ВОПРОС 1. Физические основы элементной базы компьютерной

Содержание
ВОПРОС 1. Физические основы элементной базы компьютерной техники и средств передачи
информации ...................................................................................................................................................... 2
ВОПРОС 2. Принципы работы технических устройств ИКТ ...................................................................... 5
ВОПРОС 3. Физические основы компьютерной техники и средств передачи информации, принципы
работы технических устройств ИКТ ............................................................................................................ 10
ВОПРОС 4. Основы архитектуры и процессов функционирования вычислительных систем, сетей и
телекоммуникаций ......................................................................................................................................... 21
ВОПРОС 5. Сетевые протоколы ................................................................................................................... 46
ВОПРОС 6. Теоретические основы построения и функционирования операционных систем, их
назначение и функции.................................................................................................................................... 52
ВОПРОС 7. Назначение и виды ИКТ ........................................................................................................... 56
ВОПРОС 8. Топология: определение. Типовые топологии сетей ............................................................. 58
ВОПРОС 9. Сети с коммутацией пакетов. Буферизация. Методы продвижения пакетов...................... 60
ВОПРОС 10. Многоуровневый подход к задаче сетевого взаимодействия. Понятие протокола и стека
протоколов. Понятие открытой системы и ее преимущества .................................................................... 63
ВОПРОС 11. Открытые системы. Модель OSI. Состав и общая характеристика. Уровни модели OSI.
.......................................................................................................................................................................... 65
ВОПРОС 12. Модель OSI. Физический, канальный и сетевой уровни. Характеристика и функции.
Примеры протоколов из различных стеков. ................................................................................................ 67
ВОПРОС 13. Модель OSI. Транспортный, сеансовый, уровень представления и прикладной уровень.
Характеристика и функции. Примеры протоколов из различных стеков. .............................................. 70
ВОПРОС 14. Стек протоколов TCP/IP. Характеристика и состав. Отображение протоколов стека
на модель OSI. ................................................................................................................................................. 73
ВОПРОС 15. Типы адресов стека TCP/IP ................................................................................................... 75
ВОПРОС 16. Формат IP-адреса. Классы IP-адресов. Маска ................................................................... 76
ВОПРОС 17. Система доменных имен DNS. Иерархия имен. Схема работы......................................... 81
ВОПРОС 18. Динамическое назначение IP-адресов. Алгоритм работы протокола DHCP .................. 86
ВОПРОС 19. Протоколы IP и ICMP. Схема и таблицы маршрутизации ............................................... 88
ВОПРОС 20. Протоколы TCP и UDP. Порты. Логическое соединение .................................................. 91
Стандарты и стеки протоколов ..................................................................................................................... 97
Спецификации стандартов ............................................................................................................................ 97
Протоколы и стеки протоколов..................................................................................................................... 99
Сетевые протоколы ........................................................................................................................................ 99
Транспортные протоколы .............................................................................................................................. 99
Прикладные протоколы ................................................................................................................................. 99
Сетевые протоколы ...................................................................................................................................... 100
Примеры сетевых протоколов. .................................................................................................................... 101
Другие протоколы. ....................................................................................................................................... 101
Транспортные протоколы ............................................................................................................................ 102
Курсивом выделены вопросы повышенной сложности
1
ВОПРОС 1. Физические основы элементной базы компьютерной техники и средств
передачи информации
Для передачи и распространения электронных данных используются различные средства и системы
связи и телекоммуникации.
Приведем виды связи и используемые в них виды информации. Это:
1) почтовая (буквенно-цифровая и графическая информация),
2) телефонная (передача речи (включая буквенно-цифровые данные),
3) телеграфная (буквенно-цифровые сообщения),
4) факсимильная (буквенно-цифровая и графическая информация),
5) радио и радиорелейная (речевая, буквенно-цифровая и графическая информация),
6) спутниковая связь (тоже и видоинформация).
Связь в организации подразделяется на:
 проводную и беспроводную,
 внутреннюю (местную) и внешнюю,
 симплексную, дуплексную и полудуплексную.
Дуплексный режим – это когда можно одновременно говорить и слышать собеседника.
Полудуплексная передача – метод двунаправленной передачи данных (в двух направлениях по одному
каналу), при котором в каждый момент времени информация может передаваться только в одну
сторону. Это двухчастотный симплекс, или полудуплекс. С точки зрения конечного пользователя он
эквивалентен симплексу.
Симплексный режим – это когда абоненты говорят между собой по очереди.
Линия связи – физические провода или кабели, соединяющие пункты (узлы) связи между собой, а
абонентов – с ближайшими узлами.
Каналы связи образуется различным образом. Канал может создаваться на время соединения двух
абонентов телефонной или радиосвязи и проведения между ними сеанса голосовой связи. В радиосвязи
этот канал может представлять среду передачи данных, в которой одновременно может работать
несколько абонентов, а также в ней может одновременно осуществляться несколько сеансов связи.
При этом:
1) проводная связь включает: телефонную, телеграфную связь и системы передачи данных;
2) беспроводная связь включает:
а) подвижную радиосвязь (радиостанции, сотовая и транковая связь и др.);
б) стационарную радиосвязь (радиорелейная и космическая (спутниковая) связь);
3) оптическая неподвижная связь по воздуху и волоконно-оптическим кабелям связи.
Кабели связи
Витая пара – изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения наводок
между ними. Существует пять категорий витых пар: первая и вторая используются при
низкоскоростной передаче данных; третья, четвертая и пятая – при скоростях передачи, до 16, 25 и 155
Мбит/с.
Коаксиальный кабель – медный проводник внутри цилиндрической экранирующей защитной
оболочки, свитой из тонких медных проводников, изолированной от проводника диэлектриком.
Скорость передачи до 300 Мбит/с. Значительная стоимость и сложность прокладки ограничивают его
использование.
Волновое сопротивление кабеля (отношение между амплитудами падающих волн напряжения и тока)
составляет 50 Ом.
Оптоволоконный кабель состоит из прозрачных волокон оптически прозрачного материала (пластик,
стекло, кварц) диаметром в несколько микрон, окружённых твердым заполнителем и помещённых в
защитную оболочку. Коэффициент преломления этих материалов изменяется по диаметру таким
образом, чтобы отклонившийся к краю луч возвращался обратно к центру.
Передача информации осуществляется преобразованием электрических сигналов в световые с
помощью, например, светодиода. При этом обеспечивается устойчивость к электромагнитным помехам
и дальность до 40 км.
2
Телефонная связь – самый распространённый вид оперативно-управленческой связи. Официально
появилась 14 февраля 1876 г., когда Александр Белл (США) запатентовал изобретение первого
телефонного аппарата. Диапазон передаваемых звуковых сигналов по отечественным телефонным
каналам составляет полосу частот 300 Гц–3,4 кГц.
Автоматическая телефонная связь образуется с помощью узлов коммутации, роль которых
выполняют автоматические телефонные станции (АТС), и соединяющих эти узлы каналов (линий)
связи.
В совокупности с абонентскими линиями (телефонная линия от абонента к ближайшей АТС) она
составляет телефонную сеть. Телефонная сеть имеет иерархическую структуру – оконечные
(внутриучрежденческие, местные, районные и т.п.), городские, региональные (областные, краевые,
республиканские), государственные и международные АТС. АТС соединяются между собой с помощью
соединительных линий.
Телефонная станция (АТС) – здание с комплексом технических средств, предназначенных для
коммутации телефонных каналов. На АТС производится соединение телефонных каналов абонентов на
время их переговоров, а затем, по окончании переговоров, их разъединение. Современные ТС являются
автоматическими техническими устройствами (в том числе – компьютерными).
Учрежденческие АТС, как правило, обеспечивают не только внутреннюю связь подразделений между
собой с возможностью выхода во внешние сети, но и различные виды производственной связи
(диспетчерскую, технологическую, громкоговорящую и директорскую) для связи директора с
подчинёнными, проведения совещаний и конференций, а также функционирование систем охранной и
пожарной сигнализации.
Особенность современных АТС заключается в возможности использования компьютерных техники и
технологии; организации соединения с радиотелефонами и пейджерами. В учреждениях для
преодоления высоких уровней электромагнитных полей и перегородок используются радиотелефоны,
образующие инфракрасные каналы связи. Местные, внутриучрежденческие или офисные телефонные
системы (УАТС или ЭАТС) широко применяются в организациях. Кроме большого набора сервисных
возможностей они позволяют значительно сократить количество городских телефонных номеров, а
также не загружать городские линии и АТС для ведения местных переговоров. Всё чаще находят себе
применение мини- и микроофисные АТС.
Беспроводные каналы связи
Выделяют три основных типа беспроводных сетей:
1) радиосети свободного радиочастотного диапазона (сигнал передаётся сразу по нескольким частотам);
2) микроволновые сети (дальняя и спутниковая связь),
3) Инфракрасные сети (лазерные, передаваемые когерентными пучками света).
Современные беспроводные сети включают:
 радиорелейную связь;
 пейджинговую связь;
 сотовую и ячеистую связь;
 транкинговую связь;
 спутниковую связь;
 телевидение и др.
Радиорелейная связь образуется путём строительства протяжённых линий с приёмо-передающими
станциями и антеннами. Она обеспечивает узкополосную высокочастотную передачу данных на
расстоянии между ближайшими антеннами в пределах прямой видимости (примерно 50 км). Скорость
передачи данных в такой сети достигает 155 Мбит/с.
Транкинговая (англ. «trunking») или транковая (англ. «trunked») связь – (ствол, канал связи) –
организуемый между двумя станциями или узлами сети канал связи для передачи информации группы
пользователей в одном радиостволе (до 50 и более абонентов) с радиусом действия от 20 до 35, 70 и 100
км.
Это профессиональная мобильная радиосвязь (ПМР) с автоматическим распределением ограниченного
количества свободных каналов среди большого числа подвижных абонентов, позволяющая эффективно
использовать частотные каналы, существенно повышая пропускную способность системы.
Сотовая радиотелефонная связь (сотовая подвижная связь, СПС) появилась в конце 1970-х годов. Её
также называют мобильной. Промышленно системы СПС начинают эксплуатироваться в США с 1983
3
года, а в России – с 1993 года. Принцип организации СПС заключается в создании сети равноудалённых
антенн с собственным радиооборудованием, каждая из которых обеспечивает вокруг себя зону
устойчивой радиосвязи (англ. «cell» – сота). В СПС используются методы разделения каналов по
частоте (FDMA), времени (TDMA) и коду (CDMA).
FDMA – частотное разделение, TDMA – мультидоступ с временным разделением каналов
(используется в мобильные системах стандарта GSM), CDMA – кодовое разделение каналов (сигналы
других пользователей воспринимаются абонентом такой сети как «белый шум», не мешающий работе
приёмного устройства).
Другим способом беспроводной связи являются оптические линии связи (лазерная или оптическая
связь), использующие топологию «точка–точка». Метод передачи звука с помощью модулированного
пучка света предложен в начале XX в., а первые коммерческие устройства появились в середине 1980-х
г. Эта связь имеет высокую пропускную способность и помехозащищенность, не требует разрешения на
использование радиочастотного диапазона и др. Такие лазерные системы поддерживают любые
протоколы передачи данных. Исходный сигнал модулируется оптическим лазерным излучателем и в
виде узкого светового луча передатчиком и оптической системой линз передается в атмосферу.
На приемной стороне этот пучок света возбуждает фотодиод, регенерирующий модулированный
сигнал.
Распространяясь в атмосфере лазерный луч подвергается воздействию микроскопических частиц пыли,
паров и капель жидкости (в т. ч. осадков), температуры и др. Эти воздействия снижают дальность связи,
составляющую от единиц, до 10–15 км. Расстояние зависит также и от мощности передающих
устройств, которая колеблется от десятков до сотен мВт и обусловлена потребностью обеспечения
устойчивой связи. Система обеспечивает достоверность связи более чем на 99,9%.
Спутниковая связь
Она образуется между специальными наземными станциями спутниковой связи и спутником с
антеннами и приёмо-передающим оборудованием. Она используется с целью циркулярного
информационного обеспечения большого числа абонентов, как система широкополосного вещания
(телевидение, звуковое вещание, передача газет), для организации виртуальных магистральных линий
связи большой протяженности и др. Спутниковая связь позволяет охватить территории со слабо
развитой инфраструктурой связи, расширить сферу и набор услуг, в т. ч. мультимедийных,
радионавигационных и др.
Спутники располагаются на одной из трех орбит. Спутник, использующий геостационарную орбиту
(англ. «Geostationary Earth Orbit», GEO), находится на высоте 36 тыс. км от Земли, и является
неподвижным для наблюдателя. Он охватывает значительные области (территории) планеты.
Средние орбиты (англ. «Mean Earth Orbit», MEO) обитания спутников характеризуются высотой 5–15
тыс. км, а на низких орбитах (англ. «Low Earth Orbit», LEO) высота размещения спутников не
превышает 1,5 тыс. км. В этом случае они охватывают небольшие, локальные территории.
Станции спутниковой связи делятся на: стационарные, переносные (перевозимые) и портативные.
По видам передаваемых сигналов средства связи делят на аналоговые и цифровые или дискретные.
К аналоговым относят непрерывные сигналы (электрические колебания), как правило, плавно
меняющие амплитуду своих значений в течение сеанса передачи информации, например, речь в
телефонном канале.
При передаче любых сведений по сетям передачи данных их преобразуют в цифровую форму.
Например, по телеграфу передаются закодированные последовательности импульсов. То же происходит
при передаче информации между компьютерами по любым телекоммуникациям. Такие сигналы
называются дискретными (цифровыми).
При передаче информации из ЭВМ в качестве кода используют восьми разрядный двоичный код.
4
ВОПРОС 2. Принципы работы технических устройств ИКТ
Под информационными и коммуникационными технологиями предлагается понимать комплекс
объектов, действий и правил, связанных с подготовкой, переработкой и доставкой информации при
персональной, массовой и производственной коммуникации, а также все технологии и отрасли,
интегрально обеспечивающие перечисленные процессы.
На сегодняшний день в понятие ИТ входят микроэлектроника, разработка и производство компьютеров
и программного обеспечения, связь и телефония, мобильные сервисы, обеспечение доступа в Интернет,
обеспечение информационных ресурсов Интернета, а также разнообразные культурные феномены,
связанные с перечисленными областями деятельности и правила (как формализованные, так и
неформальные), регламентирующие эти области деятельности.
В последние годы термин «информационные технологии» часто выступает синонимом термина
«компьютерные технологии», так как все информационные технологии в настоящее время так или
иначе связаны с применением компьютера. Однако, термин «информационные технологии» намного
шире и включает в себя «компьютерные технологии» в качестве составляющей. При этом
информационные технологии, основанные на использование современных компьютерных и сетевых
средств, образуют термин «Современные информационные технологии».
Под средствами современных информационных и коммуникационных технологий понимают
программные, программно-аппаратные и технические средства, а так же устройства, функционирующие
на базе микропроцессорной, вычислительной техники, а также современных средств и систем
транслирования информации, информационного обмена, обеспечивающие операции по сбору,
продуцированию, накоплению, хранению, обработке, передаче информации и возможность доступа к
информационным ресурсам компьютерных сетей (в том числе глобальных).
К средствам современных информационных и коммуникационных технологий относятся ЭВМ, ПЭВМ,
комплекты терминального оборудования для ЭВМ всех классов, локальные вычислительные сети,
устройства ввода-вывода информации, средства ввода и манипулирования текстовой и графической
информацией, средства архивного хранения больших объемов информации и другое периферийное
оборудование современных ЭВМ; устройства для преобразования данных из графической или звуковой
формы представления данных в цифровую и обратно; средства и устройства манипулирования
аудиовизуальной информацией (на базе технологий Мультимедиа и «Виртуальная реальность»);
системы искусственного интеллекта; системы машинной графики, программные комплексы (языки
программирования, трансляторы, компиляторы, операционные системы, пакеты прикладных программ
и пр.) и др.; современные средства связи, обеспечивающие информационное взаимодействие
пользователей как на локальном уровне (например, в рамках одной организации или нескольких
организаций), так и глобальном (в рамках всемирной информационной среды)
Основные черты современных ИТ
 структурированность стандартов цифрового обмена данными алгоритмов;
 широкое использование компьютерного сохранения и предоставление информации в
необходимом виде;
 передача информации посредством цифровых технологий на практически безграничные
расстояния.
Технологии
ИТ охватывают все ресурсы, необходимые для управления информацией, особенно компьютеры, ПО и
сети, необходимые для создания, хранения, управления, передачи и поиска информации. ИТ могут быть
сгруппированы следующим образом:
 сети;
 терминалы;
 услуги.
5
Сети
В настоящее время существуют различные сети передачи данных — совокупности оконечных
устройств (терминалов) связи, объединённых каналами передачи данных и коммутирующими
устройствами (узлами сети), обеспечивающими обмен сообщениями между всеми оконечными
устройствами.
Существуют следующие виды сетей передачи данных:
Телефонные сети — сети, в которых оконечными устройствами являются простые преобразователи
сигнала между электрическим и видимым/слышимым.
Компьютерные сети — сети, оконечными устройствами которых являются компьютеры.
Телефонные
Основной до 2003-2004 г, в настоящее время устаревший метод для подключения к Интернету –
использовать модем, подключенный к телефонной сети. Хотя он имеет все необходимые функции,
широкополосный доступ более предпочтителен для многих пользователей Интернета. Почти во всех
странах Европейского Союза степень доступности для домохозяйств телефонной линии очень высока,
за исключением Австрии, Финляндии и Португалии. Тем не менее в Испании доступ к основным
телефонным сетям (узкополосным) практически исчез. В 2003 году половина всех интернет-соединений
была телефонной. В настоящее время 97% Интернет-соединений производится через системы
широкополосного доступа. Почти 95% соединений осуществляется со скоростью больше или равной 1
Мбит.
Широкополосные. Термин широкополосные включает в себя широкий диапазон технологий, которые
обеспечивают более высокие скорости передачи данных, доступ к сети Интернет. Эти технологии
используют провода или волоконно-оптические кабели.
Multilink dial-up. Обеспечивают повышенную пропускную способность путем соединения двух или
более подключений удаленного доступа вместе и рассматривая их как один канал данных. Требуется
два или больше модемов, телефонные линии, и номера счетов, а также провайдер, который
поддерживает данную технологию. Этот вариант был на короткое время популярным до ISDN, DSL и
других более современных технологий. Некоторые производители создали специальные модемы для
поддержки данного метода.
ISDN (англ. Integrated Services Digital Network) – цифровая сеть с интеграцией служб. Позволяет
совместить услуги телефонной связи и обмена данными. Название было предложено группой XI CCITT
в 1981 году. Основное назначение ISDN — передача данных со скоростью до 64 кбит/с по абонентской
проводной линии и обеспечение интегрированных телекоммуникационных услуг (телефон, факс, и пр.).
Использование для этой цели телефонных проводов имеет два преимущества: они уже существуют и
могут использоваться для подачи питания на терминальное оборудование. Для объединения в сети
ISDN различных видов трафика используется технология TDM (мультиплексирование по времени).
Для каждого типа данных выделяется отдельная полоса, называющаяся элементарным каналом (или
стандартным каналом). Для этой полосы гарантируется фиксированная, согласованная доля полосы
пропускания. Выделение полосы происходит после подачи сигнала CALL по отдельному каналу,
называющемуся каналом внеканальной сигнализации.
xDSL (цифровая абонентская линия) – семейство технологий, позволяющих значительно повысить
пропускную способность абонентской линии телефонной путём использования эффективных линейных
кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений
микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала. Технологии хDSL появились в середине 90х годов как альтернатива цифровому абонентскому окончанию ISDN. К основным типам xDSL
относятся ADSL, HDSL, IDSL, MSDSL, PDSL, RADSL, SDSL, SHDSL, UADSL, VDSL. Все эти
технологии обеспечивают высокоскоростной цифровой доступ по абонентской телефонной линии.
Некоторые технологии xDSL являются оригинальными разработками, другие представляют собой
просто теоретические модели, в то время как третьи уже стали широко используемыми стандартами.
Основным различием данных технологий являются методы модуляции, используемые для кодирования
данных.
6
Связь по ЛЭП – термин, описывающий несколько разных систем для использования линий
электропередачи (ЛЭП) для передачи голосовой информации или данных. Сеть может передавать голос
и данные, накладывая аналоговый сигнал поверх стандартного переменного тока частотой 50 Гц или 60
Гц. PLC включает BPL (широкополосная передача через линии электропередачи), обеспечивающий
передачу данных со скоростью до 200 Мбит/с, и NPL (узкополосная передача через линии
электропередачи) со значительно меньшими скоростями передачи данных до 1 Мбит/с.
ATM (асинхронный способ передачи данных) — сетевая высокопроизводительная технология
коммутации и мультиплексирования, основанная на передаче данных в виде ячеек (cell)
фиксированного размера (53 байта), из которых 5 байт используется под заголовок. В отличие от
синхронного способа передачи данных (STM), ATM лучше приспособлен для предоставления услуг
передачи данных с сильно различающимся или изменяющимся битрейтом.
Сотовая связь
Один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность
заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами
покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На
идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг,
поэтому составленная из них сеть имеет вид шестиугольных ячеек (сот). Сеть составляют разнесённые в
пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и
коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных
абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного
приёмопередатчика в зону действия другого.
Электросвязь
Разновидность связи, способ передачи информации с помощью электромагнитных сигналов, например,
по проводам, волоконно-оптическому кабелю или по радио. В настоящее время, передача информации
на дальние расстояния осуществляется с использованием таких электрических устройств, как телеграф,
телефон, телетайп, с использованием радио и СВЧ-связи, а также ВОЛС, спутниковой связи и
глобальной информационно-коммуникационной сети Интернет. Принцип электросвязи основан на
преобразовании сигналов сообщения (звук, текст, оптическая информация) в первичные электрические
сигналы. В свою очередь, первичные электрические сигналы при помощи передатчика преобразуются
во вторичные электрические сигналы, характеристики которых хорошо согласуются с
характеристиками линии связи. Далее посредством линии связи вторичные сигналы поступают на вход
приёмника. В приемном устройстве вторичные сигналы обратно преобразуются в сигналы сообщения в
виде звука, оптической или текстовой информации.
Терминалы выступают в качестве точек доступа пользователей к информационному пространству.
Персональный компьютер («вычислитель») – электронное устройство, предназначенное для
эксплуатации одним пользователем, то есть для личного использования. К ПК условно можно отнести
также и любой другой компьютер, используемый конкретным человеком в качестве своего личного
компьютера. Подавляющее большинство людей используют в качестве ПК настольные и различные
переносные компьютеры (лэптопы, планшетные компьютеры). Хотя изначально компьютер был создан
как вычислительная машина, в качестве ПК он обычно используется в других целях — как средство
доступа в информационные сети и как платформа для компьютерных игр, а также для работы с
графическими интерфейсами.
Сотовый телефон
Мобильный телефон, предназначенный для работы в сетях сотовой связи; использует радио
приёмопередатчик и традиционную телефонную коммутацию для осуществления телефонной связи на
территории зоны покрытия сотовой сети. В настоящее время сотовая связь — самая распространённая
из всех видов мобильной связи, поэтому обычно мобильным телефоном называют именно сотовый
7
телефон, хотя мобильными телефонами, помимо сотовых, являются также спутниковые телефоны,
радиотелефоны и аппараты магистральной связи.
Телевизор
Современное электронное устройство для приёма и отображения изображения и звука, передаваемых по
беспроводным каналам или по кабелю (в том числе телевизионных программ или сигналов от устройств
воспроизведения видеосигнала — например, видеомагнитофонов).
Игровая приставка
Специализированное электронное устройство, разработанное и созданное для видеоигр. Наиболее часто
используемым устройством вывода является телевизор или, реже, компьютерный монитор — поэтому
такие устройства и называют приставками, так как они приставляются к независимому устройству
отображения. Портативные (карманные) игровые системы имеют собственное встроенное устройство
отображения (ни к чему не приставляются), поэтому называть их игровыми приставками несколько
некорректно. Изначально игровые приставки отличались от ПК по ряду важных признаков — они
предполагали использование телевизора в качестве основного отображающего устройства и не
поддерживали большинство из стандартных периферийных устройств, созданных для персональных
компьютеров — таких как клавиатура или модем. До недавнего времени почти все продаваемые
приставки предназначались для запуска собственнических игр, распространяемых на условиях
отсутствия поддержки других приставок. Однако, по мере развития игровых приставок, разница между
ними и персональными компьютерами стала постепенно размываться — некоторые приставки могут
позволить подключение клавиатуры, жёсткого диска и даже запуск на них ОС Linux. Схемы и
программное обеспечение некоторых приставок могут распространяться, в виде исключения, под
свободными лицензиями. Рынок игровых приставок развился из сравнительно простых электронных
телевизионных игровых систем, таких как Pong, превратившись в наши дни в мощные
многофункциональные игровые системы.
Услуги
Электронная почта
Технология и предоставляемые ею услуги по пересылке и получению электронных сообщений
(называемых «письма» или «электронные письма») по распределённой (в том числе глобальной)
компьютерной сети. Электронная почта по составу элементов и принципу работы практически
повторяет систему обычной (бумажной) почты, заимствуя как термины (почта, письмо, конверт,
вложение, ящик, доставка и другие), так и характерные особенности — простоту использования,
задержки передачи сообщений, достаточную надёжность и в то же время отсутствие гарантии доставки.
Достоинствами электронной почты являются: легко воспринимаемые и запоминаемые человеком адреса
вида имя_пользователя@имя_домена (например, somebody@example.com); возможность передачи как
простого текста, так и форматированного, а также произвольных файлов; независимость серверов (в
общем случае они обращаются друг к другу непосредственно); достаточно высокая надёжность
доставки сообщения; простота использования человеком и программами. Недостатки электронной
почты: наличие такого явления, как спам (массовые рекламные и вирусные рассылки); теоретическая
невозможность гарантированной доставки конкретного письма; возможные задержки доставки
сообщения (до нескольких суток); ограничения на размер одного сообщения и на общий размер
сообщений в почтовом ящике (персональные для пользователей).
Поисковая система
Программно-аппаратный комплекс с веб-интерфейсом, предоставляющий возможность поиска
информации в интернете. Под поисковой системой обычно подразумевается сайт, на котором размещён
интерфейс системы. Программной частью поисковой системы является поисковая машина (поисковый
движок) — комплекс программ, обеспечивающий функциональность поисковой системы и обычно
являющийся коммерческой тайной компании-разработчика поисковой системы. Большинство
поисковых систем ищут информацию на сайтах Всемирной паутины, но существуют также системы,
способные искать файлы на FTP-серверах, товары в интернет-магазинах, а также информацию в
группах новостей Usenet. Улучшение поиска — это одна из приоритетных задач современного
интернета.
8
9
ВОПРОС 3. Физические основы компьютерной техники и средств передачи
информации, принципы работы технических устройств ИКТ
Информационные процессы
В природе существует два фундаментальных вида взаимодействия - процессы обмена веществом и
энергией, подчиняющиеся законам сохранения. Фундаментальность этих видов взаимодействия
заключается в том, что все прочие взаимодействия происходят только через их посредство. В замкнутой
системе общее количество вещества и энергии остается постоянным. Это так называемые
симметричные взаимодействия, при которых сколько вещества или энергии один объект отдал, столько
же другой объект и получил. На основе комбинации фундаментальных взаимодействий, между
объектами может происходить несимметричное взаимодействие, при котором потери одного объекта не
совпадают с приобретением другого. Так штамп передает свою форму обрабатываемому материалу, но
сам форму сохраняет. Поэтому можно утверждать, что:
Информационный процесс (ИП) представляет собой комплекс взаимодействий, сопровождающийся
обменом веществом и энергией, при котором происходит изменение формы, структуры или состояния
взаимодействующих объектов, но сохраняется качественная определенность взаимодействующих
объектов.
Поскольку каждый процесс взаимодействия является в то же время информационным процессом, то
возникают трудности выделения информационной составляющей этих процессов. На сложный,
многокомпонентный характер информационных процессов указывал еще А.Н. Колмогоров.
Преодоление указанных трудностей возможно на базе анализа результатов наблюдений отражения в
живой и неживой природе. Эти результаты обобщены в философском понятии:
Отражение – общее свойство материи, которое выражается в способности материальных тел
посредством собственных изменений воспроизводить особенности, взаимодействующих с ними
материальных тел.
Взаимосвязь процессов отражения и ИП отмечал в своих работах А.Д. Урсул, указывая на то, что
информация представляет собой инвариант отражения. Философские обобщения исследований
отражения выявили двойственную субъективно-объективную природу отражения и выявили
специфическую особенность процессов передачи сообщений – активную роль не только передатчика
сообщения, но и приемника. Сообщение, переданное от одного человека другому, служит основой
формирования образа у получателя, а этот образ представляет собой результат взаимодействия
полученного сообщения и самого получателя.
Проанализировав известные науке процессы взаимодействия, можно утверждать, что в природе
объективно существуют 3 вида объектов и процессов их взаимодействия:
 материальные объекты и процессы;
 идеальные объекты (как устойчивые состояния соответствующим образом организованных
материальных объектов) и процессы взаимодействия идеальных объектов;
 комплексные объекты и процессы, соединяющие в себе и идеальные и материальные объекты и
процессы.
Поэтому ИП как процессы взаимодействия материальных и идеальных объектов можно разделить на
три группы процессов:
 физические (взаимодействия материальных объектов);
 формальные (взаимодействия идеальных объектов);
 комплексные (взаимодействия материальных и идеальных объектов).
Такое деление вполне согласуется с известными видами отражения:
1. пассивное отражение (в неживой природе), это элементарное отражение – след, отпечаток;
2. активное отражение (в живой природе), это:
 ощущение (раздражение) – элементарное отражение, изменение состояния рецепторов;
 психика – формирование образов (комплексов ощущений, связанных в единое целое и имеющих
проекцию на реальный мир).
При этом теоретическая информатика согласуется с теорией познания и может оперировать понятиями,
принятыми в этой области научных исследований:
10
 образы (идеальные объекты) представляют собой устойчивые состояния особым образом
организованных материальных объектов (динамические информационные структуры);
 сознание представляет собой формирование понятий (комплексов образов и связей между ними)
и оперирование понятиями.
Знания представляют собой систему проверенных практикой и выраженных в знаковой форме
представлений об объективных свойствах и связях мира, природного и человеческого и т.д.
При взаимодействии материальных объектов происходит изменение этих объектов (как отражение
одним объектом свойств другого объекта). Рассмотрим некий обособленный материальный объект
(назовем его объект А). При взаимодействии с другим материальным объектом (назовем его объект В)
объект А изменяется, что можно трактовать как процесс индукции-редукции информации, единый
процесс возникновения-исчезновения, так как новые изменения, возникая, одновременно уничтожают
(затирают) старые. Пока изменения объекта А, вызванные взаимодействием с другими объектами, не
затрагивают те изменения, которые вызваны взаимодействием с объектом В, идет процесс хранения
информации. Таким образом, структура физических информационных процессов состоит из двух
основных элементов (фаз) – индукция/редукция и хранение.
Индукция/редукция – возникновение новых изменений объекта при взаимодействии и одновременно с
этим исчезновение старых.
Хранение – при отсутствии взаимодействий, затрагивающих данные изменения, эти изменения
сохраняются до тех пор, пока не будут затерты новыми изменениями, индуцированными внешними или
внутренними процессами.
Идеальные объекты – образы, представляют собой состояния центральной нервной системы
биологических объектов, поэтому они принципиально индивидуальны. Передать образ без искажений
от одного человека к другому невозможно, но можно с помощью знаковых систем (языков) вызывать
(индуцировать) образы у реципиента (приемника информации). Процесс передачи образной
информации по своим физическим свойствам сходен с процессом резонанса в электродинамике –
энергия сигнала возбуждает рецептор (колебательный контур) в котором и происходят изменения
состояния (в контуре возникают колебания), которые зависят как от параметров сигнала, так и от
параметров рецептора (контура). При совпадении определенных параметров сигнала и приемника (при
резонансе) слабый сигнал может вызывать сильные изменения, а при несовпадении – сильный сигнал
вызывает слабые изменения.
Структура формальных ИП подобна структуре физических ИП и состоит из двух основных элементов
(фаз) – индукция/редукция и хранение.
Комплексные процессы, представляют собой процессы взаимодействия материальных и идеальных
объектов в рамках знаковых (языковых) систем. Как известно, человек мыслит образами (понятиями), а
общается с другими людьми с помощью системы знаков - языка. Слушатель переводит поток слов в
поток образов, достроенных образами из памяти с помощью контекстного анализа. То же самое
происходит и со зрительными образами – образ видимый и образ воспринимаемый сознанием это
разные образы, не даром в криминалистике существует выражение "врет как очевидец". Человек
воспринимает и сохраняет в памяти не то, что происходило на самом деле, а то, что он воспринял из
окружающего, на базе личного жизненного опыта. Сложность описания комплексных информационных
процессов заключается в том, что это процессы многопорядковые (процессы вложенной динамики).
Еще одна сложность описания информационных процессов заключается в том, что необходимо
учитывать, как процессы взаимодействия материальных объектов, так и процессы взаимодействия
идеальных объектов, а кроме того, процессы взаимодействия материальных и идеальных объектов. Тем
не менее, рассмотрение комплексных процессов как взаимодействия материальных и идеальных
объектов согласует информатику с семантикой, семиотикой, лингвистикой и позволяет оперировать
понятиями, принятыми в этих областях науки:
знаки – объекты или явления, служащие для обозначения другого объекта (свойства, отношения);
термин – слово (знак), выступающее в качестве указания, обозначения или представления предмета,
события, действия, чувственного образа. При этом различают:
 денотат (значение) термина – обозначаемый этим термином реально существующий объект;
 представление (смысл) термина – мысленное содержание, обобщенный образ;
 дефиниция – крат кое логическое определение термина, устанавливающее его содержание и
границы применимости;
 контекст - смысловое содержание текста, написанного на конкретном языке;
11
 и т.д.
Структура комплексного ИП в общем случае представляет собой совокупность последовательных фаз:
 оформление – формирование сообщения как совокупности знаков в форме текста, звуков,
графики;
 передача – формирование и перемещение сигналов;
 восприятие – прием сигналов и формирование ощущений и образов;
 интерпретация – формирование представлений, как результата взаимодействия образов,
сформированных при получении сообщения и образов, хранящихся в памяти.
При рассмотрении процессов передачи сигналов акцент смещается от отдельных объектов к системам
объектов (используются понятия, заимствованные из теории систем – структура, связи,
информационные системы). Представляется возможность выделить носители информации –
материальные объекты или структуры, основная функция которых – хранение информации, а также
информационные связи между элементами системы. Физически передачу информации можно
представить, как индуцирование в приемном устройстве изменений физического состояния.
Информация в данном случае – это результат взаимодействия сообщения с приёмным устройством.
При этом теоретическая информатика согласуется с теориями связи и управления и может оперировать
понятиями, принятыми в этих областях науки и техники:
 сообщения (данные) – структурированная совокупность сигналов;
 сигналы – состояния объектов или процессов в цепи, связывающей источник с получателем, при
условии, что изменения состояния источника приводит к изменению состояний остальных
объектов в этой цепи по правилам, известным получателю;
 носитель – материальный объект или структура, основная функция которого - хранение
информации;
 канал связи – совокупность материальной среды, носителя информации и физического
процесса, используемых для передачи сообщений;
 кодирование (декодирование) – преобразование сигналов по определенным правилам и т.д.
