Вычислительные сети Архитектура сети Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Для обеспечения совместимости аппаратного и программного обеспечений. - презентация

1 Вычислительные сети Архитектура сети Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Для обеспечения совместимости аппаратного и программного обеспечений международной организацией по стандартам (ISO) была разработана базовая эталонная модель открытых систем (OSI – Open System Interconnection model).

2 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Прикладные процессыУровневые протоколыПрикладные процессы Уровни процессов взаимо- действия 1Прикладной Управление прикладными процессами Уровни процессов взаимо- действия 1Прикладной 2Представительный Управление представлением данных 2Представительный 3СеансовыйУправление сеансами3Сеансовый 4ТранспортныйУправление трафиком4Транспортный 5СетевойУправление сетью5Сетевой 6Канальный Управление информационным каналом 6Канальный 7Физический Управление физическим каналом 7Физический Передающая среда(коммуникационная подсеть) Компьютер 1 Компьютер n

3 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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; - отвечает за кодирование данных и синхронизацию битов.

4 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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)

5 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Сетевой уровень Отвечает за буферизацию и маршрути- зацию в сети. Маршрутизация – существенная функция при работе в глобальных сетях (с коммутацией пакетов), когда необходимо определить маршрут передачи пакета, выполнить перевод логических адресов узлов сети в физические.

6 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Транспортный уровень Задача этого уровня – правильная сборка пакетов каждого сообщения без смещения и потерь: - с передающей стороны переупаковывает информационные сообщения: длинные разбиваются на несколько пакетов, короткие объединяются в один; -с принимающей стороны собирает сообщения из пакетов.

7 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Сеансовый уровень Позволяет двум приложениям на разных рабочих станциях устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом.

8 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Уровень представления Функция этого уровня - преобразование сообщений, используемых прикладным уровнем, в некоторый общепринятый формат обмена данными между сетевыми компьютерами. Целью преобразования сообщения является сжатие данных и их защита.

9 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Прикладной уровень Представляет собой окно для доступа прикладных процессов к сетевым услугам. Прикладной уровень управляет: - общим доступом к сети; - потоком данных; - обработкой ошибок.

10 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Для организации передачи данных в сети используется протокол. Протокол – это правила и технические процедуры, позволяющие нескольким компьютерам при объединении в сеть общаться друг с другом. Каждому уровню присущ свой набор правил.

11 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации УровеньНабор правил (протокол) ПрикладнойИнициация или прием запроса ПредставительскийДобавление в сообщение форматирующей, отображающей и шифрующей информации СеансовыйДобавление информации о трафике – с указанием момента отправки пакета ТранспортныйДобавление информации для обработки ошибок СетевойДобавление адресов и информации о месте пакета в последовательности передаваемых пакетов КанальныйДобавление информации для проверки ошибок (трейлера пакета) и подготовка данных для передачи по физическому соединению ФизическийПередача пакета как потока битов в соответствии с определенным способом доступа

12 Вычислительные сети Семиуровневая модель открытых систем Вычислительные системы, сети и телекоммуникации УровеньАналогия ПрикладнойПисьмо написано на бумаге. Определено его содержание ПредставленияПисьмо запечатано в конверт. Конверт заполнен. Наклеена марка. Клиентом соблюдены необходимые требования протокола доставки СеансовыйПисьмо опущено в почтовый ящик. Выбрана служба доставки (письмо можно было бы запечатать в бутылку и бросить в реку, но избрана другая служба) ТранспортныйПисьмо доставлено на почтамт. Оно отделено от писем, с доставкой которых местная почтовая служба справилась бы самостоятельно СетевойПосле сортировки письмо уложено в мешок. Появилась новая единица доставки - мешок СоединенияМешки писем уложены в вагон. Появилась новая единица доставки - вагон ФизическийВагон прицеплен к локомотиву. Появилась новая единица доставки - состав. За доставку взялось другое ведомство, действующее по другим протоколам

13 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.

14 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 уровень убирается одна из оболочек.

