Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
34
ЛЕКЦИЯ 5
Рисунок 4.16
4.4 Коммутация абонентов
Любые сети связи поддерживают некоторый способ коммутации своих абонентов между собой. Этими абонентами могут быть удаленные компьютеры, локальные сети, факс-аппараты или просто собеседники, общающиеся с помощью телефонных аппаратов. Практически невозможно предоставить каждой паре взаимодействующих абонентов свою собственную некоммутируемую физическую линию связи, которой они могли бы монопольно «владеть» в течение длительного времени. Поэтому в любой сети всегда применяется какой-либо способ коммутации абонентов, который обеспечивает доступность имеющихся физических каналов одновременно для нескольких сеансов связи между абонентами сети.
На рис. 4.16 показана типичная структура сети с коммутацией 8 абонентов. Абоненты соединяются с коммутаторами индивидуальными линиями связи, каждая из которых используется в любой момент времени только одним, закрепленным за этой линией абонентом. Между коммутаторами линии связи разделяются несколькими абонентами, то есть используются совместно.
Известны три способа коммутации: коммутация каналов, коммутация сообщений, коммутация пакетов. Каждая из этих схем имеет свои преимущества и недостатки, но по долгосрочным прогнозам многих специалистов будущее принадлежит технологии коммутации пакетов, как более гибкой и универсальной.
На телефонных сетях в настоящее время наиболее распространенным способом коммутации является коммутация каналов (линий). Он характеризуется тем, что по переданному адресу представляется тракт между передатчиком и приемником на все время передачи информации в реальном масштабе времени. Недостатком этого способа является неэффективное использование тракта, так как информация (речевое сообщение) прерывается длительными паузами. В таких системах коммутации качество обслуживания вызовов оценивается вероятностью отказов в установлении соединения из-за занятости каналов (линий) и приборов коммутации (системы с потерями) или временем ожидания обслуживания вызова (в системах с ожиданием). Перечисленные показатели нормируются.
Способ коммутации сообщений характеризуется тем, что тракт между приемником и передатчиком заранее не устанавливается, а канал в нужном направлении предоставляется (по адресу, приписываемому в начале сообщения), только на время передачи сообщения, а в паузах этот канал используется для передачи других сообщений. Системы коммутации сообщений являются системами с ожиданием. Качество обслуживания вызовов оценивается по среднему времени задержки сообщения. Способ коммутации сообщений используется, когда не требуется работа в реальном масштабе времени. По сравнению с коммутацией каналов коммутация сообщений имеет следующие преимущества: повышается использование каналов; возможно использование разных типов каналов на разных участках; регистрируются и хранятся проходящие через узел сообщения.
При коммутации пакетов сообщение разбивается на части одинакового объема, называемые пакетами. Каждому пакету присваивается номер пакета и адрес получателя. Передача пакетов одного сообщения происходит аналогично передаче в системе с коммутацией сообщений и может осуществляться по одному или разным путям. В оконечном пункте пакеты собираются и выдаются адресату.
Каждый из способов коммутации имеет свои преимущества и недостатки и может быть эффективно использован в определенных условиях и для определенных видов информации.
Среди множества возможных подходов к решению задачи коммутации абонентов в сетях выделяют два основополагающих:
Если топология сети не полносвязная, то обмен данными между произвольной парой конечных узлов (абонентов) должен идти в общем случае через транзитные узлы. Например, в сети, показанной на рис. ниже, узлы 2 и 4, не связанные непосредственно, вынуждены передавать данные через транзитные узлы, в качестве которых могут выступить, например, узлы 1 и 5. Узел 5 - интерфейса F на В. Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю называется маршрутом.
В самом общем виде задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов называется задачей коммутации. Она может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач.
Рисунок 4.17 - Коммутация абонентов через сеть транзитных узлов
В общем случае решение каждой из частных задач коммутации - определение потоков и соответствующих маршрутов, фиксация маршрутов в конфигурационных параметрах и таблицах сетевых устройств, распознавание потоков и передача данных между интерфейсами одного устройства. От того, какой механизм прокладки маршрутов, продвижения данных и совместного использования каналов связи заложен в той или иной сетевой технологии, зависят ее фундаментальные свойства.
При использовании коммутации каналов подразумевается наличие выделенного коммуникационного канала между взаимодействующими устройствами. Этот путь образуется последовательностью определенных узлов сети.
Связь посредством коммутации каналов включает три фазы, объяснение которых проведем с использованием рис. 4.18.
1. Установление канала. Для простоты будем рассматривать передачу данных в одном направлении. Пусть устройство А хочет передавать данные на устройство Е. Прежде чем данные начнут передаваться, должен установиться канал, соединяющий оконечные станции через цепь узлов. Например, станция А посылает запрос узлу 4 с требованием установить соединение со станцией Е.