По линиям связи передаются сигналы, или группы сигналов – сообщения, которые, взаимодействуя с
объектом-приемником, вызывают изменения состояния приемника, а эти изменения и представляют
собой информацию. В качестве объекта-приемника может выступать как оконечный получатель
сигналов, так и объект перекодировщик, переводящий изменения одного сигнала в изменения другого
сигнала. В этом случае термин "передача сообщения" представляет собой обобщенное обозначение
большого количества взаимосвязанных процессов:
 изменение состояния носителя сигнала;
 перемещение носителя;
 изменение состояния объекта-приемника.
Трудность передачи сообщения не зависит от его содержания, передавать без искажений
бессмысленные сообщения не менее трудно, чем осмысленные, поэтому основополагающая работа К.
Шеннона, называющаяся "Математическая тория связи", вполне обоснованно не учитывает
содержательную сторону сообщений.
Обобщая вышеизложенное можно утверждать, что ИП в общем случае представляет собой
совокупность как минимум трех компонент – физической компоненты, логической и
семантической. В качестве примера можно рассмотреть уровни протоколов компьютерных сетей
передачи данных:
 физический уровень – включает в себя физический протокол, это уровень физических
параметров сигналов и сред передачи данных;
 логический уровень – включает в себя канальный, сетевой, транспортный и сеансовый
протоколы, это уровень работы с логическими объектами (пакетами данных), представленными в
форме групп электрических или оптических сигналов;
 семантический уровень – включает в себя представительный и прикладной протоколы, это
уровень представления и интерпретации данных (кодирование/декодирование, форматирование,
структурирование и т.д.).
12
Информация
Основой понятийного аппарата информатики является понятие "информация". Общепринятое
представление об информации, как совокупности сведений, не раскрывает природу самого понятия,
поэтому в современной научной литературе наблюдается довольно широкий спектр взглядов на
природу информации (порядка сотни различных определений), что еще больше усиливает
существующую неопределенность. Доходит до предположений, что понятие "информация", являясь
первичным понятием, наряду с понятиями "материя" и "энергия", принципиально не может быть строго
определено. Неопределенность базового понятия приводит к неопределенности и производных понятий,
а также к произволу в трактовке места и роли теоретической информатики в общей системе научных
знаний.
Анализируя структуру ИП, можно выделить три вида информации, взаимосвязанные и
взаимодополняющие друг друга:
 физическая информация – существует и в неживой природе, и в живой природе;
 образная информация – существует только в живой природе (в динамических системах);
 знаковая информация (языковая) – комплексная, существует в виде материально-идеальных
комплексов языков (материальный объект – текст и идеальный объект – смысл текста).
Информация – то общее, что существует во всех ИП, а именно – изменения формы, структуры или
состояния взаимодействующих объектов, произошедшие в результате взаимодействия.
Для физической информации можно дать следующее определение:
Физическая информация об объекте (источнике) есть изменения другого объекта (приемника,
наблюдателя), вызванные взаимодействием с объектом.
Знаковая информация возникает тогда, когда физическая информация (знак) получает свою
интерпретацию в рамках некоторой системы идеальных объектов – понятий (смысл знака). На примере
текстов на мертвых языках можно наблюдать, как исчезает содержание (смысл) текста с исчезновением
системы идеальных объектов – языка, в то время как носитель (текст) сохраняется.
Именно представление об информации как о неотъемлемой стороне отражения с одновременным
признанием ее всеобщности привело к выводу о том, что информация – общенаучная категория и
послужило стимулом к изучению общенаучных понятий и категорий вообще. По сути дела,
общенаучные категории наиболее изучены на примере информации, так же как общенаучные подходы
на примере системного подхода. При этом оказался возможным информационный подход к процессам
развития, причем как в живой и неживой природе, так и в обществе. Распространение концепций
информации и отражения на социальную сферу открыло возможности анализа информационного
аспекта как материальной, так и духовной культуры.
В отличие от информации, сообщение представляет собой текст или другую совокупность знаков,
зафиксированных на каком-либо материальном носителе (в том числе и на системе звуковых или
электромагнитных волн) и обладает множеством свойств, которые можно объединить в три группы:
 синтаксис – свойства, определяющие способ представления знаковой информации на носителе
(в сигнале). Так, данная статья, как знаковая информация, представлена в виде текста, с
использованием определенного шрифта и определенного способа форматирования, с
использованием определенного алфавита и правил грамматики;
 семантика – свойства, определяющие соответствие знака реальному миру. Семантика может
рассматриваться как некоторое соглашение, известное получателю сообщения, о том, что
означает каждый знак (так называемое правило интерпретации). Например, именно семантику
знаков изучает начинающий автомобилист, штудирующий правила дорожного движения,
познавая дорожные знаки (в этом случае сигналами выступают сами знаки). Семантику слов
познаёт обучаемый какому-либо иностранному языку;
 прагматика – свойства, определяющее влияние сообщения на поведение потребителя.
13
Количество информации
Рассматривая ИП с философской точки зрения можно утверждать, что информация представляет собой
сущность (общее во множестве явлений). При этом постановка вопроса о количестве информации
некорректна. Измерять (сравнивать с мерой – эталоном) можно только конкретное свойство
конкретного объекта (результат измерений = интенсивность свойства). Именно поэтому в информатике
существует множество так называемых подходов к измерению количества информации, но в рамках
каждого из этих подходов измеряются разные свойства текстов, сигналов, сообщений:
 вероятностный подход – вероятность появления конкретного символа в конкретном сообщении
или вероятность появления конкретного сообщения;
 энтропийный подход – степень отклонения сообщения, представленного в виде текста, от
состояния, при котором появление любой буквы в данном сообщении имело бы равную
вероятность;
 алгоритмический подход – значение функции сложности в рамках теории алгоритмов;
 комбинаторный подход – количество комбинаций символов конкретного алфавита для
сообщения фиксированной длины;
 структурный подход – количество символов в сообщении;
 семантический подход – степень соответствия содержания конкретного сообщения тезаурусу
приемника;
 прагматический подход – степень полезности данного сообщения для конкретного приемника и
т.д.
Поэтому и так называемое "количество информации", "измеренное" в рамках разных подходов имеет
различное числовое значение. Выход из существующего положения можно представить, используя
несколько упрощенную аналогию – "количество леса" представляет собой общее понятие, а измерить
можно:
 количество деревьев в лесу (шт.) - штучный подход;
 количество биомассы (т) – весовой подход;
 площадь леса (га) – площадной подход;
 объем древесины (м3) – объемный подход и т. д.
Так же и в информатике следует разграничивать общее понятие "информация" и измеряемое
конкретное свойство конкретного объекта или процесса.
Например, основным свойством физической информации является множество изменений или объем
физической информации. Поскольку каждый материальный объект обладает некоторым множеством
свойств, то каждому из которых можно поставить в соответствие численное значение и выделить из
общего множества те, которые изменили свои значения при данном взаимодействии. В терминах теории
множеств определение объема физической информации будет звучать так:
Объем физической информации есть мощность множества свойств (характеристик) объектаприемника (наблюдателя), изменившихся при взаимодействии с объектом-источником.
Единица измерения – бит есть мощность множества, содержащего один элемент. Например, объем
физической информации, который может быть записан на магнитный диск, определяется количеством
(мощностью множества) участков на магнитном диске, изменение намагниченности которых
используется для фиксации факта наличия-отсутствия записи.
Свойства образной информации: яркость (четкость), детальность, адекватность реальному объекту и
др. представляют собой интегральные характеристики, поэтому степень проявления этих свойств
измеряется с помощью методов многокритериальных оценок и качественного анализа.
Свойства знаковой информации: форма представления, алфавит (набор знаков), структура
сообщения, ценность сообщения, достоверность сообщения, новизна сообщения и т.д. очень
разнообразны, поэтому степень проявления этих свойств измеряется множеством различных методов.
Необходимым условием достоверности измерений и возможности сравнения результатов измерений
является точное указание измеряемого свойства. Если измеряется количество знаков в сообщении, то
14
результатом измерения должно быть именно количество знаков (в штуках), а не количество
информации (в битах).
15
Информация и информационные процессы
Понимание общих принципов обработки информации на компьютере позволяет пользователю лучше
понимать и принципы работы с компьютерными программами. Тема эта — основа для дальнейшего
изучения информационных технологий. Требуются математические познания, но не больше школьной
программы.
Информация, её виды и свойства
Основные информационные процессы: хранение, передача, обработка, представление.
Языки: естественные, искусственные и формальные.
Количество информации: различные понимания и меры.
Кодирование
Системы счисления
Кодирование текста
Сжатие изображений
Сжатие звука
Компьютер как универсальное средство обработки информации
Устройство вычислительной машины
 Машина Тьюринга
Техническое обеспечение
 Центральный процессор
 Чипсет, его принципиальная схема
 Материнская плата, слоты и порты
 Оперативная память
 Устройства ввода и вывода
 Устройства для хранения данных
Требования по организации рабочих мест пользователей ПК
Слово «компьютер», означающее буквально «вычислитель» и восходящее к лат. computare, сегодня не
нуждается в переводе: повсеместно им обозначают электронные вычислительные машины, и оно
понятно даже носителям языков, в которых для компьютера есть собственное слово. Однако в
английском, из которого оно и начало свое распространение, это слово имеет и более ранее значение:
человек, занятый вычислениями. В большинстве случаев вычисления были не отдельной профессией, а
частью других профессиональных занятий. Бухгалтер, инженер, техник затрачивали существенные
усилия на проведение расчетов, являющихся частью их повседневной работы. Компьютер меняет все
это: вычисления выполняются все более и более автоматизировано, от профессионала же требуется
умение придумать и применить способ расчета.
Программное обеспечение
 Программный принцип работы компьютера
 Программное обеспечение, его структура
 Операционные системы, их функции
 Запуск компьютера
 Данные, файлы и программы
 Файловая система
Интерфейс пользователя
Компьютер – исполнитель команд, достаточно сложно устроенный и, как правило, весьма надёжный.
Он «верно» выполнит все команды пользователя. Но из этого, в частности, следует, что и пользователь
несёт определённую ответственность за последствия выполнения этих команд. Бессмысленно винить
компьютер в неверном «понимании». Человек, работающий с компьютером, должен уметь командовать
им, а интерфейс пользователя — средство подачи команд.
16
Обработка информации в различных формах.
Электронный текст
Для многих людей работа с компьютером заключается в обработке текстовых документов при помощи
специальных программ (текстовых процессоров). Не извольте беспокоиться, научим и этому. А заодно
разберёмся, сводится ли работа с текстом на компьютере к обработке документов в текстовом
процессоре.
Работа с электронным текстом
 Создание и редактирование текстовых файлов
 Форматы и форматирование текстовых документов
 Абзацы, страницы, листы
 Размеры страницы, величина полей
 Колонтитулы
 Проверка правописания
 Шаблоны документов
 Параметры шрифта, параметры абзаца
 Богатое форматирование: перечни, таблицы, формулы, графика
 Разработка и использование стиля
Гипертекст
 Создание веб-страниц
 Запись и выделение изменений
 Оцифровка печатных текстов
 Чистка скана
Технологии и системы автоматической обработки текстовой информации
Системы автоматического реферирования
Реферирование и аннотирование документов относятся к числу основных видов информационной
деятельности человека в ряду традиционных поисковых технологий. Самой сложной задачей
автоматической переработки текста считается создание систем автоматического реферирования. И хотя
пока не существует систем, способных сформировать полноценный реферат (удалось создать лишь
системы квазиреферирования), именно они, вместе с системами автоматического поиска и машинного
перевода, помогают сегодня ориентироваться в мировом информационном пространстве и находить
нужную нам информацию.
Реферат как информационная модель документа
Реферирование всегда рассматривалось как сложная сфера человеческой деятельности. Считается, что
составить идеальный реферат исключительно сложно и такие продукты очень редки. Такая точка зрения
верна не только потому, что реферат трудно написать, но и потому, что люди редко приходят к
согласию в оценке качества реферата. Это объясняется возможностью описания одного и того же
события разными способами. Способы зависят от целей написания реферата, а их оценка определяется
ожиданиями читателей в отношении того, какие положения должен содержать реферат. Одной из
основных особенностей реферата является его полная содержательная и отчасти формальная
зависимость от первичного документа. И если первичный документ является детальной моделью
действительности и включает подробные сведения о предметах, явлениях, методах и т.д., то реферат
относится к числу интегральных моделей – информация в нем представляется в обобщенном виде.
Реферат (от лат. referre – сообщать, докладывать) содержит краткое изложение содержания текста
первичного документа (научной статьи, книги и пр.). Информация, заключенная в первичном
документе, наиболее полно и адекватно передается в текстовой части реферата. Адекватность реферата
первичному документу обеспечивается благодаря инвариантности информации относительно
преобразований, совершаемых при подготовке реферата. При составлении реферата главная идея,
объединяющая все информационные элементы первичного документа, освобождается от логических
связей (доказательств, обсуждений и т.п.) и отражается в реферате в сжатом виде. Исходя из этого,
реферат определяется как семантически адекватное, ограниченное малым объемом и вместе с тем
семантически полное изло-жение основного содержания первичного документа. Поисковый образ
первичного документа составляется из ключевых слов и является прообразом первичного документа в
информационно–поисковых системах. В рамках широкого толкования информационно–поисковой
системы (в структуре общего информационного пространства) реферат можно рассматривать как
наиболее полный поисковый образ документа, составленный на естественном языке. При этом реферат
выступает как средство поиска первичных документов. Однако кроме чисто поисковой функции
17
реферат выполняет и другие информационные функции, которые, строго говоря, нельзя рассматривать в
отрыве друг от друга.
18
Функции реферата
Функции, присущие всем рефератам:
 Информативная – передает фактографическую информацию, информативность является
наиболее существенной и отличительной чертой реферата.
 Поисковая – по рефератам осуществляется поиск информации и, в широком смысле слова,
реферат является поисковым образом документа, в котором на естественном языке излагается
основное содержание первичного документа.
 Справочная – извлекаемая из реферата информация носит справочный характер.
 Адресная – содержит библиографическое описание первичного документа.
 Коммуникативная – обеспечивает более быстрый и удобный обмен информацией.
 Функции, присущие отдельным типам рефератов:
 Индикативная – когда в реферате ограничиваются названием или перечислением основных
вопросов содержания, указывая на существование
 соответствующего документа.
 Сигнальная – если рефераты выходят в свет до появления первичных документов.
Степень выполнения рефератом этих функций зависит от качеств самого реферата, от характера
первоисточника и его доступности для читателя, от того, для какой информационной системы
предназначены рефераты (для текстовых БД, информационно–поисковых систем, реферативных
журналов, для библиотечных карточек или размещения при статьях и т.д.).
Компьютерные словари и системы перевода текстов
Печать документа
Компьютерная графика
 Растровая и векторная графика, форматы графических файлов
 Графические редакторы (перечислить).
Звук и видеопоток
Запись и представление звуковых данных
Редакторы и проигрыватели аудио: Audacity, Hydrogen, Mixxx
Запись и кодирование видеоданных
Компьютерная анимация: Adobe Flash.
Интерактивные мультимедиа
Веб-разработка
Разработка компьютерных игр
Электронные таблицы: Microsoft Excel; Microsoft Access.
Сама табличная форма представления информации, являясь одной из основных, удобна для достижения
наглядности во многих случаях. Но таблицу можно сделать и в текстовом процессоре, например, в
OOWriter. Электронные таблицы возникли и получили популярность, как средство для вычислений на
ПК. Это «деловые» программы, активно использующиеся в бизнесе в тех случаях, когда требуется
хранить деловую информацию преимущественно в числовой форме и производить расчёты.
Структурирование данных
Типы данных: число, строка, формула.
Базы данных
Табличные базы данных
Системы управления базами данных: SQL.
Алгоритмы и программирование
Что такое алгоритм
Слово «алгоритм»: происхождение и развитие.
Блок-схемы, Типы данных, Ввод и вывод данных, Структуры данных.
Языки программирования – что это такое, перечислить известные.
Реализации алгоритмов
Разработка программного обеспечения
Различные парадигмы программирования: структурная, функциональная, объектная (классовая),
аспектная.
19
Формализация и моделирование
Формализация описания реальных объектов и процессов
Модели, управляемые компьютером
Виды информационных моделей
Плоская и объёмная графика
Диаграммы, планы, карты
Таблица как средство моделирования
Метамоделирование
Кибернетическая модель управления
Коммуникационные технологии
Передача информации: источник и приемник информации, сигнал, кодирование, декодирование,
скорость передачи, искажение при передаче
Помехоустойчивое кодирование
Компьютерные сети
Информационные ресурсы и услуги компьютерных сетей: Всемирная паутина, Mozilla Firefox,
Вещание в Сети, Файловые хранилища, Яндекс.Диск, Облако@Mail.ru, Google Drive, Сети обмена, BitTorrent, Direct Connect, Электронная почта: правила переписки, приложения к письмам, Mozilla
Thunderbird.
Поиск сведений: компьютерные энциклопедии и справочники, сведения в компьютерных и
некомпьютерных источниках, компьютерные и некомпьютерные каталоги, поисковые машины.
20
ВОПРОС 4. Основы архитектуры и процессов функционирования вычислительных
систем, сетей и телекоммуникаций
Классификация сетей: локальные, региональные и глобальные.
Возможно множество различных способов классификации компьютерных сетей. Здесь мы рассмотрим
только основные из них.
Все компьютерные сети деляться на три большие категории, на каждую из которых есть
соответствующие ограничения в монтаже и содержании таких сетей.
LAN (Local Area Network) – локальная вычислительная сеть, самый распространённый тип
вычислительных сетей, встречается в жилых домах, в конторах, в игротеках в офисах мелких и крупных
компаний и т. д. Отличается от всех последующих простотой создания и администрирования, то есть
мелкому офису при небольшом торговом центре не обязательно нанимать на работу системного
администратора чтобы он следил за локальной сетью и в случае неисправности начинал ее исправлять,
это лишнее. Тем более что если куплено хорошее оборудование, то сеть будет работать устойчиво.
Также существуют сети: HAN (Home Area Network), MAN (Metropolitan Area Network), WAN (Wide
Area Network).
Локальная вычислительная сеть (ЛВС) — небольшая группа компьютеров, связанных друг с другом
и расположенных обычно в пределах одного здания или организации.
Региональная сеть — сеть, соединяющая множество локальных сетей в рамках одного района, города
или региона.
Глобальная сеть — сеть, объединяющая компьютеры разных городов, регионов и государств.
Объединение глобальных, региональных и локальных вычислительных сетей позволяет создавать
многоуровневые иерархии, которые предоставляют мощные средства для обработки огромных
массивов данных и доступ к практически неограниченным информационным ресурсам. Локальные
вычислительные сети (ЛВС) могут входить в качестве компонентов в состав региональной сети;
региональные сети — объединяться в составе глобальной сети; наконец, глобальные сети могут
образовывать еще более крупные структуры. Самым большим объединением компьютерных сетей в
масштабах планеты Земля на сегодня является «сеть сетей» — Интернет.
Интересным примером связи локальных и глобальных сетей является виртуальная частная сеть (Virtual
Private Network, VPN). Так называется сеть организации, получающаяся в результате объединения двух
или нескольких территориально разделенных ЛВС с помощью общедоступных каналов глобальных
сетей, например, через Интернет.
По типу среды передачи сети делятся на проводные и беспроводные.
По скорости передачи информации сети можно разделить на низко-, средне- и высокоскоростные.
Распределения ролей между компьютерами сети бывают одноранговые и клиент-серверные.
Сервер — специально выделенный высокопроизводительный компьютер, оснащенный
соответствующим программным обеспечением, централизованно управляющий работой сети и/или
предоставляющий другим компьютерам сети свои ресурсы (файлы данных, накопители, принтер и т. д.).
21
Каналы связи и их классификация.
Каналы связи
Для передачи данных образуют среду их распространения – совокупность линий или каналов передачи
данных и приёмо-передающего оборудования. Линии или каналы связи являются общим, связующим
звеном любой системы передачи данных и с точки зрения организации связи делятся на лини и каналы.
Линия связи – это физические провода или кабели, соединяющие пункты (узлы) связи между собой, а
абонентов – с ближайшими узлами.
Каналы связи образуется различным образом.
Они могут быть как физическими проводными каналами – образуемыми кабелями связи, так и
волновыми каналами – формируемыми для организации в какой-либо среде (например, эфире)
различных видов радиосвязи с помощью антенн и выделенной полосы частот. При этом электрические
и оптические каналы связи (образуемые соответствующими сигналами) подразделяются на: проводные
и беспроводные (радио-, инфракрасные и другие) каналы. Таким образом, оптический, как и
электрический сигнал может распространяться, по проводам, в эфире и других средах.
В телефонной сети после набора номера, канал образуется на время соединения, например, двух
абонентов и проведения между ними сеанса голосовой связи. В проводных системах передачи данных
канал формируется путём применения оборудования уплотнения, позволяющего одновременно
продолжительно или кратковременно передавать по линии связи данные большого (тысяч) количества
источников. Такие линии состоят из одной или нескольких пар проводов (кабелей) и обеспечивают
передачу данных на различные расстояния. Термин «канал» в радиосвязи означает среду передачи
данных, организованную для одного или нескольких, одновременно проводимых сеансов связи. Во
втором случае, например, может использоваться частотное разделение каналов.
Также, как и средства связи, линии или каналы связи делятся на: аналоговые, цифровые, а также
аналогово-цифровые.
Цифровые коммуникации (каналы связи) надёжнее, чем аналоговые. Они обеспечивают высокое
качество передачи информации, позволяют внедрять механизмы, гарантирующие целостность каналов,
защиту данных и применение других сервисов. Для передачи аналоговой информации по цифровому
каналу, она преобразуется в цифровую форму.
В конце 1980-х годов появилась цифровая сеть с интеграцией услуг (ISDN). Предполагается, что она
станет глобальной цифровой магистралью, соединяющей офисные и домашние компьютеры,
обеспечивая им высокоскоростную передачу данных (до 2 Мбит/с и более). Стандартными
четырёхпроводными абонентскими устройствами ISDN могут быть: телефон, факсимильный аппарат,
устройства передачи данных, оборудование телеконференций и другие. Конкуренцию им могут
составить современные технологии, применяемые в сетях кабельного телевидения.
По пропускной способности каналы связи делятся на:
● низкоскоростные (телеграфные, скорость передачи информации от 50 до 200 бод/с). Напомним, что 1
бод = 1 бит/сек,
● среднескоростные (аналоговые телефонные, от 300–9600 до 56000 бит/с для ЭВМ),
● высокоскоростные или широкополосные (скорость передачи информации свыше 56000 бит/с). Так
как, 1 байт равен 8 битам, можно легко осуществить пересчёт, например, 56000 бит/с = 7 Кб/с.
В зависимости от возможностей организации направлений передачи информации каналы связи делятся
на:
 симплексные, позволяющие осуществлять передачу информации только в одном направлении;
 полудуплексные, обеспечивающие попеременную передачу информации в прямом и обратном
направлениях;
 дуплексные или полнодуплексные, допускающие передачу информации одновременно в прямом
и обратном направлениях.
Проводные каналы связи представляют группу параллельных или скрученных (витая пара) медных
проводов, коаксиальные кабели и волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). В проводных каналах
используют следующие виды кабелей:
1. Витая пара (скорость передачи данных – 1 Мбит/сек).
2. Коаксиальный кабель (типа TV, тонкий и толстый) – скорость передачи данных – 15 Мбит/сек.
3. Оптоволоконный кабель (скорость передачи данных – 400 Мбит/сек).
22
1. Витая пара – изолированные проводники, попарно свитые между собой для уменьшения наводок
между проводниками и парами. Выделяют пять категорий витых пар. Первая и вторая категории
используются при низкоскоростной передаче данных, причём первая – стандартный телефонный
абонентский провод. Третью, четвёртую и пятую категории применяют при скоростях передачи до 16,
25 и 155 Мбит/с соответственно, причём третья (TokenRing) и четвёртая (Ethernet) для частоты до 10
МГц, а пятая – до 100 МГц. Наибольшее распространение получила третья категория. Ориентируясь на
перспективные решения, связанные с потребностью увеличивать пропускную способность сети, следует
использовать оборудование пятой категории, обеспечивающее передачу данных по обычным
телефонным линиям и ЛВС со скоростью до 1 Мбит/с. Такие провода содержат две или четыре пары и
могут иметь экран из алюминиевой фольги. В последнем случае они называются – экранированная
витая пара (STP). Неэкранированный провода называют UTP.
2. Коаксиальный кабель – медный проводник (или алюминиевый провод, покрытый медью) внутри
цилиндрической экранирующей защитной оболочки, свитой из тонких медных проводников,
изолированной от проводника диэлектриком (заполняющим пространство между ними). От
стандартного телевизионного кабеля он отличается волновым сопротивлением. У первого 75 Ом, а у
второго – 50 Ом. По такому кабелю скорость передачи данных достигает 300 Мбит/с. Различают тонкий
(Ø 0,2 дюйма/5 мм) и толстый (Ø 0,4 дюйма/10 мм) коаксиальный кабель. В ЛВС обычно применяют
тонкий кабель, так как его легче прокладывать и монтировать. Значительная стоимость и сложность
прокладки ограничивают его использование в сетях передачи данных.
Сети кабельного телевидения (CATV) строились с использованием коаксиального кабеля, аналоговый
сигнал по которому передавался на расстояние до нескольких десятков км. Типичная сеть кабельного
TV имеет древовидную структуру, где головной узел получает сигналы со спутника связи или по
ВОЛС. Ныне появляются такие сети, в которых используются коаксиальный и волоконно-оптический
кабель, позволяющий обслуживать большие территории и передавать большие объёмы информации,
обеспечивая высокое качество сигналов даже без применения повторителей. Такие сети называются
гибридными (HFC).
При симметричной архитектуре прямой и обратный сигналы передаются по одному кабелю в
различных диапазонах частот с разными скоростями (обратный медленнее).
В любом случае скорость загрузки данных в таких сетях многократно выше (до 1000 раз), чем в
стандартных телефонных линиях. Данные, загружаемые по телефонной линии в течение 20 мин., могут
быть загружены в кабельной сети за 1–2 с.
В организациях с собственными кабельными сетями предпочтительнее использовать симметричные
схемы, так как в этом случае скорость прямой и обратной передачи одинакова и составляет примерно 10
Мбит/с. Ныне выпускаются модемы, способные передавать информацию со скоростью до 30 Мбит/с и
более.
Количество проводов, используемых для домашних ПК и электроники, постоянно растёт.
Технология DigitalPowerLine (DPL) – силовые электрические сети в качестве сетей или среды
высокоскоростной передачи данных, осуществляя передачу голоса и пакетов данных по простым
электрическим сетям напряжением 120/220 В.
Технологию PowerlineCommunications (PLC) – обеспечивает передачу данных и голоса (VoIP) со
скоростью от 2 до 10 Мбит/с. При этом высокоскоростной поток данных разбивается на несколько
низкоскоростных, передававшихся на отдельных поднесущих частотах с последующим их
объединением в один сигнал (частотное разделение сигнала). PLC-технология подходит для
низкоскоростной передачи данных (домашняя автоматика, бытовые устройства и т.п.), доступа в
Интернет со скоростью менее 1 Мбит/с, для приложений, требующих высокоскоростного соединения
(видео по запросу, видеоконференц-связи и т.п.). При этом питающие здание электрические кабели
служат «последней милей», а электропроводка внутри здания – «последним дюймом» для передачи
данных.
При небольшом расстоянии между промежуточной приемопередающей точкой (трансформаторной
подстанцией) и зданием скорость передачи доходи до 4,5 Мбит/с. PLC-технология может
использоваться при создании локальной сети в небольшом офисе или жилом доме, так как минимальная
скорость передачи позволяет покрывать расстояние до 200–300 м. Такая технология обеспечивает
реализацию услуг дистанционного мониторинга, охраны жилища, управления его режимами, ресурсами
23
и т.п., составляющих концепцию интеллектуального дома. Ожидается, что с её помощью станет
возможным организовать прямой доступ в Интернет.
24
3. Оптоволоконный кабель состоит из кварцевого сердечника диаметром 10 мкм (микрон),
окружённого отражающей защитной оболочкой с внешним диаметром 125–200 мкм (Рис. 14-2).
Передача информации осуществляется преобразованием электрических сигналов в световые с
помощью, например, светодиода. Кодирование информации производится изменением интенсивности
светового потока. При передаче информации отражённый от стенок волокна луч приходит на приёмный
конец с минимальным затуханием. Такой кабель обеспечивает полную защиту от воздействия внешних
электромагнитных полей и высокую скорость передачи данных (до 1000 Мбит/с). Он позволяет
одновременно организовать работу нескольких сотен тысяч телефонных, нескольких тысяч
видеотелефонных и около тысячи телевизионных каналов. Волоконно-оптические кабели сложны для
несанкционированного подключения, пожаробезопасны, но достаточно дороги и требуют устройств
преобразования световых сигналов в электрические (лазеры) и наоборот. Такие кабели используются,
как правило, при прокладке магистральных линий связи (ВОЛС). Уникальные свойства кабеля
позволяют использовать его для организации сетей Интернет.
Каналы связи бывают коммутируемые (создаются лишь на время проведения сеанса передачи
информации, например, телефонные) и некоммутируемые (выделяются абоненту на продолжительный
период времени и не зависят от времени передачи данных – выделенные).
Методы передачи данных по каналам связи: уплотнение каналов; коммутация каналов,
сообщений, пакетов.
В информационных технологиях и связи, мультиплексирование — уплотнение канала, т. е. передача
нескольких потоков (каналов) данных с меньшей скоростью (пропускной способностью) по одному
каналу.
В телекоммуникациях мультиплексирование подразумевает передачу данных по нескольким
логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом подразумевается
реальный канал со своей пропускной способностью — медный или оптический кабель, радиоканал.
В ИТ мультиплексирование подразумевает объединение нескольких потоков данных (виртуальных
каналов) в один. Примером может послужить видеофайл, в котором поток (канал) видео объединяется с
одним или несколькими каналами аудио.
Устройство или программа, осуществляющая мультиплексирование, называется мультиплексором.
Принципы мультиплексирования
Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM)
Мультиплексирование 3 каналов с разделением по частоте
Технология
Мультиплексирование с разделением по частоте (FDM) предполагает размещение в пределах
полосы пропускания канала нескольких каналов с меньшей шириной. Наглядным примером может
послужить радиовещание, где в пределах одного канала (радиоэфира) размещено множество
радиоканалов на разных частотах (в разных частотных полосах).
Основные применения
Используется в сетях мобильной связи (FDMA) для разделения доступа, в волоконно-оптической связи
аналогом является мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) (где частота — это цвет
излучения излучателя), в природе — все виды разделений по цвету (частота электромагнитных
колебаний) и тону (частота звуковых колебаний).
Мультиплексирование с разделением по времени (TDM) предполагает кадровую передачу данных,
при этом переход с каналов меньшей ширины (пропускной способности) на каналы с большей
освобождает резерв для передачи в пределах одного кадра большего объёма нескольких кадров
меньшего.
Основные применения
 беспроводные TDMA-сети, Wi-Fi, WiMAX;
 канальная коммутация в PDH и SONET/SDH;
 пакетная коммутация в ATM, Frame Relay, Ethernet, FDDI;
 коммутация в телефонных сетях;
 последовательные шины: PCIe, USB.
25
Мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM) предполагает передачу по одному
оптическому волокну каналов на различных длинах волн. В основе технологии лежит факт того, что
волны с разными длинами распространяются независимо друг от друга. Выделяют три основных типа
спектрального уплотнения: WDM, CWDM и DWDM.
Основные применения
 городские сети передачи данных;
 магистральные сети передачи данных.
Применение мультиплексирования современными провайдерами ШПД] обусловлено
экономическими и технологическими особенностями сетей передачи данных.
Экономические особенности передачи данных состоят в следующем. При вводе в одну точку
подключения 100 Мбит/сек полосы провайдер в состоянии подключить порядка 100 клиентов с
заявленной скоростью в 100 Мбит/сек, без потери видимого ощущения скорости Интернета.
Рассмотрим подробнее: допустим, стоимость 100 Мбит/сек равна 100 000 р. Не каждая фирма или
частное лицо способно оплачивать постоянный доступ по такой цене. Если провайдер назначит цену в 2
000 р. за доступ к такой полосе, и продаст этот доступ 50-100 пользователям, он получит прибыль, а
пользователи — доступную услугу.
Что касается скорости доступа для пользователей. Допустим, 10 из 100 пользователей одновременно
скачивают "тяжелый" контент из сети. У каждого провайдера стоит система распределения нагрузки, то
есть заполучить весь канал в 100 Мбит/сек у пользователя не получится. Система ограничит ваш канал
по определенной формуле, но даже при скорости скачивания в 10 Мбит/сек загрузка файла размером в
30 Мбайт займет не более 30 секунд. Далее ваша нагрузка на канал сведется к просмотру страниц и
пользованию почтой. Если масштабировать ситуацию и принять, что у провайдера таких каналов связи
и, соответственно, пользователей больше в сотни и тысячи раз, можно представить, что в каждый
определенный промежуток времени, каждый пользователь физически не способен запрашивать столько
информации, чтобы загрузить канал. Поэтому скорость может незначительно снижаться в "часы пик" и
оставаться на заявленном уровне в остальное время.
ВТКС05. Структура и характеристики систем телекоммуникаций:
 коммутация и маршрутизация телекоммуникационных систем,
 цифровые сети связи, электронная почта.
Основная функция телекоммуникационных систем (ТКС), или систем передачи данных (СПД), в
условиях функционирования ВС заключается в организации оперативного и надежного обмена
информацией между абонентами, а также сокращении затрат на передачу данных. Главный показатель
эффективности ТКС - время доставки информации - зависит от ряда факторов: структуры сети связи,
пропускной способности линий связи, способов соединения каналов связи между взаимодействующими
абонентами, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей среде,
методов маршрутизации пакетов.
Типы сетей, линий и каналов связи. В ТВС используются сети связи - телефонные, телеграфные,
телевизионные, спутниковые. В качестве линий связи применяются: кабельные (обычные телефонные
линии связи, витая пара, коаксиальный кабель, волоконнооптические линии связи (ВОЛО), или
световоды), радиорелейные, радиолинии.
Среди кабельных линий связи наилучшие показатели имеют световоды. Основные их преимущества:
высокая пропускная способность (сотни мегабит в секунду), обусловленная использованием
электромагнитных волн оптического диапазона; нечувствительность к внешним электромагнитным
полям и отсутствие собственных электромагнитных излучений, низкая трудоемкость прокладки
оптического кабеля; искро-, взрыво- и пожаробезопасность; повышенная устойчивость к агрессивным
средам; небольшая уцельная масса (отношение погонной массы к полосе пропускания); широкие
области применения (создание магистралей коллективного доступа, систем связи ЭВМ с
периферийными устройствами локальных сетей, в микропроцессорной технике и т.д.).
