Основы сетей передачи данных. Общие принципы построения сетей. Коммутация каналов и пакетов

1. тема 1. Основы сетей передачи данных

ТЕМА 1. ОСНОВЫ СЕТЕЙ
ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Общие принципы построения
сетей
Коммутация каналов и пакетов

2. Классификация компьютерных сетей по технологии передачи

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ ПО
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ
Единой общепринятой системы, которой удовлетворяют все сети, не существует,
однако есть два важнейших параметра: технология передачи и размеры.
В общих чертах, существует два типа технологии передачи:
широковещательные сети и сети с передачей от узла к узлу.
Для сетей с передачей от узла к узлу характерны следующие типы передачи:
• Однонаправленная передача (unicasting) - двухточечная передача с ровно
одним отправителем и ровно одним получателем
• Широковещательная передача (broadcasting) - обладают единым каналом
связи, совместно используемым всеми машинами сети. Пакеты посылаются
одной машиной, а получаются всеми машинами.
• Многоадресная передача (multicasting) - Некоторые широковещательные
системы также предоставляют возможность посылать сообщения
подмножеству машин.

3. Классификация компьютерных сетей по территориальной распределённости

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ ПО
ТЕРРИТОРИАЛЬНОЙ РАСПРЕДЕЛЁННОСТИ

4. Персональные сети

ПЕРСОНАЛЬНЫЕ СЕТИ
Персональные сети (PAN – Personal
Area Network) позволяют общаться
устройствам вблизи человека. Типичный
пример — беспроводная сеть, которая
соединяет компьютер с его
периферийными устройствами. Почти
у каждого компьютера есть
присоединенный монитор, клавиатура,
мышь и принтер. При отсутствии
беспроводной сети они должны быть
присоединены кабелями.

5. Локальные сети (LAN)

ЛОКАЛЬНЫЕ СЕТИ (LAN)
Локальными сетями (LAN – Local Area
Network) называют частные сети,
размещающиеся, как правило, в одном
здании или на территории какой-либо
организации. Их часто используют для
объединения компьютеров и рабочих
станций в офисах компании или предприятия
бытовой электроники для предоставления
совместного доступа к ресурсам
(например, принтерам) и обмена
информацией. Когда локальные сети
используются предприятиями, их называют
сеть предприятия (enterprise networks).

6. Муниципальные сети (MAN)

МУНИЦИПАЛЬНЫЕ СЕТИ (MAN)
Муниципальные сети (MAN metropolitan area network)
объединяют компьютеры в
пределах города. Самым
распространенным
примером муниципальной
сети является система
кабельного телевидения.

7. Глобальная сеть (WAN)

ГЛОБАЛЬНАЯ СЕТЬ (WAN)
Глобальная сеть (wide area
network, WAN) охватывает
значительную
географическую область,
часто целую страну или
даже континент. Мы начнем
разговор о них с проводных
глобальных сетей, используя
в качестве примера
компанию, имеющую
подразделения в разных
городах.

8. Совместное использование ресурсов

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ
Исторически главной целью объединения
компьютеров в сеть было разделение ресурсов:
пользователи компьютеров, подключенных к сети, или
приложения, выполняемые на этих компьютерах,
получают возможность автоматического доступа к
разнообразным ресурсам остальных компьютеров
сети, к числу которых относятся:
• периферийные устройства, такие как диски, принтеры, плоттеры, сканеры;
• данные, хранящиеся в оперативной памяти или на внешних запоминающих
устройствах;
• вычислительная мощность.
Для связи устройств в них прежде всего должны быть предусмотрены внешние
интерфейсы.

9. Совместное использование ресурсов

СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ
Интерфейс — в широком смысле — формально
определенная логическая и/или физическая граница
между взаимодействующими независимыми объектами.
Интерфейс задает параметры, процедуры и
характеристики взаимодействия объектов.
Разделяют физический и логический интерфейсы.
• Физический интерфейс определяется набором электрических связей и
характеристиками сигналов. Обычно он представляет собой разъем с набором
контактов, каждый из которых имеет определенное назначение, например это
может быть группа контактов для передачи данных, контакт синхронизации данных
и т. п. Пара разъемов соединяется кабелем, состоящим из набора проводов,
каждый из которых соединяет соответствующие контакты. В таких случаях говорят о
создании линии, или канала, связи между двумя устройствами.
• Логический интерфейс — это набор информационных сообщений
определенного формата, которыми обмениваются два устройства или две
программы, а также набор правил, определяющих логику обмена этими
сообщениями.

