Вопросы для самопроверки

1. Что такое телекоммуникационная система?

2. Что такое информационная сеть?

3. Аппаратура окончания канала. Назначение и принцип работы.

4. Что такое интегрированная сеть? Приведите примеры.

5. Дайте определение территориальных сетей.

6. Что такое топология сети?

7. Назовите основные топологические структуры сетей.

8. Назовите способы управления сетей.

9. Что такое сетецентрическая концепция сетей?

Характеристики и классификация информационных сетей

Современные телекоммуникационные технологии основаны на использовании информационных сетей. Коммуникационная cеть - система, состоящая из объектов, осуществляющих функции генерации, преобразования, хранения и потребления продукта, называемых пунктами (узлами) сети и линий передачи (связей, коммуникаций, соединений), осуществляющих передачу продукта между пунктами. Отличительная особенность коммуникационной сети – большие расстояния между пунктами по сравнению с геометрическими размерами участков пространства, занимаемых пунктами. При функциональном проектировании сетей решаются задачи синтеза топологии, распределения информации по узлам сети, а при конструкторском проектировании выполняются размещение пунктов в пространстве и проведение (трассировка) соединений.

Информационная сеть - коммуникационная сеть, в которой продуктом генерирования, переработки, хранения и использования является информация.

Вычислительная сеть - информационная сеть, в состав которой входит вычислительное оборудование. Компонентами вычислительной сети могут быть ЭВМ и периферийные устройства, являющиеся источниками и приемниками данных, передаваемых по сети. Эти компоненты составляют оконечное оборудование данных (ООД или DTE - Data Terminal Equipment). В качестве ООД могут выступать ЭВМ, принтеры, плоттеры и другое вычислительное, измерительное и исполнительное оборудование автоматических и автома-тизированных систем. Собственно пересылка данных происходит с помощью сред и средств, объединяемых под названием среда передачи данных.

Подготовка данных, передаваемых или получаемых ООД от среды передачи данных, осуществляется функциональным блоком, называемым аппаратурой окончания канала данных (АКД или DCE - Data Circuit-Terminating Equipment). АКД может быть конструктивно отдельным или встроенным в ООД блоком. ООД и АКД вместе представляют собой станцию данных, которую часто называют узлом сети. Примером АКД может служить модем.

Информационные сети классифицируются по ряду признаков. В зависимости от расстояний между связываемыми узлами различают сети:

−территориальные − охватывающие значительное географическое пространство; среди территориальных сетей можно выделить сети региональные и глобальные, имеющие соответственно региональные или глобальные масштабы; региональные сети иногда называют сетями MAN (Metropolitan Area Network), а общее англоязычное название для территориальных сетей - WAN (Wide Area Network);

−локальные (ЛВС) − охватывающие ограниченную территорию (обычно

в пределах удаленности станций не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1...2 км); локальные сети обозначают LAN (Local Area Network);

−корпоративные (масштаба предприятия) − совокупность связанных

между собой ЛВС, охватывающих территорию, на которой размещено одно предприятие или учреждение в одном или нескольких близко расположенных зданиях. Локальные и корпоративные вычислительные сети - основной вид вычислительных сетей, используемых в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Особо выделяют единственную в своем роде глобальную сеть Internet (реализованная в ней информационная служба World Wide Web (WWW) переводится на русский язык как всемирная паутина); это сеть сетей со своей технологией. В Internet существует понятие интрасетей (Intranet) - корпоративных сетей в рамках Internet.

Различают интегрированные сети, неинтегрированные сети и подсети.

Интегрированная вычислительная сеть (интерсеть) представляет собой взаимосвязанную совокупность многих вычислительных сетей, которые в интерсети называются подсетями. В автоматизированных системах крупных предприятий подсети включают вычислительные средства отдельных проектных подразделений. Интерсети нужны для объединения таких подсетей, а также для объединения технических средств автоматизированных систем проектирования и производства в единую систему комплексной автоматизации (CIM - Computer Integrated Manufacturing). Обычно интерсети приспособлены для различных видов связи: телефонии, электронной почты, передачи видеоинформации, цифровых данных и т.п., и в этом случае они называются сетями интегрального обслуживания.