Недостатки ВОЛС: передача сигналов осуществляется только в одном направлении; подключение к
световоду дополнительных ЭВМ значительно ослабляет сигнал; необходимые для световодов
высокоскоростные модемы пока еще дороги; световоды, соединяющие ЭВМ, должны снабжаться
преобразователями электрических сигналов в световые и обратно.
26
В ТВС нашли применение следующие типы каналов связи:
 симплексные, когда передатчик и приемник связываются одной линией связи, по которой
информация передается только в одном направлений (это характерно для телевизионных сетей
связи);
 полудуплексные, когда два узла связи соединены также одной линией, по которой информация
передается попеременно то в одном направлении, то в противоположном (это характерно для
информационно-справочных, запрос-ответных систем);
 дуплексные, когда два узла связи соединены двумя линиями (прямой линией связи и обратной),
по которым информация одновременно передается в противоположных направлениях.
Дуплексные каналы применяются в системах с решающей и информационной обратной связью.
Коммутируемые и выделенные каналы связи. В ТКС различают выделенные (некоммутируемые)
каналы связи и с коммутацией на время передачи информации по этим каналам.
При использовании выделенных каналов связи приемопередающая аппаратура узлов связи постоянно
соединена между собой. Этим обеспечиваются высокая степень готовности системы к передаче
информации, более высокое качество связи, поддержка большого объема графика. Из-за сравнительно
больших расходов на эксплуатацию сетей с выделенными каналами связи их рентабельность
достигается только при условии достаточно полной загрузки каналов.
Для коммутируемых каналов связи, создаваемых только на время передачи фиксированного объема
информации, характерны высокая гибкость и сравнительно небольшая стоимость (при малом объеме
трафика). Недостатки таких каналов: потери времени на коммутацию (установление связи между
абонентами), возможность блокировки из-за занятости отдельных участков линии связи, более низкое
качество связи, большая стоимость при значительном объеме трафика.
Аналоговое и цифровое кодирование цифровых данных. Пересылка данных от одного узла ТКС к
другому осуществляется последовательной передачей всех битов сообщения от источника к пункту
назначения. Физически информационные биты передаются в виде аналоговых или цифровых
электрических сигналов. Аналоговыми называются сигналы, которые могут представлять
бесчисленное количество значений некоторой величины в пределах ограниченного диапазона.
Цифровые (дискретные) сигналы могут иметь одно или конечный набор значений. При работе с
аналоговыми сигналами для передачи закодированных данных используется аналоговый несущий
сигнал синусоидальной формы, а при работе с цифровыми сигналами - двухуровневый дискретный
сигнал. Аналоговые сигналы менее чувствительны к искажению, обусловленному затуханием в
передающей среде, зато кодирование и декодирование данных проще осуществляются для цифровых
сигналов.
Аналоговое кодирование применяется при передаче цифровых данных по телефонным (аналоговым)
линиям связи, доминирующим в региональных и глобальных ТВС и изначально ориентированным на
передачу акустических сигналов (речи). Перед передачей цифровые данные, поступающие обычно из
ЭВМ, преобразуются в аналоговую форму с помощью модулятора-демодулятора (модема),
обеспечивающего цифро-аналоговый интерфейс.
Возможны три способа преобразования цифровых данных в аналоговую форму или три метода
модуляции:
1. амплитудная модуляция, когда меняется только амплитуда несущей синусоидальных колебаний
в соответствии с последовательностью передаваемых информационных битов: например, при
передаче единицы амплитуда колебаний устанавливается большой, а при передаче нуля -малой
или сигнал несущей вообще отсутствует;
2. частотная модуляция, когда под действием модулирующих сигналов (передаваемых
информационных битов) меняется только частота несущей синусоидальных колебаний:
например, при передаче нуля - низкая;
3. фазовая модуляция, когда в соответствии с последовательностью передаваемых
информационных битов изменяется только фаза несущей синусоидальных колебаний: при
переходе от сигнала 1 к сигналу 0 или наоборот фаза меняется на 180&deg.
Передающий модем преобразует (модулирует) сигнал несущей синусоидальных колебаний (амплитуду,
частоту или фазу) таким образом, чтобы он мог нести модулирующий сигнал, т.е. цифровые данные от
ЭВМ или терминала. Обратное преобразование (демодуляция) осуществляется принимающим модемом.
В соответствии с реализуемым методом модуляции различают модемы с амплитудной, частотной и
фазовой модуляцией. Наибольшее распространение получили частотная и амплитудная модуляции.
Цифровое кодирование цифровых данных выполняется напрямую, путем изменения уровней сигналов,
несущих информацию.
Например, если в ЭВМ цифровые данные представляются сигналами уровней 5В для кода 1 и 0,2В для
кода 0, то при передаче этих данных в линию связи уровни сигналов преобразуются соответственно в
+12В и -12В. Такое кодирование осуществляется, в частности, с помощью асинхронных
27
последовательных адаптеров RS-232-C при передаче цифровых данных от одного компьютера к
другому на небольшие (десятки и сотни метров) расстояния.
28
Синхронизация элементов ТКС – это часть протокола связи. В процессе синхронизации связи
обеспечивается синхронная работа аппаратуры приемника и передатчика, при которой приемник
осуществляет выборку поступающих информационных битов (т.е. замер уровня сигнал в линии связи)
строго в моменты их прихода. Синхросигналы настраивают приемник на передаваемое сообщение еще
до его прихода поддерживают синхронизацию приемника с приходящими битами данных.
В зависимости от способов решения проблемы синхронизации различают синхронную передачу,
асинхронную передачу и передачу с автоподстройкой.
Синхронная передача отличается наличием дополнительной линии связи (кроме основной, по которой
передаются данные) для передачи синхронизирующих импульсов (СИ) стабильной частоты. Каждый
СИ подстраивает приемник. Выдача битов данных в линию связи передатчиком и выборка
информационных сигналов приемником производятся в моменты появления СИ. В синхронной
передаче синхронизация осуществляется весьма надежно, однако этой достигается дорогой ценой необходимостью дополнительной линии связи.
Асинхронная передача не требует дополнительной линии связи. Передача данных осуществляется
небольшими блоками фиксированной длины (обычно байтами). Синхронизация приемника достигается
тем, что перед каждым передаваемым байтом посылается дополнительный бит – старт-бит, а после
переданного байта - еще один дополнительный бит – стоп-бит. Для синхронизации используется стартбит. Такой способ синхронизации может использоваться только в системах с низкими скоростями
передачи данных.
Передача с автоподстройкой, также не требующая дополнительной линии связи, применяется в
современных высокоскоростных системах передачи данных. Синхронизация достигается за счет
использования самосинхронизирующихся кодов (СК). Кодирование передаваемых данных с помощью
СК заключается в том, чтобы обеспечить регулярные и частые изменения (переходы) уровней сигнала в
канале. Каждый переход уровня сигнала от высокого к низкому или наоборот используется для
подстройки приемника. Лучшими считаются такие СК, которые обеспечивают переход уровня сигнала
не менее одного раза в течение интервала времени, необходимого на прием одного информационного
бита. Чем чаще переходы уровня сигнала, тем надежнее осуществляется синхронизация приемника и
увереннее производится идентификация принимаемых битов данных.
Наиболее распространенными являются следующие самосинхронизирующиеся коды:
 NRZ-код (код без возвращения к нулю);
 RZ-код (код с возвращением к нулю);
 манчестерский код;
 биполярный код с поочередной инверсией уровня (например, код AMI).
Для характеристики и сравнительной оценки СК используются следующие показатели:
 уровень (качество) синхронизации;
 надежность (уверенность) распознавания и выделения принимаемых информационных битов;
 требуемая скорость изменения уровня сигнала в линии связи при использовании СК, если
пропускная способность линии задана;
 сложность (и, следовательно, стоимость) оборудования, реализующего СК.
NRZ-код отличается простотой кодирования и низкой стоимостью при его реализации. Однако при
передаче серий одноименных битов (единиц или нулей) уровень сигнала остается неизменным для
каждой серии, что существенно снижает качество синхронизации и надежность распознавания
принимаемых битов (могут произойти рассогласование таймера приемника по отношению к
поступающему сигналу и несвоевременный опрос линии).
Как видно, по этому показателю наиболее предпочтительным является NRZ-код и наименее
предпочтительным - RZ-код. Зато по качеству синхронизации, надежности распознавания и выделения
принимаемых информационных битов оценка этих кодов будет противоположной.
Цифровые сети связи (ЦСС). В последние годы в ТВС все большее распространение получают
цифровые сети связи, в которых используется цифровая технология.
29
Причины распространения цифровой технологии в сетях:
 цифровые устройства, используемые в ЦСС, производятся на основе интегральных схем высокой
интеграции; по сравнению с аналоговыми устройствами они отличаются большой надежностью
и устойчивостью в работе и, кроме того, в производстве и эксплуатации, как правило, дешевле;
 цифровую технологию можно использовать для передачи любой информации по одному каналу
(акустических сигналов, телевизионных видеоданных, факсимильных данных);
 цифровые методы преодолевают многие из ограничений передачи и хранения, которые присущи
аналоговым технологиям.
В ЦСС при передаче информации осуществляется преобразование аналогового сигнала в
последовательность цифровых значений, а при приеме - обратное преобразование.
Аналоговый сигнал проявляется как постоянное изменение амплитуды во времени. Например, при
разговоре по телефону, который действует как преобразователь акустических сигналов в электрические,
механические колебания воздуха (чередование высокого и низкого давления) преобразуются в
электрический сигнал с такой же характеристикой огибающей амплитуды. Однако непосредственная
передача аналогового электрического сигнала по телефонной линии связи сопряжена с рядом
недостатков: искажением сигнала вследствие его нелинейности, которая увеличивается усилителями,
затуханием сигнала при передаче через среду, подверженностью влиянию шумов в канале и др.
В ЦСС эти недостатки преодолимы. Здесь форма аналогового сигнала представляется в виде цифровых
(двоичных) образов, цифровых значений, представляющих соответствующие значения огибающей
амплитуды синусоидальных колебаний в точках на дискретных уровнях. Цифровые сигналы также
подвержены ослаблению и шумам при их прохождении через канал, однако на приемном пункте
необходимо отмечать лишь наличие или отсутствие двоичного цифрового импульса, а не его
абсолютное значение, которое важно в случае аналогового сигнала. Следовательно, цифровые сигналы
принимаются надежнее, их можно полностью восстановить, прежде чем они из-за затухания станут
ниже порогового значения.
Преобразование аналоговых сигналов в цифровые осуществляется различными методами. Один из них
– импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), предложенная в 1938 г. А.Х. Ривсом (США). При
использовании ИКМ процесс преобразования включает три этапа: отображение, квантование и
кодирование (рис. 12.2).
Первый этап (отображение) основан на теории отображения Найквиста. Основное положение этой
теорий гласит: “Если аналоговый сигнал отображается на регулярном интервале с частотой не менее
чем в два раза выше максимальной частоты исходного игнала в канале, то отображение будет содержать
информацию, достаточную для восстановления исходного сигнала”. При передаче акустических
сигналов (речи) представляющие их электрические сигналы в телефонном канале занимают полосу
частот от 300 до 3300 Гц. Поэтому в ЦСС принята частота отображений, равная 8000 раз в секунду.
Отображения, каждое из которых называется сигналом импульсно-амплитудной модуляции (ИАМ),
запоминаются, а затем трансформируются в двоичные образы.
На этапе квантования каждому сигналу ИАМ придается квантованное значение, соответствующее
ближайшему уровню квантования. И ЦСС весь диапазон изменения амплитуды сигналов ИАМ
разбивается на 128 или 256 уровней квантования. Чем больше уровней квантования, тем точнее
амплитуда ИАМ-сигнала представляется квантованным уровнем.
На этапе кодирования каждому квантованному отображению ставится в соответствие 7-разрядный (если
число уровней квантования равно 128) или 8-разрядный (при 256-шаговом квантовании) двоичный код.
На рис. 12.2 показаны сигналы 8-элементного двоичного кода 00101011, соответствующего квантовому
сигналу с уровнем 43. При кодировании 7-элементнымй кодами скорость передачи данных по каналу
должна составлять 56 Кбит/с (это произведение частоты отображения на разрядность двоичного кода), а
при кодировании 8-элементными кодами - 64 Кбит/с.
В современных ЦСС используется и другая концепция преобразования аналоговых сигналов в
цифровые, при которой квантуются и затем кодируются не сами сигналы ИАМ, а лишь их изменения,
причем число уровней квантования принимается таким же. Очевидно, что такая концепция позволяет
производить преобразование сигналов с большей точностью.
30
Спутниковые сети связи. Появление спутниковых сетей связи вызвало такую же революцию в
передаче информации, как изобретение телефона.
Первый спутник связи был запущен в 1958 г., а в 1965 г. запущен первый коммерческий спутник связи
(оба - в США). Эти спутники были пассивными, позже на спутниках стали устанавливать усилители и
приемопередающую аппаратуру.
В настоящее время спутники связи запускаются на высоту 22300 миль и находятся на геосинхронной
(геостационарной) орбите, плоскость которой параллельна плоскости экватора. Линейная скорость
вращения спутника вокруг Земли равна 6879 миль/ч, что обеспечивает уравновешивание
гравитационного притяжения Земли и стационарность вращения спутника по отношению к вращению
Земли. Спутник как бы “зависает” над неподвижной точкой поверхности Земли. При таком положении
спутника антенна наземной станции слежения может находиться в относительно неподвижном
состоянии. Геосинхронные спутники часто запускаются группами по три спутника. Разнесенные друг от
друга на 1200, они обеспечивают охват почти всей поверхности Земли. Темпы распространения
спутниковой связи очень высокие. К 2001 г. планируется создать общемировую интерактивную сеть
передачи мультимедиа-информации.
В спутниковых системах связи используются антенны СВЧ-диапазона частот для приема радиосигналов
от передающих наземных станций и для ретрансляции этих сигналов обратно на наземные станции.
Большинство спутников используют гигагерцовый диапазон 6/4 ГГц, некоторые работают в диапазоне
14/12 ГГц (первая цифра – частота работы по звену Земля - спутник, а вторая - частота работы по звену
спутник - Земля). Способность спутника принимать и передавать сигналы обеспечивается специальным
устройством – транспондером. Взаимодействие между абонентами осуществляется по цепи:
абонентская станция (отправитель информации) - передающая наземная радиотелеметрическая станция
(РТС) - спутник - приемная наземная радиотелеметрическая станция - абонентская станция (получатель
информации). Одна наземная РТС обслуживает группу близлежащих АС.
Для управления передачей данных между спутником и наземными РТС используются следующие
способы.
1. Обычное мультиплексирование – с частотным разделением и временным разделением. В первом
случае весь частотный спектррадиоканала разделяется на подканалы, которые распределяются между
пользователями для передачи любого графика.
Издержки такого способа: при нерегулярном ведении передач подканалы используются нерационально;
значительная часть исходной полосы пропускания канала используется в качестве разделительной
полосы для предотвращения нежелательного влияния подканалов друг на друга. Во втором случае весь
временной спектр делится между пользователями, которые по своему усмотрению распоряжаются
предоставленными временными квантами (слотами). Здесь также возможно простаивание канала из-за
нерегулярного его использования.
2. Обычная дисциплина “первичный / вторичный” с использованием методов и средств
опроса/выбора. В качестве первичного органа, реализующего такую дисциплину управления
спутниковой связью, чаще выступает одна из наземных РТС, а реже – спутник. Цикл опроса и выбора
занимает значительное время, особенно при наличии в сети большого количества АС. Поэтому время
реакции на запрос пользователя может оказаться для него неприемлемым.
3. Дисциплина управления типа “первичный / вторичный” без опроса, с реализацией метода
множественного доступа с квантованием времени (ТДМА). Здесь слоты назначаются первичной РТС,
называемой эталонной. Принимая запросы от других РТС, эталонная станция в зависимости от
характера графика и занятости канала удовлетворяет эти запросы путем назначения станциям
конкретных слотов для передачи кадров. Такой метод широко используется в коммерческих
спутниковых сетях.
4. Равноранговые дисциплины управления. Для них характерно, что все пользователи имеют равное
право доступа к каналу и между ними происходит соперничество за канал. В начале 70-х годов Н.
Абрамсон из Гавайского университета предложил метод эффективного соперничества за канал между
некоординируемыми пользователями, названный системой ALOHA. Существует несколько вариантов
этой системы: система, реализующая метод случайного доступа (случайная ALOHA); равноранговая
приоритетная слотовая система (слотовая ALOHA) и др.
К основным преимуществам спутниковых сетей связи относятся следующие:
 большая пропускная способность, обусловленная работой спутников в широком диапазоне
гигагерцовых частот. Спутник может поддерживать несколько тысяч речевых каналов связи.
31
Например, один из используемых в настоящее время коммерческих спутников имеет 10
транспондеров, каждый из которых может передавать 48 Мбит/с;
 обеспечение связи между станциями, расположенными на очень больших расстояниях, и
возможность обслуживания абонентов в самых труднодоступных точках;
 независимость стоимости передачи информации от расстояния между взаимодействующими
абонентами (стоимость зависит от продолжительности передачи или объема передаваемого
графика);
 возможность построения сети без физически реализованных коммутационных устройств,
обусловленная широковещательностью работы спутниковой связи. Эта возможность связана со
значительным экономическим эффектом, который может быть получен по сравнению с
использованием обычной неспутниковой сети, основанной на многочисленных физических
линиях связи и коммуникационных устройствах.
Недостатки спутниковых сетей связи:
 необходимость затрат средств и времени на обеспечение конфиденциальности передачи данных,
на предотвращение возможности перехвата данных “чужими” станциями;
 наличие задержки приема радиосигнала наземной станцией из-за больших расстояний между
спутником и РТС. Это может вызвать проблемы, связанные с реализацией канальных
протоколов, а также временем ответа;
 возможность взаимного искажения радиосигналов от наземных станций, работающих на
соседних частотах;
 подверженность сигналов на участках Земля — спутник и спутник – Земля влиянию различных
атмосферных явлений.
Для решения проблем с распределением частот в диапазонах 6/4 и 14/12 ГГц и размещением спутников
на орбите необходимо активное сотрудничество многих стран, использующих технику спутниковой
связи.
Коммутация в сетях
Телефонная коммутация является жизненно важным элементом связи абонентских систем между собой
и с центрами управления, обработки и хранения информации в сетях. Узлы сети подключаются к
некоторому коммутирующему оборудованию, избегая таким образом необходимости создания
специальных линий связи.
Далее рассматриваются различные методы коммутации, когда используются коммутируемые
телефонные линии связи. Однако два и более конечных пункта сети могут соединяться выделенной
линией, если между ними все время осуществляется связь с постоянной скоростью передачи.
Выделенная линия соединяет два конечных пункта по двухточечной схеме. В случае же многоточечного
подключения абонентов к выделенной линии ее ресурсы используются в режиме разделения.
Организация связи в многоточечном режиме, обеспечивающем экономию на транспортных расходах,
популярна в компьютерных сетях (особенно в ЛВС) из-за снижения затрат по сравнению с затратами
при большом количестве монопольно используемых связных ресурсов в двухточечном режиме.
Коммутируемой транспортной сетью называется сеть, в которой между двумя (или более) конечными
пунктами устанавливается связь по запросу. Примером такой сети является коммутируемая телефонная
сеть.
Существуют следующие методы коммутации:
 коммутация цепей (каналов);
 коммутация с промежуточным хранением, в свою очередь, разделяемая на коммутацию
сообщений и коммутацию пакетов.
Коммутация цепей. При коммутации цепей (каналов) между связываемыми конечными пунктами на
протяжении всего временного интервала соединения обеспечивается обмен в реальном масштабе
времени, причем биты передаются с неизменной скоростью по каналу с постоянной полосой
пропускания. Между абонентами устанавливается сквозной канал связи до начала передачи
информации. Этот канал формируется из отдельных участков с одинаковой пропускной способностью.
Прохождение отдельного сигнала вызова обеспечивается с помощью последовательного включения
нескольких коммутационных устройств, размещаемых в центрах коммутации каналов (ЦКК). Каждое
устройство резервирует за собой физическое соединение между одним входящим и одним исходящим
32
каналами. Если при установлении сквозного канала связи заняты вызываемая сторона или хотя бы одно
из коммутационных устройств в цепочке прохождения сигнала вызова, последний будет блокироваться,
и абонент, инициировавший вызов, должен спустя некоторое время его повторить.
Время установления сквозного канала связи обычно бывает большим из-за необходимости организации
взаимодействия значительного числа устройств коммутации. После установления такого канала ЦКК
выполняют минимальное число функций, хотя при этом может передаваться большой объем
информации. Следовательно, при использовании метода коммутации цепей передача информации
обеспечивается двумя основными составляющими в расходной части ресурсов: ресурсами для
организации вызова и ресурсами для поддержания в ЦКК коммутационных устройств или для
организации распределения временных каналов. Первая составляющая не зависит от объема
передаваемой информации, а вторая - прямо пропорциональна интервалу времени, в течение которого
происходит соединение.
В качестве недостатков метода коммутации цепей можно указать следующие:
 большое время установления сквозного канала связи из-за возможного ожидания освобождения
отдельных его участков;
 необходимость повторной передачи сигнала вызова из-за занятости вызываемой стороны или
какого-либо коммутационного устройства в цепочке прохождения этого сигнала (в связи с этим
система, в которой реализуется метод коммутации цепей, относится к классу систем с потерей
запросов на обслуживание);
 отсутствие возможности выбора скоростей передачи информации;
 возможность монополизации канала одним источником информации;
 наращивание функций и возможностей сети ограничено;
 не обеспечивается равномерность загрузки каналов связи (возможности по сглаживанию
загрузки весьма ограниченны).
Преимущества метода коммутации цепей:
 отработанность технологии коммутации цепей (первое коммутационное устройство появилось
еще в конце ХГХ в.);
 возможность работы в диалоговом режиме ив реальном масштабе времени;
 обеспечение как битовой прозрачности, так и прозрачности по времени независимо от числа
ЦКК между абонентами;
 довольно широкая область применения (главным образом передача акустических сигналов).
Коммутация с промежуточным хранением. Отметим особенности всех методов коммутации с
промежуточным хранением. Для них характерно, что заранее, до начала передачи информации,
сквозной канал между отправителем и получателем не устанавливается. Вызывающий объект
посредством набора номера или через выделенную линию связывается только с ближайшим узлом сети
и передает ему информационные биты. В каждом узле имеется коммутатор, построенный на базе
коммуникационной ЭВМ с запоминающим устройством (ЗУ). Передаваемая информация должна
храниться в каждом узле по пути к пункту назначения, причем задержка в хранении, как правило, будет
различной для узлов. Наличие ЗУ в промежуточных узлах связи предотвращает потерю передаваемой
информации, вследствие чего системы, реализующие рассматриваемые методы коммутации, относятся
к классу систем без потерь запросов на обслуживание. Одним из показателей этих методов является
возможность согласования скоростей передачи данных между пунктами отправления и назначения,
которое обеспечивается наличием в сети эффективных развязок, реализуемых созданием буферных ЗУ
в узлах связи. Наконец, для сетей с промежуточным хранением обязательным требованием является
битовая прозрачность. Требование же временной прозрачности, как правило, ими не гарантируется.
Коммутация сообщений была преобладающим методом передачи данных в 1960-1970 гг. и до сих пор
широко используется в некоторых областях (в электронной почте, электронных новостях,
телеконференциях, телесеминарах). Как и все методы коммутации с промежуточным хранением,
технология коммутации сообщений относится к технологии типа “запомнить и послать”. Кроме того,
технология коммутации сообщений обычно предусматривает отношение “главный - подчиненный”.
Коммутатор (коммуникационная ЭВМ) в цент ре коммутации сообщений (ЦКС) выполняет
регистрацию и выбор при управлении входящими и выходящими потоками. Здесь не рассматриваются
интерактивный режим и работа в реальном масштабе времени, однако данные через коммутатор могут
передаваться на очень высокой скорости с соответствующим определением уровней приоритетов для
33
различных типов потоков данных. Высокоприоритетные потоки задерживаются в очереди на
обслуживание на более короткое время по сравнению с низкоприоритетными потоками, что позволяет
обеспечить интерактивные прикладные задачи.
Важно отметить, что при коммутации сообщений сообщение, независимо от его длины (разброс в длине
сообщений может быть достаточно велик), целиком сохраняет свою целостность как единичный объект
в процессе его прохождения от одного узла к другому вплоть до пункта назначения. Более того,
транзитный узел не может начинать дальнейшую передачу части сообщения, если оно еще
принимается. По своему влиянию на задержки это равноценно низкому уровню использования ресурсов
сети.
Недостатки метода коммутации сообщений:
 необходимость реализации достаточно серьезных требований к емкости буферных ЗУ в узлах
связи для приема больших сообщений, что обусловливается сохранением их целостности;
 недостаточные возможности по реализации диалогового режима и работы в реальном масштабе
времени при передаче данных;
 выход из строя всей сети при отказе коммутатора, так как через него проходят все потоки
данных (это характерно для структуры “главный-подчиненный”);
 коммутатор сообщений является потенциально “узким” местом по пропускной способности;
 каналы передачи данных используются менее эффективно по сравнению с другими методами
коммутации с промежуточным хранением. Преимущества метода:
 отсутствие необходимости в заблаговременном (до начала передачи данных) установлении
сквозного канала связи между абонентами;
 возможность формирования маршрута из отдельных участков с различной пропускной
способностью;
 реализация различных систем обслуживания запросов с учетом их приоритетов;
 возможность сглаживания пиковых нагрузок путем запоминания низкоприоритетных потоков в
периоды этих нагрузок;
 отсутствие потерь запросов на обслуживание.
Коммутация пакетов, появившаяся в 70-х годах, сочетает в себе преимущества коммутации каналов
и коммутации сообщений. Ее основные цели:
 обеспечение полной доступности сети и приемлемого времени реакции на;
 запрос для всех пользователей, сглаживание асимметричных потоков между многими
пользователями, обеспечение мультиплексирования возможностей каналов связи и портов
компьютеров сети, рассредоточение критических компонентов (коммутаторов) сети.
При коммутации пакетов пользовательские данные (сообщения) перед началом передачи разбиваются
на короткие пакеты фиксированной длины. Каждый пакет снабжается протокольной информацией:
коды начала и окончания пакета, адреса отправителя и получателя, номер пакета в сообщении,
информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в
пункте назначения. Будучи независимыми единицами информации, пакеты, принадлежащие одному и
тому же сообщению, могут передаваться одновременно по различным маршрутам в составе дейтаграмм.
Управление передачей и обработкой пакетов в узлах связи осуществляется центрами коммутации
пакетов (ЦКП) с помощью компьютеров. Длительное хранение пакетов в ЦКК не предполагается,
поэтому пакеты доставляются в пункт назначения с минимальной задержкой, где из них формируется
первоначальное сообщение.
В отличие от коммутации сообщений технология коммутации пакетов позволяет:
 увеличить количество подключаемых станций (терминалов), так как здесь больше коммутаторов;
 легче преодолеть трудности, связанные с подключением к коммутаторам дополнительных линий
связи;
 осуществлять альтернативную маршрутизацию (в обход поврежденных или занятых узлов связи
и каналов), что создает повышенные удобства для пользователей;
 существенно сократить время на передачу пользовательских данных, повысить пропускную
способность сети и повысить эффективность использования сетевых ресурсов.
Одной из концепций коммутации пакетов является мультиплексирование с помощью разделения
времени использования одного и того же канала многими пользователями, что повышает
34
эффективность функционирования ТКС. Логика коммутации пакетов позволяет мультиплексировать
многие пользовательские сеансы на один порт компьютера. Пользователь воспринимает порт как
выделенный, в то время как он используется как разделенный ресурс. Мультиплексирование порта и
канала называют виртуальным каналом. Коммутация пакетов и мультиплексирование обеспечивают
сглаживание асимметричных потоков в каналах связи.
Стоимость организации вызова для пакетной коммутации ниже по сравнению с соответствующей
характеристикой метода коммутации цепей. Но с увеличением объема передаваемой информации
стоимостная характеристика для пакетной коммутации возрастает быстрее, чем для коммутации цепей,
что объясняется необходимостью больших ресурсов для обработки пересылаемой информации.
В настоящее время пакетная коммутация является основной для передачи данных.
Символьная коммутация (иначе – субпакетная коммутация, или метод общего пакета) представляет
собой разновидность пакетной коммутации. Она применяется в случае, когда пакет содержит
информационные биты, принадлежащие различным пользователям.
При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум
противоречивым требованиям. Первое из них - уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое
уменьшением его длины, и второе - обеспечение повышения эффективности передачи информации,
достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка
становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи). В сети с
пакетной коммутацией максимально разрешенный размер пакета устанавливается на основе трех
факторов: распределения длин пакетов, характеристики среды передачи (главным образом скорости
передачи) и стоимости. Для каждой передающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета,
При использовании символьной коммутации оптимальный размер пакета для конкретной передающей
среды сохраняется с одновременным уменьшением времени задержки пакета в сети. Это достигается за
счет приема от нескольких пользователей небольшого количества символов (информационных битов) и
загрузки их в один пакет общего доступа.
Анализ рассмотренных коммутационных технологий позволяет сделать вывод о возможности
разработки комбинированного метода коммутации, основанного на использовании в определенном
сочетании принципов коммутации сообщений, пакетов и символьной коммутации и обеспечивающего
более эффективное управление разнородным графиком.
Маршрутизация пакетов в сетях
Сущность, цели и способы маршрутизации. Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для
передачи от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях; где не только необходим, но и
возможен выбор оптимального или приемлемого маршрута. Речь идет прежде всего о сетях с
произвольной (ячеистой) топологией, в которых реализуется коммутация пакетов. Однако в
современных сетях со смешанной топологией (звездно-кольцевой, звездно-шинной, многосегментной)
реально стоит и решается задача выбора маршрута для передачи кадров, для чего используются
соответствующие средства, например, маршрутизаторы.
В виртуальных сетях задача маршрутизации при передаче сообщения, расчленяемого на пакеты,
решается единственный раз, когда устанавливается виртуальное соединение между отправителем и
получателем. В дейтаграммных сетях, где данные передаются в форме дейтаграмм, маршрутазация
выполняется для каждого отдельного пакета.
Выбор маршрутов в узлах связи ТКС производится в соответствии с реализуемым алгоритмом
(методом) маршрутизации.
Алгоритм маршрутизации - это правило назначения выходной линии связи данного узла связи ТКС для
передачи пакета, базирующегося на информации, содержащейся в заголовке пакета (адреса отправителя
и получателя), и информации о загрузке этого узла (длина очередей пакетов) и, возможно, ТКС в целом.
Основные, цели маршрутизации заключаются в обеспечении:
 минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю;
 максимальной пропускной способности сети, что достигается, в частности, нивелировкой
загрузки линий связи ТКС;
 максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации;
 надежности доставки пакета адресату;
 минимальной стоимости передачи пакета адресату.
35
Различают следующие способы маршрутизации.
1. Централизованная маршрутизация реализуется обычно в сетях с централизованным управлением.
Выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, а узлы сети связи
только воспринимают и реализуют результаты решения задачи маршрутизации. Такое управление
маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличается высокой гибкостью.
2. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация выполняется главным образом в сетях с
децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами
сети, которые располагают для этого соответствующими средствами. Распределенная маршрутизация
сложнее централизованной, но отличается большей гибкостью.
3. Смешанная маршрутизация характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении
реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится,
например, гибридная адаптивная маршрутизация.
Задача маршрутизации в сетях решается при условии, что кратчайший маршрут, обеспечивающий
передачу пакета за минимальное время, зависит от топологии сети, пропускной способности линий
связи, нагрузки на линии связи. Топология сети изменяется в результате отказов узлов и линий связи и
отчасти при развитии ТКС (подключении новых узлов и линий связи). Пропускная способность линий
связи определяется типом передающей среды и зависит от уровня шумов и параметров аппаратуры,
обслуживающей линии. Наиболее динамичным фактором является нагрузка на линии связи,
изменяющаяся довольно быстро и в труднопрогнозируемом направлении.
Для выбора оптимального маршрута каждый узел связи должен располагать информацией о состоянии
ТКС в целом - всех остальных узлов и линий связи. Данные о текущей топологии сети и пропускной
способности линий связи предоставляются узлам без затруднений. Однако нет способа для точного
предсказания состояния нагрузки в сети. Поэтому при решении задачи маршрутизации могут
использоваться данные о состоянии нагрузки, запаздывающие (из-за конечной скорости передачи
информации) по отношению к моменту принятия решения о направлении передачи пакетов.
Следовательно, во всех случаях алгоритмы маршрутизации выполняются в условиях неопределенности
текущего и будущего состояний ТКС.
Эффективность алгоритмов маршрутизации. Она оценивается следующими показателями:
 временем доставки пакетов адресату;
 нагрузкой на сеть, которая при реализации данного алгоритма создается потоками пакетов,
распределяемыми, по линиям и узлам сети. Количественная оценка нагрузки осуществляется
длиной очередей пакетов в узлах;
 затратами ресурсов в узлах связи (временем работы коммуникационной ЭВМ, емкостью памяти).
Факторы, снижающие эффективность алгоритмов маршрутизации:
 передача пакета в узел связи, находящийся под высокой нагрузкой;
 передача пакета в направлении, не приводящем к минимальному времени его доставки; '
 создание на сеть дополнительной нагрузки за счет передачи служебной информации,
необходимой для реализации алгоритма.
Методы маршрутизации.
Различают три вида маршрутизации – простую, фиксированную и адаптивную. Принципиальная
разница между ними –в степени учета изменения топологии и нагрузки сети при решении задачи
выбора маршрута.
Простая маршрутизация отличается тем, что при выборе маршрута не учитывается ни изменение
топологии сети, ни изменение ее состояния (нагрузки). Она не обеспечивает направленной передачи
пакетов и имеет низкую эффективность. Ее преимущества - простота реализации алгоритма
маршрутизации и обеспечение устойчивой работы сети при выходе из строя от дельных ее
элементов. Из этого вида некоторое практическое применение получили случайная и лавинная
маршрутизации.
Случайная маршрутизация характеризуется тем, что для передачи пакета из узла связи выбирается
одно, случайно выбранное свободное направление. Пакет “блуждает” по сети и с конечной
вероятностью когда-либо досчитает адресата. Естественно, что при этом не обеспечивается ни
оптимальное время доставки пакета, ни эффективное использование пропускной способности сети.
Лавинная маршрутизация (или заполнение пакетами всех свободных выходных направлений)
предусматривает передачу пакета из узла по всем свободным выходным линиям. Поскольку это
происходит в каждом узле, имеет место явление “размножения” пакета, что резко ухудшает
36
использование пропускной способности сети. Значительное ослабление этого недостатка достигается
путем уничтожения в каждом узле дубликатов (копий) пакета и продвижения по маршруту только
одного пакета. Основное преимущество такого метода - гарантированное обеспечение оптимального
времени доставки пакета адресату, так как из всех направлений, по которым передается пакет, хотя бы
одно обеспечивает такое время. Метод может использоваться в незагруженных сетях, когда требования
по минимизации времени и надежности доставки пакетов достаточно высоки.
