Тема. Стандартизация сетевых решений Цель лекции

Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством (ПУ) в компьютере предусмотрен внешний интерфейс (рис. 1.6), то есть набор проводов, соединяющих компьютер и периферийное устройство, а также набор правил обмена информацией по этим проводам (иногда вместо термина интерфейс употребляется термин протокол — подробней об этих важных терминах мы еще поговорим). Примерами интерфейсов, используемых в компьютерах, являются параллельный интерфейс Centronics, предназначенный, как правило, для подключения принтеров, и последовательный интерфейс RS-232C, через который подключаются мышь, модем и много других устройств. Интерфейс реализуется со стороны компьютера совокупностью аппаратных и программных средств: контроллером ПУ и специальной программой, управляющей этим контроллером, которую часто называют драйвером соответствующего периферийного устройства.

Со стороны ПУ интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления, хотя встречаются и программно-управляемые периферийные устройства.

Программа, выполняемая процессором, может обмениваться данными с помощью команд ввода/вывода с любыми модулями, подключенными к внутренней шине компьютера, в том числе и с контроллерами ПУ.

Периферийные устройства могут принимать от компьютера как данные, например байты информации, которую нужно распечатать на бумаге, так и команды управления, в ответ на которые ПУ может выполнить специальные действия, например перевести головку диска на требуемую дорожку или же вытолкнуть лист бумаги из принтера. Периферийное устройство использует внешний интерфейс компьютера не только для приема информации, но и для передачи информации в компьютер, то есть обмен данными по внешнему

возвращает в компьютер данные о своем состоянии.

Контроллеры ПУ принимают команды и данные от процессора в свой внутренний буфер, который часто называется регистром или портом, затем выполняют необходимые преобразования этих данных и команд в соответствии с форматами, понятными ПУ, и выдают их на внешний интерфейс.

Распределение обязанностей между контроллером и драйвером ПУ может быть разным, но обычно контроллер выполняет набор простых команд по управлению ПУ, а драйвер использует эти команды, чтобы заставить устройство совершать более сложные действия по некоторому алгоритму. Например, контроллер принтера может поддерживать такие элементарные команды, как «Печать символа», «Перевод строки», «Возврат каретки» и т. п. Драйвер же принтера с помощью этих команд организует печать строк символов, разделение документа на страницы и другие более высокоуровневые операции. Для одного и того же контроллера можно разработать различные драйверы, которые будут управлять данным ПУ по-разному — одни лучше, а другие хуже — в зависимости от опыта и способностей программистов, их разработавших.

Рассмотрим схему передачи одного байта информации от прикладной программы на периферийное устройство. Программа, которой потребовалось выполнить обмен данными с ПУ, обращается к драйверу этого устройства, сообщая ему в качестве параметра адрес байта памяти, который нужно передать. Драйвер загружает значение этого байта в буфер контроллера ПУ, который начинает последовательно передавать биты в линию связи, представляя каждый бит соответствующим электрическим сигналом. Чтобы устройству управления ПУ стало понятно, что начинается передача байта, перед передачей первого бита информации контроллер ПУ формирует стартовый сигнал специфической формы, а после передачи последнего информационного бита — столовый сигнал. Эти сигналы синхронизируют передачу байта.

Кроме информационных бит, контроллер может передавать бит контроля четности для повышения достоверности обмена. Устройство управления, обнаружив на соответствующей линии стартовый бит, выполняет подготовительные действия и начинает принимать информационные биты, формируя из них байт в своем приемном буфере. Если передача сопровождается битом четности, то выполняется проверка правильности передачи: при правильно выполненной передаче в соответствующем регистре устройства управления устанавливается признак завершения приема информации.

Обычно на драйвер возлагаются наиболее сложные функции протокола (например, подсчет контрольной суммы последовательности передаваемых байтов, анализ состояния периферийного устройства, проверка правильности выполнения команды). Но даже самый примитивный драйвер контроллера должен поддерживать как минимум две операции: «Взять данные из контроллера в оперативную память» и «Передать данные из оперативной памяти в контроллер».

Существуют как весьма специализированные интерфейсы, пригодные для подключения узкого класса устройств (например, графических мониторов высокого разрешения фирмы Vista), так и интерфейсы общего назначения, являющиеся стандартными и позволяющие подключать различные периферийные устройства. Примером такого интерфейса является интерфейс RS-232C, который поддерживается многими терминалами, принтерами, графопостроителями, манипуляторами типа «мышь» и многими другими устройствами.

Вопросы для самопроверки

1. 
   Поясните разницу в употреблении терминов «протокол» и «интерфейс» применительно к многоуровневой модели взаимодействия устройств в сети.
   

1. 
   Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы /В.Г. Олифер, Н.А.Олифер. -СПб: Издательство «Питер», 2000. Элетронный учебник
   
2. 
   Никифоров С.В. Введение в сетевые технологии. 0 М, 2993
   
3. 
   Барановская Т.П. