Эталонная модель взаимодействия открытых систем OSI

Международная организация стандартов (ISO - International Organization Standardization) для координации разработки открытых сетей приняла в 1978 году в качестве стандарта базовую эталонную модель OSI (Open System Interconnection). Эта модель допускает эволюцию сетей с учетом новых результатов в теории и технике. Модель OSI определяет общие рекомендации для построения стандартов сетей, реализуемые как программными, так и аппаратными средствами. Она включает в себя семь иерархических уровней, каждый из которых выполняет определенную функциональную задачу.

Три верхних уровня вместе с прикладными процессами пользователей образуют область обработки данных. Три нижних уровня образуют область передачи данных между взаимодействующими системами и реализуют коммуникационные процессы по передаче данных. Средний (транспортный) уровень обеспечивает транспортировку данных (собственно трафик в сети) от отправителя к получателю. Он занимает особое место в иерархии уровней, поскольку здесь коммуникационная подсеть (три нижних уровня) с пакетом данных в качестве автономно транспортируемого объекта объединяется с верхними уровнями, использующими сообщение в качестве отдельного объекта.

Протокол - набор правил, определяющих процедуру взаимодействия процессов, устройств, систем. Применительно к модели сети, используемые в ней протоколы, управляют преобразованием форматов передаваемых сообщений (пакетов), последовательностью работы компьютерной техники, коммутационной аппаратуры и каналов связи, контролем и исправлением возникающих ошибок. За исключением физического уровня (его протоколы выполняются аппаратно) для всех уровней модели сети протоколы реализуются программным способом через драйверы, управляющие соответствующими сетевыми устройствами.

Рис.1 Семиуровневая архитектура вычислительной сети
(указано направление передачи данных слева направо)

ОРГАНИЗАЦИЯ ЛОКАЛЬНЫХ И КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЕЙ,
ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИХ ТОПОЛОГИИ
И ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

Одной из важных характеристик ЛВС является топология сети, которая характеризует усредненную геометрическую схему расположения входящих в состав сети компьютеров, узлов коммутации и каналов связи. Узел коммутации -это устройство, задающее направление передачи данных в сети. Для ЛВС характерны три базовых топологии: кольцо (ring), шина (bus) и звезда (star).

В топологии Кольцо повторители сигналов (репитеры) с помощью соединительных кабелей связаны в единую однонаправленную замкнутую цепь (рис.7.4). К каждому из повторителей подключено по одному компьютеру. Сообщение передается от одного повторителя к другому по кольцу до повторителя,295

опознающего адрес сообщения и отправляющего это сообщение подключенному к данному повторителю компьютеру. Для управления передачей сообщений по кольцу передается специальный маркер, разрешающий передачу сообщения из компьютера, инициировавшего формирование маркера. В общем случае маркер представляет собой служебное сообщение, в которое помещаются сообщения абонентов сети. Топология Кольцо обеспечивает равенство компьютеров, позволяет наращивать их число, однако последовательный характер обслуживания значительно снижает быстродействие сети, а выход из строя одного из повторителей приводит к остановке работы сети в целом. В настоящее время топология Кольцо используется очень редко.

В топологии Шина все компьютеры подключены к общей единой линии связи (рис.7.5). В отличие от топологии Кольцо, допускающей использование любых кабелей в качестве передающей сигналы среды, данная топология ориентирована на применение только коаксиального кабеля (тонкого или толстого). В наиболее широко используемом варианте с тонким кабелем выходы сетевых карт соседних компьютеров непосредственно связываются отрезками кабеля, формируя тем самым шину. Данные от передающего компьютера одновременно поступают на все компьютеры сети, однако их воспринимает только тот компьютер, адрес которого указан в передаваемом сообщении. В любой момент времени осуществлять передачу данных может только один компьютер. При выходе отдельного компьютера из строя сеть продолжает нормально функционировать. Для топологии Шина характерно высокое быстродействие ЛВС, простая процедура наращивания размера сети, однако при значительном объеме трафика ее пропускная способность может значительно понизиться.