Рисунок 4.18 - Сеть передачи данных
Поскольку сегмент А-4 – выделенная линия, то часть канала уже существует. Узел 4 должен определить следующий узел в маршруте, ведущий к узлу 6. Основываясь на информации о маршрутах и анализируя стоимости каналов, узел 4 выбирает канал, например к узлу 5, выделяя в этом канале (используя мультиплексирование ТБМ или FDM) соответствующую полосу. После этого выделенный канал установлен от устройства А через узел 4 до узла 5. Поскольку несколько станций может быть подключено к узлу 4, он должен быть способен устанавливать внутренние пути от множества станций к множеству узлов. Теперь узел 5 по аналогии с узлом 4 устанавливает канал к узлу 6 и внутренне привязывает этот канал к каналу, идущему от узла 4. Далее узел 6 завершает соединение с устройством Е. По завершении соединения проводится тестирование, определяющее, свободно ли устройство Е, готово ли оно принимать данные.
2. Передача данных. Если устройство Е свободно, данные могут передаваться через сеть. Данные могут быть цифровыми (например, взаимодействие терминала с хостом) или аналоговыми (например, передача голоса). Сигнализация и передача могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. В любом случае, путь образуется через: сегмент А-4, внутреннюю коммутацию на узле 4, сегмент 4-5, внутреннюю коммутацию на узле 5, сегмент 5-6, внутреннюю коммутацию на узле 6 и сегмент 6-Е. В общем, происходит установление и обратного канала, так что соединение является полнодуплексным, и данные могут передаваться в обоих направлениях.
3. Отсоединение канала. После определенного времени передачи данных соединение терминируется, обычно после соответствующей команды от одной из станций. Сигналы разъединения должны пройти по узлам 4, 5, 6, чтобы высвободить ресурсы в сеть.
Подчеркнем, что путь соединения устанавливается до начала передачи данных. Таким образом, соответствующая емкость, требуемая для данного канала передачи, должна быть в наличие и резервируется между парами узлов на всем пути еще на этапе установления канала. Для этого каждый узел должен иметь внутреннюю коммутационную емкость, чтобы обеспечить соединение.
Коммутация каналов может быть довольно неэффективной. Емкость установившегося канала выделяется на время соединения оконечных устройств и не доступна под другие приложения, даже если данные не передаются. Для телефонных сетей эффективность голосового канала весьма далека от 100%. Еще хуже обстоит дело при подключении удаленного терминала к хосту, когда данные могут вовсе не идти в течение долгого времени, и канал будет простаивать. С точки зрения производительности, задержка вносится на этапе установления соединения. Однако если соединение установлено, то сеть прозрачна по отношению к конечным устройствам, и данные идут с минимальными задержками.
Преимущества коммутации каналов:
Недостатки коммутации каналов
Коммутация пакетов
Техника коммутации пакетов была специально разработана для эффективной передачи компьютерного трафика. При коммутации пакетов
все передаваемые пользователем сети сообщения разбиваются в исходном
узле на сравнительно небольшие части, называемые пакетами. Пакеты обычно могут иметь переменную длину, но в узких пределах, например от 46 до 1500 байт. Каждый пакет снабжается заголовком, в котором указывается адресная информация, необходимая для доставки пакета узлу назначения, а также номер пакета, который будет использоваться узлом назначения для сборки сообщения.
Рисунок 4.19 - Разбиение сообщения на пакеты
Пакеты транспортируются в сети как независимые информационные блоки. Коммутаторы сети принимают пакеты от конечных узлов и на основании адресной информации передают их друг другу, а в конечном итоге - узлу назначения.
Преимущества сетей с коммутацией пакетов.
Метод пакетной коммутации сообщений в настоящее время используется в двух модификациях: в режиме дейтаграмм4 и в режиме виртуальных каналов5.
Режим дейтаграмм является прямым развитием коммутации сообщений, где сообщения предварительно разбиваются на небольшие, фиксированного размера порции (пакеты). Каждый пакет при передаче по коммуникационной сети является полностью независимой единицей. Для этого он снабжается своим заголовком, где указываются сетевые адреса отправителя и получателя сообщения, а также порядковый номер отдельного пакета во всем сообщении.
Уменьшение размера передающихся порций информации и возможность одновременной передачи нескольких пакетов одного сообщения по альтернативным путям при данном подходе существенно уменьшают сетевые задержки при передаче данных. Кроме того, коммутационные узлы могут иметь не столь большие, как при коммутации сообщений, размеры буферов для временного размещения транзитных пакетов, поэтому скорость обработки информации в этих узлах может быть повышена. На уменьшение задержек существенно влияет и то, что при обнаружении ошибок передачи в режиме коммутации пакетов повторно передаются лишь отдельные пакеты, а не целые сообщения.
Недостатки сетей с коммутацией пакетов.
С одной стороны, при ее использовании увеличивается объем дополнительной, служебной информации, передающейся по сети (заголовки отдельных пакетов). С другой стороны, в режиме дейтаграмм существует проблема организации сборки переданного сообщения в узле назначения. Эта проблема связана с тем, что отдельные пакеты, проходя различными маршрутами по подсети связи, будут приходить в конечный узел назначения в неупорядоченной последовательности.
Режим виртуальных каналов является попыткой соединить воедино преимущества метода коммутации каналов и метода коммутации сообщений. При этом подходе, еще до посылки по сети первого информационного пакета, между двумя конечными точками организуется логическое соединение, связанное с реализацией трех фаз, присущих методу коммутации каналов (фазы начального установления соединения, фазы двунаправленной передачи данных и фазы разъединения соединения).
