Transcript Вычислительные системы, сети и телекоммуникации
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Архитектура сети
Для обеспечения совместимости аппаратного и программного обеспечений организацией по стандартам (ISO) была международной разработана
базовая эталонная систем
(
OSI модель – открытых Open System Interconnection model
).
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем
Компьютер №1 Компьютер №n Уровни Прикладные процессы процессов взаимо действия 1 2 3 4 5 Прикладной Представительный Уровневые протоколы Управление прикладными процессами Управление представлением данных Сеансовый Транспортный Управление сеансами Управление трафиком 6 7 Прикладные процессы 1 Прикладной 3 4 2 Представительный 5 6 Сеансовый Транспортный Сетевой Канальный 7 Физический
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Физический уровень обеспечивает физический путь для передачи кодированных сигналов; устанавливает характеристики этих сигналов (амплитуда, частота, длительность и т.д.); определяет способ соединения сетевого адаптера с кабелем, тип разъемов, способ передачи; обеспечивает поддержку потока битов, содержание которых на этом уровне не имеет значения; битов.
отвечает за кодирование данных и синхронизацию
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Канальный уровень определяет правила совместного использования физического уровня узлами сети; передает информацию адресованными порциями – кадрами; определяет формат кадра и способ, согласно которому узел сети решает, когда можно передать или принять кадр (два основных типа кадров)
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Сетевой уровень Отвечает за буферизацию и маршрути зацию в сети.
Маршрутизация – узлов сети в физические.
существенная функция при работе в глобальных сетях (с коммутацией пакетов), когда необходимо определить маршрут передачи пакета, выполнить перевод логических адресов
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Транспортный уровень Задача этого уровня – правильная сборка пакетов каждого сообщения без смещения и потерь: с передающей стороны переупаковывает сообщения: несколько длинные информационные разбиваются на пакетов, объединяются в один; короткие
-
с принимающей стороны собирает сообщения из пакетов.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем
Сеансовый уровень Позволяет двум приложениям на разных завершать рабочих станциях устанавливать, использовать и соединение, называемое сеансом.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем
Уровень представления
Функция этого уровня преобразование используемых прикладным уровнем, в некоторый общепринятый сообщений, формат обмена данными между сетевыми компьютерами.
Целью преобразования сообщения является сжатие данных и их защита.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем
Прикладной уровень
Представляет доступа собой прикладных окно процессов сетевым услугам.
Прикладной уровень управляет: общим доступом к сети; потоком данных; обработкой ошибок.
для к
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем
Для организации передачи данных в сети используется протокол.
Протокол
– это правила и технические процедуры, Каждому позволяющие компьютерам при объединении в сеть общаться друг с другом.
уровню присущ нескольким свой набор правил.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем
Уровень
Прикладной Представительский Сеансовый
Набор правил (протокол)
Инициация или прием запроса Добавление в сообщение форматирующей, отображающей и шифрующей информации Добавление информации о трафике – с указанием момента отправки пакета Транспортный Сетевой Канальный Физический Добавление ошибок информации для обработки Добавление адресов и информации о месте пакета в последовательности передаваемых пакетов Добавление информации для проверки ошибок (трейлера пакета) и подготовка данных для передачи по физическому соединению Передача пакета как потока битов в соответствии с определенным способом доступа
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем
Уровень Прикладной Представления Сеансовый Транспортный Сетевой Соединения Физический Аналогия Письмо написано на бумаге. Определено его содержание Письмо запечатано в конверт. Конверт заполнен. Наклеена марка. Клиентом соблюдены необходимые требования протокола доставки Письмо опущено в почтовый ящик. Выбрана служба доставки (письмо можно было бы запечатать в бутылку и бросить в реку, но избрана другая служба) Письмо доставлено на почтамт. Оно отделено от писем, с доставкой которых местная почтовая служба справилась бы самостоятельно После сортировки письмо уложено в мешок. Появилась новая единица доставки - мешок Мешки писем уложены в вагон. Появилась новая единица доставки - вагон Вагон прицеплен к локомотиву. Появилась новая единица доставки - состав. За доставку взялось другое ведомство, действующее по другим протоколам
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Семиуровневая модель открытых систем
Модель OSI
относится не только к локальным сетям, но и к любым сетям связи между компьютерами или другими абонентами.
В частности, функции сети Интернет также можно поделить на
уровни
в соответствии с
моделью OSI
.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Семиуровневая модель открытых систем
Процесс инкапсуляции.
Каждый нижеследующий
уровень
не только производит обработку данных, приходящих с более высокого
уровня
, но и снабжает их своим заголовком, а также служебной информацией.
Процедура декапсуляции.
При передаче на вышестоящий убирается одна из оболочек.
