи данных. Под ним понимают количественное измерение в выбранных точках сети числа проходящих блоков данных и их длины, выраженное в битах в секунду. ¢ Существенное влияние на характеристику сети оказывает метод доступа. Метод доступа - это способ определения того, какая из рабочих станций сможет следующей использовать канал связи и как управлять доступом к каналу связи. ¢

Что такое протокол?

В сети все рабочие станции физически соединены между собою каналами связи по определенной структуре, называемой топологией. Топология -это описание физических соединений в сети, указывающее какие рабочие станции могут связываться между собой. Тип топологии определяет производительность, работоспособность и надежность эксплуатации рабочих станций, а также время обращения к файловому серверу. В зависимости от топологии сети используется тот или иной метод доступа. Состав основных элементов в сети зависит от ее архитектуры. Архитектура - это концепция, определяющая взаимосвязь, структуру и функции взаимодействия рабочих станций в сети. Она предусматривает логическую, функциональную и физическую организацию технических и программных средств сети. Архитектура определяет принципы построения и функционирования аппаратного и программного обеспечения элементов сети.

Классификация сетей по топологии Топологии – конфигурации взаимосвязей узлов сети (какой нет на рисунке ? ) 12

Сети по территориальному признаку разделяются на: локальные вычислительные сети (ЛВС) или Local Area Network (LAN), расположенные в одном или нескольких близко расположенных зданиях. ЛВС обычно размещаются в рамках какой-либо организации (корпорации, учреждения), поэтому их называют корпоративными; o распределенные компьютерные сети, глобальные или Wide Area Network (WAN), расположенные в разных зданиях, городах и странах, которые бывают территориальными, смешанными и глобальными. В зависимости от этого глобальные сети бывают четырех основных видов: городские, региональные, национальные и транснациональные. В качестве примеров распределенных сетей очень большого масштаба можно назвать: Internet, EUNET, Relcom, FIDO. o 13

Локальные сети служат для объединения рабочих станций, периферийных устройств, терминалов и других устройств. Характерные особенности локальной сети: Ограниченные географические пределы; Обеспечение пользователям доступа к среде с высокой пропускной способностью; Постоянное подключение к локальным сервисам; Физическое соединение рядом стоящих устройств. 14

Глобальные сети служат для объединения локальных сетей и обеспечивают связь между компьютерами, находящимися в локальных сетях. Глобальные сети охватывают значительные географические пространства и обеспечивают возможность связать устройства на большом удалении друг от друга. 15

Соединенные в сеть компьютеры обмениваются информацией и совместно используют периферийное оборудование и устройства хранения информации Использование периферийного оборудования 16

Архитектура сетей Архитектура сети определяет основные элементы сети, характеризует ее общую логическую организацию, техническое обеспечение, программное обеспечение, описывает методы кодирования. Архитектура также определяет принципы функционирования и интерфейс пользователя. Рассмотрим три вида архитектур: архитектура терминал - главный компьютер; одноранговая архитектура; архитектура клиент - сервер. Архитектура терминал - главный компьютер (terminal - host computer architecture) - это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров. 17

Архитектура терминал - главный компьютер (terminal - host computer architecture) - это концепция информационной сети, в которой вся обработка данных осуществляется одним или группой главных компьютеров. 18

Одноранговая архитектура (peer-to-peer architecture) - это концепция информационной сети, в которой ее ресурсы рассредоточены по всем системам. Данная архитектура характеризуется тем, что в ней все системы равноправны. 19

Архитектура клиент – сервер Архитектура клиент - сервер (client-server architecture) - это концепция информационной сети, в которой основная часть ее ресурсов сосредоточена в серверах, обслуживающих своих клиентов. Рассматриваемая архитектура определяет два типа компонентов: серверы и клиенты. 20