Вызывающая станция сначала посылает по сети служебный пакет запроса на установление виртуального канала, связывающего станцию-инициатор с вызываемой станцией. Подсеть связи маршрутизирует этот пакет как обычную дейтаграмму, содержащую в заголовке сетевые адреса двух конечных станций. Передвигаясь по сети, пакет закрепляет за пройденным маршрутом номер устанавливаемого виртуального канала. Номер логического канала, запоминаемый в транзитных узлах, закрепляется за двунаправленным маршрутом для каждого конкретного вызова обмена данными.
После установления логического соединения, т.е. после получения вызывающей станцией пакета-ответа на запрос, по установленному виртуальному каналу начинается пересылка информационных пакетов сообщения. Последовательная передача пакетов по установленному логическому каналу полностью обеспечивает их получение в правильной последовательности. Поэтому заголовок каждого информационного пакета уже не нуждается в порядковом номере, а также и в указании сетевых адресов обеих станции-абонентов (достаточно лишь указание номера логического канала). Следовательно, при коммутации виртуальных каналов не только уменьшается объем передачи дополнительной служебной информации, но и обеспечивается интерактивный режим взаимодействия двух станций-абонентов.
Заметим, что весь путь целиком между двумя станциями-абонентами здесь не резервируется. Пакеты передаются от узла к узлу с промежуточным хранением и ожидают в общих очередях к каналам, связывающим эти транзитные узлы. Однако для каждого соединения между станциями-абонентами маршрутизация осуществляется только один раз при установлении соединения.
Конечно, если отдельной станции необходимо передать по сети всего несколько пакетов, то режим дейтаграмм будет более быстрым и предпочтительным. Однако если между станциями необходим обмен данными на протяжении значительного периода времени, предпочтение следует отдать виртуальным соединениям. Поэтому в вычислительных сетях на практике применяются сочетания различных методов коммутации в зависимости от требований приложений, количественных и качественных характеристик узлов, линий связи и трафика.
Коммутация сообщений
Под коммутацией сообщений понимается передача единого блока данных между транзитными компьютерами сети с временной буферизацией этого блока на диске каждого компьютера (рис. 4.20). Сообщение в отличие от пакета имеет произвольную длину, которая определяется не технологическими соображениями, а содержанием информации, составляющей сообщение. Например, сообщением может быть текстовый документ, файл с кодом программы, электронное письмо.
|
Рисунок 4.20 - Коммутация сообщений |
Транзитные компьютеры могут соединяться между собой как сетью с коммутацией пакетов, так и сетью с коммутацией каналов. Сообщение хранится в транзитном компьютере на диске, причем время хранения может быть достаточно большим, если компьютер загружен другими работами или сеть временно перегружена.
По такой схеме обычно передаются сообщения, не требующие немедленного ответа, чаще всего сообщения электронной почты. Режим передачи с промежуточным хранением на диске называется режимом «хранение-и-передача» (store-and-forward).
Режим коммутации сообщений разгружает сеть для передачи трафика, требующего быстрого ответа, например трафика службы WWW или файловой службы.
Количество транзитных компьютеров стараются по возможности уменьшить. Если компьютеры подключены к сети с коммутацией пакетов, то число промежуточных компьютеров обычно уменьшается до двух. Например, пользователь передает почтовое сообщение своему серверу исходящей почты, а тот сразу старается передать сообщение серверу входящей почты адресата. Но если компьютеры связаны между собой телефонной сетью, то часто используется несколько промежуточных серверов, так как прямой доступ к конечному серверу может быть невозможен в данный момент из-за перегрузки телефонной сети (абонент занят) или экономически невыгоден из-за высоких тарифов на дальнюю телефонную связь.
Техника коммутации сообщений появилась в компьютерных сетях раньше техники коммутации пакетов, но потом была вытеснена последней, как более эффективной по критерию пропускной способности сети. Запись сообщения на диск занимает достаточно много времени, кроме того, наличие дисков предполагает специализированные компьютеры в качестве коммутаторов, что удорожает сеть.
Сегодня коммутация сообщений работает только для некоторых не оперативных служб, причем чаще всего поверх сети с коммутацией пакетов, как служба прикладного уровня.
4.5 Элементы теории телетрафика
Теория телетрафика – раздел теории массового обслуживания. Основы теории телетрафика заложил датский учёный А.К. Эрланг. Термин «трафик» соответствует термину «телефонная нагрузка». Последовательность сообщений (занятий) создает нагрузку на системы передачи и коммутации. Она определяется потоком вызовов и длительностью занятий канала.
• Вызов – требование источника на установление соединения или передачу сообщения.
• Поток вызовов – последовательность моментов поступления вызовов.
• Длительность занятия – среднее время, в течение которого занят обслуживающий прибор при одном занятии.
