<< Пред. стр.

стр. 11
(общее количество: 18)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

аналоговый сигнал передается по приемлемой для модулируемой
частоты среде (обычно используется полоса частот телефонных
линий, предназначенных для передачи речи). На другом конце
линии связи аналогичный модем с помощью процедуры демоду­
ляции извлекает оригинал дискретных данных в виде последова­
тельности импульсов напряжения.

93
Наконец, с помощью операции преобразований сигналов, схо­
жей с выполняемой модемом модуляции/демодуляции, можно
для передачи непрерывных данных использовать цифровые сиг­
налы. Примером такого рода преобразователей, используемых в
настоящее время при цифровой передаче речи, является кодек
(кодер/декодер). На одном конце дискретной линии связи это ус­
тройство преобразует аналоговый сигнал, соответствующий рече­
вым данным, в поток двоичных 1 и 0. На выходе линии аналогич­
ный кодек реконструирует поток бит в речевые данные.
В основе передачи аналоговых сигналов лежит передача непре­
рывного сигнала постоянной частоты, называемого несущим сиг­
налом. Дискретные данные при передаче по аналоговым линиям
связи модулируются изменением одной из трех характеристик
несущего сигнала: амплитуды, частоты или фазы (или их некото­
рой комбинацией).
Наиболее общим примером использования дискретных сигна­
лов для передачи непрерывных данных является оцифровывание
речи. Оцифровывания непрерывного сигнала осуществляются пу­
тем его разбиения на части со скоростью, превышающей более
чем вдвое частоту оригинала.
Основными достоинствами современной цифровой передачи
данных по сравнению с традиционной аналоговой являются, во-
первых, относительная дешевизна использования дискретных сиг­
налов, а во-вторых, их меньшая подверженность воздействию
шумов, а следовательно, и большая сопротивляемость к возмож­
ному искажению передаваемой информации. Основным же недо­
статком цифровой передачи по сравнению с аналоговой является
более быстрое затухание сигнала при его движении в передающей
среде. Затухание дискретного сигнала усиливается как при увели­
чении расстояния, так и при увеличении частоты смены двоич­
ных импульсов напряжения.
Для устранения негативных последствий затухания сигналов
в дискретных системах передачи данных через определенное рас­
стояние используются устройства-повторители, которые, по­
лучая затухающий сигнал, полностью восстанавливают содержа­
щиеся в нем данные (состоящие из 0 и 1) и передают далее
восстановленный и усиленный сигнал. Такая технология выгод­
но отличается от использования для борьбы с затуханием сигна­
лов в традиционных аналоговых системах передачи данных уст­
ройств-усилителей, которые через определенное расстояние уси­
ливают передаваемый сигнал. Простое усиление энергии приня­
того сигнала увеличивает также и наложенные на него компо­
ненты шума. В этом случае, проходя значительное расстояние
через каскад усилителей, смысловое содержание сигнала все бо­
лее и более теряется. Поэтому современная технология передачи
дискретных данных с помощью непрерывных сигналов также
использует аналоги устройств-повторителей, которые извлекают

