Взаимодействие компьютеров в сети

Чтобы организовать взаимодействие компьютеров в сети необходимо прибегать к целому ряду последовательно выполняемых процедур, называемых сетевыми протоколами. Чтобы протоколы работали надежно и согласованно, каждая операция в них строго регламентируется. А чтобы программы и оборудование разных производителей могли взаимодействовать друг с другом, протоколы должны соответствовать определенным промышленным стандартам.

Протокол — набор правил и процедур, регулирующих порядок взаимодействия компьютеров в сети.

Создано большое множество различных протоколов — как открытых (опубликованных для бесплатного применения), так и закрытых (разработанных коммерческими компаниями и требующих лицензирования для их использования).

Однако все эти протоколы принято соотносить с так называемой эталонной моделыю взаимодействия открыстысх систем (Open Systems Interconnection Reference Model), или просто моделыю OSI.

Ее описание было опубликовано в 1984 г. Международной организацией по стандартизации.

Эта модель представляет собой набор спецификаций, описывающих сети с неоднородными устройствами, требования к ним, а также способы их взаимодействия.

Структура модели osi

Модель OSI имеет вертикальную структуру, в которой все сетевые функции распределены между семью уровнями (рис. 10). Каждому такому уровню соответствуют строго определенные операции, оборудование и протоколы.

Реальное взаимодействие уровней, т. е. передача информации внутри одного компьютера, возможно только по вертикали и только с соседними уровнями (выше- и нижележащими).

Логическое взаимодействие (в соответствии с правилами того или иного протокола) осуществляется по горизонтали — с аналогичным уровнем другого компьютера на противоположном конце линии связи.

Каждый более высокий уровень пользуется услугами нижележащего уровня, зная, в каком виде и каким способом (т. е. через какой интерфейс) нужно передать ему данные.

Компьютер А Компьютер В

Рис. 10. Взаимосвязи между уровнями модели OSI

Задача более низкого уровня — принять данные, добавить свою информацию (например, форматирующую или адресную, которая необходима для правильного взаимодействия с аналогичным уровнем на другом компьютере) и передать данные дальше. Только дойдя до самого нижнего, физического уровня сетевой модели, информация попадает в среду передачи и достигает компьютера-получателя. В нем она проходит сквозь все слои в обратном порядке, пока не достигнет того же уровня, с которого была послана компьютером-отправителем.

Уровни модели OSI

Уровень 0 — не определен в общей схеме (на рис. 10), но весьма важен для понимания. Здесь представлены посредники, по которым собственно и происходит передача сигналов: кабели различных типов, радио-, ИК-сигналы и т. д. На этом уровне ничего не описывается, уровень 0 предоставляет физическому уровню 1 только среду передачи.

Уровень 1 — Физический. Здесь осуществляется передача неструктурированного потока битов, полученных от вышележащего канального уровня 2, по физической среде — например, в виде электрических или световых сигналов. Физический уровень отвечает за поддержание связи (link) и детально описывает электрические, оптические, механические и функциональные интерфейсы со средой передачи: напряжения, частоты, длины волн, типы коннекторов, число и функциональность контактов, схемы кодирования сигналов и т. д.

Уровень 2 — Канальный. Обеспечивает безошибочную передачу данных, полученных от вышележащего сетевого уровня 3, через физический уровень 1, который сам по себе отсутствия ошибок не гарантирует и может искажать данные. Информация на этом уровне помещается в кадры (frames), где в начале (заголовке кадра) содержатся адреса получателя и отправителя, а также управляющая информация, а в конце — контрольная сумма, позволяющая выявить возникающие при передаче ошибки (рис. 11).

Рис 11. Структура кадра

При получении данных на канальном уровне определяются начало и конец кадра в потоке битов, сам кадр извлекается из потока и проверяется на наличие ошибок. Поврежденные при передаче кадры, а также кадры, для которых не получено подтверждение о приеме, пересылаются заново (ретранслируются). Наконец, на канальном уровне обеспечивается управление доступом к среде передачи.

Канальный уровень довольно сложен, поэтому в соответствии со стандартами IЕЕЕ (Institute of Electrical and Electronic Engineears), выпущенными в феврале 1980 г., его часто разбивают на два подуровня (рис. 12): управления доступом к среде (Media Access Control) и управления логической связью (Logical Link control).

Рис 12. Разделение канального уровня на подуровни МАС и LLС

Уровень МАС обеспечивает совместный доступ сетевых адаптеров к физическому уровню, определение границ кадров, распознавание адресов назначения кадров (эти адреса часто называют физическими, или МАС-адресами).

Уровень LLС, действующий над уровнем МАС, отвечает за установление канала связи и за безошибочную посылку и прием сообщений с данными.

Уровень 3 — Сетевой. Отвечает за обеспечение связи между любыми, даже находящимися в разных концах земного шара, точками в сети. Этот уровень осуществляет проводку сообщений по сети, которая может состоять из множества отдельных сетей, соединенных множеством линий связи. Такая доставка требует маршрутизации, т. е. определения пути доставки сообщения, а также решения задач управления потоками данных и обработки ошибок передачи.