В общем случае потоки вызовов являются случайными процессами. Точное математическое описание потоков невозможно, поэтому используются их модели. Наиболее распространена модель в виде простейшего потока вызовов – это стационарный ординарный поток без последействия. В большинстве случаев поток вызовов в час наибольшей нагрузки (ЧНН) от группы источников численностью N > 100 удовлетворительно описывается простейшим потоком. В том случае, если число источников меньше 100, используют модель примитивного потока.
• Примитивный поток – ординарный поток, параметр которого прямо пропорционален числу свободных источников.
• Телефонная нагрузка – общая длительность занятия обслуживающих приборов в течение некоторого промежутка времени. Единица измерения нагрузки 1 часо-занятие.
• Интенсивность телефонной нагрузки – величина нагрузки в единицу времени, измеряется в Эрлангах. 1 Эрл = 1 часо-занятие / час. Интенсивность телефонной нагрузки имеет сильные колебания, в том числе и в течение дня .
• Час наибольшей нагрузки (ЧНН) – период суток, в течение которого нагрузка имеет наибольшее значение
• Потери – часть поступающей нагрузки, которая не обслуживается из-за занятости обслуживающих приборов.
Существуют следующие виды коммутационных систем: коммутационные системы без потерь; коммутационные системы с потерями; коммутационные системы с ожиданием.
Рисунок 4.21 – Обобщенная модель коммутатора
Коммутационной системой без потерь называется такая, при которой поступающий вызов немедленно обслуживается, и с потерями, если поступающий вызов либо получает отказ в обслуживании, либо обслуживание его задерживается на некоторое время.
По экономическим соображениям реальные коммутационные системы обычно проектируются с потерями. Различают следующие виды потерь: явные, условные и комбинированные.
Коммутационной системой обслуживания с явными потерями называется такая, при которой поступающий на коммутационную систему вызов, получая отказ в обслуживании, покидает систему и в дальнейшем не оказывает на систему никакого влияния. При такой дисциплине обслуживания абонент, получив сигнал «занято», отказывается от дальнейших попыток установить соединение.
Коммутационной системой обслуживания с условными потерями называется такая, при которой поступающий на коммутационную систему в момент отсутствия соединительных путей вызов не теряется, а обслуживается с ожиданием (дисциплина обслуживания с ожиданием). Если вызов обслуживается после многократных повторений попыток установить соединение, то имеет место дисциплина обслуживания с повторением. Структура коммутационной системы характеризуется большим числом параметров: числом звеньев, числом, емкостью и способами связи коммутаторов и так далее.
Наиболее удобной функцией распределения длительности обслуживания с точки зрения аналитического описания и анализа пропускной способности коммутационных систем является показательное распределение, так как оно не обладает последействием.
F(t) = 1- eβt ,
где β =1/М(t) – параметр длительности обслуживания; М(t) – математическое ожидание длительности обслуживания.
Одной из важнейших характеристик коммутационных систем является их эффективность. В качестве показателей эффективности наряду с экономическими (капитальными затратами, эксплуатационными расходами) широко используется и такой технический показатель, как пропускная способность.
Под пропускной способностью коммутационной системы понимается интенсивность обслуженной коммутационной системой нагрузки при заданном качестве обслуживания. Пропускная способность коммутационной системы зависит от величины потерь, емкости пучков линий, включенных в выходы коммутационной системы, от способа (схемы) объединения этих выходов, класса потока вызовов, структуры коммутационной системы, распределения длительности обслуживания и дисциплины обслуживания.
4.6 Принципы построения систем коммутации
Основными терминами системы коммутации являются:
• Точка коммутации – группа коммутационных элементов, осуществляющих коммутацию одновременно при подаче одного управляющего сигнала.
• Звено коммутации – группа коммутаторов, обеспечивающих одну и ту же функцию в коммутационной станции
• Коммутационный блок – часть ступени искания, представляющая собой совокупность точек коммутации, обслуживающих определенную группу входов
• Ступень искания – часть коммутационной станции, реализующая один вид искания
• Коммутационное поле (КП) – совокупность коммутационных приборов всех ступеней искания станции
• Коммутационная станция – совокупность технических средств, обеспечивающая коммутацию абонентских и соединительных линий и каналов при осуществлении оконечных и транзитных соединений во вторичной сети связи.
Пространственная коммутация. В пространственных КП коммутируемые цепи разделены в пространстве. Простейшим коммутационным устройством КП является коммутатор (рис.4.22) – это коммутационная схема с n входами и m выходами.
Рисунок 4.22 - Схема коммутатора n×m и его символическое изображение
В точке пересечения входа с выходом может быть установлен коммутационный элемент (КЭ) – металлический контакт или полупроводниковый переключатель. Если в квадратном коммутаторе nхn на пересечении всех входов с выходами установлены КЭ, то в нём всегда можно установить соединение заданного входа с любым свободным выходом. Коммутатор с таким свойством является неблокирующим, то есть все его выходы доступны любому входу и даже при занятости n = 1 выходов последний свободный выход доступен входу. Если n > m, то в коммутаторе возникают блокировки.