94
из аналогового сигнала дискретные данные, восстанавливая их,
а затем генерируют и передают далее новый, «чистый» аналого­
вый сигнал.
Как в локальных, так и в крупномасштабных сетях имеются
случаи, когда пропускная способность передающей среды превы­
шает требуемую для передачи единичного сигнала. Экономичное
использование высокоскоростного магистрального канала связи
для одновременной передачи по нему нескольких сигналов извес­
тно как мультиплексирование.
Использование мультиплексирования с разделением частот
(FDM) основывается на том, что общая полоса полезных частот
одного высокоскоростного канала связи разделяется на несколько
непересекающихся подполос, называемых каналами. В рамках каж­
дого из каналов осуществляется независимая передача только од­
ного сигнала со своей несущей, а общее число одновременно пе­
редаваемых сигналов определяется количеством каналов.
Мультиплексирование с временным разделением (TDM) осно­
вывается на том, что скорость передачи двоичных данных по ма­
гистральному каналу значительно превосходит требуемую скорость
для передачи единичного дискретного сигнала. В этом случае пор­
ции нескольких дискретных сигналов могут поочередно переда­
ваться по общей среде, тем самым совместно используя ее. После­
довательность временных интервалов использования общей пере­
дающей среды определенным сигналом, по аналогии с FDM, на­
зывается каналом.
Следует отметить, что существуют случаи совместного при­
менения FDM и TDM. Общая полоса частот передающей среды
может быть разбита на несколько частотных каналов, каждый из
которых далее подразделяется на подканалы с помощью времен­
ного разделения.
Основным требованием для цифровой передачи данных явля­
ется то, чтобы получатель знал момент начала и временной пери­
од передачи каждого получаемого бита. Самая старая и простей­
шая схема обеспечения выполнения данного требования получила
название асинхронной передачи. В такой схеме данные передаются
по одному символу (5 или 8 бит) за раз. Каждому передаваемому
символу предшествует передача стартового кода, а за передачей
символа следует передача стопового кода.
При синхронной передаче данных блоки символов или бит пе­
ресылаются без стартовых и стоповых кодов, что является более
эффективным. В этой схеме точное время посылки и прибытия
каждого бита блока предсказывается, а это требует наличия опре­
деленного механизма синхронизации передатчика и приемника.
Для того чтобы приемник мог определить начало и конец блока
передаваемых данных, каждый блок снабжается заголовком и кон-
цевиком. Данные, обрамленные заголовком и концевиком, полу­
чили название пакета. Содержание заголовка и концевика зави-
95
сит от того, какая используется схема построения блока (байт-
ориентированная или бит-ориентированная).
В байт-ориентированной схеме заголовок и концевик пред­
ставляют собой один или несколько «синхронизирующих симво­
лов», двоичное представление которых не совпадает с двоичным
кодом ни одного из передаваемых в блоке информационных сим­
волов. В настоящее время байт-ориентированная схема синхрони­
зации полностью вытеснена более эффективной и гибкой бит-
ориентированной схемой, в которой битовые блоки передаваемой
информации с помощью специальных приемов оформления в па­
кет выделяются в общем потоке непрерывно передаваемых от пе­
редатчика приемнику битов.