Уровень 4 — Транспортный. Гарантирует доставку информации от одного компьютера другому без ошибок. На этом уровне компьютера-отправителя большие блоки данных разбиваются на более мелкие пакеты, которые доставляются компьютеру-получателю в нужной последовательности, без потерь и дублирования. На транспортном уровне компьютера-получателя пакеты вновь собираются в исходные блоки данных. Таким образом, транспортный уровень завершает процесс передачи данных, скрывая от более высоких уровней все детали и проблемы, связанные с доставкой информации любого объема между любыми точками во всей сети.

Уровень 5 — Сеансовый. Позволяет двум сетевым приложениям на разных компьютерах устанавливать, поддерживать и завершать соединение, называемое сетевым сеансом. Этот уровень также отвечает за восстановление аварийно прерванных сеансов связи. Кроме того, на пятом уровне выполняется преобразование удобных для людей имен компьютеров в сетевые адреса (распознавание имен), а также реализуются функции защиты сеанса.

Уровень 6 — Представительский, или Уровень представления данных. Определяет форматы передаваемой между компьютерами информации. Здесь решаются такие задачи, как перекодировка (перевод информации в вид, понятный для всех участвующих в обмене компьютеров), сжатие и распаковка данных, шифрование и дешифровка, поддержка сетевых файловых систем и т. д.

Уровень 7 — Прикладной, или Уровень Приложений. Обеспечивает интерфейс взаимодействия программ, работающих на компьютерах в сети. Именно с помощью этих программ пользователь получает доступ к таким сетевым услугам, как обмен файлами, передача электронной почты, удаленный терминальный доступ и т. д.

К моменту появления модели OSI уже существовали и показали высокую эффективность другие наборы (стеки) протоколов, например, стек ТСР/IР. Поэтому построенный в полном соответствии с описанной выше моделью набор протоколов OSI так и не получил широкого распространения. Большинство современных сетевых архитектур и наборов протоколов соответствуют этой модели лишь до определенной степени. Несмотря на это, сама модель OSI до сих пор широко используется для описания взаимодействия в сетевых средах.

Сетевые топологии и способы доступа к среде передачи данных

При организации компьютерной сети исключительно важным является выбор топологии, т. е. компоновки сетевых устройств и кабельной инфраструктуры. Нужно выбрать такую топологию, которая обеспечила бы надежную и эффективную работу сети, удобное управление потоками сетевых данных.

Заметим, что при этом следует различать понятия физической топологии, т.е. способа размещения компьютеров, сетевого оборудования и их соединения с помощью кабельной инфраструктуры, и логической топологии — структуры взаимодействия компьютеров и характера распространения сигналов по сети.

Базовые сетевые топологии

Существует три базовые топологии, на основе которых строится большинство сетей.

«Шина». В этой топологии все компьютеры соединяются друг с другом одним кабелем (рис. 13). Посланные в такую сеть данные передаются всем компьютерам, но обрабатывает их только тот компьютер, аппаратный МАС-адрес сетевого адаптера которого записан в кадре как адрес получателя.

Клиент 1 Клиент 2

Клиент 3 Клиент 4

Рис 13. Сеть с топологией «шина»

Эта топология исключительно проста в реализации и дешева (требует меньше всего кабеля), однако имеет ряд существенных недостатков.

Недостатки сетей типа «шина»

• Поскольку шина используется совместно, в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров. Если передачу одновременно начинают два или больше компьютеров, возникает искажение сигнала (столкновение, или коллизия), приводящее к повреждению всех кадров. Тогда компьютеры вынуждены приостанавливать передачу, а затем по очереди ретранслировать данные. Влияние столкновений тем заметнее, чем выше объем передаваемой по сети информации и чем больше компьютеров подключено к шине. Оба этих фактора, естественно, снижают как максимально возможную, так и общую производительность сети, замедляя ее работу.

• «Шина» является пассивной топологией — компьютеры только «слушают» кабель и не могут восстанавливать затухающие при передаче по сети сигналы. Чтобы удлинить сеть, нужно использовать повторители (репитеры), усиливающие сигнал перед его передачей в следующий сегмент.

• Надежность сети с топологией «шина» невысока. Когда электрический сигнал достигает конца кабеля, он (если не приняты специальные меры) отражается, нарушая работу всего сегмента сети. Чтобы предотвратить такое отражение сигналов, на концах кабеля устанавливаются специальные резисторы (терминаторы), поглощающие сигналы. Если же в любом месте кабеля возникает обрыв — например, при нарушении целостности кабеля или просто при отсоединении коннектора, — то возникают два незатерминированных сегмента, на концах которых сигналы начинают отражаться, и вся сеть перестает работать.

«Кольцо». В данной топологии каждый из компьютеров соединяется с двумя другими так, чтобы от одного он получал информацию, а второму — передавал ее (рис. 14). Последний компьютер подключается к первому, и кольцо замыкается.

Рис 13. Сеть с топологией «кольцо»