15 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Семиуровневая модель открытых систем

16 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Модель сети Помимо модели OSI существует также модель IEEE Project 802, 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:

17 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Модель сети – объединение сетей с помощью мостов и коммутаторов – управление логической связью на подуровне LLC – локальная сеть с методом доступа CSMA/CD и топологией шина (Ethernet) – локальная сеть с топологией шина и маркерным доступом (Token-Bus) – локальная сеть с топологией кольцо и маркерным доступом (Token-Ring) – городская сеть (Metropolitan Area Network, MAN) с расстояниями между абонентами более 5 км – широкополосная технология передачи данных – оптоволоконная технология – интегрированные сети с возможностью передачи речи и данных – безопасность сетей, шифрование данных – беспроводная сеть по радиоканалу (WLAN – Wireless LAN) – локальная сеть с централизованным управлением доступом по приоритетам запросов и топологией звезда (100VG-AnyLAN).

18 Обобщенная задача коммутации маршрутом Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю называется маршрутом. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

19 Обобщенная задача коммутации 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

20 Обобщенная задача коммутации Определение информационных потоков Информационным потоком(data flow, data stream) Информационным потоком (data flow, data stream) называют последовательность данных, объединенных набором общих признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого трафика. Данные пакеты, кадры, ячейки Данные могут быть представлены в виде последовательности байтов или объединены в более крупные единицы данных пакеты, кадры, ячейки. Определить потоки 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

21 Обобщенная задача коммутации Определение маршрутов Определение пути 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

22 Обобщенная задача коммутации Определить маршрут Определить маршрут однозначно задать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Определение маршрутов

23 Обобщенная задача коммутации Оповещение сети о выбранном маршруте Оповестить сеть о найденных маршрутах 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

24 Обобщенная задача коммутации ПРОДВИЖЕНИЕ распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch).

25 Обобщенная задача коммутации ПРОДВИЖЕНИЕ распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле Вычислительные системы, сети и телекоммуникации

26 Обобщенная задача коммутации ПРОДВИЖЕНИЕ распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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.

27 Обобщенная задача коммутации Мультиплексирование и демультиплексирование Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Задача демультиплексирования (demultiplexing) Задача демультиплексирования (demultiplexing) разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков. Задача мультиплексирования (multiplexing) Задача мультиплексирования (multiplexing) образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи

28 Обобщенная задача коммутации Мультиплексирование и демультиплексирование Вычислительные системы, сети и телекоммуникации мультиплексором (multiplexer, mux). (рис. а) 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) демультиплексором(рис. б) Коммутатор, который имеет один входной интерфейс и несколько выходных, называется демультиплексором. (рис. б)

29 Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым (shared).

30 Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Два однонаправленных физических канала

31 Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Один полудуплексный канал

32 Обобщенная задача коммутации Разделяемая среда передачи данных Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Схема "общая шина".

33 Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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).

34 Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Метод доступа 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.

35 Протоколы передачи данных нижнего уровня. Управление доступом к передающей среде Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Методы доступа к передающей среде: селективные методы методы, основанные на соперничестве методы, основанные на резервировании времени кольцевые методы

36 Методы доступа к передающей среде Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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);

37 Методы доступа к передающей среде Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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»;

38 Методы доступа к передающей среде Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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;

39 Методы доступа к передающей среде Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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).

40 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.

41 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. Если канал свободен, начинает передачу пакета. 4. При обнаружении коллизии во время передачи прекращает передачу. 5. Через случайный промежуток времени все повторяется (т.е. осуществляется переход к п. 1).

42 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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. Методы доступа

43 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации Коллизии в сети CSMA/CD - две станции одновременно передают данные Окно коллизий - интервал времени, необходимый для распространения сигнала по каналу и обнаружения его любой станцией сети. Методы доступа

44 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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 на более позднее время, определяемое на основе случайного выбора интервала ожидания (пауза). Цель затора – сделать коллизию настолько продолжительной, чтобы ее смогли заметить все другие передающие станции, которые вовлечены в коллизию. Методы доступа

45 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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 кадр длиной менее 64 байт считается фрагментом испорченного сообщения и игнорируется принимающими станциями сети. Пауза = L x (интервал отсрочки), интервал отсрочки = 512 битовый интервал Битовый интервал = 1/скорость передачи Для 100 Мбит/сек – 10 нсек L – случайное число из диапазона [0, 2n], где n = min(номер повторной попытки передачи кадра, 10) После 16 попытки кадр отбрасывается Методы доступа

46 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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. 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 сети. Методы доступа

47 Вычислительные системы, сети и телекоммуникации 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. Методы доступа

48 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 этого, принимающая РС посылает передающей сообщение, где подтверждается факт приема. 4. После получения подтверждения, передающая РС создает новый свободный маркер и возвращает его в сеть

49 Классификация ППД Вычислительные системы, сети и телекоммуникации