7.3. Как осуществляется
передача данных между двумя узлами
по коммуникационной сети?
Устройства, взаимодействующие между собой через сеть, при­
нято называть станциями. В качестве станций могут выступать ком­
пьютеры, терминалы, принтеры и другое коммуникационное обо­
рудование.
В общем случае не всегда станция-передатчик и станция-прием­
ник непосредственно связаны друг с другом линией связи. При от­
сутствии прямого канала для передачи данных от источника потре­
бителю используется передача через промежуточные, коммуникаци­
онные узлы сети, которые некоторым образом связаны между собой
линиями связи и к которым подключаются сетевые станции.' Основ­
ной функцией данных узлов является обеспечение передачи тран­
зитной информации от узла к узлу независимо от ее содержания.
Множество коммуникационных узлов в совокупности со свя­
зывающими их каналами образуют коммуникационную сеть, иногда
называемую также подсетью связи. Если в качестве станций, под­
ключаемых к узлам коммуникационной сети, выступают компь­
ютеры и терминалы, то подсеть связи с подключенными к ней
станциями образует вычислительную сеть. При этом схема под­
ключения станций линиями связи к коммуникационным узлам и
соединение каналами связи этих узлов между собой определяют
топдлогию вычислительной сети.
Следует отметить, что наличие подсети связи с коммуника­
ционными узлами является отличительной особенностью круп­
номасштабных вычислительных сетей, в которых для передачи
данных через транзитные узлы пользуются одним из трех базовых
методов: коммутацией каналов, сообщений или пакетов.
При построении простейших ЛВС нет необходимости иметь
явно выраженные коммутационные узлы. В таких сетях при пере­
даче данных обычно используются более простые процедуры до-
96
ступа сетевых станций к общей передающей среде. Топология про­
стейших ЛВС, при этом, представляет собой общую шину, звез­
ду, кольцо или некоторое сочетание перечисленных структур.
Метод коммутации каналов используется в сетях в том слу­
чае, если между двумя станциями необходимо установить непос­
редственное физическое канальное соединение. Это соединение
устанавливается в коммуникационных узлах сети до начала пере­
дачи данных. Типичным примером использования коммутации
каналов является обычная телефонная сеть.
Реализация в сети метода коммутации каналов состоит в вы­
полнении последовательности из трех фаз:
1) начальной фазы установления соединения между парой
«станция-станция» или «конец-конец»;
2) фазы двунаправленной передачи данных по сети;
3) фазы разъединения соединения после завершения обмена
данными и освобождения заранее зарезервированных ресурсов.
Предварительное резервирование сетевых каналов на всем пути
от передатчика к приемнику при коммутации каналов предусмат­
ривает, что узлы должны обладать способностью распределять ре­
сурсы и выбирать маршруты при установке соединений. Предва­
рительное резервирование всего пути имеет существенные недо­
статки, к основным из которых относятся:
• неэффективность использования ресурсов (каналы резерви­
руются даже на то время, когда данные не передаются);
• высокая вероятность получения отказа при резервировании
пути, включающего много транзитных узлов;
• значительная задержка при установлении соединения и
склонность сети к перегрузке;
• лавинообразный рост отказов установления соединений в
случае перегрузки сети.
Однако данный способ имеет и некоторые преимущества. Так,
после установления соединения в сети с коммутацией каналов пере­
дача данных идет очень эффективно и практически без задержек.
Метод коммутации сообщений представляет собой реализацию
принципа поэтапной передачи данных с промежуточным хранением.
Здесь нет необходимости заранее резервировать весь путь между дву­
мя станциями. Сообщение (связанный блок данных) последователь­
но передается по сети от узла к узлу, которые в этом случае являют­
ся компьютерами, организующими промежуточное хранение тран­
зитных сообщений и их маршрутизацию при передаче по сети. Для
маршрутизации каждое сообщение снабжается заголовком с сетевы­
ми адресами станции-передатчика и станции-приемника.
Коммутация сообщений увеличивает эффективность исполь­
зования линий связи; позволяет избежать блокировок сети при
увеличении сетевого трафика; обеспечивает возможности установ­
ления приоритетного обслуживания сообщений, осуществления
контроля за ошибками передачи и использования процедур вос-
97
становления искаженных или потерянных данных; а также позво­
ляет взаимодействовать через сеть пользователям даже в случае
использования ими различных скоростей передачи и кодов пред­
ставления данных. В то же время задержки передачи, которые свя­
заны, в первую очередь, с ожиданием длинных сообщений в
очередях узлов и значительно возрастают при увеличении нагруз­
ки, не подходят для интерактивного сетевого взаимодействия в
режиме реального времени.
Метод пакетной коммутации сообщений в настоящее время
используется в двух модификациях: в режиме дейтаграмм и в
режиме виртуальных каналов.
Режим дейтаграмм является прямым развитием коммутации
сообщений, где сообщения предварительно разбиваются на не­
большие, фиксированного размера порции (пакеты). Каждый па­
кет при передаче по коммуникационной сети является полнос­
тью независимой единицей. Для этого он снабжается своим заго­
ловком, где указываются сетевые адреса отправителя и получа­
теля 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 суще­
ственно уменьшают сетевые задержки при передаче данных. Кро­
ме того, коммутационные узлы могут иметь не столь большие,
как при коммутации сообщений, размеры буферов для временно­
го 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.
Пакетная коммутация, однако, имеет и негативные стороны.
С одной стороны, при ее использовании увеличивается объем до­
полнительной, служебной информации, передающейся по сети
(заголовки отдельных пакетов). С другой стороны, в режиме дей­
таграмм существует проблема организации сборки переданного со­
общения в узле назначения. Эта проблема связана с тем, что от­
дельные пакеты, проходя различными маршрутами по подсети
связи, будут приходить в конечный узел назначения в неупоря­
доченной последовательности.
Режим виртуальных каналов является попыткой соединить во­
едино преимущества метода коммутации каналов и метода комму­
тации сообщений. При этом подходе, еще до посылки по сети пер­
вого информационного пакета, между двумя конечными точками
организуется логическое соединение, связанное с реализацией трех
фаз, присущих методу коммутации каналов (фазы начального ус­
тановления соединения, фазы двунаправленной передачи данных и
фазы разъединения соединения).