Если к входам и выходам одного квадратного коммутатора N×N подключить абонентские линии одной АТС, то количество необходимых КЭ Q = N2 – N = N(N – 1), так как КЭ по диагонали слева направо не нужны. Стоимость такого КП будет велика. Использование многозвенных структур, в которых коммутаторы соединены каскадно, позволяет построить КП с существенно меньшим количеством КЭ при заданном количестве абонентов станции и с приемлемыми потерями. Схема такого КП показана на рис.4.23.
Рисунок 4.23 - Трёхступенчатая (трёхзвенная) коммутационная схема
Каждая ступень коммутации связана с совокупностью соединительных путей (звеньев). Общее число КЭ в этой схеме существенно меньше, чем в схеме квадратного коммутатора с N-входами и N-выходами:
Временная коммутация. Временное разделение может реализоваться, например, с помощью импульсно-кодовой модуляции. В ТФОП России, как и в сетях Европы, используются тридцатиканальные ЦСП с ИКМ. В групповом тракте одного направления передачи (например, в двухпроводной кабельной физической линии) такой ЦСП организуется 30 разделённых во времени каналов (ВК) для передачи речевой информации или данных и двух специальных канала. Такое разделение 30 каналов, предоставляемых пользователям, показано на рис. 4.24, а. Коммутационные поля цифровых станций и узлов строятся с использованием пространственно-временной коммутации. Пусть для каждого ВК существует ячейка памяти, где код данных хранится в течение цикла. На рис. 4.24, б ячейки, закреплённые за одной линией ИКМ, показаны вертикальными линиями. Также имеются промежуточные линии (горизонтальные), по которым содержимое любой ячейки может быть прочитано в любом нужном временном положении. Процесс такого считывания и называется временной коммутацией.
Рисунок 4.24 - а) Формат цикла ЦСП с ИКМ и схематичное изображение временного разделения каналов,
б) Схема пространственного эквивалента временной коммутации
Пример КП с пространственно-временной коммутацией показан на рис. 4.25. В ней на первой ступени и третьей ступенях используется временная, а на второй – пространственная коммутация.
Тип коммутации, приведённой на схеме, называют время – пространство – время (В-П-В). Как и на рис.4.24, здесь число входящих и исходящих каналов равно N. Эти каналы представлены в N/n входящих и исходящих линиях ИКМ. Работа такой коммутационной схемы аналогична работе трёхзвенной пространственной коммутационной (см. рисунок 4.23). В пространственных коммутаторах второй ступени устанавливаются соединения временных каналов исходящих и входящих линий ИКМ.
Рисунок 4.25 - Схема трёхзвенного КП типа В-П-В
Это значит, что КЭ, разделённые в пространстве и установленные на пересечении вертикали с горизонталью, должны открываться в выбранном свободном временном положении коммутации, которое выбирается управляющим устройством. Оно же обеспечивает считывание кода данных из требуемой ячейки (например, второй) информационной памяти входящей линии ИКМ (например, первой) в ячейку (например, n) информационной памяти некоторой исходящей линии ИКМ (например, N/n-й).
Контрольные вопросы
1. Какие методы коммутации используются в сетях связи?
2. В чём отличие метода коммутации сообщений и метода коммутации пакетов?
3. Каким главным недостатком обладает метод коммутации каналов? В чём его достоинство?
4. Какая величина потерь (блокировок) не замечается абонентами?
5. Каковы принципы пространственной коммутации?
6. К чему сводится работа схемы временной коммутации?
7. Приведите пример трёхзвенной коммутационной схемы.
8. В чём преимущество многозвенных (многоступенных) коммутационных схем по сравнению с однозвенными?
4.7 Многоуровневый подход сетевого взаимодействия
Средства сетевого взаимодействия могут быть представлены на основе многоуровневого подхода. При этом все множество модулей разбивается на уровни, образующие иерархию, т.е. имеются вышележащие и нижележащие уровни. Преимуществом такого подхода является возможность модификации отдельных модулей без изменения остальной части системы. Модули нижнего уровня могут, например, обеспечивать надежную передачу электрических сигналов между двумя соседними узлами. Модули более высокого уровня организуют транспортировку сообщений в пределах всей сети, используя средства нижележащих уровней. На верхнем уровне функционируют модули, обеспечивающие пользователям доступ к различным службам.
На рис. 4.26 показана модель взаимодействия двух узлов. С каждой стороны средства взаимодействия представлены четырьмя уровнями. Процедура взаимодействия этих двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.
Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в
одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко
определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов
сообщений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс
определяет набор сервисов, предоставляемый данным уровнем соседнему. В
сущности, протокол и интерфейс выражают одно и то же понятие, но
традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы
определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах,
а интерфейсы - модулей соседних уровней в одном узле.
Рисунок 4.26 – Иерархия взаимодействия двух узлов
Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых, свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.
При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т. п. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого — уровня передачи битов — до самого высокого, реализующего сервис для пользователей сети.
Процедура взаимодействия отдельных узлов системы, может быть
описана в виде набора правил.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для
организации взаимодействия узлов сети, называется стеком
коммуникационных протоколов. Коммуникационные протоколы могут быть
реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы нижних уровней
иерархии часто реализуются комбинацией аппаратных и программных
средств, а протоколы верхних уровней, как правило, чисто программными средствами.