Развитие интерсетей заключается в разработке средств сопряжения разнородных подсетей и стандартов для построения подсетей, изначально приспособленных к сопряжению. Подсети в интерсетях объединяются в соответствии с выбранной топологией с помощью блоков взаимодействия.

Примеры известных сетей.

Сеть AERONET- информационная сеть международного сообщества связи для авиации. Это некоммерческая сеть, включает более 250 авиационных предприятий. Доступ в сеть осуществляется с десятков тысяч терминалов в различных странах мира. Сеть представляет сервис, связанный с резервированием и продажей авиациионных билетов.

Сеть ARPANET- это информационная сеть Агентства перспективных ис-следовательских проектов (DARPA) Министерства обороны США. Первые 4 узла коммуникации сети начали функционировать в 1969году. Создание сети ARPANET было ответом США на советскую программу освоения космоса.

Протоколы, стандарты разработанные в рамках данного проекта затем сос-тавили организационно-технологическое ядро сети INTERNET. Здесь впервые сообщения начали передаваться в пакетах, причем части пакета транслируются по разным информационным трассам. На приемной станции осуществляется сборка пакета и восстановление первичной информации.

Сеть DATAPAC-общественная коммуникационная сеть в Канаде. Создана в 1977году.

Сеть EDSNET территориальная сеть созданная корпорацией General Motors. Сеть начала работать в 1984году и объединяет абонентов в десятках стран мира.

Сеть ETHERNET - локальная сеть корпорации Xerox. Сеть создана совместными усилиями разработчиков DEC, Intel, Xerox, прошла в своем развитии несколько этапов развития и была утверждена в качестве международного стандарта IEEE.

Сеть EURONET европейская сеть,созданная комиссией Европейского Союза и охватывающая все страны Союза. Введена в эксплуатацию в 1979 году и пред-ставляет очень широкий спектр сервиса.

Сеть INTERNET – глобальная международная ассоциация информационных сетей, созданная сообществом INTERNET. Основная задача сообщества распро-странение технологий INTERNET и способствование объединению инфор-мационных сетей в глобальную инфраструктуру. Общество INTERNET не эксплуатирует суперсеть с тем же названием, но оказывает помощь в ее созда-нии,развитии и и спользовании.

Оно проводит обучение по изучению сети INTERNET, ее эксплуатации,создает технические группы для стимулирования разработок в этой области.Общество имеет в своем составе рабочую группу INTERNET (IETE). Важной темой работы этой группы является защита сети от вирусов и безопастности данных.

В INTERNETе используются 32-разрядные адреса и архитектура сети

ARPANET, используются ее протоколы TCP/IP, которые образовали костяк так называемой эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЗМВОС) или OSI.

Ассоциация INTERNET объединяет более 16 тысяч сетей в 100 странах мира и соединена со многими другими сетями. Хребтом INTERNET является группа базовых сетей. К ним, в США, относят сеть MBONE, сеть ANSnet, а в Европе- сеть NORDUnet, сеть EUROPAnet, и EUNET.

В INTERNET выделяются три главные сетевые службы:

- электронная почта(протоколы SMTR);

-протоколы передачи файлов в соответствии с протоколом FTR;

-удаленный доступ Telnet, позволяющий в режиме ON-LAINE работать с прикладными программами;

-служба глобального соединения (WWW).

Вход в систему INTERNET осуществляется двумя способами:

-нормальный с использованием протоколов TCP/IP, реализуемый при подключении к сети через локальную сеть;

-через телефонную сеть(протоколы SMTR).

Вопросы для самопроверки

1. Что такое телекоммуникационная система?

2. Что такое информационная сеть?

3. Аппаратура окончания канала. Назначение и принцип работы.

4. Что такое интегрированная сеть? Приведите примеры.