98
Вызывающая станция сначала посылает по сети служебный па­
кет запроса на установление виртуального канала, связывающего
станцию-инициатор с вызываемой станцией. Подсеть связи марш­
рутизирует этот пакет как обычную дейтаграмму, содержащую в
заголовке сетевые адреса двух конечных станций. Передвигаясь по
сети, пакет закрепляет за пройденным маршрутом номер устанав­
ливаемого виртуального канала. Номер логического канала, запо­
минаемый в транзитных узлах, закрепляется за двунаправленным
маршрутом для каждого конкретного вызова обмена данными.
После установления логического соединения, т.е. после полу­
чения вызывающей станцией пакета-ответа на запрос, по уста­
новленному виртуальному каналу начинается пересылка инфор­
мационных пакетов сообщения. Последовательная передача паке­
тов по установленному логическому каналу полностью обеспечи­
вает их получение в правильной последовательности. Поэтому за­
головок каждого информационного пакета уже не нуждается в
порядковом номере, а также и в указании сетевых адресов обеих
станции-абонентов (достаточно лишь указание номера логическо­
го канала). Следовательно, при коммутации виртуальных каналов
не только уменьшается объем передачи дополнительной служеб­
ной информации, но и обеспечивается интерактивный режим вза­
имодействия 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 каждо­
го соединения между станциями-абонентами маршрутизация осу­
ществляется только один раз при установлении соединения.
Конечно, если отдельной станции необходимо передать по сети
всего несколько пакетов, то режим дейтаграмм будет более быст­
рым и предпочтительным. Однако, если между станциями необ­
ходим обмен данными на протяжении значительного периода вре­
мени, предпочтение следует отдать виртуальным соединениям.
Поэтому в вычислительных сетях на практике применяются соче­
тания различных методов коммутации в зависимости от требова­
ний приложений, количественных и качественных характеристик
узлов, линий связи и трафика.