Фиксированная маршрутизация характеризуется тем, что при выборе маршрута учитывается
изменение топологии сети и не учитывается изменение ее нагрузки. Для каждого узла назначения
направление передачи выбирается по таблице маршрутов (каталогу), которая определяет кратчайшие
пути. Каталоги составляются в центре управления сетью. Они составляются заново при изменении
топологии сети. Отсутствие адаптация к изменению нагрузки приводит к задержкам пакетов сети.
Различают однопутевую и многопутевую фиксированные маршрутизации. Первая строится на
основе единственного пути передачи пакетов между двумя абонентами, что сопряжено с
неустойчивостью к отказам и перегрузками, а вторая – на основе нескольких возможных путей между
двумя абонентами, из которых выбирается предпочтительный путь. Фиксированная маршрутизация
применяется в сетях с малоизменяющейся топологией и установившимися потоками пакетов.
Адаптивная маршрутизация отличается тем, что принятие решения о направлении передачи пакетов
осуществляется с учетом изменения как топологии, так и нагрузки сети. Существует несколько
модификаций адаптивной маршрутизации, различающихся тем, какая именно информация используется
при выборе маршрута. Получили распространение такие модификации: локальная, распределенная,
централизованная и гибридная адаптивные маршрутизации.
Локальная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, имеющейся в
данном узле и включающей: таблицу маршрутов, которая определяет все направления передачи пакетов
из этого узла; данные о состоянии выходных линий связи (работают или не работают); длину очереди
пакетов, ожидающих передачи. Информация о состоянии других узлов связи не используется. Таблица
маршрутов определяет кратчайшие маршруты, обеспечивающие доставку пакета адресату за
минимальное время. Преимущество такого метода состоит в том, что принятие решения о выборе
маршрута производится с использованием самых последних данных о состоянии узла. Недостаток
метода в его “близорукости”, поскольку выбор маршрута осуществляется без учета глобального
состояния всей сети. Следовательно, всегда есть опасность передачи пакета по перегруженному
маршруту.
Распределенная адаптивная маршрутизация основана на использовании информации, указанной для
локальной маршрутизации, и данных, получаемых от соседних узлов сети. В каждом узле формируется
таблица маршрутов (каталог) ко всем узлам назначения, где указываются маршруты с минимальным
временем задержки пакетов. До начала работы сети — это время оценивается исходя из •топологии
сети. & процессе работы сети узлы периодически обмениваются с соседними узлами, так называемыми
таблицами задержки, в которых указывается нагрузка (длина очереди пакетов) узла. После обмена
таблицами задержки каждый узел перерассчитывает задержки и корректирует маршруты с учетом
поступивших данных и длины очередей в самом узле. Обмен таблицами задержки может
осуществляться не только периодически, но и асинхронно в случае резких изменений нагрузки или
топологии сети. Учет состояния соседних узлов при выборе маршрута существенно повышает
эффективность алгоритмов маршрутизации, но это достигается за счет увеличения загрузки сети
служебной информацией. Кроме того, сведения об изменении состояния узлов распространяются
посети сравнительно медленно, поэтому выбор маршрута производится по несколько устаревшим
данным.
Централизованная адаптивная маршрутизация характеризуется тем, что задача маршрутизации для
каждого узла сети решается в центре маршрутизации (ЦМ). Каждый узел периодически формирует
сообщение о своем состоянии (длине очередей и работоспособности линий связи) и передает его в ЦМ.
По этим данным в ЦМ для каждого узла составляется таблица маршрутов. Естественно, что передача
сообщений в ЦМ, формирование и рассылка таблиц маршрутов - все это сопряжено с временными
задержками, следовательно, с потерей эффективности такого метода, особенно при большой пульсации
нагрузки в сети. Кроме того, есть опасность потери управления сетью при отказе ЦМ.
Гибридная адаптивная маршрутизация основана на использовании таблиц маршрутов, рассылаемых ЦМ
узлам сети, в сочетании с анализом длины очередей в узлах. Следовательно, здесь реализуются
принципы централизованной и локальной маршрутизации. Гибридная маршрутизация компенсирует
недостатки централизованной маршрутизации (маршруты, формируемые центром, являются несколько
37
устаревшими) и локальной (“близорукость” метода) и воспринимает их преимущества: маршруты
центра соответствуют глобальному состоянию сети, а учет текущего состояния узла обеспечивает
своевременность решения задачи.
38
Методы защиты от ошибок
Проблема обеспечения безошибочности (достоверности) передачи информации в сетях имеет очень
важное значение. Если при передаче обычной телеграммы возникает в тексте ошибка или при разговоре
по телефону слышен треск, то в большинстве случаев ошибки и искажения легко обнаруживаются по
смыслу. Но при передаче данных одна ошибка (искажение одного бита) на тысячу переданных сигналов
может серьезно отразиться на качестве информации.
Существует множество методов обеспечения достоверности передачи информации (методов защиты от
ошибок), отличающихся по используемым для их реализации средствам, по затратам времени на их
применение на передающем и приемном пунктах, по затратам дополнительного времени на передачу
фиксированного объема данных (оно обусловлено изменением объема трафика пользователя при
реализации данного метода), по степени обеспечения достоверности передачи информации.
Практическое воплощение методов состоит из двух частей – программной и аппаратной.
Соотношение между ними может быть самым различным, вплоть до почти полного отсутствия одной из
частей. Чем больше удельный вес аппаратурных средств по сравнению с программными, тем при
прочих равных условиях сложнее оборудование, реализующее метод, и меньше затрат времени на его
реализацию и наоборот.
Выделяют две основные причины возникновения ошибок при передаче информации в сетях:
 сбои в какой-то части оборудования сети или возникновение неблагоприятных объективных
событий в сети (например, коллизий при использовании метода случайного доступа в сеть). Как
правило, система передачи данных готова к такого рода проявлениям и устраняет их с помощью
планово предусмотренных средств;
 помехи, вызванные внешними источниками и атмосферными явлениями. Помехи - это
электрические возмущения, возникающие в самой аппаратуре или попадающие в нее извне.
Наиболее распространенными являются флуктуационные (случайные) помехи. Они
представляют собой последовательность импульсов, имеющих случайную амплитуду и
следующих друг за другом через различные промежутки времени. Примерами таких помех могут
быть атмосферные и индустриальные помехи, которые обычно проявляются в виде одиночных
импульсов малой длительности и большой амплитуды. Возможны и сосредоточенные помехи в
виде синусоидальных колебаний. К ним относятся сигналы от посторонних радиостанций,
излучения генераторов высокой частоты. Встречаются и смешанные помехи. В приемнике
помехи могут настолько ослабить информационный сигнал, что он либо вообще не будет
обнаружен, либо искажен так, что “единица” может перейти в “нуль” и наоборот.
Трудности борьбы с помехами заключаются в беспорядочности, нерегулярности и в структурном
сходстве помех с информационными сигналами. Поэтому защита информации от ошибок и вредного
влияния помех имеет большое практическое значение и является одной из серьезных проблем
современной теории и техники связи.
Среди многочисленных методов защиты от ошибок выделяются три группы методов: групповые
методы, помехоустойчивое кодирование и методы защиты от ошибок в системах передачи с обратной
связью.
Из групповых методов получили широкое применение мажоритарный метод, реализующий принцип
Вердана, и метод передачи информационными блоками с количественной характеристикой блока.
Суть мажоритарного метода, давно и широко используемого в телеграфии, состоит в следующем.
Каждое сообщение ограниченной длины передается несколько раз, чаще всего три раза. Принимаемые
сообщения запоминаются, а потом производится их поразрядное сравнение. Суждение о правильности
передачи выносится по совпадению большинства из принятой информации методом “два из трех”.
Например, кодовая комбинация 01101 при трехразовой передаче была частично искажена помехами,
поэтому приемник принял такие комбинации: 10101, 01110, 01001. В результате проверки каждой
позиции отдельно правильнойсчитается комбинация 01101.
Другой групповой метод, также не требующий перекодирования информации, предполагает передачу
данных блоками с количественной характеристикой блока. Такими характеристиками могут быть:
число единиц или нулей в блоке, контрольная сумма передаваемых символов в блоке, остаток от
деления контрольной суммы на постоянную величину и др. На приемном пункте эта характеристика
вновь подсчитывается и сравнивается с переданной по каналу связи. Если характеристики совпадают,
считается, что блок не содержит ошибок. В противном случае на передающую сторону передается
сигнал с требованием повторной передачи блока. В современных ТВС такой метод получил самое
широкое распространение.
39
Помехоустойчивое (избыточное) кодирование, предполагающее разработку и использование
корректирующих (помехоустойчивых) кодов, широко применяется не только в ТКС, но и в ЭВМ для
защиты от ошибок при передаче информации между устройствами машины. Оно позволяет получить
более высокие качественные показатели работы систем связи. Его основное назначение – обеспечение
малой вероятности искажений передаваемой информации, несмотря на присутствие помех или сбоев в
работе сети.
Существует довольно большое количество различных помехоустойчивых кодов, отличающихся друг от
друга по ряду показателей и прежде всего по своим корректирующим возможностям.
К числу наиболее важных показателей корректирующих кодов относятся:
 значность кода, или длина кодовой комбинации, включающей информационные символы (от) и
проверочные, или контрольные, символы (k). Обычно значность кода n есть сумма т + k;
 избыточность кода Кизб, выражаемая отношением числа контрольных символов в кодовой
комбинации k – значности кода;
 корректирующая способность кода KКС, представляющая собой отношение числа кодовых
комбинаций L, в которых ошибки были обнаружены и исправлены, к общему числу переданных
кодовых комбинаций М.
Выбор корректирующего кода для его использования в данной ТКС зависит от требований по
достоверности передачи информации. Для правильного выбора кода необходимы статистические
данные о закономерностях появления ошибок, их характере, численности и распределении во времени.
Например, корректирующий код, обнаруживающий и исправляющий одиночные ошибки, эффективен
лишь при условии, что ошибки статистически независимы, а вероятность их появления не превышает
некоторой величины. Он оказывается непригодным, если ошибки появляются группами. При выборе
кода надо стремиться, чтобы он имел меньшую избыточность. Чем больше коэффициент Кизб, тем
менее эффективно используется пропускная способность канала связи и больше затрачивается времени
на передачу информации, но зато выше помехоустойчивость системы.
Заметим, что в ТВС корректирующие коды в основном применяются для обнаружения ошибок,
исправление которых осуществляется путем повторной передачи искаженной информации. С этой
целью в сетях используются системы передачи с обратной связью (наличие между абонентами
дуплексной связи облегчает применение таких систем).
Системы передачи с обратной связью делятся на системы с решающей обратной связью и системы с
информационной обратной связью.
Особенностью систем с решающей обратной связью (иначе: систем с перезапросом) является то, что
решение о необходимости повторной передачи информации (сообщения, пакета) принимает приемник.
Здесь обязательно применяется помехоустойчивое кодирование, с помощью которого на приемной
станции осуществляется проверка принимаемой информации. При обнаружении ошибки на
передающую сторону по каналу обратной связи посылается сигнал перезапроса, по которому
информация передается повторно. Канал обратной связи используется также для посылки сигнала
подтверждения правильности приема, автоматически определяющего начало следующей передачи.
В системах с информационной обратной связью передача информации осуществляется без
помехоустойчивого кодирования. Приемник, приняв информацию по прямому каналу и зафиксировав
ее в своей памяти, передает ее в полном объеме по каналу обратной связи передатчику, где переданная
и возвращенная информация сравнивается. При совпадении передатчик посылает приемнику сигнал
подтверждения, в противном случае происходит повторная передача всей информации. Таким образом,
здесь решение о необходимости повторной передачи принимает передатчик.
Обе рассмотренные системы обеспечивают практически одинаковую достоверность, однако в системах
с решающей обратной связью пропускная способность каналов используется эффективнее, поэтому они
получили большее распространение.
Маршрутизаторы и коммутирующие устройства
Основным назначением узлов коммутации является прием, анализ, а в сетях с маршрутизацией еще и
выбор маршрута, и отправка данных по выбранному направлению. В общем случае узлы коммутации
включают в себя и устройства межсетевого интерфейса.
Узлы коммутации вычислительных сетей содержат устройства коммутации (коммутаторы). Если они
выполняют коммутацию на основе иерархических сетевых адресов, их называют маршрутизаторами.
Устройства коммутации занимают важное место в системах передачи информации в вычислительных
сетях. С помощью устройств коммутации значительно сокращается протяженность каналов связи в
сетях с несколькими взаимодействующими абонентами: вместо того, чтобы прокладывать несколько
каналов связи от данного абонента ко всем остальным, можно проложить лишь по одному каналу от
каждого абонента к общему коммутационному узлу. В связи с этим, если не предъявляются
40
чрезвычайно жесткие требования к оперативности и достоверности передачи данных в вычислительных
сетях, используются коммутируемые каналы связи.
41
Методы коммутации
Узлы коммутации осуществляют один из трех возможных видов коммутации при передаче данных:
– коммутацию каналов;
– коммутацию сообщений;
– коммутацию пакетов.
Сообщения и пакеты часто называют дейтаграммами.
Дейтаграмма – это самостоятельный пакет данных (сообщение), содержащий в своем заголовке
достаточно информации, чтобы его можно было передать от источника к получателю независимо от
всех предыдущих и последующих сообщений.
Коммутация каналов
Между пунктами отправления и назначения устанавливается непосредственное физическое соединение
путем формирования составного канала из последовательно соединенных отдельных участков каналов
связи. Такой сквозной физический составной канал организуется в начале сеанса связи, поддерживается
в течение всего сеанса и разрывается после окончания передачи. Формирование сквозного канала
обеспечивается путем последовательного включения ряда коммутационных устройств в нужное
положение постоянно на все время сеанса связи. Время создания такого канала сравнительно большое,
и это один из недостатков данного метода коммутации. Образованный канал недоступен для
посторонних абонентов. Монополизация взаимодействующими абонентами подканалов, образующих
физический канал, обусловливает снижение общей пропускной способности сети передачи данных. И
это при том, что образованный физический канал часто бывает недогружен. Это второй недостаток
данного метода. Основные достоинства метода:
– возможность работы и в диалоговом режиме, и в реальном масштабе времени;
– обеспечение полной прозрачности канала.
Применяется метод коммутации каналов чаще всего при дуплексной передаче аудиоинформации
(обычная телефонная связь – типичный пример).
Коммутация сообщений
Данные передаются в виде дискретных порций разной длины (сообщений), причем между источником и
адресатом сквозной физический канал не устанавливается, и ресурсы коммуникационной системы
предварительно не распределяются. Отправитель лишь указывает адрес получателя. Узлы коммутации
анализируют адрес и текущую занятость каналов и передают сообщение по свободному в данный
момент каналу на ближайший узел сети в сторону получателя. В узлах коммутации имеются
коммутаторы, управляемые связным процессором, который также обеспечивает временное хранение
данных в буферной памяти, контроль достоверности информации и исправление ошибок,
преобразование форматов данных, формирование сигналов подтверждения получения сообщения.
Ввиду наличия буферной памяти появляется возможность устанавливать согласованную скорость
передачи сообщения между двумя узлами. Прозрачность передачи данных в этом режиме только
кодовая (битовая); временная прозрачность не обеспечивается. Вследствие этого фактора затруднена
работа в диалоговом режиме и в режиме реального времени. Некоторые возможности реализации
означенных режимов остаются реализуемыми лишь благодаря высокой скорости передачи и
возможности выполнять приоритетное обслуживание заявок. Применяется этот вид коммутации в
электронной почте, телеконференциях, электронных новостях и т. п.
Коммутация пакетов
В современных системах для повышения оперативности, надежности передачи и уменьшения емкости
запоминающих устройств узлов коммутации длинные сообщения разбиваются на несколько более
коротких стандартной длины, называемых пакетами (иногда очень короткие сообщения, наоборот,
объединяются вместе в пакет). Стандартный размер пакетов обуславливает соответствующую
стандартную разрядность оборудования узлов связи и максимальную эффективность его использования.
Пакеты одного сообщения могут следовать к получателю разными путями и непосредственно перед
выдачей абоненту объединяются (разделяются) для формирования законченных сообщений. Этот вид
42
коммутации обеспечивает наибольшую пропускную способность сети и наименьшую задержку при
передаче данных. Недостатком коммутации пакетов является трудность, а иногда и невозможность его
использования для систем, работающих в интерактивном режиме и в реальном масштабе времени. Хотя
в последние годы в этом направлении достигнут заметный прогресс – активно развиваются технологии
Интернет-телефонии. Одно из направлений этой технологии – создание виртуального канала для
передачи пакетов путем мультиплексирования во времени использования каждого узла коммутации.
Временной ресурс порта узла разделяется между несколькими пользователями так, что каждому
пользователю отводится постоянно множество минимальных отрезков времени, и создается
впечатление непрерывного доступа.
Коммутация сообщений и пакетов относится к логическим видам коммутации, так как при таком
использовании формируется лишь логический канал между абонентами. При логической коммутации
взаимодействие абонентов выполняется через запоминающее устройство, куда поступают сообщения от
всех абонентов, обслуживаемых данным узлом. Каждое сообщение (пакет) имеет адресную часть,
определяющую отправителя и получателя; в соответствии с адресом выбирается дальнейший маршрут и
передается сообщение из запоминающего устройства узла коммутации. Способ передачи,
задействующий логическую коммутацию пакетов, часто требует наличия в центре коммутации
специальных связных мини- или микрокомпьютеров, осуществляющих прием, хранение, анализ,
разбиение, синтез, выбор маршрута и отправку сообщений адресату.
Коммутаторы применяются в узлах коммутации и в качестве межсетевого и внутрисетевого
интерфейсов, выполняя функции моста – соединителя нескольких сегментов сети воедино.
В узлах коммутации могут использоваться также концентраторы и удаленные мультиплексоры. Их
основное назначение состоит в объединении и уплотнении входных потоков данных, поступающих от
абонентов по низкоскоростным каналам связи, в один или несколько более скоростных каналов связи и
наоборот.
Методы маршрутизации
Как уже говорилось, в сетях с маршрутизацией информации возникает задача маршрутизации данных.
Маршрутизация заключается в правильном выборе выходного канала на узле коммутации на основании
адреса, содержащегося в заголовке пакета (сообщения).
Существует два основных способа маршрутизации: с предварительным установлением соединения, при
котором перед началом обмена данными между узлами сети должна быть установлена связь с
определенными параметрами; и динамический, использующий протоколы дейтаграммного типа, по
которым сообщение передается в сеть без предварительного установления соединения.
В системах с коммутацией каналов и при создании виртуального канала маршрутизация организуется
один раз при установлении начального соединения. При обычных режимах коммутации пакетов и
сообщений маршрутизация выполняется непрерывно по мере прохождения данных от одного узла
коммутации к другому.
Варианты адресации компьютеров в сети
Наибольшее распространение получили три варианта адресации:
– аппаратные адреса предназначены для сетей небольшого размера, поэтому они имеют простую
неиерархическую структуру. Адреса могут быть закодированы в двоичной или в шестнадцатеричной
системах счисления. Разрядность адреса может быть любой – это внутреннее дело конкретной сети или
подсети. Присвоение аппаратных адресов происходит автоматически: либо они встраиваются в
аппаратуру (модемы, адаптеры и т. д.), либо генерируются при каждом новом запуске оборудования;
– символьные адреса или имена предназначены для пользователей и поэтому должны нести смысловую
нагрузку. В больших сетях такие адреса имеют иерархическую систему и состоят из отдельных
доменов, идентифицируемых буквенными сокращенными наименованиями объектов, часто понятных
пользователю (подобие доменных адресов в сети Интернет). Они могут иметь очень большую длину;
– числовые составные адреса фиксированного компактного формата. В качестве примера можно
сослаться на IP-адреса в Интернете.
В современных сетях для адресации часто одновременно сочетаются все три варианта адресов.
Пользователь указывает символьный адрес, который сразу же в сети заменяется на числовой (по
таблицам адресов, хранимых на сервере имен сети). При поступлении передаваемых данных в сеть
назначения числовой адрес заменяется на аппаратный. Возможная технология адресации сообщений
43
заключается в следующем. Компьютер-отправитель посылает всем компьютерам сети
широковещательное сообщение с просьбой опознать свое числовое имя. Опознавшему адрес
компьютеру высылается аппаратный адрес, а затем и само сообщение.
Оптимальная маршрутизация обеспечивает:
– максимальную пропускную способность сети;
– минимальное время прохождения пакета от отправителя к получателю;
– надежность доставки и безопасность передаваемой информации.
Маршрутизация может быть централизованной и децентрализованной. Централизованная
маршрутизация допустима только в сетях с централизованным управлением: выбор маршрута
осуществляется в центре управления сетью и коммутаторы в узлах лишь реализуют поступившее
решение. При децентрализованной маршрутизации функции управления распределены между узлами
коммутации, в которых, как правило, имеется связной процессор.
Методы маршрутизации, используемые в сетях
1. Простая маршрутизация при выборе дальнейшего пути для сообщения (пакета) учитывает лишь
статическое априорное состояние сети, ее текущее состояние – загрузка и изменение топологии из-за
отказов – не учитывается. Одно из направлений простой маршрутизации – лавинное отправление
сообщения сразу по всем свободным каналам. О достоинствах такой маршрутизации говорить не
приходится.
2. Фиксированная маршрутизация учитывает только изменение топологии сети. Для каждого узла
назначения канал передачи выбирается по электронной таблице маршрутов, определяющей кратчайшие
пути и время доставки информации до пункта назначения. Эта маршрутизация используется в сетях с
установившейся топологией.
3. Адаптивная маршрутизация учитывает и изменение загрузки, и изменение топологии сети. При
выборе маршрута информация из таблицы маршрутов дополняется данными о работоспособности и
занятости каналов связи, оперативной информацией о существующей очереди пакетов на каждом
канале. В локальном варианте этой маршрутизации учитываются данные только о каналах, исходящих
из текущего узла, а при распределенной адаптивной маршрутизации и данные, получаемые от соседних
узлов коммутации.
Маршрутизаторы иногда называют зеркалами: они получают сообщения из одного участка сети,
определяют получателя сообщения и передают это сообщение на другой участок сети. Они широко
используются и в качестве межсетевого интерфейса, обеспечивая соединение сетей на более высоком
уровне, нежели мосты, поскольку им доступна информация о структуре сети и связях ее элементов
между собой.
Маршрутизаторы обычно создаются на базе одного или нескольких процессоров и имеют
специализированную операционную систему.
Концентраторы также используются для коммутации каналов в компьютерных сетях. Описанные при
рассмотрении СТОД функции концентраторов – это один достаточно простой частный случай. В сетях
основные функции концентратора заключаются в повторении сигналов (повторитель) и
концентрировании в себе (концентратор), как в центральном устройстве, функций объединения
компьютеров в единую сеть. Их часто называют хабами или многопортовыми повторителями.
Концентратор образует из подключенных к его портам отдельных физических сегментов сети общую
среду передачи данных – некий логический сегмент, обладающий всеми функциями физического.
Концентраторы-хабы могут быть трех типов:
– пассивными, просто соединяющими сегменты сети одного типа, ничего нового не добавляя;
– активными, которые кроме соединения сегментов выполняют и усиление (регенерирование) сигналов
(они, как и повторители, позволяют увеличить расстояние между соединяемыми устройствами);
– интеллектуальными, дополнительно к функциям активных хабов выполняющие маршрутизацию
сигналов по сегментам (посылают данные только в те сегменты, для которых они предназначена) и
обеспечивающие некоторые сервисные технологии, например, защиту информации от
несанкционированного доступа, самодиагностику и автоматическое отключение плохо работающих
портов и т. д.
44
Взаимосвязь вычислительных сетей. Межсетевые и внутрисетевые интерфейсы: коммутаторы,
концентраторы, мультиплексоры, маршрутизаторы, мосты и шлюзы.
Технические средства передачи информации в сетях
Сетевые технические средства определяются как блоки или устройства взаимодействия –
функциональные блоки или устройства, обеспечивающие взаимодействие нескольких информационных
сетей или подсетей. К ним относятся:
1) серверы доступа;
2) сетевые адаптеры, повторители, коммутаторы, концентраторы, мультиплексоры, мосты,
маршрутизаторы, шлюзы и модемы, согласующие работу компьютеров с каналами передачи данных.
Кроме того, технические средства передачи информации включают каналы передачи данных.
Для высокоскоростной передачи информации предпочтительно создавать и использовать специальные
каналы передачи данных. Это весьма дорогое мероприятие и обычно с такой целью используют
существующие каналы передачи информации, которые, как правило, не обладают необходимыми
характеристиками. Проблема решается на аппаратно-программном уровне с помощью
высокоскоростного и высоконадёжного оборудования, подключаемого к этим каналам, и специального
программного обеспечения.
Сетевой адаптер. Стандартные сетевые адаптеры работают со скоростью 10 Мб/с. В больших сетях с
интенсивным обменом файлами, в том числе графическими и аудиовизуальными, печатью на сетевом
принтере и другое, такой скорости недостаточно. В этом случае используют оборудование,
позволяющее поддерживать скорость обмена данными до 100 Мб/с. Такие сетевые адаптеры и
концентраторы дороже, но они позволяют легко модернизировать и наращивать сеть, что, несомненно,
окупается. Известно, что просто замена оборудования всегда дороже его модернизации.
Повторитель служит для регенерации электрических сигналов, передаваемых между двумя сегментами
ЛВС, если она не может работать на одном сегменте кабеля или ограничений на расстояние, число
узлов.
Концентратор («Hub») – устройство, позволяющее соединить компьютеры (РС или Клиенты) с
сервером или несколько ЛВС в интерсеть для организации иерархических структур и разветвления сети.
Бывают пассивными и активными. К одному концентратору можно подключить от двух, четырёх до
нескольких десятков компьютеров.
Мост служит для соединения разных подсетей, имеющих, в том числе, неодинаковые канальные
протоколы.
Шлюз – межсетевой преобразователь, служит для соединения информационных сетей различной
архитектуры с неодинаковыми сетевыми протоколами.
Как правило, в сетях приём и передача информации между несколькими абонентами организуются с
помощью специальных устройств разделения и уплотнения канала. Абоненты обычно не знают об этом,
так как качество связи не ухудшается, а сигналы в таком канале одних абонентов не влияют и не
мешают другим. Такое разделение канала называется мультиплексированием, а устройства разделения
и уплотнения канала – мультиплексорами. Мультиплексирование бывает временное, при этом
передача информации различных абонентов в одном канале происходит по очереди в отдельные
отрезки времени, и частотное, то есть каждая линия, образуемая в данном канале, занимает свой
частотный диапазон в рамках общего диапазона канала. Очевидно, что оперативность передачи данных
зависит и от возможности выбирать оптимальные маршруты доставки данных. Прокладка маршрутов в
сети связи при передаче данных вызывает значительные трудности. Выбор оптимального маршрута
является сложной научной и практической задачей и осуществляется специальными устройствами –
маршрутизаторами (англ. «Router»). Основная их характеристика – обеспечивать минимальное время
передачи данных (пакетов) при минимальной стоимости передачи. Кроме того, они выполняют
следующие функции: «моста» между ЛВС и Интернетом: соединения (объединения) локальных сетей
(маршрутизации): защиты ЛВС от несанкционированного доступа (Firewall). Маршрутизатор может
представлять программное, техническое и программно-техническое средство. Он является
полноценным ресурсом Интернета, имеет свой IP-адрес и, как правило, предназначен для работы к
корпоративных и территориальных сетях.
Под маршрутизатор выделяется специальный ПК. Между собой маршрутизаторы разных сетей
обычно соединяют оптоволоконными линиями связи. Каждый маршрутизатор постоянно сообщает
своему окружению о «подведомственной» ему территории, остальные отслеживают эти данные, в т.ч.
возникающие изменения. В небольших сетях на одном из ПК устанавливают программу для
маршрутизации. В качестве универсального маршрутизатора можно привести пример устройства
U.S.Robotics USR8000, представляющего четырёхпортовый концентратор сетей 10/100 Ethernet, принтсервер, сервер настройки DHCP, маршрутизатор и брандмауэр. DHCP-сервер. при установленном
протоколе TCP/IP и включенной опции «Получить IP-адрес автоматически», позволяет при следующем
включении присвоить уникальный IP-адрес новому узлу. Благодаря встроенному брандмауэру
маршрутизатор за одним IP-адресом скрывает от внешней среды всю внутреннюю сеть.
45
ВОПРОС 5. Сетевые протоколы
Сетевым протоколом называется набор правил, позволяющий осуществлять соединение и обмен
данными между двумя и более включёнными в сеть ПК. Фактически разные протоколы зачастую
описывают лишь разные стороны одного типа связи; взятые вместе, они образуют так называемый стек
протоколов. Названия <протокол> и <стек протоколов> также указывают на ПО, которым реализуется
протокол.
Уровни протоколов
Наиболее распространённой системой классификации сетевых протоколов является так называемая
модель OSI. В соответствии с ней протоколы делятся на 7 уровней по своему назначению - от
физического (формирование и распознавание электрических или других сигналов) до прикладного (API
для передачи информации приложениями).
1. Прикладной уровень (Application layer). Верхний (7-й) уровень модели, обеспечивает
взаимодействие сети и пользователя. Уровень разрешает приложениям пользователя доступ к
сетевым службам, таким как обработчик запросов к базам данных, доступ к файлам, пересылке
электронной почты. Также отвечает за передачу служебной информации, предоставляет
приложениям информацию об ошибках и формирует запросы к уровню представления. Пример:
HTTP, POP3, SMTP.
2. Уровень представления (Presentation layer). 6-й уровень отвечает за преобразование протоколов и
кодирование/декодирование данных. Запросы приложений, полученные с уровня приложений, он
преобразует в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразует в формат,
понятный приложениям. На уровне представления может осуществляться сжатие/распаковка или
кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу,
если они не могут быть обработаны локально.
3. Сеансовый уровень (Session layer). 5-й уровень модели отвечает за поддержание сеанса связи, что
позволяет приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Сеансовый уровень
управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач,
определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности
приложений. Синхронизация передачи обеспечивается помещением в поток данных контрольных
точек, начиная с которых возобновляется процесс при нарушении взаимодействия.
4. Транспортный уровень (Transport layer). 4-й уровень модели, предназначен для доставки данных
без ошибок, потерь и дублирования в той последовательности, как они были переданы. При этом
неважно, какие данные передаются, откуда и куда, то есть он предоставляет сам механизм
передачи. Блоки данных он разделяет на фрагменты, размер которых зависит от протокола,
короткие объединяет в один, а длинные разбивает. Протоколы этого уровня предназначены для
взаимодействия типа точка-точка. Пример: TCP, UDP
5. Сетевой уровень (Network layer). 3-й уровень сетевой модели OSI, предназначен для определения
пути передачи данных. Отвечает за трансляцию логических адресов и имён в физические,
определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и
заторов в сети. На этом уровне работает такое сетевое устройство, как маршрутизатор.
6. Канальный уровень (Data Link layer). Этот уровень предназначен для обеспечения взаимодействия
сетей на физическом уровне и контроля за ошибками, которые могут возникнуть. Данные,
полученные с физического уровня, он упаковывает во фреймы, проверяет на целостность, если
нужно исправляет ошибки и отправляет на сетевой уровень. Канальный уровень может
взаимодействовать с одним или несколькими физическими уровнями, контролируя и управляя этим
взаимодействием. Спецификация IEEE 802 разделяет этот уровень на 2 подуровня - MAC (Media
Access Control) регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control)
обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты. В
программировании этот уровень представляет драйвер сетевой платы, в операционных системах
имеется программный интерфейс взаимодействия канального и сетевого уровней между собой, это
не новый уровень, а просто реализация модели для конкретной ОС. Примеры таких интерфейсов:
ODI, NDIS
7. Физический уровень (Physical layer). Самый нижний уровень модели, предназначен
непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или
оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и соответственно их приём и преобразование в биты
данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Другими словами,
осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством. На этом уровне
работают концентраторы (хабы), повторители (ретрансляторы) сигнала и медиаконверторы.
46
Функции физического уровня реализуются на всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны
компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным
портом.
47
В основном используются протокол TCP/IP.
Определение: Протокол управления передачей/Протокол Интернета).
Большинство ОС сетевых серверов и рабочих станций поддерживает TCP/IP, в том числе серверы
NetWare, все системы Windows, UNIX, последние версии Mac OS, системы OpenMVS и z/OS компании
IBM, а также OpenVMS компании DEC. Кроме того, производители сетевого оборудования создают
собственное системное ПО для TCP/IP, включая средства повышения производительности устройств.
Стек TCP/IP изначально применялся на UNIX-системах, а затем быстро распространился на многие
другие типы сетей.
Протоколы локальных сетей: IPX/SPX; NetBEUI; AppleTalk; TCP/IP; SNA; DLC; DNA.
Свойства протоколов локальной сети
В основном протоколы локальных сетей имеют такие же свойства, как и другие коммуникационные
протоколы, однако некоторые из них были разработаны давно, при создании первых сетей, которые
работали медленно, были ненадежными и более подверженными электромагнитным и радиопомехам.
Поэтому для современных коммуникаций некоторые протоколы не вполне пригодны. К недостаткам
таких протоколов относится слабая защита от ошибок или избыточный сетевой трафик. Кроме того,
определенные протоколы были созданы для небольших локальных сетей и задолго до появления
современных корпоративных сетей с развитыми средствами маршрутизации.
Протоколы локальных сетей должны иметь следующие основные характеристики:
 обеспечивать надежность сетевых каналов;
 обладать высоким быстродействием;
 обрабатывать исходные и целевые адреса узлов;
 соответствовать сетевым стандартам, в особенности – стандарту IEEE 802.
В таблице перечислены протоколы ЛВС и ОС, с которыми эти протоколы могут работать
Протокол
IPX/SPX
NetBEUI
AppleTalk
TCP/IP
SNA
DLC
Соответствующая ОС
Novell NetWare
Первые версии ОС Microsoft Windows
Apple Macintosh
UNIX, Novel NetWare, современные версии операционных систем Microsoft Windows,
ОС мэйнфреймов IBM
ОС мэйнфреймов и миникомпьютеров IBM
Клиентские системы, взаимодействующие с мэйнфреймами IBM, настроенными на
работу с протоколом SNA
Понятие протокола Интернет
Очевидно, что рано или поздно компьютеры, расположенные в разных точках земного шара, по мере
увеличения своего количества должны были обрести некие средства общения. Такими средствами стали
компьютерные сети. Сети бывают локальными и глобальными. Локальная сеть – это сеть,
объединяющая компьютеры, географически расположенные на небольшом расстоянии друг от друга –
например, в одном здании. Глобальные сети служат для соединения сетей и компьютеров, которых
разделяют большие расстояния – в сотни и тысячи километров. Интернет относится к классу
глобальных сетей.
Простое подключение одного компьютера к другому – шаг, необходимый для создания сети, но не
достаточный. Чтобы начать передавать информацию, нужно убедиться, что компьютеры "понимают"
друг друга. Чтобы обеспечить возможность общения компьютеров, были разработаны специальные
средства, получившие название "протоколы". Протокол – это совокупность правил, в соответствии с
которыми происходит передача информации через сеть. Актуально и для др. устройств: обычная
телефонная сеть общего пользования тоже имеет свой протокол, который позволяет аппаратам,
например, устанавливать факт снятия трубки на другом конце линии или распознавать сигнал о
разъединении и номер звонящего.