уровень
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Семиуровневая модель открытых систем
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Модель сети
Помимо Project 802,
модели OSI
существует также модель IEEE принятая в феврале 1980 года (отсюда и число 802 в названии), которую можно рассматривать как модификацию, развитие, уточнение
модели OSI
.
Стандарты, определяемые этой моделью (так называемые 802-спецификации) относятся к нижним двум
уровням модели OSI
и делятся на двенадцать категорий, каждой из которых присвоен свой номер:
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Модель сети
802.1 – объединение сетей с помощью мостов и коммутаторов 802.2 – управление логической связью на подуровне LLC.
802.3 – локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией шина (Ethernet).
802.4 – локальная сеть с топологией шина и маркерным доступом (Token-Bus).
802.5 – локальная сеть с топологией кольцо и маркерным доступом (Token-Ring).
802.6 – городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) с расстояниями между абонентами более 5 км.
802.7 – широкополосная технология передачи данных.
802.8 – оптоволоконная технология.
802.9 – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных.
802.10 – безопасность сетей, шифрование данных.
802.11 – беспроводная сеть по радиоканалу (WLAN – Wireless LAN).
802.12 – локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда (100VG-AnyLAN).
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации
Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю называется
маршрутом
.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации
В самом общем виде
задача коммутации
— задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов— может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач: 1.
Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать пути. 2.
Определение маршрутов для потоков. 3.
Сообщение о найденных маршрутах узлам сети. 4.
Продвижение – распознавание потоков и локальная коммутация на каждом транзитном узле. 5.
Мультиплексирование и демультиплексирование потоков
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Определение информационных потоков
Информационным потоком (data flow, data stream) называют последовательность данных, объединенных набором общих признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого трафика.
Данные могут быть представлены в виде последовательности байтов или объединены в более крупные единицы данных — пакеты, кадры, ячейки .
Определить потоки – это значит задать для них набор отличительных признаков, на основании которых коммутаторы смогут направлять потоки по предназначенным для них маршрутам
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Определение маршрутов Определение пути
, то есть последовательности транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.
Критерии выбора маршрута:
номинальная пропускная способность; загруженность каналов связи; задержки, вносимые каналами; количество промежуточных транзитных узлов; надежность каналов и транзитных узлов
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Определение маршрутов
Определить маршрут
— однозначно задать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации
Оповещение сети о выбранном маршруте Оповестить сеть о найденных маршрутах
— это значит вручную или автоматически настроить каждый коммутатор таким образом, чтобы он "знал", в каком направлении следует передавать каждый поток.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации
ПРОДВИЖЕНИЕ — распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле
Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch).
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации ПРОДВИЖЕНИЕ — распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации ПРОДВИЖЕНИЕ — распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле
На рис. показана коммутационная сеть, образованная из узлов 1, 5, 6 и 8, к которой подключаются конечные узлы 2, 3, 4, 7, 9 и 10.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Мультиплексирование и демультиплексирование Задача демультиплексирования (demultiplexing)
— разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.
Задача мультиплексирования (multiplexing)
— образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Мультиплексирование и демультиплексирование
Коммутатор, у которого все входящие информационные потоки коммутируются на один выходной интерфейс, где мультиплексируются в один агрегированный поток и направляются в один физический канал, называется
мультиплексором (multiplexer, mux). (рис. а)
Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется
демультиплексором
.
(рис. б)
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных
Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым (shared).
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных
Два однонаправленных физических канала
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных
Один полудуплексный канал
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных
Схема "общая шина".
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде
Процедуры обмена данными между рабочими станциями абонентских систем сети, реализующие при этом те или иные методы доступа к передающей среде, называются протоколами передачи данных (ППД).
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде Метод доступа
– это способ «захвата» передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети. Но также называется и набор правил (алгоритм), используемых сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений через сеть, и один из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде Методы доступа к передающей среде:
• селективные методы • методы, основанные на соперничестве • методы, основанные на резервировании времени • кольцевые методы
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа к передающей среде Селективные методы
С помощью соответствующего ППД рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, которое либо направляется каждой РС по очереди центральным управляющим органом сети (такой алгоритм называется циклическим опросом), либо передается от станции к станции (алгоритм передачи маркера);
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа к передающей среде Методы, основанные на соперничестве (методы случайного доступа, методы состязаний абонентов)
Каждая РС пытается «захватить» передающую среду. При этом могут использоваться несколько способов передачи данных: базовый асинхронный, синхронизация режима работы канала путем тактирования моментов передачи кадров, прослушивание канала перед началом передачи данных по правилу «слушай, прежде чем говорить», прослушивание канала во время передачи данных по правилу «слушай, пока говоришь»;
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа к передающей среде Методы, основанные на резервировании времени
Любая РС осуществляет передачу только в течение временных интервалов (слотов), заранее для нее зарезервированных. Все слоты распределяются между станциями либо поровну (в неприоритетных системах), либо с учетом приоритетов АС, когда некоторые РС за фиксированный интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом АС, так как канал используется неэффективно;
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа к передающей среде Кольцевые методы
Предназначены специально для ЛВС с кольцевой топологией (хотя большинство указанных методов могут использоваться в таких сетях). К ним относятся два метода – вставка регистров и сегментированная передача (метод временных сегментов).