7.4. Какие существуют стандарты,
правила и соглашения в области
построения вычислительных сетей?
Для преодоления различий при использовании в вычисли­
тельных сетях аппаратно-программных средств разных произво­
дителей и различий у отдельных модификаций этих средств даже
у одного производителя Международная организация по стандар-
99
там (ISO) разработала модель взаимодействия открытых сис­
тем (OSI), которая объединяет серию рекомендаций по сетево­
му взаимодействию неоднородных систем (компьютеров, тер­
миналов, процессов, средств связи и т. д.). Термин "открытые
системы" подчеркивает возможность взаимодействия любых двух
систем с помощью соответствующих рекомендаций.
Модель OSI представляет структурированный подход к описа­
нию многоуровневой иерархии протоколов (правил и соглаше­
ний) сетевого взаимодействия в рамках единой архитектуры. Дан­
ная модель не предполагает непосредственного соединения двух
взаимодействующих абонентов сети, а предполагает возможность
использовать подсети связи с любым из методов коммутации.
Уровни модели OSI. Каждая система-абонент сети в рамках
модели OSI имеет семь уровней (номера уровней от I до 7). Або­
ненты могут взаимодействовать между собой в рамках каждого из
семи уровней с использованием соответствующего протокола. В то
же время каждый из уровней использует при взаимодействии або­
нентов услуги нижестоящего уровня и обеспечивает своими услу­
гами вышестоящий уровень. Поэтому логическое взаимодействие
разных систем на одинаковых уровнях обеспечивается межуров-
невой передачей информации в каждой из систем.
Когда прикладной процесс одной из систем направляет сооб­
щение прикладному процессу другой системы, он направляет дан­
ные на уровень 7. При этом данные снабжаются заголовком со­
гласно правилам протокола седьмого уровня (это называется ин­
капсуляцией данных). Затем эти данные, включая добавленный
заголовок, передаются на уровень 6, где они рассматриваются
как единое целое. На этом уровне к данным добавляется 'заголо­
вок протокола шестого уровня (повторная инкапсуляция). Ука­
занный процесс повторяется до уровня 1, который передает ин­
капсулированные данные по линии связи смежному узлу. Когда
данные достигнут места назначения, к ним применяется обратная
процедура. Здесь на каждом из уровней в соответствии с соответ­
ствующим протоколом убирается заголовок этого уровня, а из­
влеченные данные передаются на вышестоящий уровень. Заме­
тим, что аналогичные процедуры для 1, 2 и 3 уровней выполня­
ются и в транзитных коммуникационных узлах.
Протокол 1-го уровня {физического уровня) определяет элект­
ромеханические, функциональные и процедурные характеристики
физического соединения устройств. Он предоставляет для уровня 2
такие услуги, как прозрачность передачи битов, мониторинг про­
изводительности, физический контроль и исправление ошибок.
Протокол 2-го уровня {канального уровня) обеспечивает фун­
кциональные и процедурные средства активизации, поддержки и
деактивизации логического (информационного канала) между
двумя смежными узлами. Он обеспечивает выполнение для нужд
3-го уровня таких функций, как синхронизация и упорядочение
100
при передаче пакетов, обнаруживает ошибки и исправляет дан­
ные в передаваемых пакетах, а также осуществляет контроль пе­
регрузок в информационном канале.
Протокол 3-го уровня {сетевого уровня) обеспечивает уста­
новление соединения между двумя абонентами сети в сети, под­
держивает и ликвидирует это соединение. Такой протокол содер­
жит процедуры передачи сигналов (сигнальных пакетов), сетевой
маршрутизации, формирования пакетов и сборки сообщений,
контроля перегрузок и управления информационными потоками.
Если протоколы первых трех уровней предназначены для обес­
печения взаимодействия пользователей с сетью, протоколы чет­
вертого и более высоких уровней предназначены для совместного
взаимодействия через сеть конечных пользователей. Протокол 4-го
уровня {транспортного уровня) обеспечивает надежность и про­
зрачность передачи данных по сети между двумя конечными систе­
мами независимо от типа подсети связи. Протоколы 5-го {сеансово­
го) и 6-го {представительного) уровней обеспечивают соответ­
ственно управление диалогом между взаимодействующими при­
ложениями (организация и синхронизация диалога) и устраняют
проблемы синтаксического несоответствия в диалоге используемых
разными приложениями кодов и форматов данных.
Модель OSI не определяет международные, государственные
или промышленные стандарты сетевого взаимодействия, а носит
рекомендательный характер. Попытки реализации стандартных
протоколов в рамках данной концепции растянулись на годы. На­
личие в модели OSI слишком большого числа уровней затрудни­
ло реализацию протоколов, а сами эти протоколы обнаружили
свою медлительность, следовательно, и неэффективность. Более
того, можно считать, что в настоящее время стандартом де-факто
для крупномасштабных сетей является семейство сетевых прото­
колов, объединенных общим названием TCP/IP.
Протоколы TCP/IP базируются на более простой четыреху­
ровневой схеме. Нижний — канальный уровень — определяет стан­
дарты (протокол Address Resolution Protocol, ARP) сетевых аппа­
ратных средств, адресов и драйверов устройств. Второй — сетевой
уровень — определяет правила базовых коммуникаций, логичес­
кой адресации узлов и маршрутизации пакетов (протоколы Internet
Protocol, IP и Internet Control Message Protocol, ICMP). Протоко­
лы третьего — транспортного уровня (Transmission Control Protocol,
TCP и User Datagram Protocol, UDP) — обеспечивают установ­
ление соединения между двумя программами в сети как в режиме
виртуальных каналов, так и в режиме дейтаграмм. Протоколы
высшего — прикладного уровня (rlogin, talk, ftp, ntp, NFS, DNS,
traceroute и др.) — определяют правила взаимодействия приклад­
ных программ конечных пользователей.
Исторически комплекс протоколов TCP/IP возник для се­
тевого взаимодействия UNIX-машин. Для машин другого типа
101
в свое время были разработаны различные сетевые продукты, на­
пример, протокол Apple Talk фирмы Apple для компьютеров се­
мейства Macintosh и сетевые продукты DECnet, реализующие се­
тевую архитектуру DNA (Digital Network Architecture) фирмы DEC.
Весьма широкую популярность при построении ЛВС на базе IBM-
совместимых ПК в свое время получил разработанный фирмой
Novell протокол IPX (Internetwork Packet Exchange).
Как уже отмечалось, в простейших однородных ЛВС нет ком­
муникационных узлов. В этих сетях обычно используются весьма
простые процедуры адресации и доступа сетевых станций к общей
передающей среде, которая образуется с помощью общей шины,
звездообразной структуры, кольца или некоторого их сочетания. Офи­
циальными стандартами для ЛВС, построенных на базе IBM-совме­
стимых ПК, являются протоколы сетей ArcNet, Token Ring и Ethernet.
Разработанный фирмой Datapoint в начале 70-х годов стандарт
ARCnet (IEEE 802.4) в настоящее время уже устарел и практи­
чески не используется, однако некоторые идеи, нашедшие свое
отражение в этом стандарте, используются до сих пор. Станции
сети ARCnet (персональные компьютеры), каждая из которых
имеет уникальный физический адрес (номер от 0 до 255), соеди­

<< Пред. стр.

стр. 11
(общее количество: 18)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>