Исходя из этой естественной необходимости, миру компьютеров потребовался единый язык (то есть
протокол), который был бы понятен каждому из них.
Основные протоколы используемые в работе Интернет: TCP/IP; POP3; SMTP; FTP; HTTP; IMAP4;
WAIS; Gorpher; WAP.
Краткое описание протоколов Интернет
TCP/IP. В 1972 году группа разработчиков под руководством Винтона Серфа разработала протокол
TCP/IP – Протокол управления передачей/Протокол Интернета. Эксперимент по разработке этого
протокола проводился по заказу Министерства обороны США. Данный проект получил название
ARPANet (Сеть агентства важных исследовательских проектов). Очевидно, что в обстановке войны,
48
когда необходимость в обмене информацией встает как никогда остро, возникает проблема
непредсказуемости состояния пути, по которому будет передана та или иная информация – любой из
узлов передачи в любой момент может быть выведен из строя противником. Поэтому главной задачей
при разработке сетевого протокола являлась его "неприхотливость" – он должен был работать с любым
сетевым окружением и, кроме того, обладать гибкостью в выборе маршрута при доставке информации.
Позже TCP/IP перерос свое изначальное предназначение и стал основой стремительно развивавшейся
глобальной сети, ныне известной как Интернет, а также небольших сетей, использующих технологии
Интернета – интранет. Стандарты TCP/IP являются открытыми и непрерывно
совершенствуются. На самом деле TCP/IP является не одним протоколом, а целым набором
протоколов, работающих совместно. Он состоит из двух уровней. Протокол верхнего уровня, TCP,
отвечает за правильность преобразования сообщений в пакеты информации, из которых на приемной
стороне собирается исходное послание. Протокол нижнего уровня, IP, отвечает за правильность
доставки сообщений по указанному адресу. Иногда пакеты одного сообщения могут доставляться
разными путями.
Протокол HTTP (Протокол передачи гипертекста) является протоколом более высокого уровня по
отношению к протоколу TCP/IP – протоколом уровня приложения. HTTP был разработан для
эффективной передачи по Интернету Web-страниц. Протокол HTTP является основой системы World
Wide Web. Вы отдаете команды HTTP, используя интерфейс браузера, который является HTTPклиентом. При щелчке мышью на ссылке браузер запрашивает у Web-сервера данные того ресурса, на
который указывает ссылка – например, очередной Web-страницы. Чтобы текст, составляющий
содержимое Web-страниц, отображался на них определенным образом – в соответствии с замыслом
создателя страницы – он размечается с помощью особых текстовых меток – тегов языка разметки
гипертекста (HTML).
Вид адреса ресурсов Интернета: http://www.tut.by
Протокол FTP (Протокол передачи файлов) специально разработан для передачи файлов по Интернету.
Адрес FTP-ресурса в Интернете выглядит следующим образом: ftp://ftp.netscape.com
TELNET. С помощью этого протокола вы можете подключиться к удаленному компьютеру как
пользователь (если наделены соответствующими правами, то есть знаете имя пользователя и пароль) и
производить действия над его файлами и приложениями точно так же, как если бы работали на своем
компьютере. Telnet является протоколом эмуляции терминала. Работа с ним ведется из командной
строки. Если вам нужно воспользоваться услугами этого протокола, не стоит рыскать по дебрям
Интернета в поисках подходящей программы. Telnet-клиент поставляется, например, в комплекте
Windows 98. Чтобы дать команду клиенту Telnet соединиться с удаленным компьютером, подключитесь
к Интернету, выберите в меню Пуск (Start) команду Выполнить (Run) и наберите в строке ввода,
например, следующее: telnet lib.ru
(Вместо lib.ru вы можете ввести другой адрес.) После этого запустится программа Telnet, и начнется
сеанс связи.
WAIS. Этот протокол был разработан для поиска информации в БД. ИС WAIS представляет собой
систему распределенных БД, где отдельные БД хранятся на разных серверах. Сведения об их
содержании и расположении хранятся в специальной БД – каталоге серверов. Просмотр
информационных ресурсов осуществляется с помощью программы – клиента WAIS. Поиск информации
ведется по ключевым словам, которые задает пользователь. Эти слова вводятся для определенной БД, и
система находит все соответствующие им фрагменты текста на всех серверах, где располагаются
данные этой базы. Результат представляется в виде списка ссылок на документы с указанием того,
насколько часто встречается в данном документе искомое слово и все искомые слова в совокупности.
Даже в наши дни, когда систему WAIS можно считать морально устаревшей, специалисты во многих
областях при проведении научных исследований тем не менее обращаются к ней в поисках
специфической информации, которую не могут найти традиционными средствами. Адрес ресурса
WAIS: wais://site.edu
Протокол Gopher – протокол уровня приложения, разработанный в 1991 году. До повсеместного
распространения гипертекстовой системы WWW Gopher использовался для извлечения информации (в
основном текстовой) из иерархической файловой структуры. Gopher был провозвестником WWW,
позволявшим с помощью меню передвигаться от одной страницы к другой, постепенно сужая круг
отображаемой информации. Программы-клиенты Gopher имели текстовый интерфейс. Однако пункты
меню Gopher могли указывать и не только на текстовые файлы, но также, например, на telnetсоединения или базы данных WAIS. Gopher переводится как "суслик", что отражает славное
университетское прошлое разработчиков этой системы. Студенческие спортивные команды
49
Университета Миннесоты носили название Золотые суслики". Сейчас ресурсы Gopher можно
просматривать с помощью обычного Web-браузера, так как современные браузеры поддерживают этот
протокол. Адреса Gopher имеют вид: gopher://gopher.tc.umn.edu
WAP был разработан в 1997 году группой компаний Ericsson, Motorola, Nokia и Phone.com для того,
чтобы предоставить доступ к службам Интернета пользователям беспроводных устройств – таких, как
мобильные телефоны, пейджеры, электронные органайзеры и др., использующих различные стандарты
связи.
К примеру, если ваш мобильный телефон поддерживает протокол WAP, то, набрав на его клавиатуре
адрес нужной Web-страницы, вы можете увидеть ее (в упрощенном виде) прямо на дисплее телефона. В
настоящее время подавляющее большинство производителей устройств уже перешли к выпуску
моделей с поддержкой WAP, который также продолжает совершенствоваться.
Протокол – набор правил и процедур, регулирующих порядок осуществления некоторой связи
(например, дипломатический протокол).
Сетевой протокол – правила и технические процедуры, позволяющие компьютерам, объединенным в
сеть, осуществлять соединение и обмен данными. Три основные момента, касающиеся протоколов.
1. Существует множество протоколов. И хотя все они участвуют в реализации связи, каждый
протокол имеет различные цели, выполняет различные задачи.
2. Протоколы работают на разных уровнях модели OSI (см. ниже). Функции протокола
определяются уровнем, на котором он работает.
3. Несколько протоколов могут работать совместно. В этом случае они образуют так называемый
стэк протоколов или набор протоколов.
Немаршрутизируемые протоколы – могут обеспечить связь между ПК только внутри ЛВС.
Маршрутизируемые протоколы:
 могут обеспечить связь между компьютерами внутри ЛВС;
 могут обеспечить связь между ЛВС (между компьютерами из разных ЛВС).
Сетевая модель OSI (эталонная модель взаимодействия открытых систем — англ. Open Systems
Interconnection Reference Model-OSI) — абстрактная модель для сетевых коммуникаций и разработки
сетевых протоколов.
Назначение модели OSI состоит в обобщенном представлении средств сетевого взаимодействия. Для
наглядности процесс работы сети разделен на 7 уровней. В верхней части модели располагается
приложение, которому нужен доступ к сети, в нижней – сетевая среда передачи данных. По мере того,
как данные продвигаются от уровня к уровню вниз, действующие на этих уровнях протоколы
постепенно подготавливают эти данные для передачи по сети. Каждый уровень обслуживает свою часть
процесса взаимодействия.
7. Прикладной уровень (Application Layer)
6. Уровень представления (Presentation Layer)
5. Сеансовый уровень (Session Layer)
4. Транспортный уровень (Transport Layer)
3. Сетевой уровень (Network Layer)
2. Канальный уровень (Data-Link Layer)
1. Физический уровень (Physical Layer)
Маршрутизируемые и немаршрутизируемые протоколы
Взаимодействие уровней модели OSI
Задача каждого уровня – предоставление услуг смежному уровню, «маскируя» детали реализации этих
услуг. Каждый уровень на компьютере-отправителе работает так, будто он напрямую связан с таким же
уровнем на получателе – это логическая или виртуальная связь.
В действительности связь осуществляется между смежными уровнями одного компьютера – ПО,
работающее на каждом уровне реализует сетевые функции в соответствии с набором протоколов этого
уровня.
Инкапсуляция данных
По сути, взаимодействие протоколов, работающих на разных уровнях модели OSI, состоит в том, что
каждый протокол добавляет свой заголовок (header), содержащий поля с информацией специфичной
для данного уровня, к информации, полученной с уровня, расположенного выше. При этом,
информация, полученная с верхнего уровня – заголовок и данные, становятся данными для протокола
текущего уровня. На канальном уровне добавляется заголовок и трейлер (footer). Итог – пакет, готовый
50
к передаче по сети. Процесс добавления заголовков к запросу, сгенерированному приложением,
называется инкапсуляция.
51
ВОПРОС 6. Теоретические основы построения и функционирования операционных
систем, их назначение и функции
Принцип модульности
Под модулем в общем случае понимают функционально законченный элемент системы, выполненный в
соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами. По своему определению модуль
предполагает возможность без труда заменить его на другой при наличии заданных интерфейсов.
Способы обособления составных частей ОС в отдельные модули могут существенно различаться, но
чаще всего разделение происходит именно по функциональному признаку. В значительной степени
разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ОС (восходящее
или нисходящее проектирование).
Особо важное значение при построении ОС имеют привилегированные, повторно входимые и
реентерабельные модули, так как позволяют более эффективно использовать ресурсы вычислительной
системы. Достижение реентерабельности реализуется различными способами. В некоторых системах
реентерабельность программы получается автоматически, благодаря неизменяемости кодовых частей
программ при исполнении (из-за особенностей системы команд машины), а также автоматическому
распределению регистров, автоматическому отделению кодовых частей программ от данных и
помещению последних в системную область памяти. Естественно, что для этого необходима
соответствующая аппаратная поддержка. В других случаях это достигается программистами за счет
использования специальных системных модулей. Принцип модульности отражает технологические
и эксплуатационные свойства системы. Наибольший эффект от его использования достижим в
случае, когда принцип распространен одновременно на ОС, прикладные программы и аппаратуру.
Принцип функциональной избирательности
В ОС выделяется некоторая часть важных модулей, которые должны постоянно находиться в
оперативной памяти для более эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть в ОС
называют ядром, так как это действительно основа системы. При формировании состава ядра требуется
учитывать два противоречивых требования. В состав ядра должны войти наиболее часто используемые
системные модули. Количество модулей должно быть таковым, чтобы объем памяти, занимаемый
ядром, был бы не слишком большим. В состав ядра, как правило, входят модули по управлению
системой прерываний, средства по переводу программ из состояния счета в состояние ожидания,
готовности и обратно, средства по распределению таких основных ресурсов, как оперативная память и
процессор. Помимо программных модулей, входящих в состав ядра и постоянно располагающихся в
оперативной памяти, может быть много других системных программных модулей, которые получают
название транзитных. Транзитные программные модули загружаются в оперативную память только при
необходимости и в случае отсутствия свободного пространства могут быть замещены другими
транзитными модулями. В качестве синонима к термину "транзитный" можно использовать термин
"диск-резидентный".
Принцип генерируемости ОС
Основное положение этого принципа определяет такой способ исходного представления центральной
системной управляющей программы ОС (ее ядра и основных компонентов, которые должны постоянно
находится в оперативной памяти), который позволял бы настраивать эту системную супервизорную
часть, исходя из конкретной конфигурации конкретного вычислительного комплекса и круга решаемых
задач. Эта процедура проводится редко, перед достаточно протяженным периодом эксплуатации ОС.
Процесс генерации осуществляется с помощью специальной программы-генератора и
соответствующего входного языка для этой программы, позволяющего описывать программные
возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерации получается полная версия ОС.
Сгенерированная версия ОС представляет собой совокупность системных наборов модулей и данных.
Упомянутый раньше принцип модульности положительно проявляется при генерации ОС. Он
существенно упрощает настройку ОС на требуемую конфигурацию вычислительной системы. В наши
дни при использовании персональных компьютеров с принципом генерируемости ОС можно
столкнуться разве что только при работе с Linux. В этой UNIX-система имеется возможность не только
использовать какое-либо готовое ядро ОС, но и самому сгенерировать (скомпилировать) такое ядро,
52
которое будет оптимальным для данного конкретного персонального компьютера и решаемых на нем
задач. Кроме генерации ядра в Linux имеется возможность указать и набор подгружаемых драйверов и
служб, то есть часть функций может реализовываться модулями, непосредственно входящими в ядро
системы, а часть - модулями, имеющими статус подгружаемых, транзитных.
В остальных современных распространенных ОС для персональных компьютеров конфигурирование
ОС под соответствующий состав оборудования осуществляется на этапе инсталляции, а потом состав
драйверов и изменение некоторых параметров ОС может быть осуществлено посредством
редактирования конфигурационного файла.
Принцип функциональной избыточности
Принцип функциональной избыточности: Этот принцип учитывает возможность проведения одной и
той же работы различными средствами. В состав ОС может входить несколько типов мониторов
(модулей супервизора, управляющих тем или другим видом ресурса), различные средства организации
коммуникаций между вычислительными процессами. Наличие нескольких типов мониторов,
нескольких систем управления файлами позволяет пользователям быстро и наиболее адекватно
адаптировать ОС к определенной конфигурации вычислительной системы, обеспечивать максимально
эффективную загрузку технических средств при решении конкретного класса задач, получать
максимальную производительность при решении заданного класса задач.
Принцип виртуализации
Принцип виртуализации: построение виртуальных ресурсов, их распределение и использование в
настоящее время применяется практически в любой ОС. Этот принцип позволяет представить
структуру системы в виде определенного набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов
(мониторов) и использовать единую централизованную схему распределения ресурсов.
Наиболее естественным и законченным проявлением концепции виртуальности является понятие
виртуальной машины. Виртуальная машина, предоставляемая пользователю, воспроизводит
архитектуру реальной машины, но архитектурные элементы в таком представлении выступают с
новыми или улучшенными характеристиками, как правило, упрощающими работу с системой.
Характеристики могут быть произвольными, но чаще всего пользователи желают иметь собственную
«идеальную» по архитектурным характеристикам машину в следующем составе:
 единообразная по логике работы виртуальная память практически неограниченного объема;
 произвольное количество виртуальных процессоров, способных работать параллельно и
взаимодействовать во время работы;
 произвольное количество внешних виртуальных устройств, способных работать с памятью
виртуальной машины параллельно или последовательно, асинхронно или синхронно по
отношению к работе того или иного виртуального процессора, инициирующего работу этих
устройств.
Одним из аспектов виртуализации является организация возможности выполнения в данной ОС
приложений, которые разрабатывались для других ОС. Другими словами, речь идет об организации
нескольких операционных сред.
Принцип независимости программ от внешних устройств
Принцип совместимости
Одним из аспектов совместимости является способность ОС выполнять программы, написанные для
других ОС или для более ранних версий данной ОС, а также для другой аппаратной платформы.
Необходимо разделять вопросы двоичной совместимости и совместимости на уровне исходных текстов
приложений.
Двоичная совместимость достигается в том случае, когда можно взять исполняемую программу и
запустить ее на выполнение на другой ОС. Для этого необходимы совместимость на уровне команд
процессора, и совместимость на уровне системных вызовов, и даже на уровне библиотечных вызовов,
если они являются динамически связываемыми.
Совместимость на уровне исходных текстов требует наличия соответствующего транслятора в составе
системного программного обеспечения, а также совместимости на уровне библиотек и системных
53
вызовов. При этом необходима перекомпиляция имеющихся исходных текстов в новый выполняемый
модуль.
Гораздо сложнее достичь двоичной совместимости между процессорами, основанными на разных
архитектурах. Для того чтобы один компьютер выполнял программы другого (например, программу для
ПК типа IBM PC желательно выполнить на ПК типа Macintosh фирмы Apple), этот компьютер должен
работать с машинными командами, которые ему изначально непо-нятны. В таком случае процессор
типа 680×0 (или PowerPC) должен исполнять двоичный код, предназначенный для процессора i80×86.
Процессор 80×86 имеет свои собственные дешифратор команд, регистры и внутреннюю архитектуру.
Процессор 680×0 не понимает двоичный код 80×86, поэтому он должен выбрать каждую команду,
декодировать ее, чтобы определить, для
чего она предназначена, а затем выполнить эквивалентную подпрограмму, написанную для 680×0.
Одним из средств обеспечения совместимости программных и пользовательских интерфейсов является
соответствие стандартам POSIX, использование которого позволяет создавать программы в стиле
UNIX, легко переносимых впоследствии из одной системы в другую.
Принцип открытости и наращиваемости
Открытая ОС доступна для анализа как пользователям, так и системным специалистам,
обслуживающим вычислительную систему. Наращиваемая (модифицируемая, развиваемая) ОС
позволяет не только использовать возможности генерации, но и вводить в ее состав новые модули,
совершенствовать существующие и т.д. Другими словами, следует обеспечить возможность легкого
внесения дополнений и изменений в необходимых случаях без нарушения целостности системы.
Прекрасные возможности для расширения предоставляет подход к структурированию ОС по типу
клиент-сервер с использованием микро-ядерной технологии. В соответствии с этим подходом ОС
строится
как
совокупность
привилегированной
управляющей
программы
и
набора
непривилегированных услуг (серверов). Основная часть ОС остается неизменной, и в то же время могут
быть добавлены новые серверы или улучшены старые. Этот принцип иногда трактуют как
расширяемость системы.
Принцип мобильности: ОС относительно легко должна переноситься с процессора одного типа на
процессор другого типа и с аппаратной платформы одного типа, которая включает наряду с типом
процессора и способ организации всей аппаратуры компьютера (архитектуру вычислительной
системы), на аппаратную платформу другого типа. Заметим, что принцип переносимости очень близок
принципу совместимости, хотя это и не одно и то же. Создание переносимой ОС аналогично написанию
любого переносимого кода, при этом нужно следовать некоторым правилам:
 большая часть ОС должна быть выполнена на языке, имеющемся на всех системах, на которые
планируется в дальнейшем ее переносить. Это, прежде всего, означает, что ОС должна быть
написана на языке высокого уровня, предпочтительно стандартизованном, например, на языке С.
Программа, написанная на ассемблере, не является в общем случае переносимой;
 важно минимизировать или, если возможно, исключить те части кода, которые непосредственно
взаимодействуют с аппаратными средствами. Зависимость от аппаратуры может иметь много
форм. Некоторые очевидные формы зависимости включают прямое манипулирование
регистрами и другими аппаратными средствами. Наконец, если аппаратнозависимый код не
может быть полностью исключен, то он должен быть изолирован в нескольких хорошо
локализуемых модулях. Аппаратнозависимый код не должен быть распределен по всей системе.
Например, можно спрятать аппаратно-зависимую структуру в програмно задаваемые данные
абстрактного типа.
Введение стандартов POSIX преследовало цель обеспечить переносимость создаваемого ПО.
Принцип обеспечения безопасности вычислений
Обеспечение безопасности при выполнении вычислений является желательным свойством для любой
многопользовательской системы. Правила безопасности определяют такие свойства, как защиту
ресурсов одного пользователя от других и установление квот по ресурсам для предотвращения захвата
одним пользователем всех системных ресурсов таких, например, как память.
Обеспечение защиты информации от несанкционированного доступа является обязательной функцией
сетевых ОС.
54
55
ВОПРОС 7. Назначение и виды ИКТ
Виды информационных и коммуникационных технологий
1. Информационная технология обработки данных
2. Информационная технология управления
3. Автоматизация офисной деятельности
4. Информационная технология поддержки принятия решений
5. Экспертные системы
Информационная технология обработки данных предназначена для решения хорошо
структурированных задач, по которым имеются необходимые входные данные и известны алгоритмы
обработки. Эта технология применяется на уровне операционной деятельности персонала невысокой
квалификации в целях автоматизации некоторых рутинных постоянно повторяющихся операций
управленческого труда. Поэтому внедрение ИТ и систем на этом уровне существенно повысит
производительность труда персонала, освободит его от рутинных операций, возможно, даже приведет к
необходимости сокращения численности работников. На уровне операционной деятельности решаются
следующие задачи:
 обработка данных об операциях, производимых фирмой;
 создание периодических контрольных отчетов о состоянии дел в фирме;
 получение ответов на всевозможные текущие запросы и оформление их в виде бумажных
документов или отчетов.
Информационная технология управления. Цель информационной технологии управления –
удовлетворение информационных потребностей всех без исключения сотрудников фирмы, имеющих
дело с принятием решений. ИС управления идеально подходят для удовлетворения сходных
информационных потребностей работников различных функциональных подсистем (подразделений)
или уровней управления фирмой. Поставляемая ими информация содержит сведения о прошлом,
настоящем и вероятном будущем фирмы. Эта информация имеет вид регулярных или специальных
управленческих отчетов.
Входная информация поступает из систем операционного уровня. Выходная информация формируется
в виде управленческих отчетов в удобном для принятия решения виде.
Информационная технология управления.
Основные компоненты
Содержимое БД при помощи соответствующего ПО преобразуется в периодические и специальные
отчеты, поступающие к специалистам, участвующим в принятии решений в организации.
56
Автоматизация офисной деятельности.
Информационная технология поддержки принятия решений. Выработка решения, что является
основной целью этой технологии, в ходе которой участвуют:
 система поддержки принятия решений (СППР) в роли вычислительного звена и объекта
управления;
 лица, принимающего решение, оценивающего полученный результат вычислений на
компьютере.
Отличительные характеристики:
 ориентация на решение плохо структурированных (формализованных) задач;
 сочетание традиционных методов доступа и обработки компьютерных данных с возможностями
математических моделей и методами решения задач на их основе;
 направленность на непрофессионального пользователя компьютера;
 высокая адаптивность, обеспечивающая возможность приспосабливаться к особенностям ПО.
Информационная технология поддержки принятия решений.
Основные компоненты:
В состав системы поддержки принятия решений входят три главных компонента: БД, база моделей и
программная подсистема, которая состоит из системы управления базой данных (СУБД), системы
управления базой моделей (СУБМ) и системы управления интерфейсом между пользователем и
компьютером.
57
ВОПРОС 8. Топология: определение. Типовые топологии сетей
Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается
физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями
связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых
структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от
пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному
пути.
Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее
удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя
выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных
топологий, их достоинствах и недостатках надо.
Существует три базовые топологии сети:
Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от
каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 1).
Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные
компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рис. 2). Информация от
периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального — одному
или нескольким периферийным.
Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце
всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию
только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от
предыдущего в цепочке компьютера (рис. 3).
Рис. 1. Сетевая топология шина
Топология шина (или, как ее еще называют, общая шина) самой своей структурой предполагает
идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к
сети. Компьютеры в шине могут передавать только по очереди, так как линия связи в данном случае
единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она
исказится в результате наложения (конфликта, коллизии). В шине всегда реализуется режим так
называемого полудуплексного обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).
В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через который передается вся
информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся
управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно
даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное
количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.
Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае
ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура
при топологии шина сложнее, чем при других топологиях. Тем не менее из-за широкого
распространения сетей с топологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость
сетевого оборудования не слишком высока. Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе
любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать обмен.
58
Рис. 2. Сетевая топология звезда
Звезда — это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все
остальные абоненты. Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на
который ложится большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он, как правило, заниматься не
может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более
сложным, чем оборудование периферийных абонентов. О равноправии всех абонентов (как в шине) в
данном случае говорить не приходится. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на
него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда
в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.
Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного
компьютера или его сетевого оборудования никак не отражается на функционировании оставшейся
части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В
связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального
компьютера и его сетевой аппаратуры.
Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним
компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально.
Серьезный недостаток топологии звезда состоит в жестком ограничении количества абонентов.
Рис. 3. Сетевая топология кольцо
Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и
равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет
обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента
снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.
На практике нередко используют и другие топологии локальных сетей, однако большинство сетей
ориентировано именно на три базовые топологии.
59
ВОПРОС 9. Сети с коммутацией пакетов. Буферизация. Методы продвижения пакетов
Коммутация пакетов (англ. packetswitching) — способ доступа нескольких абонентов к общей сети, при котором
информация разделяется на части небольшого размера (так называемые пакеты), которые передаются в сети
независимо друг от друга. Узел-приёмник собирает сообщение из пакетов. В таких сетях по одной физической
линии связи могут обмениваться данными много узлов.
При коммутации пакетов все передаваемые пользователем данные разбиваются передающим узлом на небольшие
(до нескольких килобайт) части — пакеты (packet). Каждый пакет оснащается заголовком, в котором
указывается, как минимум, адрес узла-получателя и номер пакета. Передача пакетов по сети происходит
независимо друг от друга. Коммутаторы такой сети имеют внутреннюю буферную память для временного
хранения пакетов, что позволяет сглаживать пульсации трафика на линиях связи между коммутаторами. Пакеты
иногда называют дейтаграммами (datagram), а режим индивидуальной коммутации пакетов — дейтаграммным
режимом.
Одним из механизмов, заметно расширяющих возможности пакетных сетей, является буферизация данных.
Буферизация решает несколько задач. Первая – проверка целостности данных.
Так, коммутатор, получив и сохранив в своем буфере пакет, может проверить его целостность в соответствии с
контрольной суммой, указанной в заголовке. Вторая – согласование скоростей. Функция позволяет передавать
данные по каналам с разной пропускной способностью. Если на коммутатор приходят данные со скоростью,
превышающей скорость линии, в которую должны уйти пакеты, коммутатор может использовать буфер для
временного хранения поступающих данных. Также буфер может быть использован для хранения пакетов в том
случае, если коммутатору не хватает мощности просмотреть все приходящие пакеты, просчитать контрольные
суммы и обработать их в соответствии с заголовками.
Достоинства коммутации пакетов
 эффективность использования пропускной способности.
 при перегрузе сети никого не «выбрасывает» с сообщением «сеть занята», сеть просто снижает всем
абонентам скорость передачи.
 абонент, использующий свой канал не полностью, фактически отдаёт пропускную способность сети
остальным, поэтому меньшие затраты.
Недостатки коммутации пакетов
 сложное устройство;
 без микропроцессорной техники пакетную сеть наладить практически невозможно;
 пропускная способность расходуется на технические данные;
 пакет может ждать своей очереди в коммутаторе.
Сеть с коммутацией пакетов замедляет процесс взаимодействия каждой конкретной пары узлов, поскольку их
пакеты могут ожидать в коммутаторах, пока передадутся другие пакеты. Однако общая эффективность (объем
передаваемых данных в единицу времени) при коммутации пакетов будет выше, чем при коммутации каналов.
Это связано с тем, что трафик каждого отдельного абонента носит пульсирующий характер, а пульсации разных
абонентов, в соответствии с законом больших чисел распределяются во времени, увеличивая равномерность
нагрузки.
Буферизация пакетов
Неопределенность и асинхронность перемещения данных в сетях с коммутацией пакетов предъявляет особые
требования к работе коммутаторов в таких сетях.
Главное отличие пакетных коммутаторов от коммутаторов в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что они
имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов.
Действительно пакетный коммутатор не может принять решения о продвижении пакета, не имея в своей памяти
всего пакета. Коммутатор проверяет контрольную сумму, и только если она говорит о том, что данные пакета не
искажены, начинает обрабатывать пакет и по адресу назначения определяет следующий коммутатор. Поэтому
каждый пакет последовательно бит за битом помещается во входной буфер. Имея в виду это свойство, говорят,
что сети с коммутацией пакетов использует технику сохранения с продвижением. Для этой цели достаточно
иметь буфер размером в один пакет.
Коммутатору нужны буферы для согласования скоростей передачи данных в линиях связи, подключенных к его
интерфейсам. Действительно, если скорость поступления пакетов из одной линии связи в течении некоторого
периода превышает пропускную способность той линии связи, в которую эти пакеты должны быть направлены,
то во избежание потерь пакетов на целевом интерфейсе необходимо организовать выходную очередь.
Буферизация необходима пакетному коммутатору также для согласования скорости поступления пакетов со
скоростью их коммутации. Если коммутирующий блок не успевает обрабатывать пакеты (анализировать
заголовки и перебрасывать пакеты на нужный интерфейс), то на интерфейсах коммутатора возникают входные
очереди. Очевидно, что для хранения входной очереди объем буфера должен превышать размер одного пакета.
60
Существуют различные подходы к построению коммутирующего блока. Традиционный способ основан на одном
процессоре, который обслуживает все входные очереди коммутатора. Такой способ построения может приводить
к большим очередям, т. к. производительность процессора разделяется между несколькими очередями.
Современные способы построения коммутирующего блока основаны на многопроцессорном подходе, когда
каждый интерфейс имеет свой встроенный процессор для обработки пакетов. Кроме того, существует CPU,
координирующий работу интерфейсных процессоров. Использование интерфейсных процессоров повышает
производительность коммутатора и уменьшает очереди во входных интерфейсах. Однако такие очереди всё
равно могут возникать, т. к. CPU по-прежнему остается «узким местом». Поскольку объем буферов в
коммутаторах ограничен, иногда происходит потеря пакетов из-за переполнения буферов при временной
перегрузки части сети, когда совпадают периоды пульсации нескольких информационных потоков. Для сетей с
коммутацией пакетов потеря пакетов является обычным явлением, и для компенсации таких потерь в данной
сетевой технологии предусмотрен ряд спец. механизмов.
Пакетный коммутатор может работать на основании одного из трёх методов продвижения пакетов:
 дейтаграммная передача;
 передача с установлением логического соединения;
 передача с установлением виртуального канала.
Дейтаграммная передача
Дейтаграммный способ передачи данных основан на том, что все передаваемые пакеты продвигаются
(передаются от одного узла сети к другому) независимо друг от друга на основании одних и тех же правил.
Процедура обработки пакета определяется только значениями параметров, которые он несет в себе, и текущим
состоянием сети (например, в зависимости от ее нагрузки пакет может стоять в очереди на обслуживание
большее или меньшее время). Однако никакая информация об уже передаваемых пакетах не хранится и в ходе
обработки очередного пакета во внимание не принимается. Т. е. каждый отдельный пакет рассматривается сетью
как совершенно независимая единица передачи – дейтаграмма.
Передача с установлением логического соединения
Данный способ продвижения пакетов основывается на знании устройствами сети «истории» обмена данными,
например, на запоминании узлом-отправителем числа отправленных, а узлом-получателем – числа полученных
пакетов. Такого рода информация фиксируется в рамках логического соединения.
Процедура согласования двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами
называется установлением логического соединения. Параметры, о которых договариваются два
взаимодействующих узла, называются параметрами логического соединения.
Наличие логического соединения позволяет более рационально по сравнению с дейтаграммным способом
обрабатывать пакеты. Например, при потере нескольких предыдущих пакетов может быть снижена скорость
отправки последующих. Или благодаря нумерации пакетов и отслеживанию номеров отправленных и принятых
пакетов можно повысить надежность путем отбрасывания дубликатов, упорядочивания поступивших и
повторения передачи потерянных пакетов.
Параметры соединения могут быть: постоянными, т. е. не изменяющимися в течении всего соединения
(например, идентификатор соединения, способ шифрования пакета или максимальный размер поля данных
пакета), или переменными, т. е. динамически отражающими текущее состояние соединения (например,
последовательные номера передаваемых пакетов).
Когда отправитель и получатель фиксируют начало нового соединения, они, прежде всего, «договариваются» о
начальных значениях параметров процедуры обмена и только после этого начинают передачу собственных
данных. Передача с установлением соединения более надежна, но требует больше времени для передачи данных
и вычислительных затрат от конечных узлов (рис. 3.10).
Процедура установления соединения состоит обычно из трех шагов:
1. узел – инициатор соединения отправляет узлу – получателю служебный пакет с предложением
установить соединение;
2. если узел – получатель согласен с этим, то он посылает в ответ служебный пакет, подтверждающий
установление соединения и предлагающий некоторые параметры, которые будут использоваться в рамках
данного логического соединения (это могут быть, например, идентификатор соединения, количество
кадров, которые можно отправить без получения подтверждения и т. д.);
3. узел – инициатор может закончить процесс установления соединения отправкой третьего служебного
пакета, в котором сообщит, что предложенные параметры ему подходят.
Логическое соединение может быть рассчитано на передачу данных как в одном направлении – от инициатора
соединения, так и в обоих направлениях. После передачи некоторого законченного набора данных, например,
определенного файла, узе-отправитель инициирует разрыв данного логического соединения, присылая
соответствующий служебный кадр.
В отличии от передачи дейтаграммного типа, в которой поддерживается только один тип кадра –
информационный, передача с установлением соединения должна поддерживать как минимум два типа кадров –
информационные кадры переносят собственно пользовательские данные, а служебные предназначаются для
61
установления (разрыва) соединения. После того как соединение установлено и все параметры согласованы,
конечные узлы начинают передачу собственно данных. пакеты данных обрабатываются коммутаторами точно
так же, как и при дейтаграммной передаче: из заголовков пакетов извлекаются адреса назначения и сравниваются
с записями в таблицах коммутации, содержащих информацию о следующих шагах по маршруту. Так же как
дейтаграммы, пакеты, относящиеся к одному логическому соединению, в некоторых случаях (например, при
отказе линии связи) могут доставляться адресату по разным маршрутам. Однако, передача с установлением
соединения имеет важное отличие от дейтаграммной передачи, поскольку в ней помимо обработки пакетов на
коммутаторах имеет место дополнительная обработка пакетов на конечных узлах. Например, если при
установлении соединения была оговорена передача данных в зашифрованном виде, то шифрование пакетов
выполняется узлом-отправителем, а расшифровка – узлом-получателем. Аналогично, для обеспечения в рамках
логического соединения надежности всю работу по нумерации пакетов, отслеживанию номеров доставленных и
недоставленных пакетов, посылки копий и отбрасывания дубликатов берут на себя конечные узлы.
Примечание. Некоторые параметры логического соединения могут рассматриваться еще и как признаки
информационного потока между узлами, установившими это логическое соединение.
Механизм установления логического соединения позволяет реализовать дифференцированное обслуживание
информационных потоков. Разное обслуживание могут получить даже потоки, относящиеся к одной и той же
паре конечных узлов. Например, пара конечных узлов может установить два параллельно работающих
логических соединения, в одном из которых будет передавать данные в зашифрованном виде, а в другом –
открытым текстом.
Передача с установлением логического соединения предоставляет больше возможностей в плане надежности и
безопасности обмена данными, чем дейтаграммная передача. Однако этот способ более медленный, т. к. он
подразумевает дополнительные вычислительные затраты на установление и поддержание соединения.