5. Дайте определение территориальных сетей.

6. Что такое топология сети?

7. Назовите основные топологические структуры сетей.

8. Назовите способы управления сетей.

9. Что такое сетеоцентрическая концепция сетей?

Лекция 8. Многоуровневые архитектуры информационных сетей, информационные трассы, супертрассы, технологическое ядро информационных трасс

Многоуровневая архитектура информационных сетей

Первые информационные сети были телефонные. Но с изобретением компь- тера в телефонах стали использовать элементы ЭВМ (память, компьютерный интеллект), а в вычислительной технике поняли важность построения сетей, давно применявшихся для телефонной связи. Конечная цель всех этих нововведений – доставка информации любому корреспонденту по требуемому адресу и в надлежащее время.

В течение длительного периода процесс развития связи ЭВМ шел по пути создания и применения систем передачи данных по телефонным сетям общего пользования. Лишь когда обмен цифровой информацией достиг внушительных размеров, экономически целесообразным оказалось сооружение специализи-рованных сетей передачи данных с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.

В настоящее время по всему миру развернуты тысячи таких сетей, пре-доставляющие своим пользователям возможности связываться друг с другом. Размеры таких сетей простираются от небольших систем, соединяющих терминалы передачи данных в пределах отдельного здания или комплекса (например, промышленное предприятие), до больших г еографически распределенных сетей, охватывающих целые страны и даже весь земной шар.

В некоторых сетях применяется техника коммутации пакетов. В таких сетях от источника к получателю передаются блоки данных, называемые пакетами. Источниками и получателями могут быть терминалы пользователей, компьютеры, принтеры или любые другие устройства передачи и/или обработки данных. При таком способе передачи одни и те же средства передачи информации разделяются между пакетами многих пользователей.

В сетях другого типа применяется техника коммутации каналов (цепей). Это широко распространённые и привычные нам телефонные сети. В таких сетях устанавливается отдельный путь передачи, который удерживается столько вре-мени, сколько требуется для передачи.

В настоящее время развертываются интегральные сети, объединяющие в себе как технику коммутации пакетов, так и технику коммутации каналов. В общем случае для функционирования сетей ЭВМ необходимо решить две проблемы:

- передать данные по назначению в правильном виде и своевременно;

- поступившие по назначению данные пользователю должны

быть распознаваемы и иметь надлежащую форму для их правильного исполь-зования.

Первая проблема связана с задачами маршрутизации и обеспечивается сетевыми протоколами (протоколами низкого уровня). Вторая проблема вызвана использованием в сетях разных типов ЭВМ, с разными кодами и синтаксисом языка. Эта часть проблемы решается путем введения протоколов высокого уровня. Таким образом, полная архитектура, ориентированная на оконечного пользователя, включает в себя оба протокола.

Пример 9. В качестве примера на рис. 24 приведена схема связи между пользователями A и B. К промежуточному узлу связи могут быть подключены оконечные пользователи, и задачей его протоколов является предоставление оконечным пользователям соответствующих услуг. В свою очередь, это две группы протоколов: протоколы, предоставляющие сетевые услуги, и протоколы высокого уровня обычно подразделяются дальше на отдельные уровни. Каждый уровень используется для предоставления определенной услуги в смысле только что перечисленных задач: правильная и своевременная доставка данных в рас-познаваемой форме.

Рис. 24 – Схема связи между пользователями А и В

Разработанная эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI) (ЭМВОС) поддерживает концепцию, при которой каждый уровень предоставляет услуги вышестоящему уровню и базируется на основе нижележащего уровня и использует его услуги. Каждый уровень выполняет определенную функцию по передачи данных. Хотя они должны работать в строгой очередности, но каждый из уровней допускает несколько вариантов. Рассмотрим эталонную модель. Она состоит из 7 уровней и имеет вид, представленный на рис. 25.