10. Простейшая сеть из двух компьютеров (связь компьютера с периферийным устройством)

ПРОСТЕЙШАЯ СЕТЬ ИЗ ДВУХ КОМПЬЮТЕРОВ (СВЯЗЬ
КОМПЬЮТЕРА С ПЕРИФЕРИЙНЫМ УСТРОЙСТВОМ)
Связь компьютера с периферийным устройством
Для того чтобы решить задачу организации доступа
приложения, выполняемого на компьютере А, к
периферийное устройство (ПУ) через сеть, рассмотрим,
как управляет этим устройством приложение,
выполняемое на компьютере В, к которому данное ПУ
подключено непосредственно.
1.
Пусть приложению В выносит на печать некоторые
данные. Приложение обращается с запросом на
выполнение операции ввода-вывода к операционной
системе (как правило, драйвер не может быть
запущен на выполнение непосредственно
приложением). В запросе указываются адрес данных,
которые необходимо напечатать (адрес буфера
оперативной памяти ОП), и информация о том, на
каком периферийном устройстве эту операцию
требуется выполнить.
2.
Получив запрос, операционная система запускает
программу — драйвер принтера. С этого момента
все дальнейшие действия по выполнению операции
ввода-вывода со стороны компьютера реализуются
только драйвером принтера и работающим под его
управлением аппаратным модулем —
интерфейсной картой принтера без участия
приложения и операционной системы.

11. Простейшая сеть из двух компьютеров (связь компьютера с периферийным устройством)

ПРОСТЕЙШАЯ СЕТЬ ИЗ ДВУХ КОМПЬЮТЕРОВ (СВЯЗЬ
КОМПЬЮТЕРА С ПЕРИФЕРИЙНЫМ УСТРОЙСТВОМ)
3. Драйвер принтера оперирует командами, понятными
контроллеру принтера. Драйвер в определенной
последовательности загружает коды этих команд, а
также данные, взятые из буфера ОП, в буфер
интерфейсной карты принтера, которая побайтно
передает их по сети контроллеру принтера.
4. После получения от драйвера очередного байта
интерфейсная карта последовательно передает биты в
линию связи, представляя каждый бит электрическим
сигналом. Чтобы контроллеру принтера стало понятно,
что начинается передача байта, перед передачей
первого бита информационная карта формирует
стартовый сигнал, а после передачи последнего
информационного бита — стоповый сигнал. Эти
сигналы синхронизируют передачу байта. Контроллер
принтера, опознав стартовый бит, начинает принимать
информационные биты, формируя из них байт в своем
приемном буфере. Помимо информационных битов
карта может передавать бит контроля четности для
повышения достоверности обмена. При корректно
выполненной передаче в буфере принтера
устанавливается соответствующий признак.
5. Получив очередной байт, контроллер
интерпретирует его и запускает заданную
операцию принтера. Закончив работу по
печати всех символов документа, драйвер
принтера сообщает операционной
системе о выполнении запроса, а та, в
свою очередь, сигнализирует об этом
событии приложению.

12. Простейшая сеть из двух компьютеров (Обмен данными между двумя компьютерами)

ПРОСТЕЙШАЯ СЕТЬ ИЗ ДВУХ КОМПЬЮТЕРОВ (ОБМЕН
ДАННЫМИ МЕЖДУ ДВУМЯ КОМПЬЮТЕРАМИ)
Приложения А и В управляют процессом передачи
данных путем обмена сообщениями. Чтобы приложения
могли «понимать» получаемую друг от друга
информацию, форматы и последовательность
сообщений, которыми приложения будут обмениваться
во время выполнения этой операции, должны быть строго
оговорены.
Тем самым определяется протокол взаимодействия
приложений для выполнения операции данного типа.
Для передачи данных из одного компьютера в другой
необходимо сопровождать эти данные дополнительной и
информацией в виде протокольных сообщений,
которыми обмениваются приложения.
На стороне компьютера А приложение размещает в
буфере ОП либо собственное очередное сообщение,
либо данные и обращается к ОС с запросом на
выполнение операции межкомпьютерного обмена
данными. ОС запускает соответствующий драйвер
сетевой карты, который загружает байт из буфера ОП в
буфер интерфейсной карты, после чего инициирует ее
работу. Сетевая интерфейсная карта последовательно
передает биты в линию связи, дополняя каждый новый
байт стартовым и стоповым битами.