Передача с установлением виртуального канала
Передача с установлением виртуального канала – частный случай логического соединения, в число параметров
которого входит жестко определенный для всех пакетов маршрут. Т. е. все пакеты, передаваемые в рамках
данного соединения, должны проходить по одному и тому же закрепленному за этим соединением пути.
Единственный, заранее проложенный фиксированный маршрут, соединяющий конечные узлы в сети с
коммутацией пакетов, называются виртуальным каналом.
Виртуальные каналы прокладываются для устойчивых информационных потоков. С целью выделения потока
данных из общего трафика каждый пакет этого потока помечается спец. видом признака – меткой. Так же как в
сетях с установлением логических соединений, прокладка виртуального канала начинается с отправки из узлаисточника спец. пакета – запроса на установление соединения. В запросе указывается адрес назначения и метка
потока, для которого прокладывается этот виртуальный канал. Запрос, проходя по сети, формирует новую запись
в каждом из коммутаторов, расположенных на пути от отправителя до получателя. Запись говорит о том, каким
образом коммутатор должен обслуживать пакет, имеющий заданную метку. Образованный виртуальный канал
идентифицируется той же меткой. После прокладки виртуального канала сеть может передавать по нему
соответствующий поток данных. Во всех пакетах, которые переносят пользовательские данные, адрес назначения
уже не указывается, его играет роль метка виртуального канала. При поступлении пакета на входной интерфейс
коммутатор читает значение метки из заголовка пришедшего пакета и просматривает свою таблицу коммутации,
по которой определяет, на какой выходной порт передать пришедший пакет.
Рис. 3.8. Буферы и очереди пакетов в коммутаторе
Рис. 3.10. Передача без установления
соединения (а) и с установлением
соединения (б)
62
ВОПРОС 10. Многоуровневый подход к задаче сетевого взаимодействия. Понятие
протокола и стека протоколов. Понятие открытой системы и ее преимущества
Преимущества
Для решения сложнейших задач взаимодействия различных сетевых компонентов при организации
вычислительных сетей используется универсальный принцип декомпозиции, согласно которому
решение сложной задачи может быть представлено совокупностью решений нескольких более простых
задач – модулей. При этом определяются конкретные функции каждого модуля, решающего какуюлибо отдельную задачу, и интерфейсы взаимодействия между этими модулями. В результате логически
упрощается решение общей задачи и становится возможной модификация отдельных модулей
фактически без изменения остальных.
При декомпозиции часто используют многоуровневый подход. Он заключается в следующем. Все
множество модулей разбивают на уровни. Уровни образуют иерархию, то есть имеются вышележащие
и нижележащие уровни. Множество модулей, составляющих каждый уровень, формируется таким
образом, что для выполнения своих задач они обращаются с запросами только к модулям
непосредственно примыкающего нижележащего уровня. С другой стороны, результаты работы всех
модулей, принадлежащих некоторому уровню, могут быть переданы только модулям соседнего
вышележащего уровня. Такая иерархическая декомпозиция задачи предполагает четкое определение
функции каждого уровня и интерфейсов между уровнями. Интерфейс определяет набор функций,
которые нижележащий уровень предоставляет вышележащему. В результате иерархической
декомпозиции достигается относительная независимость уровней, а значит, и возможность их легкой
модификации или замены.
Многоуровневое представление средств сетевого взаимодействия имеет свою специфику, связанную с
тем, что в процессе обмена сообщениями участвуют как минимум две вычислительных машины (узла
сети), то есть в данном случае необходимо организовать согласованную работу двух «иерархий». При
передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений.
Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения
длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т. п. Другими словами,
соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня – уровня
передачи битов – до самого высокого уровня, который реализует прикладной сервис для пользователей
сети.
Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми
обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называют в сетевых
спецификациях протоколом. Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в
одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и
с помощью стандартизованных форматов сообщений. Совокупность этих правил в сетевых
спецификациях принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор сервисов,
предоставляемый данным уровнем соседнему уровню. В сущности, протокол и интерфейс выражают
одно и то же понятие, но традиционно в сетях за ними закрепили разные области действия: протоколы
определяют правила взаимодействия модулей одного уровня в разных узлах, а интерфейсы –
модулей соседних уровней в одном узле. Средства каждого уровня должны отрабатывать, во-первых,
свой собственный протокол, а во-вторых, интерфейсы с соседними уровнями.
Иерархически организованный набор протоколов, достаточный для организации взаимодействия
узлов в сети, называется стеком коммуникационных протоколов.
Коммуникационные протоколы могут быть реализованы как программно, так и аппаратно. Протоколы
нижних уровней обычно реализуются комбинацией программных и аппаратных средств, а протоколы
верхних уровней – как правило, чисто программными средствами.
Общепринято называть «протоколом» сам программный модуль, реализующий данный протокол как
формально определенную процедуру. Каждый протокол может иметь несколько вариантов
программной реализации. Поэтому при сравнении и выборе протоколов учитывается как логика их
работы, так и качество программной реализации. Естественно, что качество всей совокупности
протоколов (стека) оказывает решающее влияние на эффективность взаимодействия всех сетевых
устройств, реализующих те или иные наборы протоколов.
63
При практической реализации сетей используются некоторые стандартизованные протоколы. От
степени соответствия принятым стандартам зависит не только совместимость отдельного оборудования,
но и в целом работоспособность всей сети.
Наиболее популярны две модели многоуровневого подхода к разработке средств сетевого
взаимодействия. Одной из этих моделей является традиционно описываемая в литературе
семиуровневая модель взаимодействия открытых систем OSI (Open System Interconnection) или в
русскоязычном варианте – эталонная модель взаимодействия открытых систем (ЭМВОС).
Другой моделью является четырёхуровневая модель взаимодействия открытых систем DoD
(Министерство Обороны США), которая использована при разработке реально действующего и самого
распространенного на сегодняшний день стека протоколов TCP/IP, обеспечивающего на практике
работу сети Интернет.
Модель OSI была разработана рядом международных организаций по стандартизации, такими как ISO
(International Standards Organization), ITU (International Telecommunication Union) и другими, и
предложена в 1984 году в качестве стандартизованной единой модели протокольного стека,
получившего наименование «X.200». Модель OSI определяет различные уровни взаимодействия
открытых систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнить каждый
уровень. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней:
 прикладной;
 представительный;
 сеансовый;
 транспортный;
 сетевой;
 канальный;
 физический.
Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Однако необходимо отметить, что модель OSI носит исключительно концептуальный, а не
практический характер. Хорошо известно, что в соответствии с моделью OSI не было реализовано ни
одного практически применяемого протокола, а наиболее распространенные стеки протоколов (в
частности, TCP/IP и протоколы телефонных сетей) не соответствуют модели OSI и не содержат
значительной части ее уровней или содержат эти уровни лишь в вырожденном виде. Причиной такого
положения вещей является то, что архитектура стека OSI была разработана в тот период времени, когда
еще не было достаточного опыта построения и эксплуатации крупномасштабных вычислительных
сетей, а соответственно во многом были неясны практические требования к таким сетям и проблемы,
возникающие при их реализации. Кроме этого, при создании модели OSI не был должным образом
учтен опыт разработчиков одной из первых реально функционирующих вычислительных сетей, а
именно сети ARPANet (сеть Агенства перспективных исследовательских программ). При этом даже
предпринятые в 1994 году попытки пересмотра (с учетом накопленного опыта) ряда концепций модели
OSI по существу не исправили искусственности построения этой модели и даже ее некоторой
неадекватности реально существующим сетям.
Модель, известная как модель DoD или ARM (эталонная модель сети ARPANet), в момент ее
разработки представляла собой описание фактически существовавшей и исторически сложившейся
архитектуры сети ARPANet. Согласованность моделей OSI и DoD отмечается лишь относительно
нижних четырех уровней, которые как раз и присутствуют в модели DoD.
64
ВОПРОС 11. Открытые системы. Модель OSI. Состав и общая характеристика.
Уровни модели OSI.
Открытая система – вычислительная среда, состоящая из аппаратных и программных продуктов и
технологий, разработанных в соответствии с общедоступными и общепринятыми (международными)
стандартами. Обязательными свойствами открытых систем являются:
1. переносимость;
2. интероперабильность;
3. масштабируемость;
4. доступность программного и аппаратного обеспечения для развития и реструктуризации.
Модель взаимодействия открытых систем (Open System Interconnection, OSI) определяет различные
уровни взаимодействия систем в сетях с коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает,
какие функции должен выполнять каждый уровень.
В модели OSI (рис. 1) средства взаимодействия делятся на семь уровней:
 прикладной;
 представительный;
 сеансовый;
 транспортный;
 сетевой;
 канальный;
 физический.
Каждый уровень имеет дело с определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Рис. 1. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI
65
Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, реализуемые ОС, системными
утилитами и аппаратными средствами. Модель не включает средства взаимодействия приложений
конечных пользователей. Собственные протоколы взаимодействия приложения реализуют, обращаясь к
системным средствам. Поэтому необходимо различать уровень взаимодействия приложений и
прикладной уровень.
Следует иметь в виду, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней
модели OSI. Например, некоторые СУБД имеют встроенные средства удаленного доступа к файлам. В
этом случае приложение, выполняя доступ к удаленным ресурсам, не использует системную файловую
службу; оно обходит верхние уровни модели OSI и обращается напрямую к системным средствам,
ответственным за транспортировку сообщений по сети, которые располагаются на нижних уровнях
модели OSI.
Итак, пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например, к файловой службе.
На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение
стандартного формата. Обычное сообщение состоит из заголовка и поля данных. Заголовок содержит
служебную информацию, которую необходимо передать через сеть прикладному уровню машиныадресата, чтобы сообщить ему, какую работу надо выполнить. В нашем случае заголовок, очевидно,
должен содержать информацию о местонахождении файла и о типе операции, которую необходимо
выполнить. Поле данных сообщения может быть пустым или содержать какие-либо данные, например,
те, которые необходимо записать в удаленный файл. Но для того чтобы доставить эту информацию по
назначению, предстоит решить еще много задач, ответственность за которые несут нижележащие
уровни.
После формирования сообщения прикладной уровень направляет его вниз по стеку представительному
уровню. Протокол представительного уровня на основании информации, полученной из заголовка
прикладного уровня, выполняет требуемые действия и добавляет к сообщению собственную служебную
информацию — заголовок представительного уровня, в котором содержатся указания для протокола
представительного уровня машины-адресата. Полученное в результате сообщение передается вниз
сеансовому уровню, который в свою очередь добавляет свой заголовок, и т. д. (Некоторые протоколы
помещают служебную информацию не только в начале сообщения в виде заголовка, но и в конце, в
виде так называемого "концевика".) Наконец, сообщение достигает нижнего, физического уровня,
который, собственно, и передает его по линиям связи машине-адресату. К этому моменту сообщение
"обрастает" заголовками всех уровней (рис. 2).
Рис. 2. Вложенность сообщений различных уровней
Когда сообщение по сети поступает на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и
последовательно перемещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и
обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем
удаляет этот заголовок и передает сообщение вышележащему уровню.
Наряду с термином сообщение (message) существуют и другие термины, применяемые сетевыми
специалистами для обозначения единиц данных в процедурах обмена. В стандартах ISO для
обозначения единиц данных, с которыми имеют дело протоколы разных уровней, используется общее
название протокольный блок данных (Protocol Data Unit, PDU). Для обозначения блоков данных
определенных уровней часто используются специальные названия: кадр (frame), пакет (packet),
дейтаграмма (datagram), сегмент (segment).
66
ВОПРОС 12. Модель OSI. Физический, канальный и сетевой уровни.
Характеристика и функции. Примеры протоколов из различных стеков.
Модель взаимодействия открытых систем (OSI) определяет различные уровни взаимодействия систем в сетях с
коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый
уровень. В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представительный,
сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с определенным
аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Физический уровень имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, как коаксиальный
кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или цифровой территориальный канал. К этому уровню имеют
отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания,
помехозащищенность, волновое сопротивление и другие. На этом же уровне определяются характеристики
электрических сигналов, передающих дискретную информацию, такую как крутизна фронтов импульсов, уровни
напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь
стандартизируются типы разъемов и назначение каждого контакта. Реализуется аппаратно. Физический
уровень:
 передача битов по физическим каналам;
 формирование электрических сигналов;
 кодирование информации;
 синхронизация;
 модуляция.
Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера
функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом.
Примером протокола физического уровня может служить спецификация 10Base-T технологии Ethernet, которая
определяет в качестве используемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волновым
сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физического сегмента 100 метров, манчестерский
код для представления данных в кабеле, а также некоторые другие характеристики среды и электрических
сигналов.
Канальный уровень. На физическом уровне просто пересылаются биты. При этом не учитывается, что в тех
сетях, в которых линии связи используются (разделяются) попеременно несколькими парами
взаимодействующих компьютеров, физическая среда передачи может быть занята. Поэтому одной из задач
канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другая задача канального уровня —
реализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в
наборы, называемые кадрами (frames). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи каждого кадра
помещая специальную последовательность бит в начало и конец каждого кадра, для его выделения, а также
вычисляет контрольную сумму, обрабатывая все байты кадра определенным способом, и добавляет контрольную
сумму к кадру. Когда кадр приходит по сети, получатель снова вычисляет контрольную сумму полученных
данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным
и принимается. Если же контрольные суммы не совпадают, то фиксируется ошибка. Канальный уровень может не
только обнаруживать ошибки, но и исправлять их за счет повторной передачи поврежденных кадров.
Необходимо отметить, что функция исправления ошибок для канального уровня не является обязательной,
поэтому в некоторых протоколах этого уровня она отсутствует, например, в Ethernet и frame relay. Реализуются
программно-аппаратно.
Функции канального уровня
Надежная доставка пакета:
1. между двумя соседними станциями в сети с произвольной топологией;
2. между любыми станциями в сети с типовой топологией:
 проверка доступности разделяемой среды;
 выделение кадров из потока данных, поступающих по сети; формирование кадров при отправке
данных;
 подсчет и проверка контрольной суммы.
В протоколах канального уровня, используемых в локальных сетях, заложена определенная структура связей
между компьютерами и способы их адресации. Хотя канальный уровень и обеспечивает доставку кадра между
любыми двумя узлами локальной сети, он это делает только в сети с определенной топологией связей, именно
той топологией, для которой он был разработан. К таким типовым топологиям, поддерживаемым протоколами
канального уровня локальных сетей, относятся "общая шина", "кольцо" и "звезда", а также структуры,
67
полученные из них с помощью мостов и коммутаторов. Примерами протоколов канального уровня являются
протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
В локальных сетях протоколы канального уровня используются компьютерами, мостами.
68
Сетевой уровень служит для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей,
причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений между конечными узлами и
обладать произвольной структурой связей. Функции сетевого уровня достаточно разнообразны.
Протоколы канального уровня локальных сетей обеспечивают доставку данных между любыми узлами только в
сети с соответствующей типовой топологией, например, топологией иерархической звезды. Это жесткое
ограничение, которое не позволяет строить сети с развитой структурой, например, сети, объединяющие
несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные сети, в которых существуют избыточные связи
между узлами. Можно было бы усложнять протоколы канального уровня для поддержания петлевидных
избыточных связей, но принцип разделения обязанностей между уровнями приводит к другому решению. Чтобы,
с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой — допустить
использование произвольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень.
Внутри сети доставка данных обеспечивается соответствующим канальным уровнем, а вот доставкой данных
между сетями занимается сетевой уровень, который и поддерживает возможность правильного выбора маршрута
передачи сообщения даже в том случае, когда структура связей между составляющими сетями имеет характер,
отличный от принятого в протоколах канального уровня.
Сети соединяются между собой специальными устройствами, называемыми маршрутизаторами.
Маршрутизатор — это устройство, которое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и
пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося
в одной сети, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некоторое количество транзитных
передач между сетями, или хопов (от слова hop — прыжок), каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким
образом, маршрут представляет собой последовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет.
Сетевой уровень — доставка пакета:
 между любыми двумя узлами сети с произвольной топологией;
 между любыми двумя сетями в составной сети;
 сеть — совокупность компьютеров, использующих для обмена данными единую сетевую технологию;
 маршрут — последовательность прохождения пакетом маршрутизаторов в составной сети.
Проблема выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является одной из главных задач
сетевого уровня. Эта проблема осложняется тем, что самый короткий путь — не всегда самый лучший. Часто
критерием при выборе маршрута является время передачи данных; оно зависит от пропускной способности
каналов связи и интенсивности трафика, которая может с течением времени изменяться. Некоторые алгоритмы
маршрутизации пытаются приспособиться к изменению нагрузки, в то время как другие принимают решения на
основе средних показателей за длительное время. Выбор маршрута может осуществляться и по другим
критериям, таким как надежность передачи.
В общем случае функции сетевого уровня шире, чем функции передачи сообщений по связям с нестандартной
структурой, которые мы рассмотрели на примере объединения нескольких локальных сетей. Сетевой уровень
также решает задачи согласования разных технологий, упрощения адресации в крупных сетях и создания
надежных и гибких барьеров на пути нежелательного трафика между сетями.
Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами. При организации доставки пакетов на сетевом уровне
используется понятие "номер сети". В этом случае адрес получателя состоит из старшей части — номера сети и
младшей — номера узла в этой сети. Все узлы одной сети должны иметь одну и ту же старшую часть адреса,
поэтому термину "сеть" на сетевом уровне можно дать и другое, более формальное, определение: сеть — это
совокупность узлов, сетевой адрес которых содержит один и тот же номер сети.
На сетевом уровне определяется два вида протоколов. Первый вид — сетевые протоколы — реализуют
продвижение пакетов через сеть. Именно эти протоколы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах
сетевого уровня. Однако часто к сетевому уровню относят и другой вид протоколов, называемых протоколами
обмена маршрутной информацией или просто протоколами маршрутизации. С помощью этих протоколов
маршрутизаторы собирают информацию о топологии межсетевых соединений. Протоколы сетевого уровня
реализуются программными модулями ОС, а также программными и аппаратными средствами маршрутизаторов.
На сетевом уровне работают протоколы еще одного типа, которые отвечают за отображение адреса узла,
используемого на сетевом уровне, в локальный адрес сети. Такие протоколы часто называют протоколами
разрешения адресов, ARP. Иногда их относят не к сетевому уровню, а к канальному, хотя тонкости
классификации не изменяют сути.
Примерами протоколов сетевого уровня являются протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и
протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.
69
ВОПРОС 13. Модель OSI. Транспортный, сеансовый, уровень представления и
прикладной уровень. Характеристика и функции. Примеры протоколов из различных
стеков.
Модель взаимодействия открытых систем (OSI) определяет различные уровни взаимодействия систем в
сетях с коммутацией пакетов, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен
выполнять каждый уровень.
В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней:
 прикладной;
 представительный;
 сеансовый;
 транспортный;
 сетевой;
 канальный;
 физический.
Каждый уровень имеет дело с определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю пакеты могут быть искажены или
утеряны. Хотя некоторые приложения имеют собственные средства обработки ошибок, существуют и
такие, которые предпочитают сразу иметь дело с надежным соединением. Транспортный уровень
обеспечивает приложениям или верхним уровням стека — прикладному и сеансовому — передачу
данных с той степенью надежности, которая им требуется. Модель OSI определяет пять классов
сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличаются качеством
предоставляемых услуг: срочностью, возможностью восстановления прерванной связи, наличием
средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами
через общий транспортный протокол, а главное — способностью к обнаружению и исправлению
ошибок передачи, таких как искажение, потеря и дублирование пакетов.
Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени
задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем
транспортный, уровней, а с другой стороны, зависит от того, насколько надежной является система
транспортировки данных в сети, обеспечиваемая уровнями, расположенными ниже транспортного —
сетевым, канальным и физическим. Так, например, если качество каналов передачи связи очень
высокое, и вероятность наличия ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней,
невелика, стоит воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не
обремененных многочисленными проверками, квитированием и другими приемами повышения
надежности. Если же транспортные средства нижних уровней изначально очень ненадежны, то
целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает,
используя максимум средств для обнаружения и устранения ошибок, — с помощью предварительного
установления логического соединения, отслеживания доставки сообщений по контрольным суммам и
циклической нумерации пакетов, установления тайм-аутов доставки и т. п.
Транспортный уровень — обеспечение доставки информации с требуемым качеством между любыми
узлами сети:
 разбивка сообщения сеансового уровня на пакеты , их нумерация;
 буферизация принимаемых пакетов;
 упорядочивание прибывающих пакетов;
 адресация прикладных процессов;
 управление потоком.
Протоколы, начиная с транспортного уровня и выше, реализуются программными средствами конечных
узлов сети — компонентами их сетевых операционных систем. В качестве примера транспортных
протоколов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и протокол SPX стека Novell.
Протоколы четырех нижних уровней обобщенно называют сетевым транспортом или транспортной
подсистемой, так как они полностью решают задачу транспортировки сообщений с заданным уровнем
качества в составных сетях с произвольной топологией и различными технологиями. Остальные три
70
верхних уровня решают задачи предоставления прикладных сервисов на основании имеющейся
транспортной подсистемы.
71
Сеансовый уровень обеспечивает управление диалогом: фиксирует, какая из сторон является активной
в настоящий момент, предоставляет средства синхронизации. Последние позволяют вставлять
контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к
последней контрольной точке, а не начинать все сначала. На практике немногие приложения
используют сеансовый уровень, и он редко реализуется в виде отдельных протоколов, хотя функции
этого уровня часто объединяют с функциями прикладного уровня и реализуют в одном протоколе.
Сеансовый уровень — управление диалогом объектов прикладного уровня:
 установление способа обмена сообщениями (дуплексный или полудуплексный);
 синхронизация обмена сообщениями;
 организация "контрольных точек" диалога.
Представительный уровень имеет дело с формой представления передаваемой по сети информации,
не меняя при этом ее содержания. За счет уровня представления информация, передаваемая
прикладным уровнем одной системы, всегда понятна прикладному уровню другой системы. С помощью
средств данного уровня протоколы прикладных уровней могут преодолеть синтаксические различия в
представлении данных или же различия в кодах символов, например, в кодах ASCII и EBCDIC. На этом
уровне может выполняться шифрование и дешифрование данных, благодаря которому секретность
обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных служб. Примером такого протокола
является протокол Secure Socket Layer (SSL), который обеспечивает секретный обмен сообщениями для
протоколов прикладного уровня стека TCP/IP.
Уровень представления — согласовывает представление (синтаксис) данных при взаимодействии
двух прикладных процессов:
 преобразование данных из внешнего формата во внутренний;
 шифрование и расшифровка данных.
Прикладной уровень (Application layer) — это в действительности просто набор разнообразных
протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким
как файлы, принтеры или гипертекстовые Web-страницы, а также организуют совместную работу,
например, с помощью протокола электронной почты. Единица данных, которой оперирует прикладной
уровень, обычно называется сообщением.
Прикладной уровень — набор всех сетевых сервисов, которые предоставляет система конечному
пользователю:
 идентификация, проверка прав доступа;
 принт- и файл-сервис, почта, удаленный доступ.
Существует очень много различных служб прикладного уровня. Приведем в качестве примера хотя бы
несколько наиболее распространенных реализаций файловых служб: NCP в операционной системе
Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и TFTP, входящие в стек TCP/IP.
72
ВОПРОС 14. Стек протоколов TCP/IP. Характеристика и состав. Отображение
протоколов стека на модель OSI.
Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых протоколов. Название стек получил по
двум важнейшим протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). Помимо них
в стек входят ещё несколько десятков различных протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP
являются основными для Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей.
Стек протоколов TCP/IP обладает двумя важными свойствами:
платформ независимостью, т. е. возможна его реализация на самых разных операционных системах и
процессорах;
открытостью, т. е. стандарты, по которым строится стек TCP/IP, доступны любому желающему.
В основе структуры TCP/IP лежит не модель OSI, а собственная модель, называемая DARPA (Defense
ARPA – новое название Агентства по перспективным исследовательским проектам) или DoD
(Министерство обороны США). В этой модели всего четыре уровня. Соответствие модели OSI модели
DARPA, а также основным протоколам стека TCP/IP показано на рис. 2 (вопрос 11).
Так как стек TCP/IP был разработан до появления модели взаимодействия открытых систем ISO/OSI, то,
хотя он также имеет многоуровневую структуру, соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели
OSI достаточно условно.
Структура протоколов TCP/IP приведена на рисунке 2. Протоколы TCP/IP делятся на 4 уровня.
Самый нижний (уровень IV) – уровень межсетевых интерфейсов – соответствует физическому и
канальному уровням модели OSI. Этот уровень в протоколах TCP/IP не регламентируется, но
поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровня: для локальных каналов это
Ethernet, Token Ring, FDDI, для глобальных каналов - собственные протоколы работы на аналоговых
коммутируемых и выделенных линиях SLIP/PPP, которые устанавливают соединения типа "точка точка" через последовательные каналы глобальных сетей, и протоколы территориальных сетей X.25 и
ISDN. Разработана также специальная спецификация, определяющая использование технологии ATM в
качестве транспорта канального уровня.
Следующий уровень (уровень III) - это уровень межсетевого взаимодействия, который занимается
передачей дейтаграмм с использованием различных локальных сетей, территориальных сетей X.25,
линий специальной связи и т. п. В качестве основного протокола сетевого уровня (в терминах модели
OSI) в стеке используется протокол IP, который изначально проектировался как протокол передачи
пакетов в составных сетях, состоящих из большого количества локальных сетей, объединенных как
локальными, так и глобальными связями. Поэтому протокол IP хорошо работает в сетях со сложной
73
топологией, рационально используя наличие в них подсистем и экономно расходуя пропускную
способность низкоскоростных линий связи. Протокол IP является дейтаграммным протоколом.
К уровню межсетевого взаимодействия относятся и все протоколы, связанные с составлением и
модификацией таблиц маршрутизации, такие как протоколы сбора маршрутной информации RIP и
OSPF, а также протокол межсетевых управляющих сообщений ICMP. Последний протокол
предназначен для обмена информацией об ошибках между маршрутизатором и шлюзом, системойисточником и системой-приемником, то есть для организации обратной связи. С помощью специальных
пакетов ICMP сообщается о невозможности доставки пакета, о превышении времени жизни или
продолжительности сборки пакета из фрагментов, об аномальных величинах параметров, об изменении
маршрута пересылки и типа обслуживания, о состоянии системы и т.п.
Следующий уровень (уровень II) называется основным. На этом уровне функционируют протокол
управления передачей TCP и протокол дейтаграмм пользователя UDP. Протокол TCP обеспечивает
устойчивое виртуальное соединение между удаленными прикладными процессами. Протокол UDP
обеспечивает передачу прикладных пакетов дейтаграммным методом, то есть без установления
виртуального соединения, и поэтому требует меньших накладных расходов, чем TCP.
Верхний уровень (уровень I) называется прикладным. За долгие годы использования в сетях
различных стран и организаций стек TCP/IP накопил большое количество протоколов и сервисов
прикладного уровня. К ним относятся такие широко используемые протоколы, как протокол
копирования файлов FTP, протокол эмуляции терминала telnet, почтовый протокол SMTP,
используемый в электронной почте сети Internet и ее российской ветви РЕЛКОМ, гипертекстовые
сервисы доступа к удаленной информации, такие как WWW и многие другие. Остановимся несколько
подробнее на некоторых из них, наиболее тесно связанных с тематикой данного курса.
Протокол SNMP используется для организации сетевого управления. Проблема управления
разделяется здесь на две задачи. Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи
управляющей информации определяют процедуру взаимодействия сервера с программой-клиентом,
работающей на хосте администратора. Они определяют форматы сообщений, которыми обмениваются
клиенты и серверы, а также форматы имен и адресов. Вторая задача связана с контролируемыми
данными. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в шлюзах,
имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация
информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB,
определяет те элементы данных, которые хост или шлюз должен сохранять, и допустимые операции над
ними.
Протокол пересылки файлов FTP реализует удаленный доступ к файлу. Для того, чтобы обеспечить
надежную передачу, FTP использует в качестве транспорта протокол с установлением соединений –
TCP. Кроме пересылки файлов протокол, FTP предлагает и другие услуги. Так пользователю
предоставляется возможность интерактивной работы с удаленной машиной, например, он может
распечатать содержимое ее каталогов, FTP позволяет пользователю указывать тип и формат
запоминаемых данных. Наконец, FTP выполняет аутентификацию пользователей. Прежде, чем
получить доступ к файлу, в соответствии с протоколом пользователи должны сообщить свое имя и
пароль.
В стеке TCP/IP протокол FTP предлагает наиболее широкий набор услуг для работы с файлами, однако
он является и самым сложным для программирования. Приложения, которым не требуются все
возможности FTP, могут использовать другой, более экономичный протокол – простейший протокол
пересылки файлов TFTP. Этот протокол реализует только передачу файлов, причем в качестве
транспорта используется более простой, чем TCP, протокол без установления соединения – UDP.
Протокол telnet обеспечивает передачу потока байтов между процессами, а также между процессом и
терминалом. Наиболее часто этот протокол используется для эмуляции терминала удаленной ЭВМ.
74
ВОПРОС 15. Типы адресов стека TCP/IP
Стек TCP/IP – это набор иерархически упорядоченных сетевых протоколов. Название стек получил по
двум важнейшим протоколам – TCP (Transmission Control Protocol) и IP (Internet Protocol). Помимо них
в стек входят ещё несколько десятков различных протоколов. В настоящее время протоколы TCP/IP
являются основными для Интернета, а также для большинства корпоративных и локальных сетей.
Стек протоколов TCP/IP обладает двумя важными свойствами:
 платформ независимостью, т. е. возможна его реализация на самых разных операционных
системах и процессорах;
 открытостью, т. е. стандарты, по которым строится стек TCP/IP, доступны любому желающему.
В стеке TCP/IP используются три типа адресов: локальные (называемые также аппаратными), IPадреса и символьные доменные имена.
В терминологии TCP/IP под локальным адресом понимается такой тип адреса, который используется
средствами базовой технологии для доставки данных в пределах подсети, являющейся элементом
составной интерсети. В разных подсетях допустимы разные сетевые технологии, разные стеки
протоколов, поэтому при создании стека TCP/IP предполагалось наличие разных типов локальных
адресов. Если подсетью интерсети является локальная сеть, то локальный адрес - это МАС - адрес.
МАС - адрес назначается сетевым адаптерам и сетевым интерфейсам маршрутизаторов. МАС - адреса
назначаются производителями оборудования и являются уникальными, так как управляются
централизованно. Для всех существующих технологий локальных сетей МАС - адрес имеет формат 6
байт, например, 11-AO-17-3D-BC-01. Однако протокол IP может работать и над протоколами более
высокого уровня, например, над протоколом IPX или Х.25. В этом случае локальными адресами для
протокола IP соответственно будут адреса IPX и Х.25. Следует учесть, что компьютер в локальной сети
может иметь несколько локальных адресов даже при одном сетевом адаптере. Некоторые сетевые
устройства не имеют локальных адресов. Например, к таким устройствам относятся глобальные порты
маршрутизаторов, предназначенные для соединений типа «точка-точка».
IP-адреса представляют собой основной тип адресов, на основании которых сетевой уровень передает
пакеты между сетями. Эти адреса состоят из 4 байт, например, 109.26.17.100. IP-адрес назначается
администратором во время конфигурирования компьютеров и маршрутизаторов. IP-адрес состоит из
двух частей: номера сети и номера узла. Номер сети может быть выбран администратором произвольно,
либо назначен по рекомендации специального подразделения Internet (Internet Network Information
Center, InterNIC), если сеть должна работать как составная часть Internet. Обычно поставщики услуг
Internet получают диапазоны адресов у подразделений InterNIC, а затем распределяют их между своими
абонентами. Номер узла в протоколе IP назначается независимо от локального адреса узла.
Маршрутизатор по определению входит сразу в несколько сетей. Поэтому каждый порт
маршрутизатора имеет собственный IP-адрес. Конечный узел также может входить в несколько IPсетей. В этом случае компьютер должен иметь несколько IP-адресов, по числу сетевых связей. Таким
образом, IP-адрес характеризует не отдельный компьютер или маршрутизатор, а одно сетевое
соединение.
Символьные доменные имена. Символьные имена в IP-сетях называются доменными и строятся по
иерархическому признаку. Составляющие полного символьного имени в IP-сетях разделяются точкой и
перечисляются в следующем порядке: сначала простое имя конечного узла, затем имя группы узлов
(например, имя организации), затем имя более крупной группы (поддомена) и так до имени домена
самого высокого уровня (например, домена объединяющего организации по географическому
принципу: RU – Россия, UK – Великобритания, SU – США), Примеров доменного имени может
служить имя base2.sales.zil.ru. Между доменным именем и IP-адресом узла нет никакого
алгоритмического соответствия, поэтому необходимо использовать какие-то дополнительные таблицы
или службы, чтобы узел сети однозначно определялся как по доменному имени, так и по IP-адресу. В
сетях TCP/IP используется специальная распределенная служба Domain Name System (DNS), которая
устанавливает это соответствие на основании создаваемых администраторами сети таблиц
соответствия. Поэтому доменные имена называют также DNS-именами.
75
ВОПРОС 16. Формат IP-адреса. Классы IP-адресов. Маска
Основным назначением протокола IP (Internet Protocol) является добавление информации об адресе в пакеты
данных и маршрутизация их по сети к месту назначения. Чтобы понять, каким образом протокол IP справляется с
этой задачей, необходимо изучить методы определения промежуточного и конечного адресов назначения пакета
данных.
Для определения местоположения узла назначения относительно исходного компьютера IP-адреса организованы
в классы. Такая система носит название поклассового метода IP-адресации. IP-адреса должны быть назначены
всем компьютерам в сети. Сегменты сети, соединенные маршрутизаторами, называются подсетями. Разбиение
сети на подсети для назначения IP-адресов называется выделением подсетей.
Планирование IP-адресации и назначение IP-адресов для каждого компьютера осуществляется с помощью
средств, предоставляемых операционной системой, на основании правил, определяемых поклассовым методом
IP-адресации.
Слово узел часто используется для обозначения любого устройства в сети, которое передает и принимает данные,
используя IP-адрес. Все компьютеры, принтеры и маршрутизаторы в сети TCP/IP являются узлами и для
взаимодействия в сети должны иметь по крайней мере один IP-адрес.
Поклассовый метод IP-адресации предполагает использование трех классов, назначаемых компьютерам. Класс
IP-адресов определяется размером и типом сети.
IP-адрес является уникальным идентификатором, который позволяет различать компьютеры в сети, а также
определять их местонахождение. IP-адрес необходим для каждого компьютера и компонента сети (такого как
маршрутизатор), осуществляющего связь по протоколу TCP/IP.
IP-адрес определяет местоположение компьютера в сети подобно тому, как почтовый адрес определяет дом в
городе. Адрес конкретного дома должен отличаться от всех остальных адресов и в то же время соответствовать
определенным правилам адресации. Точно так же и IP-адрес, являясь уникальным, должен соответствовать
стандартному формату. IP-адрес представляет собой набор из четырех чисел, каждое из которых находится в
диапазоне от 0 до 255.