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа
Наибольшее распространение при проектировании и построении ЛВС получили два метода доступа: Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизии (CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access and Collision Detection).
Доступ с передачей маркера.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа
Алгоритм работы сетевого адаптера рабочей станции при использовании CSMA/CD заключается в следующем: 1.
Рабочая станция прослушивает канал, стремясь обнаружить чью-либо передачу данных.
2.
Если слышит чью-либо передачу, ожидает ее окончания.
3.
4.
При обнаружении коллизии во время передачи прекращает передачу.
5.
Если канал свободен, начинает передачу пакета.
Через случайный промежуток времени повторяется (т.е. осуществляется переход к п. 1).
все
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа Коллизии в сети CSMA/CD - две станции одновременно передают данные
При наложении двух сигналов в канале начинаются аномалии (в виде аномального изменения напряжения), которые обнаруживаются станциями, участвующими в коллизии.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа
Коллизии в сети CSMA/CD две станции одновременно передают данные Окно коллизий -
интервал времени
,
необходимый для распространения каналу и сигнала обнаружения любой станцией сети.
по его
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа Коллизии в сети CSMA/CD - две станции одновременно передают данные
При обработке коллизии компонент управления доступом к среде передающей станции выполняет две функции: усиливает эффект коллизии путем передачи специальной последовательности битов - затор.
после посылки затора прекращает передачу и планирует ее
Цель затора –
на более определяемое на основе случайного выбора интервала ожидания (пауза).
позднее время, сделать коллизию настолько продолжительной, чтобы ее смогли заметить все другие передающие станции, которые вовлечены в коллизию.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа Коллизии в сети CSMA/CD - две станции одновременно передают данные По стандарту CSMA/CD затор – не менее 32 бит, но не более 48 бит.
Любой считается фрагментом испорченного сообщения и игнорируется принимающими станциями сети.
Пауза = L x кадр (интервал отсрочки), интервал отсрочки длиной = 512 менее 64 битовый интервал байт Битовый интервал = 1/ скорость передачи Для 100 Мбит/сек – 10 нсек
где
L n
– случайное число из диапазона = min(номер повторной попытки передачи кадра, 10) После 16 попытки кадр отбрасывается
[0, 2n],
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа
Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизии (CSMA/CD - Carrier-Sense Multiple Access and Collision Defection)
Достоинства
Системы с доступом в режиме соперничества реализуются достаточно просто и при малой загрузке обеспечивают быстрый доступ к передающей среде, а также позволяют легко подключать и отключать станции. сети.
Они обладают высокой живучестью, поскольку большинство ошибочных и неблагоприятных условий приводит либо к молчанию, либо к конфликту (а обе эти ситуации поддаются обработке) и, кроме того, нет необходимости в центральном управляющем органе
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа
Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизии (CSMA/CD - Carrier-Sense Multiple Access and Collision Defection)
Основной недостаток –
при больших нагрузках время ожидания доступа к передающей среде становится большим и меняется непредсказуемо, следовательно, не гарантируется обеспечение предельно допустимого времени доставки кадров.
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа
Алгоритм взаимодействия рабочих станций ЛВС при использовании маркерного метода заключается в следующем: 1.
Передающая рабочая станция изменяет состояние маркера на занятое и добавляет к нему пакет данных.
2.
Занятый маркер с пакетом данных проходят через все РС сети, пока не достигнет адресата.
3.
После приема.
этого, принимающая РС посылает передающей сообщение, где подтверждается факт 4.
После получения подтверждения, передающая РС создает новый свободный маркер и возвращает его в сеть
Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Классификация ППД
ППД нижнего уровня ППД типа "превичный/вторичный" С опросом Без опроса Опрос с остановкой и ожиданием Непрерывный автоматический запрос на повторение Одноранговые ППД Запрос передачи/ разрешение передачи Разрешить/ запретить передачу Без приоритетов Мультиплексная передача с временным разделением Контроль несущей (с коллизиями) С приоритетами С приоритетами и временным квантованием Контроль несущей (без коллизий) Множественный доступ с временным разделением Передача маркера Передача маркера с приоритетами