13. Простейшая сеть из двух компьютеров (Обмен данными между двумя компьютерами)

ПРОСТЕЙШАЯ СЕТЬ ИЗ ДВУХ КОМПЬЮТЕРОВ (ОБМЕН
ДАННЫМИ МЕЖДУ ДВУМЯ КОМПЬЮТЕРАМИ)
На стороне компьютера В сетевая интерфейсная
карта принимает биты, поступающие со стороны
внешнего интерфейса, и помещает их в
собственный буфер. После того как получен
стоповый бит, интерфейсная карта устанавливает
признак завершения приема байта.
Факт корректного приема байта фиксируется
драйвером сетевой интерфейсной карты
компьютера В. Драйвер переписывает принятый
байт из буфера интерфейсной карты в заранее
зарезервированный буфер ОП компьютера В.
Приложение В извлекает данные из буфера и
интерпретирует их в соответствии со своим
протоколом либо как сообщение, либо как
данные. Если согласно протоколу приложение В
должно передать ответ приложению А, то
выполняется симметричная процедура.
Таким образом, связав электрически и
информационно два автономно работающих
компьютера, мы получили простейшую
компьютерную сеть.

14. Сетевое программное обеспечение

СЕТЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Дублирование в каждом из приложений общих
для всех них функций по организации удаленной
печати является избыточным. Более
эффективным представляется подход, при
котором эти функции исключаются из
приложений и оформляются в виде пары
специализированных программных модулей —
клиента и сервера печати, функции которых
ранее выполнялись соответственно
приложениями А и В. Теперь эта пара клиент—
сервер может быть использована любым
приложением, выполняемым на компьютере А.
Клиент — это модуль, предназначенный для
формирования и передачи сообщенийзапросов к ресурсам удаленного компьютера
от разных приложений с последующим
приемом результатов из сети и передачей их
соответствующим приложениям.

15. Сетевое программное обеспечение

СЕТЕВОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Сервер — это модуль, который постоянно ожидает
прихода из сети запросов от клиентов и, приняв
запрос, пытается его обслужить, как правило, с
участием локальной ОС; один сервер может
обслуживать запросы сразу нескольких клиентов
(поочередно или одновременно).
Пара клиент-сервер, предоставляющая доступ к
конкретному типу ресурса компьютера через сеть,
образует сетевую службу.
Каждая служба связана с определенным типом
сетевых ресурсов. Модули клиента и сервера,
реализующие удаленный доступ к принтеру, образуют
сетевую службу печати.
Среди сетевых служб можно выделить такие, которые
ориентированы не на простого пользователя, как,
например, файловая служба или служба печати, а на
администратора. Такие службы направлены на
организацию работы сети. Например, справочная
служба, или служба каталогов, предназначена для
ведения базы данных о пользователях сети, обо всех ее
программных и аппаратных компонентах.
Услуги, предоставляемые службой, называются
сервисом.

16. Сетевая операционная система

СЕТЕВАЯ ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА
Операционную систему компьютера часто определяют, как
взаимосвязанный набор системных программ, который
обеспечивает эффективное управление ресурсами компьютера
(памятью, процессором, внешними устройствами, файлами и
др.), а также предоставляет пользователю удобный интерфейс для
работы с аппаратурой компьютера и разработки приложений.
Сетевой операционной системой называют операционную
систему компьютера, которая помимо управления локальными
ресурсами предоставляет пользователям и приложениям
возможность эффективного и удобного доступа к
информационным и аппаратным ресурсам других компьютеров
сети.
Из примеров, рассмотренных в предыдущих разделах, мы видим,
что удаленный доступ к сетевым ресурсам обеспечивается:
сетевыми службами;
средствами транспортировки сообщений по сети (в
простейшем случае — сетевыми интерфейсными картами и
их драйверами).
Следовательно, именно эти функциональные модули должны быть
добавлены к ОС, чтобы она могла называться сетевой.