Компоненты IP-адреса
Аналогично тому, как адрес дома состоит из двух частей (почтового адреса и почтового индекса), IP-адрес
содержит два компонента – идентификатор сети и идентификатор узла.
Идентификатор сети. Первой частью IP-адреса является идентификатор сети, определяющий тот сегмент, в
котором находится компьютер. Все компоненты одного сегмента должны иметь один и тот же идентификатор
сети – как дома в одной почтовой зоне имеют одинаковый почтовый индекс.
Идентификатор узла. Второй частью IP-адреса является идентификатор узла, определяющий компьютер,
маршрутизатор или другое устройство в сегменте. В пределах одного идентификатора сети каждый
идентификатор узла должен быть уникальным – как все дома в пределах одной почтовой зоны должны иметь
разные адреса.
Важно отметить, что аналогично тому, как два дома в разных почтовых зонах могут иметь одинаковые адреса,
два компьютера с разными идентификаторами сети могут иметь одинаковые идентификаторы узла. Однако
комбинация идентификатора сети и идентификатора узла для каждого из компьютеров, взаимодействующих друг
с другом, должна быть уникальной.
Классы IP-адресов используются для назначения сетевых идентификаторов организациям, что делает
возможным подключение их компьютеров к Интернету. Кроме того, классы адресов используются для
определения точки раздела между идентификатором сети и идентификатором узла (рис.1). Организации
назначается блок IP-адресов, ссылка на которые осуществляется через идентификатор сети адресата. Размер
этого блока зависит от размера организации. Например, организации, имеющей 200 узлов, назначается сетевой
идентификатор класса С, а организации, имеющей 20000 узлов, – идентификатор класса В.
76
Рис. 1. Классы IP-адресов
Класс А. Адреса класса А присваиваются сетям с очень большим числом узлов. Этот класс допускает наличие
126 сетей, поскольку в качестве идентификатора сети используется первое число в IP-адресе. Остальные три
числа образуют идентификатор узла, что обеспечивает поддержку 16777214 узлов на сеть.
Класс В. Адреса класса В присваиваются средним и крупным сетям. Этот класс допускает наличие 16384 сетей,
поскольку в качестве идентификатора сети используются первые два числа. Остальные два числа образуют
идентификатор узла, что обеспечивает поддержку 65534 узлов на сеть.
Класс С. Адреса класса С используются для небольших, локальных сетей. Этот класс допускает наличие
примерно 2097152 сетей, поскольку ч качестве идентификатора сети используются первые три числа в IP-адресе.
Оставшееся число используется как идентификатор узла, что обеспечивает поддержку 254 узлов на сеть.
Классы D и E не назначаются узлам. Адреса класса D используются для многоадресной рассылки, а адреса
класса Е зарезервированы на будущее.
Определение класса адреса
Поклассовый метод IP-адресации определен структурой IP-адреса и позволяет различить идентификаторы сети и
идентификаторы узла, используя упорядоченную систему. IP-адрес может быть представлен как w.x.y.z, где w, x,
y и z – числа в диапазоне от 0 до 255. IP-адреса разделяются на пять классов по значению первого числа – w в
числовом представлении. Это иллюстрирует следующая таблица.
Класс IP-адреса
IP-адрес
Идентификатор сети
Диапазон значений w
A
w.x.y.z
w.0.0.0
1-126*
B
w.x.y.z
w.x.0.0
128-191
C
w.x.y.z
w.x..y.0
192-223
D
w.x.y.z
Не существует
224-239
E
w.x.y.z
Не существует
240-255
*Идентификатор сети 127.0.0.0 зарезервирован для тестовых подключений.
Определение идентификатора сети и идентификатора узла
Для IP-адресов класса А идентификатором сети является первое число в IP-адресе. Для класса В
идентификатором сети являются первые два числа, а для класса С – первые три числа IP-адреса. Остальные числа
определяют идентификатор узла.
Как и IP-адрес, идентификатор сети состоит из четырех чисел. Поэтому, если первое число в IP-адресе, w,
представляет собой идентификатор сети, то структура этого идентификатора имеет вид w.0.0.0, где три
последних числа имеют нулевые значения. При этом структура идентификатора узла будет иметь вид x.y.z.
Обратите внимание, что этому идентификатору не предшествует число 0.
Например, IP-адрес 172.16.53.46 является адресом класса В, поскольку w=172, то есть находится в диапазоне
между 128 и 191. Таким образом, идентификатором сети будет 172.16.0.0, а идентификатором узла – 53.46 (точка
в конце не ставится).
Выделение подсети
С помощью физических устройств, таких как маршрутизаторы и мосты, можно расширить сеть, добавив к ней
сегменты. Кроме того, с помощью физических устройств можно разделить сеть на меньшие сегменты, чтобы
повысить эффективность ее работы. Сегменты сети, разделенные маршрутизаторами, называются подсетями.
При создании подсетей необходимо разделить идентификатор сети для задания IP-адресов узлам в подсетях.
Разделение идентификатора сети, используемого для связи с Интернет, для создания меньших (в зависимости от
числа указанных IP-адресов) подсетей называется выделением подсети. Теперь для определения нового
идентификатора каждой подсети необходимо использовать маску подсети, которая указывает, какая часть IPадреса должна использоваться в качестве нового идентификатора данной подсети. Определить местоположение
узла в сети можно, проанализировав идентификатор сети этого узла. Совпадающие идентификаторы сети
показывают, что узлы находятся в одной и той же подсети. Если идентификаторы сети различаются, значит, узлы
находятся в разных подсетях, а для установления связи между ними требуется маршрутизатор.
77
Подсети
Большинство сетей Windows основано на технологии Ethernet, в которой компьютеры для передачи информации
используют широковещательную рассылку. По мере увеличения количества компьютеров и объема трафика в
сети Ethernet, учащаются случаи конфликтов на уровне данных, и падает быстродействие сети. Для решения этой
проблемы компьютеры в сети Ethernet объединяются в логические группы, называемые сегментами, которые
разделены между собой физическими устройствами, такими как маршрутизаторы и мосты.
В среде TCP/IP сегменты, разделенные маршрутизаторами, называются подсетями. Все компьютеры,
принадлежащие одной подсети, имеют один и тот же идентификатор сети в IP-адресе. Для связи с другими
подсетями каждая подсеть должна иметь уникальный идентификатор сети. Идентификаторы подсетей
определяют логическое разбиение сети. Связь между компьютерами, находящимися в разных подсетях,
осуществляется через маршрутизаторы.
Маски подсети
В поклассовом методе число сетей и узлов, доступных для конкретного класса адреса, определено заранее. Таким
образом, у организации, которой назначен идентификатор сети, имеется единственный постоянный
идентификатор сети и определенное число узлов, ограниченное классом IP-адреса.
Используя единственный идентификатор сети, организация может иметь только одну сеть с назначенным числом
узлов. Если число узлов велико, одна сеть не обеспечит высокой производительности. Для решения этой
проблемы была разработана технология выделения подсетей.
Эта технология позволяет разбить один классовый идентификатор сети для создания меньших подсетей. При
помощи нескольких идентификаторов сети, полученных в результате этой операции, единая сеть может быть
сегментирована на подсети, каждая со своим идентификатором сети, который также называется
идентификатором подсети.
Структура масок подсети
Для разделения идентификатора сети используется маска подсети. Маска подсети – это шаблон, который
позволяет отличить идентификатор сети от идентификатора узла в IP-адресе. Маска подсети не ограничена
правилами, применяемыми в поклассовом методе. Как и IP-адрес, маска подсети представляет собой набор из
четырех чисел. Эти числа должны находиться в диапазоне от 0 до 255.
В поклассовом методе каждое из этих чисел может принимать только максимальное значение 255 или
минимальное значение 0. при этом за максимальными значениями должны следовать минимальные.
Максимальные значения представляют идентификатор сети, а минимальные – идентификатор узла. Например,
255.255.0.0 является допустимой маской подсети, а 255.0.255.0 – нет. Маска подсети 255.255.0.0 определяет
идентификатор сети как первые два числа IP-адреса.
Маски подсети по умолчанию
В поклассовом методе каждый класс адреса имеет маску подсети по умолчанию. В следующей таблице
приведены маски подсети по умолчанию для каждого адресного класса.
Класс
IP-адреса
IP-адрес
Маска подсети
Идентификатор
сети
Идентификатор узла
А
w.x.y.z
255.0.0.0
w.0.0.0
x.y.z
В
w.x.y.z
255.255.0.0
w.x.0.0
y.z
С
w.x.y.z
255.255.255.0
w.x.y.0
z
Специальные маски подсети
При разделении существующего идентификатора сети для создания дополнительных подсетей можно
использовать любую из приведенных выше масок подсети с любым IP-адресом или идентификатором сети.
Поэтому IP-адрес 172.16.2.200 может иметь маску подсети 255.255.255.0 и идентификатор сети 172.16.2.0, а не
обязательно маску подсети 255.255.0.0 с идентификатором сети 172.16.0.0, используемую по умолчанию. Это
позволяет организации разбивать существующую сеть класса В с идентификатором сети 172.16.0.0 на меньшие
подсети, соответствующие конфигурации их сети.
Дополнительно
IP-адрес (Internet Protocol Address) — уникальный сетевой адрес узла в компьютерной сети, построенной по
протоколу IP. В сети Интернет требуется глобальная уникальность адреса, в случае работы в локальной сети
требуется уникальность адреса в пределах сети.
78
Internet Protocol — межсетевой протокол. Относится к маршрутизируемым протоколам сетевого уровня
семейства TCP/IP.
Форматы адреса
IPv4 (Internet Protocol version 4) — четвёртая версия IP протокола, первая широко используемая. IPv4 использует
32-битные адреса, ограничивающие адресное пространство 232 возможными уникальными адресами.
Представление адреса
Для удобства работы с IP – адресами 32- разрядную последовательность обычно разделяют на 4 части по 8 бит
(на октеты), каждый октет переводят в десятичное число и при записи разделяют эти числа точками. В таком
виде (это представление называется «dotted-decimal notation») IP.
Значение крайнего правого бита в октете – 1, значения остальных, справа налево – 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128.
Чтобы определить значение октета, нужно сложить значения позиций, где присутствует двоичная единица. Таким
образом, значение каждого из четырех октетов находится в диапазоне от 0 до 255. IP адрес делится на две части:
идентификатор сети и узла (определяет узел TCP/IP).
Иерархическая структура IP-адресов представлена ниже:
Классы IP – адресов и маски подсети по умолчанию
IP-адрес и маска подсети совместно определяют то, какая часть IP-адреса является сетевой, а какая –
соответствует адресу узла.
IP-адреса разделяются на 5 классов: A, B, C, D, E.
У адресов класса A старший бит установлен 0. Длина сетевого префикса - 8 бит. Для номера узла выделяется 3
байта (24 бита).
79
У адресов класса B два старших бита установлены в 1 и 0 соответственно. Длина сетевого префикса - 16 бит.
Поле номера узла тоже имеет длину 16 бит. Класс B предназначен для применения в сетях среднего размера.
У адресов класса C три старших бита установлены в 1, 1 и 0 соответственно. Префикс сети имеет длину 24 бита,
номер узла - 8 бит. Класс C предназначен для сетей с небольшим количеством узлов.
Адреса класса D представляют собой специальные адреса, не относящиеся к отдельным сетям. Первые 4 бита
этих адресов равны 1110. Таким образом, значение первого октета этого диапазона адресов находится в пределах
от 224 до 239. Адреса класса D используются для многоадресатных пакетов, с помощью которых во многих
разных протоколах данные передаются многочисленным группам хостов. Эти адреса можно рассматривать как
заранее запрограммированные в логической структуре большинства сетевых устройств.
Адреса в диапазоне 240.0.0.0 - 255.255.255.255 называются адресами класса E. Первый октет этих адресов
начинается с битов 1111. Эти адреса зарезервированы для будущих дополнений в схеме адресации IP. Но
возможность того, что эти дополнения когда-либо будут приняты, находится под вопросом, поскольку уже
появилась версия 6 протокола IP (IPv6).
При необходимости, можно разделить одну IP-сеть, подсоединенную к Интернет, на несколько связанных между
собой сетей, которые называются подсетями. Такое разбиение целесообразно, если его целью является
Расширение сети, когда добавление маршрутизаторов и использование подсетей позволяет превзойти физические
ограничения. Снижение нагрузок на саму сеть, локализуя трафик внутри подсетей. Снижение нагрузки на
компьютеры с уменьшением сетевых подключений. Использование различных сетевых сред в подсетях.
Улучшение защиты информации, когда скрывается внутренняя структура корпоративной сети, подключенной к
Интернет посредством одного зарегистрированного IP-адреса. Локализация неисправностей внутри отдельных
сетевых сегментов. Подсеть-это сеть или идентификатор сети, созданный при помощи переноса несколько бит из
части IP-адреса, содержащую идентификатор узла, в часть, содержащую идентификатор сети. Например, в IPадресах класса В третий байт используется для задания номера подсети, тогда маска 255.255.255.0 позволяет
задать 256 различных подсетей с 254 узлами в каждой.
Для распознавания того, какие биты в IP-адресе относятся к сети, а какие к узлу, протокол TCP/IP использует
метод масок подсетей. В силу этого, любой сети присваивается маска, независимо от того, выделяем мы подсети
или нет. Под маской понимают 32-разрядное двоичное число в формате IP-адреса, единицы которого указывают
на то, какие разряды указывают на адрес сети, и нули указывают на то, какие разряды указывают на адрес узла.
80
ВОПРОС 17. Система доменных имен DNS. Иерархия имен. Схема работы
DNS (англ. Domain Name System — система доменных имён) — компьютерная распределённая система
для получения информации о доменах. Чаще всего используется для получения IP-адреса по имени
хоста (компьютера или устройства), получения информации о маршрутизации почты, обслуживающих
узлах для протоколов в домене (SRV-запись).
Для идентификации компьютеров аппаратное и ПО в сетях TCP/IP полагается на IP-адреса. Однако
пользователи предпочитают работать с символьными именами компьютеров. Для эффективной
организации именования компьютеров в больших сетях естественным является применение
иерархических составных имен.
В стеке TCP/IP применяется доменная система имен, которая имеет иерархическую древовидную
структуру, допускающую использование в имени произвольного количества составных частей (рис. 1).
Иерархия доменных имен аналогична иерархии имен файлов. Дерево имен начинается с корня,
обозначаемого здесь точкой (.). Затем следует старшая символьная часть имени, вторая по старшинству
символьная часть имени и т. д. Младшая часть имени соответствует конечному узлу сети. Запись
доменного имени начинается с самой младшей составляющей, а заканчивается самой старшей.
Составные части доменного имени отделяется друг от друга точкой.
Разделение имени на части позволяет разделить административную ответственность за назначение
уникальных имен между различными людьми или организациями в пределах своего уровня иерархии
.
Рис. 1. Пространство доменных имен
Разделение административной ответственности позволяет решить проблему образования уникальных
имен без взаимных консультаций между организациями, отвечающими за имена одного уровня
иерархии.
Совокупность имен, у которых несколько старших составных частей совпадают, образуют домен имен
(domain). Например, имена wwwl.zil.mmt.ru, ftp.zil.mmt.ru, yandex.ru и sl.mgu.ru входят в домен ru,
так как все эти имена имеют одну общую старшую часть — имя ru.
Если один домен входит в другой домен как его составная часть, то такой домен могут называть
поддоменом (subdomain), хотя название домен за ним также остается. Обычно поддомен называют по
имени той его старшей составляющей, которая отличает его от других поддоменов. Имя поддомену
назначает администратор вышестоящего домена. По аналогии с файловой системой, в доменной
системе имен различают краткие имена, относительные имена и полные доменные имена. Краткое имя
— это имя конечного узла сети: хоста или портамаршрутизатора. Краткое имя — это лист дерева имен.
Относительное имя — это составное имя, начинающееся с некоторого уровня иерархии, но не самого
верхнего. Например, wwwl.zil — это относительное имя. Полное доменное имя (fully qualified domain
name, FQDN) включает составляющие всех уровней иерархии, начиная от краткого имени и кончая
корневой точкой: wwwl.zil.mmt.ru. Необходимо подчеркнуть, что компьютеры входят в домен в
соответствии со своими составными именами, при этом они могут иметь совершенно различные IP81
адреса, принадлежащие к различным сетям и подсетям. Доменная система имен реализована в сети
Internet, но она может работать и как автономная система имен в крупной корпоративной сети,
использующей стек TCP/IP, но не связанной с Internet.
В Internet корневой домен управляется центром InterNIC. Домены верхнего уровня назначаются для
каждой страны, а также на организационной основе. Имена этих доменов должны следовать
международному стандарту ISO 3166. Для обозначения стран используются трехбуквенные и
двухбуквенные аббревиатуры, а для различных типов организаций — следующие обозначения:
 com — коммерческие организации (например, microsoft.com);
 edu — образовательные (например, mit.edu);
 gov — правительственные организации (например, nsf.gov);
 net — организации, поддерживающие сети (например, nsf.net).
Каждый домен администрируется отдельной организацией, которая обычно разбивает свой домен на
поддомены и передает функции администрирования этих поддоменов другим организациям. Чтобы
получить доменное имя, необходимо зарегистрироваться в какой-либо организации, которой InterNIC
делегировал свои полномочия по распределению имен доменов. В России такой организацией является
РосНИИРОС, которая отвечает за делегирование имен поддоменов в домене ru.
Соответствие между доменными именами и IP-адресами может устанавливаться как средствами
локального хоста, так и средствами централизованной службы. Таким решением стала специальная
служба — система доменных имен. Она использует в своей работе протокол типа «клиент-сервер». В
нем определены DNS-серверы и DNS-клиенты. DNS-серверы поддерживают распределенную базу
отображений, а DNS-клиенты обращаются к серверам с запросами о разрешении доменного имени в IPадрес.
Для каждого домена имен создается свой DNS-сервер. Этот сервер может хранить отображения
«доменное имя — IP-адрес» для всего домена, включая все его поддомены. Чаще сервер домена хранит
только имена, которые заканчиваются на следующем ниже уровне иерархии по сравнению с именем
домена.
Каждый DNS-сервер, кроме таблицы отображений имен, содержит ссылки на DNS-серверы своих
поддоменов. Эти ссылки связывают отдельные DNS-серверы в единую службу DNS. Ссылки
представляют собой IP-адреса соответствующих серверов.
Существуют две основные схемы разрешения DNS-имен. В первом варианте работу по поиску IPадреса координирует DNS-клиент:
DNS-клиент обращается к корневому DNS-серверу с указанием полного доменного имени;
DNS-сервер отвечает, указывая адрес следующего DNS-сервера, обслуживающего домен верхнего
уровня, заданный в старшей части запрошенного имени;
DNS-клиент делает запрос следующего DNS-сервера, который отсылает его к DNS-серверу нужного
поддомена, и т. д., пока не будет найден DNS-сервер, в котором хранится соответствие запрошенного
имени IP-адресу. Этот сервер дает окончательный ответ клиенту. Такая схема взаимодействия
называется нерекурсивной, когда клиент сам выполняет последовательность запросов к разным
серверам имен. Так как эта схема загружает клиента достаточно сложной работой, то она применяется
редко.
Во втором варианте реализуется рекурсивная процедура:
 DNS-клиент запрашивает локальный DNS-сервер, то есть тот сервер, который
обслуживает поддомен, к которому принадлежит имя клиента;
 если локальный DNS-сервер знает ответ, то он сразу же возвращает его клиенту; это может
соответствовать случаю, когда запрошенное имя входит в тот поддомен, что и имя клиента, а
также может соответствовать случаю, когда сервер уже узнавал данное соответствие для другого
клиента и сохранил его в своем кэше;
 если же локальный сервер не знает ответ, то он выполняет итеративные запросы к корневому
серверу и т. д. точно так же, как это делал клиент в первом варианте; получив ответ, он передает
его клиенту, который все это время просто ждал его от своего локального DNS-сервера.
В этой схеме клиент перепоручает работу своему серверу, поэтому схема называется косвенной или
рекурсивной. Практически все DNS-клиенты используют рекурсивную процедуру.
Для ускорения поиска IP-адресов DNS-серверы широко применяют процедуру кэширования
проходящих через них ответов. Чтобы служба DNS могла оперативно отрабатывать изменения,
82
происходящие в сети, ответы кэшируются на определенное время — обычно от нескольких часов до
нескольких дней.
83
Дополнительно. Причины и история появления DNS
Практически каждый пользователь компьютера, подключая его к Сети, получает от своего провайдера
личный IP-адрес (например, 63.141.33.125 или 179.23.45.216) и, зачастую, не вникает в суть и
назначение группы цифр, которые и называются IP. Но не зная IP-адрес компьютера, из Сети будет
невозможно послать ему информацию или ответить на запрос. Например, невозможно будет
пользоваться поисковыми системами. Если такое происходит, говорят упал DNS. Чтобы получить
информацию с какого-либо сайта, прежде соединившись с ним, нужно знать его IP-адрес. Но человеку
невозможно запомнить большое количество чисел, да это просто не удобно. Вот именно потому
разработчики придумали систему доменных имен (DNS). Разработана эта система была Полом
Мокапетрисом еще в 1983 году.
Принцип работы ситемы DNS (ДНС)
Что такое домен или доменное имя? Оно присваивается сайтом, собственно — это и есть IP-адрес сайта,
но записан не в цифровом представлении, а в буквенном-цифровом. Например, http://оgend.ru или
http://www.fast-ping.com. DNS выступает в роли средства, которое позволяет определить IP-адрес по
доменному имени (так называемый резолвинг доменного имени). Разумеется, доменное имя должно
быть делегировано. Один, два и даже группа серверов не смогла бы переварить огромное количество
запросов, которое ежедневно генерирует все пользователи Интернетом. Поэтому была построена
иерархическая система. Каждая группа серверов в этой иерархии отвечает за определенную часть
доменного имени.
Например, в случае с доменным именем http://directory.google.com сначала запрос идет к корневому
серверу, который не знает ничего об этом домене, но знает IP-адрес того сервера, который отвечает за
зону com. Затем запрос направляется к этому DNS-серверу, который отвечает за зону com. Но этот
первый сервер может только назвать нам IP-адрес того сервера, который отвечает за зону google.com,
после запроса к нему мы получаем адрес того DSN-сервера, который отвечает за зону
directory.google.com, а вот уже у него мы сможем узнать какой IP-адрес соответствует доменному имени
directory.google.com. Вот такая иерархия получается.
Подобное устройство DNS позволяет равномерно распределить нагрузки на все DNS-сервера сети,
максимально децентрализовав систему. Используя дополнительно к этому еще и систему кэширования
ответов DNS-серверов, можно снизить нагрузку, причем примерно на порядок.
Схема работы DNS
84
85
ВОПРОС 18. Динамическое назначение IP-адресов. Алгоритм работы протокола
DHCP
DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol – протокол динамической конфигурации хоста).
IP-адреса могут назначаться администратором сети вручную. Это представляет для администратора
утомительную процедуру. Ситуация усложняется еще тем, что многие пользователи не обладают
достаточными знаниями для того, чтобы конфигурировать свои компьютеры для работы в интерсети и
должны поэтому полагаться на администраторов.
Протокол DHCP был разработан для того, чтобы освободить администратора от этих проблем.
Основным назначением DHCP является динамическое назначение IP-адресов. Однако, кроме
динамического, DHCP может поддерживать и более простые способы ручного и автоматического
статического назначения адресов.
В ручной процедуре назначения адресов активное участие принимает администратор, который
предоставляет DHCP-серверу информацию о соответствии IP-адресов физическим адресам или другим
идентификаторам клиентов. Эти адреса сообщаются клиентам в ответ на их запросы к DHCP-серверу.
При автоматическом статическом способе DHCP-сервер присваивает IP-адрес (и, возможно, другие
параметры конфигурации клиента) из пула наличных IP-адресов без вмешательства оператора. Границы
пула назначаемых адресов задает администратор при конфигурировании DHCP-сервера. Между
идентификатором клиента и его IP-адресом по-прежнему, как и при ручном назначении, существует
постоянное соответствие. Оно устанавливается в момент первичного назначения сервером DHCP IPадреса клиенту. При всех последующих запросах сервер возвращает тот же самый IP-адрес.
При динамическом распределении адресов DHCP-сервер выдает адрес клиенту на ограниченное
время, что дает возможность впоследствии повторно использовать IP-адреса другими компьютерами.
Динамическое разделение адресов позволяет строить IP-сеть, количество узлов в которой намного
превышает количество имеющихся в распоряжении администратора IP-адресов.
DHCP обеспечивает надежный и простой способ конфигурации сети TCP/IP, гарантируя отсутствие
конфликтов адресов за счет централизованного управления их распределением. Администратор
управляет процессом назначения адресов с помощью параметра "продолжительности аренды" (lease
duration), которая определяет, как долго компьютер может использовать назначенный IP-адрес, перед
тем как снова запросить его от сервера DHCP в аренду.
Дополнительно
DHCP — протокол динамического конфигурирования узлов позволяет компьютерам автоматически
получать IP-адрес и другие параметры.
DHCP — это сетевой протокол, позволяющий компьютерам автоматически получать IP-адрес и
другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP. Для этого компьютер обращается к
специальному серверу, называемому сервером DHCP. Сетевой администратор может задать диапазон
адресов, распределяемых среди компьютеров. Это позволяет избежать ручной настройки компьютеров
сети и уменьшает количество ошибок. Протокол DHCP используется в большинстве крупных (и не
очень) сетей TCP/IP.
Протокол DHCP предоставляет три способа распределения IP-адресов:
Ручное распределение. При этом способе сетевой администратор сопоставляет аппаратному адресу
(обычно MAC-адресу) каждого клиентского компьютера определённый IP-адрес. Фактически, данный
способ распределения адресов отличается от ручной настройки каждого компьютера лишь тем, что
сведения об адресах хранятся централизованно (на сервере DHCP), и потому их проще изменять при
необходимости.
Автоматическое распределение. При данном способе каждому компьютеру на постоянное
использование выделяется произвольный свободный IP-адрес из определённого администратором
диапазона.
Динамическое распределение. Этот способ аналогичен автоматическому распределению, за
исключением того, что адрес выдаётся компьютеру не на постоянное пользование, а на определённый
срок. Это называется арендой адреса. По истечении срока аренды IP-адрес вновь считается свободным,
и клиент обязан запросить новый (он, впрочем, может оказаться тем же самым).
Некоторые реализации службы DHCP способны автоматически обновлять записи DNS,
соответствующие клиентским компьютерам, при выделении им новых адресов.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ DHCP
Компьютер отправляет широковещательный UDP-пакет: «Кто может назначить мне IP-адрес?»
DHCP-серверы сети отправляют в ответ DHCP-предложения.
86
Клиент получает список предложений, выбирает нужное и отправляет DHCP-запрос на конкретный
сервер. От сервера приходит DHCP-подтверждение (в нем указывается IP-адрес, присвоенный клиенту).
87
ВОПРОС 19. Протоколы IP и ICMP. Схема и таблицы маршрутизации
Протокол IP имеет ясную и элегантную структуру. В нормальных ситуациях IP очень эффективно
использует для пересылки память и ресурсы. Однако, что произойдет в нестандартной ситуации? Что может
прервать бесцельное блуждание датаграммы до завершения ее времени жизни после краха маршрутизатора
и неисправности в сети? Кто предупредит приложение о прекращении отправки датаграмм в недостижимую
точку назначения? Средства для лечения таких неисправностей предоставляет протокол управляющих
сообщений Интернета (Internet Control Message Protocol — ICMP). Он выполняет роль сетевого
помощника, способствуя маршрутизации в хостах и обеспечивая сетевого администратора средствами
определения состояния сетевых узлов. Функции ICMP являются важной частью IP. Все хосты и
маршрутизаторы должны быть способны генерировать и обрабатывать сообщения ICMP. При правильном
использовании эти сообщения могут улучшить выполнение сетевых операций.
Протокол обмена управляющими сообщениями ICMP позволяет маршрутизатору сообщить конечному
узлу об ошибках, с которыми маршрутизатор столкнулся при передаче какого-либо IP-пакета от данного
конечного узла.
Управляющие сообщения ICMP не могут направляться промежуточному маршрутизатору, который
участвовал в передаче пакета, с которым возникли проблемы, так как для такой посылки нет адресной
информации - пакет несет в себе только адрес источника и адрес назначения, не фиксируя адреса
промежуточных маршрутизаторов.
Протокол ICMP – это протокол сообщения об ошибках, а не протокол коррекции ошибок. Конечный узел
может предпринять некоторые действия для того, чтобы ошибка больше не возникала, но эти действия
протоколом ICMP не регламентируются.
Каждое сообщение протокола ICMP передается по сети внутри пакета IP. Пакеты IP с сообщениями ICMP
маршрутизируются точно так же, как и любые другие пакеты, без приоритетов, поэтому они также могут
теряться. Кроме того, в загруженной сети они могут вызывать дополнительную загрузку маршрутизаторов.
Для того, чтобы не вызывать лавины сообщения об ошибках, потери пакетов IP, переносящие сообщения
ICMP об ошибках, не могут порождать новые сообщения ICMP.
Формат сообщений протокола ICMP
Существует несколько типов сообщений ICMP. Каждый тип сообщения имеет свой формат, при этом все
они начинаются с общих трех полей: 8-битного целого числа, обозначающего тип сообщения (TYPE), 8битного поля кода (CODE), который конкретизирует назначение сообщения, и 16-битного поля контрольной
суммы (CHECKSUM). Кроме того, сообщение ICMP всегда содержит заголовок и первые 64 бита данных
пакета IP, который вызвал ошибку. Это делается для того, чтобы узел-отправитель смог более точно
проанализировать причину ошибки, так как все протоколы прикладного уровня стека TCP/IP содержат
наиболее важную информацию для анализа в первых 64 битах своих сообщений.
Поле типа может иметь следующие значения:
Значение
0
3
4
5
8
11
12
13
14
17
18
Тип сообщения
Эхо-ответ (Echo Replay)
Узел назначения недостижим (Destination Unreachable)
Подавление источника (Source Quench)
Перенаправление маршрута (Redirect)
Эхо-запрос (Echo Request)
Истечение времени дейтаграммы (Time Exceeded for a Datagram)
Проблема с параметром пакета (Parameter Problem on a Datagram)
Запрос отметки времени (Timestamp Request)
Ответ отметки времени (Timestamp Replay)
Запрос маски (Address Mask Request)
Ответ маски (Address Mask Replay)
Как видно из используемых типов сообщений, протокол ICMP представляет собой некоторое объединение
протоколов, решающих свои узкие задачи.
Эхо-протокол
Протокол ICMP предоставляет сетевым администраторам средства для тестирования достижимости узлов
сети. Эти средства представляют собой очень простой эхо-протокол, включающий обмен двумя типами
сообщений: эхо-запрос и эхо-ответ. Компьютер или маршрутизатор посылают по интерсети эхо-запрос, в
котором указывают IP-адрес узла, достижимость которого нужно проверить. Узел, который получает эхо-
88
запрос, формирует и отправляет эхо-ответ и возвращает сообщение узлу - отправителю запроса. В запросе
могут содержаться некоторые данные, которые должны быть возвращены в ответе. Так как эхо-запрос и эхоответ передаются по сети внутри IP-пакетов, то их успешная доставка означает нормальное
функционирование всей транспортной системы интерсети.
Во многих операционных системах используется утилита ping, которая предназначена для тестирования
достижимости узлов. Эта утилита обычно посылает серию эхо-запросов к тестируемому узлу и
предоставляет пользователю статистику об утерянных эхо-ответах и среднем времени реакции сети на
запросы.
Сообщения о недостижимости узла назначения
Когда маршрутизатор не может передать или доставить IP-пакет, он отсылает узлу, отправившему этот
пакет, сообщение "Узел назначения недостижим" (тип сообщения - 3). Это сообщение содержит в поле кода
значение, уточняющее причину, по которой пакет не был доставлен. Причина кодируется следующим
образом:
Код
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Причина
Сеть недостижима
Узел недостижим
Протокол недостижим
Порт недостижим
Требуется фрагментация, а бит DF установлен
Ошибка в маршруте, заданном источником
Сеть назначения неизвестна
Узел назначения неизвестен
Узел-источник изолирован
Взаимодействие с сетью назначения административно запрещено
Взаимодействие с узлом назначения административно запрещено
Сеть недостижима для заданного класса сервиса
Узел недостижим для заданного класса сервиса
Маршрутизатор, обнаруживший по какой-либо причине, что он не может передать IP-пакет далее по сети,
должен отправить ICMP-сообщение узлу-источнику, и только потом отбросить пакет. Кроме причины
ошибки, ICMP-сообщение включает также заголовок недоставленного пакета и его первые 64 бита поля
данных. Узел или сеть назначения могут быть недостижимы из-за временной неработоспособности
аппаратуры, из-за того, что отправитель указал неверный адрес назначения, а также из-за того, что
маршрутизатор не имеет данных о маршруте к сети назначения.
Недостижимость протокола и порта означают отсутствие реализации какого-либо протокола прикладного
уровня в узле назначения или же отсутствие открытого порта протоколов UDP или TCP в узле назначения.
Ошибка фрагментации возникает тогда, когда отправитель послал в сеть пакет с признаком DF,
запрещающим фрагментацию, а маршрутизатор столкнулся с необходимостью передачи этого пакета в сеть
со значением MTU меньшим, чем размер пакета.
Перенаправление маршрута
Маршрутные таблицы у компьютеров обычно являются статическими, так как конфигурируются
администратором сети, а у маршрутизаторов - динамическими, формируемыми автоматически с помощью
протоколов обмена маршрутной информации. Поэтому с течением времени при изменении топологии сети
маршрутные таблицы компьютеров могут устаревать. Кроме того, эти таблицы обычно содержат минимум
информации, например, только адреса нескольких маршрутизаторов.
Для корректировки поведения компьютеров маршрутизатор может использовать сообщение протокола
ICMP, называемое "Перенаправление маршрута" (Redirect).
Это сообщение посылается в том случае, когда маршрутизатор видит, что компьютер отправляет пакет
некоторой сети назначения нерациональным образом, то есть не тому маршрутизатору локальной сети, от
которого начинается более короткий маршрут к сети назначения.
Механизм перенаправления протокола ICMP позволяет компьютерам содержать в конфигурационном файле
только IP-адреса его локальных маршрутизаторов. С помощью сообщений о перенаправлении
маршрутизаторы будут сообщать компьютеру всю необходимую ему информацию о том, какому
маршрутизатору следует отправлять пакеты для той или иной сети назначения. То есть маршрутизаторы
передадут компьютеру нужную ему часть их таблиц маршрутизации.
89
В сообщении "Перенаправление маршрута" маршрутизатор помещает IP-адрес маршрутизатора, которым
нужно пользоваться в дальнейшем, и заголовок исходного пакета с первыми 64 битами его поля данных. Из
заголовка пакета узел узнает, для какой сети необходимо пользоваться указанным маршрутизатором.
90
ВОПРОС 20. Протоколы TCP и UDP. Порты. Логическое соединение
В Интернете нашли применение два основных протокола транспортного уровня, один из которых
ориентирован на соединение, другой — нет. Протоколом без установления соединения является UDP.