Большинство производителей стараются придерживаться модели ЭМВОС, но до сих пор пока нет изделий полностью ей удовлетворяющих. Большинство производителей применяют 3 или 4 уровня протоколов Взаимосвязь уровней друг с другом осуществляются хорошо определенными интерфейсами. Выбор 7 уровней был продиктован обычными соображениями инженерного компромисса, требующего одновременно создать семейство надёжных протоколов и приемлемой стоимости. При этом требовалось, во-первых, иметь достаточно количество уровней, чтобы каждый из них был не слишком сложный с точки зрения разработки подробных протоколов с правильными и выполнимыми спецификациями, и во-вторых, желательно иметь не много уровней, чтобы их интеграция и описание не стали слишком сложными.

Эталонная модель как раз и представляет из себя многоуровневую архитектуру, которая описывается стандартными протоколами и процедурами.

Рис. 25 – Эталонная модель взаимодействия ЭМВОС

Три нижних уровня предоставляют сетевые услуги. Протоколы, реализующие эти уровни, должны быть предусмотрены в каждом узле сети. Четыре верхних уровня предоставляют услуги самим оконечным пользователям и таким образом, связаны с ними, а не с сетью.

Физический уровень

В этой части модели определяются физические, механические и электрические характеристики линий связи, составляющих ЛВС (кабелей, разъемов, опто-волоконных линий и т.п.). Можно считать, что этот уровень отвечает за аппаратное обеспечение. Хотя функции других уровней могут быть реализованы в соответствующих микросхемах, все же они относятся к ПО. Функции физического уровня заключаются в гарантии того, что символы, поступающие в физическую среду передачи на одном конце канала, достигнут другого конца. При использовании этой нижестоящей услуги по транспортировке символов задача протокола канала состоит в обеспечении надежной (безошибочной) передаче блоков данных по каналу.

Такие блоки часто называют циклами, или кадрами. Процедура обычно тре-бует: синхронизации по первому символу в кадре, распознавания конца кадра, обнаружения ошибочных символов, если таковые возникнут, и исправления таких символов каким-либо способом (обычно это делается путем запроса на повторную передачу кадра, в котором обнаружены один или несколько ошибочных символов).

Уровень канала

Уровень канала передачи данных и находящийся под ним физический уровень обеспечивают канал безошибочной передачи между двумя узлами в сети. На этом уровне определяются правила использования физического уровня узлами сети. Электрическое представление данных в ЛВС (биты данных, методы кодирования данных и маркеры) распознаются на этом и только на этом уровне. Здесь обнаруживаются (распознаются) и исправляются ошибки путем требований повторной передачи данных. Ввиду своей сложности, канальный уровень подразделяется на 2 подуровня МАС и LLC.

Подуровень МАС (Media Access Control) связан с доступом к сети (передача маркера или обнаружение коллизий или столкновений) и ее управлением. Подуровень LLC находится выше уровня МАС и связан с передачей и приемом использованных сообщений.

Сетевой уровень

Функция сетевого уровня состоит в том, чтобы установить маршрут для пере-дачи данных по сети или при необходимости через несколько сетей от узла передачи до узла назначения. Этот уровень предусматривает также управление потоком или перегрузками с целью предотвращения переполнения сетевых ресурсов (накопителей в узлах и каналов передачи), которое может привести к прекращению работы. При выполнении этих функций на сетевом уровне исполь-зуется услуга нижестоящего уровня – канала передачи данных, обеспечивающего безошибочное поступление по сетевому маршруту блока данных, введенного в канал на противоположном конце. В сети с коммутацией пакетов блоками данных, передаваемых по сетевому маршруту от одного конца к другому, как говорилось выше, являются пакеты. Блоки или кадры данных, передаваемые по каналу связи через сеть, состоят из пакетов плюс управляющей информации в виде заголовков и окончаний, добавляемых к пакету непосредственно перед его отправлением из узла.