Сервер - это объект, предоставляющий сервис другим объектам сети по их запросам. Сервис - это процесс обслуживания клиентов. Сервер работает по заданиям клиентов и управляет выполнением их заданий. Сервисная функция в архитектуре клиент - сервер описывается комплексом прикладных программ, в соответствии с которым выполняются разнообразные прикладные процессы. Клиенты - это рабочие станции, которые используют ресурсы сервера и предоставляют удобные интерфейсы пользователя. Интерфейсы пользователя это процедуры взаимодействия пользователя с системой или сетью. 21

22

ВЫБОР АРХИТЕКТУРЫ СЕТИ Выбор архитектуры сети зависит прежде всего от назначения сети и количества рабочих станций. Следует выбрать одноранговую архитектуру, если: - количество пользователей не превышает десяти; - все машины находятся близко друг от друга; - имеют место небольшие финансовые возможности; - нет необходимости в специализированном сервере, таком как сервер БД, факс-сервер или каком-либо другом; - нет возможности или необходимости в централизованном администрировании. Следует выбрать клиент - серверную архитектуру, если: - количество пользователей превышает десяти; - требуется централизованное управление, безопасность, управление ресурсами или резервное копирование; - необходим специализированный сервер; - нужен доступ к глобальной сети; - требуется разделять ресурсы на уровне пользователей. 23

Характеристики 2 типов сетей Таблица 1 Параметры Одноранговые сети Сети на основе сервера Размер Не более 10 компьютеров Ограничены аппаратным обеспечением сервера и сети Защита Вопросы защиты решаются каждым пользователем самостоятельно Широкая и комплексная защита ресурсов и пользователей Вопросами администрирования своего компьютера занимается каждый пользователь. Нет необходимости в отдельном администраторе; Администрирование осуществляется централизованно. Необходим хотя бы один администратор с соответствующим уровнем знаний Администрирование 24

Комбинированные сети Рис. 1. 7. Прямые соединения между всеми коммуникационными устройствами 25

Рис. 1. 8. Простая сеть 26

1. 4. Сетевые конфигурации Рис. 1. 9. Широковещательные (а) и коммутируемые (б) сети 27

Многоуровневый подход. Протокол. Интерфейс. Стек протоколов Пример декомпозиции задачи Многоуровневый подход - создание иерархии задач 28

Многоуровневая модель файловой системы 29

Взаимодействие двух узлов 30

Сетевые стандарты v Бурный рост компьютерных технологий привел к появлению оборудования, программного обеспечения от разных производителей. v Для решения проблемы совместимости Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, ISO) в 1984 году выпустила эталонную модель взаимодействия открытых систем (OSI). v Эталонная модель OSI является основной архитектурной моделью взаимодействия между компьютерами. 31

Модель взаимодействия открытых систем (OSI) l l l Эталонная модель OSI – концептуальная схема сети, определяющая сетевые функции, реализуемые на каждом уровне. Эталонная модель OSI делит задачу перемещения информации между компьютерами через сетевую среду на семь подзадач. Такое разделение на уровни называется иерархическим представлением. Каждый уровень соответствует одной из семи подзадач. 32

Семь уровней эталонной модели OSI 7 Уровень приложений Сетевые процессы с прикладными программами 6 Уровень представлений Представление данных 5 Сеансовый уровень Связь между хостами 4 Транспортный уровень Связь между конечными устройствами 3 Сетевой уровень Адрес и маршрутизация 2 Канальный уровень Доступ к среде передачи данных 1 Физический уровень Двоичная передача 33

Модель OSI n n n Нижние уровни (с 1 по 3) модели OSI управляют физической доставкой сообщений и их называют уровнями среды передачи данных (media layers). Верхние уровни (с 4 по 7) модели OSI призваны обеспечить точную доставку данных между компьютерами в сети и их называют уровнями хост-машины (host layers). Модель OSI не является схемой реализации сети, она только определяет функции каждого уровня. 34