В начале 80-х годов ряд международных организаций по стандартизации
разработали модель взаимодействия открытых систем, OSI (Open System
Interconnection). Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Модель OSI была разработана на основании большого опыта, полученного при создании компьютерных сетей, в основном глобальных, в 70-е годы. Полное описание этой модели занимает более 1000 страниц текста.
В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней иерархии:
1. Физический уровень.
2. Канальный уровень.
3. Сетевой уровень
4. Транспортный уровень
5. Сеансовый уровень.
6. Представительский уровень.
7. Прикладной уровень.
Модель взаимодействия открытых систем OSI приведена на рис.4.27.
Рисунок 4.27 - Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI
В рамках данной модели под открытостью понимается готовность сетевых устройств взаимодействовать между собой с использованием стандартных правил. Примером открытой системы является международная сеть Internet.
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые операционной системой, системными утилитами, системными аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений конечных пользователей. Свои собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и прикладной уровень.
1. Физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим
каналам связи, таким как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный
кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют
отношение характеристики физических сред передачи данных; определяются
характеристики электрических сигналов, тип кодирования, скорость
передачи и т.д. Функции физического уровня реализуются во всех
устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции
физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным
портом.
На этом уровне работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы.
Сетевой концентратор или Хаб (жарг. от англ. hub — центр
деятельности) — сетевое устройство, предназначенное для объединения
нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства
подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или
оптоволокна. Термин концентратор (хаб) применим также к другим
технологиям передачи данных: USB, FireWire и пр.
USB (USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная
последовательная шина», произносится ю-эс-би) — последовательный
интерфейс передачи данных для среднескоростных и низкоскоростных
периферийных устройств в вычислительной технике. Символом USB являются четыре геометрические фигуры: большой круг, малый круг,
треугольник, квадрат), FireWire (EEE 1394 (FireWire, i-Link) —
последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена
цифровой информацией между компьютером и другими электронными
устройствами) и пр.
Повторитель (жарг. — ; англ. repeater) — cетевое оборудование. Предназначен для увеличения расстояния сетевого соединения путѐм повторения электрического сигнала «один в один». Бывают однопортовые повторители и многопортовые.
Медиаконвертер (также преобразователь среды) — это устройство, преобразующее среду распространения сигнала из одного типа в другой. Чаще всего средой распространения сигнала являются медные провода и оптические кабели. Под средой распространения сигнала может пониматься любая среда передачи данных, однако в современной терминологии медиаконвертер работает как связующее звено только между двумя средами — оптическим и медным кабелями.
Функции физического уровня реализуются на всех устройствах,
подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня
выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. К
физическому уровню относятся физические, электрические и механические
интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие
свойства среды сети передачи данных как оптоволокно, витая пара,
коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п.
2. Канальный уровень осуществляет проверку доступности среды
передачи, так как физическая среда передачи может быть занята, а также
обеспечивает реализацию механизма обнаружения и коррекции ошибок. Для
канального уровня биты группируются в наборы, называемые кадрами.
Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра,
обнаружение ошибок с использованем контрольных сумм, повторную
передачу кадров в случае обнаружения ошибок.
Полученные с физического уровня данные он упаковывает во фреймы,
проверяет на целостность, если нужно исправляет ошибки (посылает
повторный запрос поврежденного кадра) и отправляет на сетевой уровень.
Канальный уровень может взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим взаимодействием.
На этом уровне работают коммутаторы, мосты.
Сетевой коммутатор или свитч, свич (жарг. от англ. switch переключатель) — устройство, предназначенное для соединения нескольких
узлов компьютерной сети в пределах одного сегмента. В отличие от
концентратора, который распространяет трафик от одного подключенного
устройства ко всем остальным, коммутатор передает данные только
непосредственно получателю, исключение составляет широковещательный
трафик (на MAC-адрес FF:FF:FF:FF:FF:FF) всем узлам сети. Это повышает
производительность и безопасность сети, избавляя остальные сегменты сети
от необходимости (и возможности) обрабатывать данные, которые им не
предназначались.
Мост (англ. Bridge) — сетевое устройство 2 уровня модели OSI
предназначенное для объединения сегментов компьютерной сети (или
подсети) (разных топологий и архитектур). Мост, при получении кадра из
сети, сверяет MAC-адрес последнего и если он не принадлежит данной
под/сети передает (транслирует) кадр дальше в тот сегмент, которому
предназначался данный кадр. Если кадр принадлежит данной подсети, мост
ничего не делает.
3. Сетевой уровень служит для образования единой транспортной
системы, объединяющей несколько сетей, причем эти сети могут
использовать совершенно различные принципы передачи сообщений между
конечными узлами и обладать произвольной структурой связей. Если внутри
сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем,
то доставкой данных между сетями занимается сетевой уровень, который и
поддерживает возможность правильного выбора маршрута передачи
сообщения.