17. Сетевая операционная система

СЕТЕВАЯ ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА
Сетевая служба может быть представлена в операционной
системе либо обеими (клиентской и серверной) частями, либо
только одной из них.
В первом случае операционная система, называемая
одноранговой (peer-to-peer) – пример - torrent, не только позволяет
обращаться к ресурсам других компьютеров, но и предоставляет
собственные ресурсы в распоряжение пользователей других
компьютеров. Например, если на всех компьютерах сети
установлены и клиенты, и серверы файловой службы, то все
пользователи сети могут совместно использовать файлы друг
друга.
Операционная система, которая преимущественно содержит
клиентские части сетевых служб, называется клиентской.
Клиентские ОС устанавливаются на компьютеры, обращающиеся
с запросами к ресурсам других компьютеров сети. Обычно
клиентские компьютеры относятся к классу относительно простых
устройств.
К другому типу операционных систем относится серверная ОС —
она ориентирована на обработку запросов из сети к ресурсам
своего компьютера и включает в себя в основном серверные части
сетевых служб. Компьютер с установленной на нем серверной
ОС, занимающийся исключительно обслуживанием запросов
других компьютеров, называют выделенным сервером сети.

18. Классификация приложений

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЛОЖЕНИЙ
Локальное приложение целиком выполняется на данном
компьютере и использует только локальные ресурсы. Для
такого приложения не требуется никаких сетевых средств,
оно может быть выполнено на автономно работающем
компьютере.
Централизованное сетевое приложение целиком
выполняется на данном компьютере, но обращается в
процессе своей работы к ресурсам других компьютеров
сети. Работа такого типа приложений невозможна без
участия сетевых служб и средств транспортировки
сообщений.
Распределенное (сетевое) приложение состоит из
нескольких взаимодействующих частей, каждая из которых
выполняет какую-то определенную законченную работу по
решению прикладной задачи, причем каждая часть может
выполняться и, как правило, выполняется на отдельном
компьютере сети. Части распределенного приложения
взаимодействуют друг с другом, используя сетевые службы
и транспортные средства ОС. Распределенное
приложение в общем случае имеет доступ ко всем ресурсам компьютерной сети.

19. Характеристики физических каналов  

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЗИЧЕСКИХ КАНАЛОВ
Существует большое количество характеристик, связанных с передачей трафика через
физические каналы, например:
Предложенная нагрузка — это поток данных, поступающий от пользователя на вход сети.
Предложенную нагрузку можно характеризовать скоростью поступления данных в сеть в
битах в секунду (или килобитах, мегабитах и т. д.).
Скорость передачи данных (information rate, или throughput, оба английских термина
используются равноправно) — это фактическая скорость потока данных, прошедшего
через сеть. Эта скорость может быть меньше, чем скорость предложенной нагрузки, так
как данные в сети могут искажаться или теряться.
Емкость канала связи (capacity), называемая также пропускной способностью,
представляет собой максимально возможную скорость передачи информации по
каналу.
Полоса пропускания (bandwidth):
ширина полосы частот, которую линия передает без существенных искажений. Из
этого определения понятно происхождение термина - измеряется в герцах (Гц).
То же, что и ёмкость канала связи — измеряется в битах в секунду.

20. Классификация физических каналов по направлению передачи данных

КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ПО
НАПРАВЛЕНИЮ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Дуплексный канал обеспечивает одновременную передачу информации в
обоих направлениях. Дуплексный канал может состоять их двух физических
сред, каждая их которых используется для передачи информации только в
одном направлении. Возможен вариант, когда одна среда служит для
одновременной передачи встречных потоков, в этом случае применяют
дополнительные методы выделения каждого потока из суммарного сигнала.
Полудуплексный канал также обеспечивает передачу информации в обоих
направлениях, но не одновременно, а по очереди. То есть в течение
определенного периода времени информация передается в одном
направлении, а в течение следующего периода — в обратном.
Симплексный канал позволяет передавать информацию только в одном
направлении. Часто дуплексный канал состоит из двух симплексных каналов.

21. Топология физических связей

ТОПОЛОГИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ
Под топологией сети понимается конфигурация графа,
вершинам которого соответствуют конечные узлы сети
(например, компьютеры) и коммуникационное
оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам
— физические или информационные связи между
вершинами.
Полносвязная топология соответствует сети, в которой
каждый компьютер непосредственно связан со всеми
остальными. Несмотря на логическую простоту, этот
вариант оказывается громоздким и неэффективным.
Для каждой пары компьютеров должна быть выделена
отдельная физическая линия связи. Полносвязные
топологии в крупных сетях не применяются, так как для
связи N узлов требуется