Цель разработки эталонной модели n Деление функциональных задач сети на семь уровней в рамках модели OSI обеспечивает следующие преимущества: – – Делит аспекты работы сети на менее сложные элементы; Определяет стандартные интерфейсы для автоматического интегрирования в систему новых устройств и обеспечения совместимости сетевых продуктов разных поставщиков; – Позволяет закладывать в различные модульные функции межсетевого взаимодействия симметрию; – Изменения в одной области не требует изменений в других областях; – Делит сложную межсетевую структуру на дискретные, более простые для изучения подмножества операций. 35

Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI 36

Вложенность сообщений различных уровней 37

Семь уровней эталонной модели OSI n Уровень 7 (уровень приложений) v v Уровень приложений – самый близкий к пользователю уровень модели OSI. Данный уровень не предоставляет услуги другим уровням, а только обслуживает прикладные процессы вне пределов модели OSI. Уровень приложений идентифицирует и устанавливает доступность предлагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные программы, а также устанавливает договоренности о процедурах восстановления после ошибок и контроля целостности данных. 38

Семь уровней эталонной модели OSI Ø Уровень 6 (представительный) § определяет формат данных, которыми обмениваются приложения, и предлагает прикладным программам набор услуг по преобразованию данных; § определяет синтаксис, используемый объектами уровня приложений, и предусматривает операции выборки и последующей модификации используемого представления. 39

Семь уровней эталонной модели OSI l Уровень 5 (сеансовый) – Сеансовый уровень устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия приложений. – Сеансы включают диалог между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами уровня представлений и управляет обменом информации между ними. – Сеансовый уровень обеспечивает класс услуг и средства формирования отчетов для формирования отчетов об особых ситуациях. 40

Семь уровней эталонной модели OSI l Уровень 4 (транспортный) – Транспортный уровень сегментирует и повторно собирает данные в один поток. – Транспортный уровень обеспечивает транспортировку данных, изолируя верхние уровни от деталей ее реализации. – Транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действий виртуальных каналов, обнаружения и устранения неисправностей транспортировки, а также управления информационным потоком. 41

Семь уровней эталонной модели OSI l Уровень 3 (сетевой) – Сетевой уровень – комплексный уровень, обеспечивающий соединение и выбор маршрута между конечными системами, которые могут располагаться географически в разных сетях. l Уровень 2 (канальный) – Канальный уровень обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. – Канальный уровень решает вопросы физической адресации, топологии сети, уведомления об ошибках, упорядоченной доставки кадров, а также управления потоком данных. 42

Пример составной сети 43

Семь уровней эталонной модели OSI l Уровень 1 (физический) – Физический уровень определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики активизации, поддержания и деактивизации физического канала между конечными системами. – Спецификации физического уровня определяют такие характеристики, как уровни напряжений, временные параметры изменения напряжений, скорости физической передачи данных и т. п. 44

Одноранговая модель взаимодействия l l Многоуровневая модель OSI исключает прямую связь между равными по положению уровнями в разных компьютерных системах. Каждый уровень решает свои задачи. Для выполнения своих задач, он должен общаться с соответствующим уровнем в другой системе. Обмен сообщениями (блоками данных протокола – protocol data units, PDU) осуществляется с помощью протокола соответствующего уровня. Подобный обмен данными достигается за счет использования услуг уровней, лежащих на более низких уровнях. 45

Инкапсуляция данных l l Информация, посланная в сеть, называется данными или пакетами данных. Если один компьютер (источник) посылает данные другому компьютеру (получателю), то данные должны быть собраны в пакет в процессе инкапсуляции. Каждый уровень эталонной модели зависит от услуг нижележащего уровня. Чтобы обеспечить данные услуги, нижний уровень при помощи инкапсуляции помещает блок PDU, полученный от верхнего уровня, в свое поле данных. Затем добавляются заголовки и трейлеры, необходимые уровню для реализации своей функции. 46

Инкапсуляция данных l Процесс передачи данных может быть схематично представлен следующим образом: – Формирование данных. – Упаковка данных для сквозной транспортировки. – Добавление сетевого адреса в заголовок. – Добавление локального адреса в канальный заголовок. – Преобразование в последовательность битов для передачи. Заголовок кадра Данные Заголовок сетевого уровня Данные Трейлер кадра 47