Сети соединяются между собой специальными устройствами -
маршрутизаторами. Маршрутизатор - это устройство, которое собирает
информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основании
пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать
сообщение от отправителя, находящегося в одной сети, получателю,
находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество
транзитных передач между сетями (хопов, hop), каждый раз выбирая
подходящий маршрут. Проблема выбора наилучшего пути называется
маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач сетевого
уровня.
На рис. 4.28 показаны четыре сети, связанные тремя маршрутизаторами. Между узлами А и В данной сети пролегают два маршрута: первый через маршрутизаторы 1 и 3, а второй через маршрутизаторы 1, 2 и 3.
Решение задачи маршрутизации является одной из главных задач сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь не всегда самый лучший. Часто критерием при выборе маршрута является время передачи данных по этому маршруту; оно зависит от пропускной способности каналов связи и интенсивности трафика, которая может изменяться с течением времени. Некоторые алгоритмы маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим критериям, например надежности передачи.
В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной структурой, которые мы сейчас рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей.
Рисунок 4.28 - Пример составной сети
Сетевой уровень решает также задачи согласования разных
технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания надежных и
гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.
На сетевом уровне определяются два вида протоколов:
- сетевые протоколы (routed protocols) - реализуют продвижение пакетов
через сеть;
- протоколы маршрутизации (routing protocols) - c помощью этих
протоколов маршрутизаторы собирают информацию о топологии
межсетевых соединений.
Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями
операционной системы, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов. Примерами протоколов сетевого уровня являются
протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол
межсетевого обмена пакетами IPX стека Novel.
4. Транспортный уровень обеспечивает приложениям или верхним
уровням стека - прикладному и сеансовому - передачу данных с той
степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять
классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса
отличаются качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью
восстановления прерванной связи, а также способностью к обнаружению и
исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование
пакетов.
Протоколы транспортного уровня реализуются программными
средствами конечных узлов сети - компонентами их сетевых ОС. В качестве
транспортных протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека
TCP/IP и протокол SPX стека Novel.
Протоколы нижних четырех уровней обобщенно называют сетевым
транспортом или транспортной подсистемой, так как они полностью решают
задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем качества в
составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями.
Остальные три верхних уровня решают задачи предоставления прикладных
сервисов на основании имеющейся транспортной подсистемы.
Существует множество классов протоколов транспортного уровня,
начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные
функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема),
и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт
назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности,
мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм
управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых
данных.
Некоторые протоколы сетевого уровня, называемые протоколами без
установки соединения, не гарантируют, что данные доставляются по
назначению в том порядке, в котором они были посланы устройством-
источником. Некоторые транспортные уровни справляются с этим, собирая
данные в нужной последовательности до передачи их на сеансовый уровень.
Мультиплексирование (multiplexing) данных означает, что транспортный уровень способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных
(потоки могут поступать и от различных приложений) между двумя
системами. Механизм управления потоком данных — это механизм,
позволяющий регулировать количество данных, передаваемых от одной
системы к другой. Протоколы транспортного уровня часто имеют функцию
контроля доставки данных, заставляя принимающую данные систему
отправлять подтверждения передающей стороне о приеме данных.
Описать работу протоколов с установкой соединения можно на
примере работы обычного телефона. Протоколы этого класса начинают
передачу данных с вызова или установки маршрута следования пакетов от
источника к получателю. После чего начинают последовательную передачу
данных и затем по окончании передачи разрывают связь.
Протоколы без установки соединения, которые посылают данные,
содержащие полную адресную информацию в каждом пакете, работают
аналогично почтовой системе. Каждое письмо или пакет содержит адрес
отправителя и получателя. Далее каждый промежуточный почтамт или
сетевое устройство считывает адресную информацию и принимает решение о
маршрутизации данных. Письмо или пакет данных передается от одного
промежуточного устройства к другому до тех пор, пока не будет доставлено
получателю. Протоколы без установки соединения не гарантируют
поступление информации получателю в том порядке, в котором она была
отправлена. За установку данных в соответствующем порядке при
использовании сетевых протоколов без установки соединения отвечают
транспортные протоколы.
5. Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом: фиксирует,
какая из сторон является активной в настоящий момент, предоставляет
средства синхронизации. На практике немногие приложения используют
сеансовый уровень, поэтому он редко реализуется в виде отдельных
протоколов, его функции часто объединяют с функциями прикладного
уровня и реализуют в одном протоколе.
5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, позволяя
приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень
управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией,
синхронизацией задач, определением права на передачу данных и
поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений. Синхронизация
передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных точек,
начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.
6. Представительный уровень имеет дело с формой представления
передаваемой по сети информации, не меняя при этом ее содержания. С
помощью средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут
преодолеть синтаксические различия в представлении данных или же
различия в кодах символов (например, кодов ASCII и EBCDIC).
На этом уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
Этот уровень отвечает за преобразование протоколов и
кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с
уровня приложений, он преобразует в формат для передачи по сети, а
полученные из сети данные преобразует в формат, понятный приложениям.
На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или
кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов
другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.