Топология Звезда предполагает наличие центрального узла коммутации, с которым соединяются компьютеры сети посредством отдельных линий связи (рис.7. 3). Данные между компьютерами передаются через центральный узел, обеспечивающий их маршрутизацию в сети. Данная топология обеспечивает простоту расширения и управления сетью, однако ее работоспособность полностью определяется состоянием центрального узла коммутации. Топология Звезда является более гибкой архитектурой позволяющей, строить как простые, так и сложные сегментированные, разветвленные сети. Скорость работы такой сети существенно выше, кроме того, имеется возможность построения сегментов с разной скоростью передачи данных в зависимости от ее технического оснащения и организации. При повреждении линии связи конкретного луча от сети отключаются только компьютеры, связанные с этим лучом.

На практике, как правило, реализуют комбинированные варианты построения локальной сети на основе топологии Звезда.

Для расширения числа подключаемых рабочих станций при создании сетей произвольной конфигурации широко используют специальные устройства — концентраторы (hub), фактически выполняющие функцию многопортовых (со многими входами) повторителей. Задачей концентратора является сбор воедино подходящих к нему сетевых соединений и организация приема и передачи данных между адресатами. Выпускают концентраторы пассивные и активные с автономным питанием. Основными их параметрами являются: скорость передачи данных и количество портов. Различные модели устройств работают на скоростях 10 Мбит/с и 10/100 Мбит/с (в новейших моделях максимально возможная скорость достигает 1000 Мбит/с) и имеют 4, 5, 8, 12, 16, 24 и 32 портов.

В ЛВС для соединения устройств между собой обычно используют кабели нескольких видов, а в ряде случаев, радиоканал и инфракрасный канал. Среди различных типов кабелей наиболее часто применяют витую пару, реже коаксиальный и оптоволоконный кабель.

В простейшем случае витая пара (VTP) образуется двумя свитыми (скрученными) изолированными проводниками. Существует несколько категорий витой пары, отличающихся максимально возможной скоростью передачи и помехозащищенностью. Для повышения помехозащищенности используют экранированную витую пару (STR). В последние годы витая пара является наиболее широко используемым видом передающей среды. Этот тип кабеля обеспечивает высокую скорость передачи - до 100 Мбит/с, прост при монтаже, нетребователен при эксплуатации. Используется только в сетях с топологией Звезда. Недостатком является небольшая длина луча (до 100 м).

Коаксиальный кабель на срезе представляет собой совокупность изолированной центральной жилы (проводника) и окружающей ее защитной металлической оплетки, обеспечивающей высокую помехозащищенность от внешних электромагнитных полей. В сетях используют два вида коаксиального кабеля: толстый и тонкий. Толстый кабель характеризуется более высокими значениями эксплуатационных параметров. При построении новых сетей коаксиальный кабель практически не применяется из-за малых для современных сетей скоростей передачи данных.

Оптоволоконный кабель является наиболее современным техническим решением, обеспечивающим наибольший уровень помехозащищенности. По сравнению с электрическими кабелями он не излучает электромагнитных колебаний при передаче данных, что актуально для сетей с повышенными требованиями информационной безопасности, нечувствителен к внешним электромагнитным полям. Оптоволоконный кабель характеризуется высокой скоростью передачи (до 1000 Мбит/с) и большой длиной луча (до сотни км), однако, в то же время, он является наиболее дорогим решением по стоимости как оборудования, так и монтажа, а также требует сложных переходных (стыковочных) устройств для преобразования электрических сигналов в световые и обратно. В течение последних лет в ЛВС доминирующим решением является архитектура Ethernet. В качестве передающей среды в различных спецификациях могут использоваться витая пара, толстый и тонкий коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.

В ряде случаев при невозможности или нецелесообразности прокладки кабелей используют радиосети, включающие в свой состав необходимое количество установленных на компьютерах радиотрансиверов (комплект приемник-передатчик), обменивающихся данными по радиоканалу. Обычно радиоканал организуют на расстояние до 5 км (известны решения с дальностью действия до 40 км и скоростью передачи до 11 Мбит/с). Для такой технологии характерна высокая стоимость, кроме того, для ее применения необходимо получать соответствующее разрешение в Государственной комиссии по радиочастотам.