Взаимодействие в сети • При этом каждый уровень на одном абоненте работает так, как будто он имеет прямую связь с соответствующим уровнем другого абонента. • Между одноименными уровнями абонентов сети существует виртуальная (логическая) связь, например, между прикладными уровнями взаимодействующих по сети абонентов. • Реальную же, физическую связь (кабель, радиоканал) абоненты одной сети имеют только на самом нижнем, первом, физическом уровне. • В передающем абоненте информация проходит все уровни, начиная с верхнего и заканчивая нижним. В принимающем абоненте полученная информация совершает обратный путь: от нижнего уровня к верхнему. 48

Сетезависимые и сетенезависимые уровни модели OSI 49

Соответствие функций различных устройств сети уровням модели OSI 50

Соответствие популярных стеков протоколов модели OSI 51

ISO (International Organization for Standardization - Международная организация стандартизации, http: //www. iso. ch/). l IEC (International Electrotechnical Commision - Международная электротехническая комиссия, http: //www. iec. ch/). l ITU (International Telecommunication Union - Международный союз по телекоммуникациям (иногда используется аббревиатура МСЭ – международный союз по электросвязи), http: //www. itu. int/). l JTC 1 (Joint Technical Committee 1 - Объединенный технический комитет 1 ISO и IEC Именно эти организации обладают признанными всеми странами полномочиями издавать международные стандарты, называемые также стандартами де-юре или формальными стандартами. Таким образом, формальными стандартами являются международные стандарты ISO, IEC и рекомендации ITU. Эти организации тесно взаимосвязаны друг с другом посредством организационных и процедурных механизмов, образуя основу системы международной стандартизации. Благодаря согласованности их деятельности обеспечивается целостность системы международных стандартов. 52

комитеты IEEE 802. x и соответствующие стандарты LAN IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers, институт инженеров по э/тех. и э. (США) l 802. 1 —Internetworking — объединение сетей; l 802. 2 —Logical Link Control, LLC — управление логической передачей данных; l 802. 3 —Ethernet с методом доступа CSMA/CD; l 802. 4 —Token Bus LAN — локальные сети с методом доступа Token Bus; l 802. 5 —Token Ring LAN — локальные сети с методом доступа Token Ring; l 802. 6 —Metropolitan Area Network, MAN — сети мегаполисов; l 802. 7 —Broadband Technical Advisory Group — техническая консультационная группа по широкополосной передаче; l 802. 8 —Fiber Optic Technical Advisory Group — техническая консультационная группа по волоконно-оптическим сетям; l 802. 9 —Integrated Voice and data Networks — интегрированные сети передачи голоса и данных; l 802. 10 — Network Security — сетевая безопасность; l 802. 11—Wireless Networks — беспроводные сети; l 802. 12 — Demand Priority Access LAN, 100 VG-Any. LAN - локальные сети с методом доступа по требованию с приоритетами. l ISO/IEC 8802 -x – соответствующие международные стандарты ISO l 53

Общая структура сети с коммутацией абонентов 54

Модуляция речевым сигналом Коммутация на основе частотного уплотнения 55

Коммутация на основе разделения канала во времени 56

Разбиение сообщения на пакеты 57

Сглаживание пульсаций трафика в сети с коммутацией пакетов 58

Задержки передачи данных в сетях с коммутацией каналов и пакетов 59

Коммутация сообщений 60

Кабель с витыми парами Коаксиальный кабель 61

Структура оптоволоконного кабеля 62

Передача сигналов по электрическому кабелю 63

Передатчик Приемник Затухание сигналов в электрическом кабеле 64

Дифференциальная передача сигналов по витой паре 65

Правильное соединение компьютеров сети (гальваническая развязка условно показана в виде прямоугольника) 66

Наиболее распространенные коды передачи информации 67

Аналоговое кодирование цифровой информации 68