Уровень 6 (представлений) эталонной модели OSI обычно представляет
собой промежуточный протокол для преобразования информации из
соседних уровней. Это позволяет осуществлять обмен между приложениями
на разнородных компьютерных системах прозрачным для приложений
образом. Уровень представлений обеспечивает форматирование и
преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы
гарантировать приложению поступление информации для обработки, которая
имела бы для него смысл. При необходимости этот уровень может выполнять
перевод из одного формата данных в другой. Уровень представлений имеет
дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается
структурами данных, которые используются программами. Таким образом,
уровень 6 обеспечивает организацию данных при их пересылке.
Чтобы понять, как это работает, представим, что имеются две системы. Одна использует для представления данных расширенный двоичный код обмена информацией EBCDIC, например, это может быть мэйнфрейм компании IBM, а другая — американский стандартный код обмена информацией ASCII (его используют большинство других производителей компьютеров). Если этим двум системам необходимо обменяться информацией, то нужен уровень представлений, который выполнит преобразование и осуществит перевод между двумя различными форматами.
Другой функцией, выполняемой на уровне представлений, является
шифрование данных, которое применяется в тех случаях, когда необходимо
защитить передаваемую информацию от приема несанкционированными
получателями. Чтобы решить эту задачу, процессы и коды, находящиеся науровне представлений, должны выполнить преобразование данных. На этом уровне существуют и другие подпрограммы, которые сжимают тексты и
преобразовывают графические изображения в битовые потоки, так что они
могут передаваться по сети.
Стандарты уровня представлений также определяют способы представления графических изображений. Для этих целей может использоваться формат PICT — формат изображений, применяемый для передачи графики QuickDraw между программами для компьютеров Macintosh и PowerPC.
Другим форматом представлений является тэгированный формат файлов
изображений TIFF, который обычно используется для растровых
изображений с высоким разрешением. Следующим стандартом уровня
представлений, который может использоваться для графических
изображений, является стандарт, разработанный Объединенной экспертной
группой по фотографии (Joint Photographic Expert Group); в повседневном
пользовании этот стандарт называют просто JPEG.
Существует другая группа стандартов уровня представлений, которая
определяет представление звука и кинофрагментов. Сюда входят интерфейс
электронных музыкальных инструментов MIDI (Musical Instrument Digital
Interface) для цифрового представления музыки, разработанный Экспертной
группой по кинематографии стандарт MPEG, используемый для сжатия и
кодирования видеороликов на компакт-дисках, хранения в оцифрованном
виде и передачи со скоростями до 1,5 Мбит/с, и QuickTime — стандарт,
описывающий звуковые и видео элементы для программ, выполняемых на
компьютерах Macintosh и PowerPC.
7. Прикладной уровень - это совокупность разнообразных протоколов, с
помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым
ресурсам, таким как файлы, принтеры, Web-страницы, а также организуют
свою совместную работу, например, с помощью протокола электронной
почты. Единица данных, с которой оперирует прикладной уровень,
называется сообщением. Существует очень большое разнообразие служб
прикладного уровня, например NCP в операционной системе Novel NetWare,
FTP стека TCP/IP.
Верхний уровень модели, обеспечивает взаимодействие пользовательских приложений с сетью. Этот уровень позволяет приложениям использовать сетевые службы, такие как удалѐнный доступ к файлам и базам данных, пересылка электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления.
Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух
групп: либо к функциям, зависящим от конкретной технической реализации
сети, либо к функциям, ориентированным на работу с приложениями.
Три нижних уровня - физический, канальный и сетевой - являются
сетезависимыми, то есть протоколы этих уровней тесно связаны с
технической реализацией сети и используемым коммуникационным
оборудованием.
Три верхних уровня - прикладной, представительный и сеансовый -
сетенезависимы, т.к. ориентированы на приложения и мало зависят от
технических особенностей построения сети.
Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все
детали функционирования нижних уровней от верхних, что позволяет
разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств
непосредственной транспортировки сообщений. Итак, рассмотренная нами модель OSI описывает взаимосвязи открытых систем, т.е. систем, построенных в соответствии с открытыми
спецификациями. Примером такой системы является международная сеть
Internet.
Соблюдение принципов открытости дает следующие преимущества:
- возможность построения сети из аппаратных и программных средств
различных производителей, придерживающихся одного и того же
стандарта;
- возможность безболезненной замены отдельных компонентов сети
другими, более совершенными, что позволяет развитие сети производить с
минимальными затратами;
- возможность легкого сопряжения одной сети с другой;
простота освоения и обслуживания сети.
Контрольные вопросы
3 Трафик (traffic, траффик, посещаемость) - поток (или объем) информации, проходящей через канал связи или приходящийся на сайт/сервер.
4 Режим дейтаграмм допускает независимое перемещение по сети пакетов сообщения (называемых в этом случае дейтаграммами) и не требует предварительного установления логического соединения. Этот режим более сложен в реализации, так как усложняется сборка пакетов в сообщение у адресата, однако позволяет достигнуть большей надежности и живучести сети передачи данных.
5 Виртуальный канал(VC) - Коммуникационный канал, созданный для соединения двух устройств двух различных сетей. Данное соединение может быть как постоянным, так и коммутируемым.