В последние годы в связи с широким применением ЛВС типичной стала задача соединения ряда автономных сетей в единое целое с целью объединения ресурсов и организации единой транспортной сети. Подобная необходимость возникает практически всегда при организации корпоративных сетей.

Простейший вариант объединения нескольких сегментов сети с шинной топологией для увеличения ее общей протяженности реализуется с помощью приемопередатчиков (трансиверов) и повторителей (репитеров).

Приемопередатчик представляет собой устройство, предназначенное для приема пакетов от сетевых карт и последующей их передачи в шину.

Повторитель (устройство с автономным питанием) выполняет функцию усилителя мощности сигналов, передающих пакеты данных между сегментами определенной длины.

В случае объединения однотипных близкорасположенных сетей используют наиболее простое техническое решение - мост, предполагающий использование в обеих сетях одинаковых методов передачи данных. Объединяемые сети должны иметь одинаковые сетевые уровни модели OSI, однако при этом допускаются некоторые различия на физическом и канальном уровнях. Мост позволяет объединять и сети с различной топологией при использовании однотипных сетевых операционных систем. Различают локальные и удаленные мосты. В отличие от локальных удаленные мосты позволяют посредством внешних каналов и модемов связать территориально разнесенные сети.

Более сложным техническим решением является использование шлюза, представляющего собой устройство для организации обмена данными между сетями с различными протоколами взаимодействия. Непосредственное назначение шлюза заключается в согласовании протоколов, используемых в объединяемых сетях. Функции шлюза реализуются на всех уровнях модели OSI выше сетевого уровня. Именно шлюзы позволяют реализовать подключение ЛВС к глобальной сети.

В сетях со сложной конфигурацией или в объединенных сетях широко применяют маршрутизаторы (router), представляющие собой устройства для оптимизации управления передачей сообщений в сетях различного типа, использующих одинаковые операционные системы. Маршрутизатор определяет наиболее эффективный путь передачи сообщения (пакетов) конкретному абоненту сети, обеспечивая при этом балансировку загрузки сети (оптимизацию) с подключением к работе свободных каналов связи. Маршрутизатор пропускает в конкретную сеть только те сообщения, которые адресованы ее абонентам. Адрес конкретного абонента определяется его собственным адресом в рамках сети и адресом этой сети. Функции маршрутизатора реализуются на сетевом и транспортном уровнях модели OSI, при этом более высокие уровни объединяемых сетей должны быть одинаковы.

При построении сложных сетей для обеспечения необходимой интенсивности и оптимизации работы вместо концентратора используют более интеллектуальное устройство - коммутатор (switch). Его принципиальным отличием от концентратора является наличие внутренней логики и микропрограммы, которые более оптимально используют ресурсы сети (фактически реализуя функции маршрутизатора), разгружая ее и повышая общую производительность. Они обладают большей пропускной способностью и малым временем задержки, что обеспечивает в сетях поддержку интерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями.

Различные виды коммутационного оборудования (мосты, маршрутизаторы и коммутаторы) по назначению и функциональным возможностям близки друг другу. Мосты обеспечивают сегментацию сети на нижнем (физическом) уровне, поэтому их "интеллектуальные" возможности малы. Маршрутизаторы, объединяя физические и логические сегменты сети в единое целое, выполняют при этом ряд "интеллектуальных" функций, но они вносят заметные задержки, что негативно сказывается на оперативности управления трафиком. Коммутаторы обеспечивают меньшее время задержки и наиболее эффективны в сетях с небольшим числом пользователей. Однако в сложных сетях с большим числом коммутационных устройств маршрутизаторы обеспечивают более эффективное управление трафиком, чем коммутаторы.

Конструктивно мосты, маршрутизаторы и шлюзы обычно выполняются в виде плат, устанавливаемых в компьютеры и управляемых с помощью специализированного программного обеспечения. В высокопроизводительных системах они могут быть выполнены в виде внешних устройств с автономным питанием.

Дата добавления: 2014-01-05