Протокол TCP, ориентирован на соединение. Так как UDP — это IP с добавлением небольшого
заголовка.
Наиболее известными протоколами транспортного уровня являются протокол контроля передачи
(Transmission Control Protocol – TCP) и протокол дейтаграмм пользователя (UDP).
Протокол контроля передачи TCP является ориентированным на предварительное соединение типа
connection-oriented. Помимо деления сообщения на сегменты и идентификации приложений TCP
обеспечивает контроль потока и надежность. Он взаимодействует с протоколами прикладного уровня:
HTTP, SMTP, FTP, Telnet и другими. Протокол UDP является протоколом дейтаграммного типа,
взаимодействует с такими протоколами прикладного уровня, как система доменных имен – DNS,
передачи потока видеоданных – Video Steaming, голос поверх IP – Voice over IP и рядом других.
Следует отметить, что система DNS взаимодействует как с TCP, так и с UDP. Итак, протокол
транспортного уровня TCP помимо деления сообщения на сегменты и идентификации приложений
обеспечивает:
 контроль потока;
 надежность.
Для облегчения контроля и обеспечения надежности сообщения передаются частями (порциями), т. е.
сегментами. При этом протокол транспортного уровня узла источника должен прослеживать каждый
сегмент данных при передаче и повторно передавать любую часть сообщения, прием которой не был
подтвержден устройством назначения. Транспортный уровень хоста на приемной стороне должен
отследить получение данных и подтвердить это получение.
Контроль потока необходим, чтобы гарантировать, что источник, передавая данные с некоторой
скоростью, не переполняет буферные устройства узла назначения. Если узел назначения не может
обрабатывать данные в темпе их поступления, то может произойти переполнение буферов и потеря
данных. Управление скоростью передачи данных обеспечивается изменением размера скользящего окна
(Window), которое указывает, сколько байтов данных может быть передано за одну порцию. При
переполнении буферных устройств узел назначения посылает источнику требование уменьшения
размера окна.
После получения каждой порции данных узел назначения посылает источнику квитанцию
подтверждения. Подтверждение (квитирование) обеспечивает надежность сети передачи данных. Если
подтверждение не получено, то неподтвержденная порция данных передается узлом-источником
повторно.
В дейтаграммных IP-сетях пакеты одного сообщения между двумя конечными устройствами могут
проходить разными путями. Поэтому на узел назначения сегменты могут прийти не в том порядке, в
котором были переданы. Надежный протокол транспортного уровня (ТСР) должен восстановить
правильный порядок сегментов и собрать переданное сообщение (реассемблировать его).
Надежность, контроль потока, сегментация сообщений и их реассемблирование, адресация приложений
реализуются путем задания ряда параметров в заголовке сегмента TCP (рис. 1), размер которого
составляет 20 байт.
91
Рис. 1. Формат заголовка сегмента TCP
92
Поля TCP сегмента определяют следующее:
 номер порта источника – 16 бит номера порта, который посылает данные;
 номер порта назначения – 16 бит номера порта, который принимает данные;
 номер последовательности – 32 бита номера первого байта в сегменте, используемого, чтобы
гарантировать объединение частей (порций) данных в корректном порядке в устройстве
назначения;
 номер подтверждения – 32 бита последовательного номера подтверждения принятых данных
(начальный номер байта следующей ожидаемой порции данных);
 ДЗ (HL) – длина заголовка (число 32-разрядных слов в заголовке);
 резерв – разряды поля, установленные в ноль;
 код – 6 разрядов, определяющих тип сегмента, например, для выполнения функций установки
(SYN) и завершения сеанса (FIN), подтверждения принятых данных (ACK), срочного сообщения
(URG);
 размер скользящего окна – число байт, передаваемых за одну порцию;
 контрольная сумма – вычисленная контрольная сумма заголовка и поля данных;
 индикатор – индицирует конец срочных данных;
 опции – каждая текущая опция определяет максимальный размер TCP-сегмента;
 данные – сообщение протокола верхнего уровня.
Поскольку UDP является протоколом дейтаграммного типа, то в заголовке его сегмента ( рис. 2)
отсутствуют такие параметры, как Номер последовательности, Номер подтверждения, Размер окна.
Рис. 2. Формат сегмента UDP
 номер порта источника – 32 бита номера порта, который посылает данные;
 номер порта назначения – 32 бита номера порта, который принимает данные;
 длина – число байт в заголовке и данных,
 контрольная сумма – контрольная сумма заголовка и поля данных;
 данные – сообщение протокола верхнего уровня.
Поскольку протокол UDP не обладает механизмами надежности, она обеспечивается протоколами
верхнего прикладного уровня. Однако небольшой размер заголовка UDP и отсутствие дополнительной
обработки номера последовательности, окна и пересылки подтверждения получения данных повышают
скорость обработки сообщений по сравнению с ТСР.
Комбинация номера порта и IP-адреса образует комплексный адрес, так называемый сокет (socket),
который определяет не только уникальное устройство, но и ПО, используемое для создания и обработки
сообщения, например, 192.168.10.17:1275, 10.1.10.6:53.
Номера портов делятся на несколько типов:
 известные номера, диапазон адресов которых находится в пределах от 0 до 1023;
 зарегистрированные порты с номерами от 1024 до 49151;
 динамические порты с номерами от 49152 до 65535, которые обычно динамически
присваиваются пользователям.
Номера известных портов заданы организацией Internet Assigned Numbers Authority (IANA). Номера
известных портов назначаются протоколам и службам сервиса прикладного уровня. Номера некоторых
известных портов протокола TCP приведены в таблице 1.
Таблица 1. Номера известных портов
Протоколы
FTP
Telnet
Порты
20, 21
23
SMTP
25
HTTP
80
HTTPS
443
POP3
110
93
В приложении протокола передачи файлов FTP используются два известных (стандартных) номера
порта – 20 и 21. Порт 20 задействуется для передачи данных, а порт 21 – для управления соединением.
Среди номеров известных портов протокола UDP наиболее распространенными являются: протокол
TFTP – 69, RIP – 520.
Служба DNS с номером порта 53 и простой протокол управления сетью SNMP – 161 применяются как
протоколом TCP, так и UDP.
Зарегистрированные порты назначаются как пользователям, так и приложениям. Когда
зарегистрированные порты не используются для ресурсов сервера, они могут быть использованы
динамически клиентом как номер порта источника. Из зарегистрированных портов можно отметить
альтернативные порты протокола HTTP – 8008 и 8080.
Заголовок TCP-сегмента содержит последовательный номер, используемый, чтобы гарантировать
объединение частей (сегментов) сообщения в том порядке, в котором они были переданы. Протокол
UDP не имеет такого механизма, поэтому возможны ошибки при объединении сегментов данных при
передаче по сложной сети. Однако скорость передачи данных с применением протокола UDP выше, чем
TCP.
Если необходимо узнать, какие TCP-соединения активны на сетевом конечном узле, то можно
использовать команду netstat в режиме командной строки. В распечатке команды (рис. 3) указаны:
протокол (TCP), локальный адрес узла с динамически назначенным номером порта, внешний адрес (или
имя) узла назначения с номером порта, а также состояние связи.
В данном примере номер порта локального адреса является динамически назначаемым
зарегистрированным портом источника с номером больше 1023. Для адреса http://www.cisco.com
внешний порт задан символически: http. Состояние связи может быть с установленным соединением
(ESTABLISHED) или с ожиданием окончания соединения (TIME_WAIT), когда был послан запрос
окончания соединения (FIN).
Установление соединения
Поскольку TCP является протоколом, ориентированным на предварительное соединение, сначала
необходимо установить сессию между приложениями конечных устройств. Узел-отправитель
инициализирует соединение, которое должно быть подтверждено узлом-получателем. ПО протокола
TCP обменивается сообщениями через сеть, чтобы проверить, что передача разрешена и что обе
стороны готовы к ней.
Соединение между двумя устройствами производится в три этапа (рис. 4).
Во-первых, узел-отправитель инициализирует установление связи, посылая узлу-получателю запроса
синхронизации SYN (1).
Рис. 4. Установление соединения
Во-вторых, узел-получатель подтверждает запрос синхронизации и задает свои параметры
синхронизации ACK (2).
В-третьих, узлу-получателю посылается подтверждение, что обе стороны готовы к тому, чтобы
соединение было установлено (3).
Такой механизм получил название трехэтапного установления связи. Оба узла должны согласовать
начальные номера последовательности передаваемых частей информации, что происходит через обмен
сегментами синхронизации (SYN) и подтверждения (ACK).
Синхронизация требует, чтобы каждая сторона послала собственный начальный номер
последовательности и получила подтверждение от другой стороны. Каждая сторона, получив
начальный номер последовательности от другой стороны, отвечает подтверждением ACK.
Например, последовательность, соответствующая рис. 4, будет следующей.
Узел-отправитель (A) инициализирует соединение, посылая сегмент SYN узлу-получателю (B), в
котором указывает номер своей последовательности Sequence Number, например, SECА = 101.
94
Получив сегмент инициализации соединения, узел B делает запись принятого номера
последовательности 101 и формирует ответ в виде ACKВ = 101 + 1 = 102. Ответ ACKВ = 102 означает,
что хост B получил сегмент данных, включая байт с номером 101, и ожидает следующий байт с
номером 102. Одновременно хост B формирует начальный номер своей последовательности данных,
например, SECВ = 51.
Узел A, получив сегмент от B со значениями ACKВ = 102, SECВ = 51, формирует ответ ACKА = 52,
SECА = 102, который завершает процесс соединения.
Передача данных
Сегменты данных нужно представить пользователю-получателю в том же порядке, в котором они были
переданы. Сбой происходит, если какие-то сегменты данных потеряны, повреждены или получены в
неверном порядке. Поэтому получатель должен подтвердить получение каждого сегмента. Однако если
бы отправитель ждал ответ ACK после посылки каждого сегмента, то производительность сети была бы
низкой. Поэтому надежный, ориентированный на предварительное соединение протокол, например,
TCP, позволяет послать несколько сегментов прежде, чем отправитель получит подтверждение ACK.
Размер скользящего окна заголовка сегмента TCP определяет, сколько байт данных передается в одной
порции неподтвержденных данных. Последовательность сегментов, передаваемых данных представляет
собой последовательность байт. Поэтому и размер окна в заголовке сегмента задается в количестве
передаваемых байт. Узел - получатель передает отправителю подтверждение ACK, когда примет
указанное в окне количество байт данных.
На рис. 5 приведен пример, когда размер окна составляет 3000 байт, а каждый передаваемый сегмент
содержит 1500 байт, что соответствует максимальному размеру кадра Ethernet Уровня 2
.
Рис. 5. Процесс передачи байт данных
Поэтому узел-отправитель передает два сегмента подряд, на которые узел-получатель посылает
подтверждение ACK с номером следующего ожидаемого байта, т. е. ACK = 3001. После получения
узлом-отправителем подтверждения процесс передачи данных повторяется. Если какой-то сегмент в
процессе передачи был потерян, например, из-за перегрузки сети, то узел-получатель в ответе укажет
начальный номер потерянного сегмента (рис. 6), чтобы этот сегмент был передан повторно. При этом
размер окна может быть уменьшен до 1500 байт, т. е. до размера одного передаваемого сегмента.
Перегрузка буферов данных может произойти по следующим причинам:
 высокоскоростной узел-отправитель генерирует трафик быстрее, чем сеть может передать его, а
узел-получатель – принять;
 несколько узлов одновременно посылают сообщения одному узлу-получателю.
Когда данные прибывают на узел-получатель слишком быстро, буферные устройства адресата могут
оказаться перегруженными и приходящие пакеты будут отбрасываться. Чтобы не потерять данные,
процесс TCP на узле-получателе может послать отправителю индикатор "не готов", и отправитель
приостановит передачу данных
95
.
Рис. 6. Перегрузка в процессе передачи байт данных
Когда получатель вновь сможет обрабатывать дополнительные данные, он посылает индикатор "готов".
Если этот индикатор получен, отправитель может продолжить передачу.
При передаче срочных сообщений используется бит URG в поле кода передаваемых сегментов. Такие
сегменты передаются в первую очередь, даже за счет впереди стоящих в очереди сегментов.
Завершение соединения
Для завершения соединения в конце передачи данных узел- отправитель, инициализировавший обмен
данными, посылает сегмент конца передачи FIN. В ответ на это узел-получатель подтверждает (ACK)
конец передачи и также посылает сигнал конца передачи FIN. Узел- отправитель подтверждает
получение информации (ACK), и на этом соединение заканчивается, т. е. завершение соединения
происходит в четыре этапа.
Дополнительно
TCP и UDP – это протоколы. Основное их отличие в том TCP – протокол с гарантированной доставкой
пакетов, UDP – нет.
TCP — «гарантированный» транспортный механизм с предварительным установлением соединения,
предоставляющий приложению надёжный поток данных, дающий уверенность в безошибочности
получаемых данных, перезапрашивающий данные в случае потери и устраняющий дублирование
данных. TCP позволяет регулировать нагрузку на сеть, а также уменьшать время ожидания данных при
передаче на большие расстояния. Более того, TCP гарантирует, что полученные данные были
отправлены точно в такой же последовательности. В этом его главное отличие от UDP.
UDP протокол передачи датаграмм без установления соединения. Также его называют протоколом
«ненадёжной» передачи, в смысле невозможности удостовериться в доставке сообщения адресату, а
также возможного перемешивания пакетов. В приложениях, требующих гарантированной передачи
данных, используется протокол TCP.
UDP обычно используется в таких приложениях, как потоковое видео и компьютерные игры, где
допускается потеря пакетов, а повторный запрос затруднён или не оправдан, либо в приложениях вида
запрос-ответ (например, запросы к DNS), где создание соединения занимает больше ресурсов, чем
повторная отправка.
И TCP, и UDP используют для определения протокола верхнего уровня число, называемое портом.
96
Стандарты и стеки протоколов
Спецификации стандартов
Спецификации Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE802 определяют стандарты для
физических компонентов сети. Эти компоненты – сетевая карта (NIC) и сетевой носитель, которые
относятся к физическому и канальному уровням модели OSI. Спецификации IEEE 802 определяют
механизм доступа адаптера к каналу связи и механизм передачи данных. Стандарты IEEE802
подразделяют канальный уровень на подуровни:
 Logical Link Control (LLC) – подуровень управления логической связью;
 Media Access Control (MAC) – подуровень управления доступом к устройствам.
Спецификации IEEE 802 делятся на двенадцать стандартов:
802.1 (объединение сетей) задает механизмы управления сетью на MAC-уровне. В разделе 802.1
приводятся основные понятия и определения, общие характеристики и требования к ЛВС, а также
поведение маршрутизации на канальном уровне, где логические адреса должны быть преобразованы в
их физические адреса и наоборот.
802.2 (управление логической связью) определяет функционирование подуровня LLC на канальном
уровне модели OSI. LLC обеспечивает интерфейс между методами доступа к среде и сетевым уровнем.
802.3 (CSMA/CD LANs Ethernet – множественный доступ к сетям Ethernet с проверкой несущей и
обнаружением конфликтов) описывает физический уровень и подуровень MAC для сетей,
использующих шинную топологию и коллективный доступ с прослушиванием несущей и
обнаружением конфликтов. Прототипом этого метода является метод доступа стандарта Ethernet
(10BaseT, 10Base2, 10Base5). 802.3 также включает технологии Fast Ethernet (100BaseTx, 100BaseFx).
Используется в сетях с общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все
компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей шине, поэтому она может быть
использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Простота схемы подключения –
это один из факторов, определивших успех стандарта Ethernet. Кабель, к которому подключены все
станции, работает в режиме коллективного доступа (multiply access – MA). Определяет основные
временные и логические соотношения, гарантирующие корректную работу всех станций в сети. Все
данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры определенной структуры и снабжаются
уникальным адресом станции назначения. Затем кадр передается по кабелю. Все станции,
подключенные к кабелю, могут распознать факт передачи кадра, и та станция, которая узнает
собственный адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой внутренний буфер,
обрабатывает полученные данные и посылает по кабелю кадр-ответ. Адрес станции-источника также
включен в исходный кадр, поэтому станция-получатель знает, кому нужно послать ответ.
802.4 (локальные сети Token Bus) определяет метод доступа к шине с передачей маркера, прототип –
ArcNet. При подключении устройств в ArcNet применяют топологию «шина» или «звезда». Адаптеры
ArcNet поддерживают метод доступа Token Bus (маркерная шина) и обеспечивают производительность
2,5 Мбит/с. Этот метод предусматривает следующие правила:
 все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на
передачу (маркер);
 в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом;
 кадр, передаваемый одной станцией, одновременно анализируется всеми остальными станциями
сети.
В сетях ArcNet используется асинхронный метод передачи данных (в сетях Ethernet и Token Ring
применяется синхронный метод), т. е. передача каждого байта в ArcNet выполняется посылкой ISU
(Information Symbol Unit – единица передачи информации), состоящей из трех служебных
старт/стоповых битов и восьми битов данных.
802.5 (локальные сети Token Ring) описывает метод доступа к кольцу с передачей маркера, прототип –
Token Ring. Сети стандарта Token Ring, так же, как и сети Ethernet, используют разделяемую среду
передачи данных, которая состоит из отрезков кабеля, соединяющих все станции сети в кольцо. Кольцо
рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется не случайный
алгоритм, как в сетях Ethernet, а детерминированный, основанный на передаче станциями права на
97
использование кольца в определенном порядке. Право на использование кольца передается с помощью
кадра специального формата, называемого маркером, или токеном.
802.6 (городские сети) описывает рекомендации для региональных сетей.
802.7 (техническая консультационная группа по широковещательной передаче) описывает
рекомендации по широкополосным сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию.
802.8 (техническая консультационная группа по оптоволоконным сетям) содержит обсуждение
использования оптических кабелей в сетях 802.3 – 802.6, а также рекомендации по оптоволоконным
сетевым технологиям, носителям, интерфейсу и оборудованию, прототип – сеть FDDI (Fiber Distributed
Data Interface).
Стандарт FDDI использует оптоволоконный кабель и доступ с применением маркера. Сеть FDDI
строится на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути
передачи данных между узлами сети. Использование двух колец – это основной способ повышения
отказоустойчивости в сети FDDI, и узлы, которые хотят им воспользоваться, должны быть подключены
к обоим кольцам. Скорость сети до 100 Мб/с. Данная технология позволяет включать до 500 узлов на
расстоянии 100 км.
802.9 (интегрированные сети передачи голоса и данных) задает архитектуру и интерфейсы устройств
одновременной передачи данных и голоса по одной линии, а также содержит рекомендации по
гибридным сетям, в которых объединяют голосовой трафик и трафик данных в одной и той же сетевой
среде.
802.10 (сетевая безопасность) рассмотрены вопросы обмена данными, шифрования, управления сетями
и безопасности в сетевых архитектурах, совместимых с моделью OSI.
802.11 (беспроводные сети) описывает рекомендации по использованию беспроводных сетей.
802.12 описывает рекомендации по использованию сетей 100VG – AnyLAN со скоростью 100Мб/с и
методом доступа по очереди запросов и по приоритету (Demand Priority Queuing – DPQ, Demand Priority
Access – DPA).
Технология 100VG – это комбинация Ethernet и Token-Ring со скоростью передачи 100 Мбит/c,
работающая на неэкранированных витых парах. В проекте 100Base-VG усовершенствован метод
доступа
с
учетом
потребности
мультимедийных
приложений.
В
спецификации
100VG предусматривается поддержка волоконно-оптических кабельных систем. Технология
100VG использует метод доступа – обработка запросов по приоритету (demand priority access). В этом
случае узлам сети предоставляется право равного доступа. Концентратор опрашивает каждый порт и
проверяет наличие запроса на передачу, а затем разрешает этот запрос в соответствии с приоритетом.
Имеется два уровня приоритетов – высокий и низкий.
98
Протоколы и стеки протоколов
Согласованный набор протоколов разных уровней, достаточный для организации межсетевого
взаимодействия, называется стеком протоколов. Для каждого уровня определяется набор функций–
запросов для взаимодействия с вышележащим уровнем, который называется интерфейсом. Правила
взаимодействия двух машин могут быть описаны в виде набора процедур для каждого из уровней,
которые называются протоколами.
Стеки протоколов разбиваются на три уровня:
 сетевые;
 транспортные;
 прикладные.
Сетевые протоколы
Сетевые протоколы предоставляют следующие услуги: адресацию и маршрутизацию информации,
проверку на наличие ошибок, запрос повторной передачи и установление правил взаимодействия в
конкретной сетевой среде:
 DDP (Протокол доставки дейтаграмм). Протокол передачи данных Apple, используемый в Apple
Talk;
 IP (Протокол Internet). Протокол стека TCP/IP, обеспечивающий адресную информацию и
информацию о маршрутизации;
 IPX (Межсетевой обмен пакетами) в NWLink. Протокол Novel NetWare, используемый для
маршрутизации и направления пакетов;
 NetBEUI (расширенный пользовательский интерфейс базовой сетевой системы ввода вывода).
Разработанный совместно IBM и Microsoft, этот протокол обеспечивает транспортные услуги для
NetBIOS.
Транспортные протоколы
Транспортные протоколы предоставляют услуги надежной транспортировки данных между
компьютерами:
 ATP (Транзакционный протокол Apple Talk) и NBP (Протокол связывания имен). Сеансовый и
транспортный протоколы Apple Talk;
 NetBIOS (Базовая сетевая система ввода вывода), NetBIOS устанавливает соединение между
компьютерами, аNetBEUI предоставляет услуги передачи данных для этого соединения;
 SPX (Последовательный обмен пакетами) в NWLink. Протокол Novel NetWare, используется для
обеспечения доставки данных;
 TCP (Протокол управления передачей), протокол стека TCP/IP, отвечающий за надежную доставку
данных.
Прикладные протоколы
Прикладные протоколы отвечают за взаимодействие приложений:
AFP (Файловый протокол Apple Talk) – протокол удаленного управления файлами Macintosh;
FTP (Протокол передачи файлов) – протокол стека TCP/IP, используемый для обеспечения услуг по
передачи файлов;
NCP (Базовый протокол NetWare) – оболочка и редиректоры клиента Novel NetWare;
SNMP (Простой протокол управления сетью) – протокол стека TCP/IP, используемый для управления и
наблюдения за сетевыми устройствами;
HTTP – протокол передачи гипертекста и другие протоколы.
99
Служат для передачи информации конкретным клиентским приложениям, запущенным на сетевом
компьютере. В IP-сетях они опираются на стандарт TCP и выполняют ряд специализированных
функций, предоставляя пользовательским программам данные строго определенного назначения.
Протокол FTP предназначен для передачи файлов через Интернет. На базе этого протокола
реализованы процедуры загрузки и выгрузки файлов на удаленных узлах Всемирной Сети; позволяет
переносить с машины на машину не только файлы, но и целые папки, включающие поддиректории на
любую глубину вложений. Осуществляется это путем обращения к системе команд FTP, описывающих
ряд встроенных функций данного протокола.
Протоколы SMTP и РОРЗ используются при работе с электронной почтой, первый «отвечает» за
отправку исходящей корреспонденции, второй — за доставку входящей. Их функция: организация
доставки сообщений e-mail и передача их почтовому клиенту. SMTP позволяет отправлять несколько
сообщений в адрес одного получателя, организовывать промежуточное хранение сообщений,
копировать одно сообщение для отправки нескольким адресатам. Оба обладают встроенными
механизмами распознавания адресов электронной почты, а также специальными модулями повышения
надежности доставки сообщений.
Протокол HTTP обеспечивает передачу с удаленных серверов на локальный компьютер документов,
содержащих код разметки гипертекста, написанный на языке HTML или XML. Он ориентирован на
предоставление информации программам просмотра веб-страниц, веб-браузерам, например, Internet
Explorer и Netscape Communicator. С использованием протокола HTTP организуется отправка запросов
удаленным http-серверам сети Интернет и обработка их откликов; HTTP позволяет использовать для
вызова ресурсов Всемирной сети адреса стандарта доменной системы имен (DNS), то есть обозначения,
называемые URL вида http:/ /www.domain.zone/page.
Протокол TELNET предназначен для организации терминального доступа к удаленному узлу
посредством обмена командами в символьном формате ASCII. Для работы с сервером по протоколу
TELNET на стороне клиента должна быть установлена спец. программа, называемая telnet-клиентом,
которая, установив связь с удаленным узлом, открывает в своем окне системную консоль операционной
оболочки сервера. Можно управлять серверным компьютером в режиме терминала. Какую бы ОС вы ни
использовали, протокол Telnet позволит вам общаться с удаленной машиной «на равных». Например,
вы без труда сможете открыть сеанс UNIX на компьютере, работающем под управлением MS Windows.
Протокол UDP – используется на медленных линиях для трансляции дейтаграмм, которые содержат
полный комплекс данных, необходимых для ее отсылки и получения. При ее передаче компьютеры не
занимаются обеспечением стабильности связи. Схема обработки информации протоколом UDP, такая
же, как и у TCP, но с одним отличием: UDP всегда дробит информацию по одному и тому же
алгоритму, строго определенным образом. Для осуществления связи с использованием протокола UDP
применяется система отклика: получив UDP-пакет, компьютер отсылает отправителю заранее
обусловленный сигнал. Если отправитель ожидает сигнал слишком долго, он просто повторяет
передачу. Достоинство: прикладные интернет-программы работают с UDP в два раза быстрее, чем с его
более высокотехнологичным собратом TCP.
Сетевые протоколы
Протокол передачи данных — набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют
обмен данными между различными программами. Эти соглашения задают единообразный способ
передачи сообщений и обработки ошибок при взаимодействии ПО, разнесённой в пространстве
аппаратуры, соединённой тем или иным интерфейсом.
Сетевой протокол — набор правил и действий (очерёдности действий), позволяющий осуществлять
соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами. Разные
протоколы зачастую описывают лишь разные стороны одного типа связи. Названия «протокол» и «стек
протоколов» также указывают наПО, которым реализуется протокол.
Наиболее распространённой системой классификации сетевых протоколов является так называемая
модель OSI, в соответствии с которой протоколы делятся на 7 уровней по своему назначению. Сетевые
протоколы предписывают правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Они строятся по
многоуровневому принципу. Протокол некоторого уровня определяет одно из технических правил
связи. В настоящее время для сетевых протоколов используется модель OSI (взаимодействие открытых
систем, ВОС).
100
Примеры сетевых протоколов.
TCP/IP — набор протоколов передачи данных, получивший название от двух принадлежащих ему
протоколов: TCP и IP.
Наиболее известные протоколы, используемые в сети Интернет:
HTTP — это протокол передачи гипертекста. Протокол HTTP используется при пересылке Webстраниц с одного компьютера на другой.
FTP — это протокол передачи файлов со специального файлового сервера на компьютер пользователя.
FTP дает возможность абоненту обмениваться двоичными и текстовыми файлами с любым
компьютером сети. Установив связь с удаленным компьютером, пользователь может скопировать файл
с удаленного компьютера на свой или наоборот.
POP — это стандартный протокол почтового соединения. Серверы POP обрабатывают входящую
почту, а протокол POP предназначен для обработки запросов на получение почты от клиентских
почтовых программ.
SMTP — протокол, который задает набор правил для передачи почты. Сервер SMTP возвращает либо
подтверждение о приеме, либо сообщение об ошибке, либо запрашивает дополнительную информацию.
TELNET — это протокол удаленного доступа; дает возможность абоненту работать на любой ЭВМ
сети Интернет, как на своей собственной, то есть запускать программы, менять режим работы и так
далее. На практике возможности лимитируются тем уровнем доступа, который задан администратором
удаленной машины.
Протокол SNMP используется для организации сетевого управления. Изначально протокол SNMP был
разработан для удаленного контроля и управления маршрутизаторами Internet, которые традиционно
часто называют также шлюзами. С ростом популярности протокол SNMP стали применять и для
управления любым коммуникационным оборудованием – концентраторами, мостами, сетевыми
адаптерами и т.д. и т.п. Проблема управления в протоколе SNMP разделяется на две задачи.
Первая задача связана с передачей информации. Протоколы передачи управляющей информации
определяют процедуру взаимодействия SNMP-агента, работающего в управляемом оборудовании, и
SNMP-монитора, работающего на компьютере администратора, который часто называют также
консолью управления. Протоколы передачи определяют форматы сообщений, которыми обмениваются
агенты и монитор.
Вторая задача связана с контролируемыми переменными, характеризующими состояние управляемого
устройства. Стандарты регламентируют, какие данные должны сохраняться и накапливаться в
устройствах, имена этих данных и синтаксис этих имен. В стандарте SNMP определена спецификация
информационной базы данных управления сетью. Эта спецификация, известная как база данных MIB,
определяет те элементы данных, которые управляемое устройство должно сохранять, и допустимые
операции над ними.
Другие протоколы.
DTN — протокол, предназначенный для обеспечения сверхдальней космической связи.
101
Транспортные протоколы
Протоколы транспортного уровня обеспечивают контроль над передачей данных между межсетевыми
протоколами и приложениями уровня ОС.
ПРОТОКОЛ TCP. Протокол IP позволяет только транслировать данные. Для того чтобы управлять
этим процессом, служит протокол TCP, опирающийся на возможности протокола IP. Положим, вы
хотите переслать по почте вашему другу толстый журнал, не потратив при этом денег на отправку
бандероли. Как решить эту проблему, если почта отказывается принимать письма, содержащие больше
нескольких бумажных листов? Выход простой: разделить журнал на страницы и отправлять их
отдельными письмами. По номерам страниц ваш друг сможет собрать журнал целиком.
Приблизительно таким же способом работает протокол TCP. Он дробит информацию на несколько
частей, присваивает каждой части номер, по которому данные впоследствии можно будет соединить
воедино, добавляет к ней «служебную» информацию и укладывает все это в отдельный «IP-конверт».
Далее этот «конверт» отправляется по сети — протокол межсетевого уровня умеет обрабатывать
подобную информацию. Поскольку в такой схеме протоколы TCP и IP тесно связаны, их часто
объединяют в одно понятие: TCP/IP. Размер передаваемых в Интернете TCP/IP-пакетов составляет, как
правило, от 1 до 1500 байт, что связано с техническими характеристиками.
Наверняка, пользуясь услугами обычной почтовой связи, вы сталкивались с тем, что обычные письма,
посылки и иные почтовые отправления теряются и приходят совсем не туда, куда нужно. Такие
проблемы решает в сетевых системах протокол TCP. Если какой-либо пакет данных не был доставлен
получателю вовремя, TCP повторяет пересылку до тех пор, пока информация не будет принята
корректно и в полном объеме. В действительности данные, передаваемые по электронным сетям, не
только теряются, но зачастую искажаются из-за помех на линиях связи. Встроенные в TCP алгоритмы
контроля корректности передачи данных решают и эту проблему. Одним из самых известных
механизмов контроля правильности пересылки информации является метод, согласно которому в
заголовок каждого передаваемого пакета записывается некая контрольная сумма, вычисленная
компьютером-отправителем. Компьютер-получатель по аналогичной системе вычисляет контрольную
сумму и сравнивает ее с числом, имеющимся в заголовке пакета. Если цифры не совпадают, TCP
пытается повторить передачу. При отправке информационных пакетов TCP требует от компьютераполучателя подтверждения приема информации. Это организуется путем создания временных задержек
при приеме-передаче — тайм-аутов, или ожиданий. Тем временем отправитель продолжает пересылать
данные. Образуется некий объем уже переданных, но еще не подтвержденных данных. Иными словами,
TCP организует двунаправленный обмен информацией, что обеспечивает более высокую скорость ее
трансляции. При соединении двух компьютеров их модули TCP следят за состоянием связи. При этом
само соединение, посредством которого осуществляется обмен данными, носит название виртуального
или логического канала. Фактически протокол TCP является неотъемлемой частью стека протоколов
TCP/IP, и именно с его помощью реализуются все функции контроля над передачей информации по
сети, а также задачи ее распределения между клиентскими приложениями.
ПРОТОКОЛ SPX. В точности так же, как протокол TCP для IP-сетей, для сетей, построенных на базе
межсетевого протокола IPX, транспортным протоколом служит специальный протокол SPX. Он
выполняет следующий набор функций:
 инициализация соединения;
 организация виртуального канала связи (логического соединения);
 проверка состояния канала;
 контроль передачи данных;
 разрыв соединения.
Поскольку транспортный протокол SPX и межсетевой протокол IPX тесно связаны между собой, их
нередко объединяют в общее понятие — семейство протоколов IPX/SPX. Поддержка данного семейства
протоколов реализована не только в ОС семейства Nowell Netware, но и в ОС Microsoft Windows
9x/Me/NT/2000/XP, Unix/Linux и OS/2.
102
ПРОТОКОЛ NetBIOS/NetBEUI. Разработанный компанией IBM транспортный протокол NetBIOS
является базовым для локальных сетей, работающих под управлением ОС семейств Nowell Netware и
OS/2, однако его поддержка реализована также и в ОС Microsoft Windows, и в некоторых реализациях
Unix-совместимых ОС. Фактически можно сказать, что данный протокол работает сразу на нескольких
логических уровнях стека протоколов: на транспортном уровне он организует интерфейс между
сетевыми приложениями в качестве надстройки над протоколами IPX/SPX; на межсетевом — управляет
маршрутизацией дейтаграмм; на канальном уровне — организует обмен сообщениями между
различными узлами сети.
В отличие от других протоколов, NetBIOS осуществляет адресацию в локальных сетях на основе
уникальных имен узлов и практически не требует настройки, благодаря чему остается весьма
привлекательным для сис. администраторов, управляющих сетями с небольшим числом компьютеров.
В качестве имен хостов протоколом NetBIOS используются значащие последовательности длиной в 16
байт, то есть каждый узел сети имеет собственное уникальное имя, которое образуется из сетевого
адреса машины с добавлением десяти служебных байтов. Кроме этого, каждый компьютер в сетях
NetBIOS имеет произвольное символьное имя, равно как произвольные имена могут иметь логические
рабочие группы, объединяющие несколько работающих совместно узлов — такие имена могут
назначаться и удаляться по желанию сис. администратора. Имена узлов служат для идентификации
компьютера в сети, имена рабочих групп могут служить, в частности, для отправки данных нескольким
компьютерам группы или для обращения к целому ряду сетевых узлов одновременно.
При каждом подключении к распределенной вычислительной системе протокол NetBIOS осуществляет
опрос локальной сети для проверки уникальности имени узла; поскольку несколько узлов сети могут
иметь идентичные групповые имена, определение уникальности группового имени не производится.
Специально для локальных сетей, работающих на базе стандарта NetBIOS, корпорацией IBM был
разработан расширенный интерфейс для этого протокола, который получил название NetBEUI. Этот
протокол рассчитан на поддержку небольших локальных сетей, включающих не более 150-200 машин,
и по причине того, что данный протокол может использоваться только в отдельных сегментах
локальных сетей (пакеты NetBEUI не могут транслироваться через мосты — устройства, соединяющие
несколько локальных сетей, нередко использующих различную среду передачи данных или различную
топологию), этот стандарт считается устаревшим и более не поддерживается ОС Microsoft Windows XP,
хотя его поддержка имеется в ОС семейства Windows 9х/МЕ/2000.
103