Эта управляющая информация дает возможность принимающему узлу на другом конце канала выполнить требуемую синхронизацию и обнаружение ошибок. В каждом принимающем узле управляющая информация отделяется от остальной части пакета, а затем вновь добавляется, когда этот узел в свою очередь передает пакет по каналу в следующий соседний узел. Описанный принцип добавления

управляющей информации к данным в архитектуре ВОС расширен и в нём включена возможность добавления управляющей информации на каждом уровне архитектуры (рис. 26).

Рис. 26 – Формирование управляющей информации

В случае уровня канала может быть добавлено также окончание, но

принцип последовательного добавления к пакету данных управляющей информации сохраняется.

На каждом уровне блок данных принимается от вышестоящего уровня, к данным добавляется управляющая информация, и блок данных передается нижестоящему уровню. На приемном конце соответствующего уровня архитектуры используется только заголовок (управляющая информация). При этом подходе данный уровень не “просматривает” блок данных, который он получает от вышестоящего уровня, следовательно, уровни самостоятельны и изолированы друг от друга.

Указанная особенность приводит к ценному свойству концепции много-уровневой архитектуры – уровни могут удаляться и заменяться новыми. Реализация (программные продукты, воплощающие многоуровневую архи-тектуру) может быть легко изменена. В результате получается прозрачность для вышестоящего уровня при условии, что сигналы сопряжения, проходящие между уровнями, поддерживаются неизменными (оконечные пользователи могут ощущать изменение характеристик вследствие того, что характеристики передачи, задержек и блокировок могут зависеть от конкретной реализации архитектуры).

Таким образом, пакетная передача через сеть от одного оконечного поль-зователя к другому в общем случае состоит в передаче фактической (полезной) информации, плюс управляющей информации, добавляемой на различных уровнях и подлежащей удалению, когда пакет поступает по назначению и начинает восстанавливаться на своем пути через эти уровни.

Оконечному пользователю сеть представляется как “прозрачный трубопровод”, основная задача которого, - передать по маршруту блоки данных от источника к получателю, доставив их своевременно в желаемый конец. Тогда задача верхних уровней – фактическая доставка данных в правильном виде и распознаваемой форме. Эти верхние уровни не знают о существовании сети. Они обеспечивают только требующуюся от них услугу.

Транспортный уровень

Нижний из верхних уровней ВОС, транспортный уровень, обеспечивает надежный, последовательный обмен данными между двумя оконечными пользователями. Для этой цели на транспортном уровне используется услуга сетевого уровня. Он управляет также потоком, чтобы гарантировать правильный прием блоков данных. Вследствие различия оконечных устройств, данные в системе могут передаваться с разными скоростями, поэтому, если не действует управление потоками, более медленные системы могут быть переполнены быстродействующими. Когда в процессе обработки находится больше одного пакета, транспортный уровень контролирует очередность прохождения компонент сообщения. Если приходит дубликат принятого ранее сообщения, то данный уровень опознает это и игнорирует сообщение.

Уровень сеанса

Функции этого уровня состоят в координации связи между двумя прикладными программами, работающих на разных рабочих станциях. Он также предоставляет услуги вышестоящему уровню представления. Это происходит в виде хорошо структурированного диалога. В число этих функций входит создание сеанса, управление передачей и приемом пакетов сообщений в течении сеанса и завершение сеанса. Этот уровень при необходимости также управляет переговорами, чтобы гарантировать правильный обмен данными. Диалог между пользователем сеансовой услуги (т.е. сторонами уровня представления и выше-стоящим уровнем) может состоять из нормального или ускоренного обмена данными. Он может быть дуплексным, т.е. одновременной двусторонней пере-дачей, когда каждая сторона имеет возможность независимо вести передачу, или полудуплексной, т.е. с одновременной передачей только в одну сторону. В послед-нем случае для передачи управления с одной стороны к другой применяются специальные метки.

Уровень сеанса предоставляет услугу синхронизации для преодоления любых обнаруженных ошибок. При этой услуге метки синхронизации должны вставляться в поток данных пользователями услуги сеанса. Если будет обнаружена ошибка, то сеансовое соединение должно быть возвращено в определённое состояние, пользователи должны вернуться в установленную точку диалогового потока, сбросить часть переданных данных и затем восстановит передачу, начиная с этой точки.

Уровень сеанса предусматривает также при желании функцию управления активностью. При осуществлении этой функции диалог может быть разбит на отрезки активности, каждый из которых может быть прерван и продолжен в любой момент, начиная со следующего отрезка активности.

Уровень представления

Наконец, уровень, представления управляет и преобразует синтаксис блоков данных, которыми обмениваются оконечные пользователи. Такая ситуация может возникать в неоднотипных ПК (IBM PC,Macintosh, DEC, Next, Burrogh), которым необходимо обмениваться данными. Назначение - преобразование синтаксических блоков данных.

Прикладной уровень

Протоколы прикладного уровня придают соответствующую семантику или смысл обмениваемой информации. Этот уровень является пограничным между ПП и процессами модели ЭМОС . Сообщение, предназначенное для передачи через компьютерную сеть, попадает в модель ЭМОС в данной точке, проходит через уровень 1 (физический), пересылается на другой PC, и проходит от уровня 1 в обратном порядке до достижения ПП на другом PC через ее прикладной уровень. Таким образом, прикладной уровень обеспечивает взаимопонимание двух прикладных программ на разных компьютерах.

Информационно-коммуникационные технологии представляют собой взаимосогласованную совокупность принципов, методов, способов и средств сбора, накопления, хранения, поиска, обработки, обмена, передачи, отображения и выдачи информации, а также инструментальных систем, их информационного и программного обеспечения, организационно-административных положений, регламентирующую и поддерживающую деятельность людей при создании, реализации, распространении, сопровождении и развитии технологий индустрии информации.

Средства информационно-коммуникационных технологий базируются на вычислительных, информационных и коммуникационных ресурсах.

К вычислительным ресурсам относятся: персональные компьютеры, рабочие станции, серверы, суперсерверы, суперкомпьютеры, мэйнфреймы, кластеры, параллельные вычислительные системы, вычислительные сети, распределенные вычислительные системы.

Среди коммуникационных ресурсов различаются: коммуникационные ресурсы групп пользователей, коммуникационные ресурсы локальных сетей, коммуникационные ресурсы корпоративных сетей, коммуникационные ресурсы региональных сетей, коммуникационные ресурсы глобальных сетей.

Типовые функциональные спецификации коммуникационных ресурсов реализуются коммутаторами, маршрутизаторами, мостами/маршрутизаторами, мостами и шлюзами.

Информационные ресурсы создаются на основе баз данных, систем управления базами данных, баз знаний, систем управления базами данных, информационно-поисковых систем, мультимедийных информационных систем, географических информационных систем, электронных библиотек, систем виртуальной реальности, Web-серверов, форумов, порталов.

Информационные трассы в целом описываются как высокоскоростные инфраструктуры связи, обеспечивающие доставку всех видов информации в любую точку пространства посредством дружественного и относительно дешевого интерфейса.

Построение информационных супертрасс предусматривается с целью создания базовой инфраструктуры для глобально интегрированных, мультимедиа, дружественных и относительно дешевых сетей связи. Информационные супертрассы являются неотъемлемой частью информационного сообщества.

Основные предпосылки для создания и развития технологического ядра информационных супертрасс связаны с эволюцией информационных технологий. Эволюция представляется в терминах трех важнейших составляющих:

- высокая скорость, обусловленная возрастающими возможностями каналов связи, которая достигается за счет применения новых режимов переноса информации и оптических кабелей;

- интеллектуальность сетей связи, создаваемых посредством интеграции высокоразвитых вычислительных и коммуникационных ресурсов;

- большая вездесущность и мобильность оконечных пользовательских систем, которые достигаются за счет миниатюризации и применения технологий беспроводной связи. Исключительные особенности особого статуса информационно коммуникационных технологий требуют эволюционного развития образовательных технологий.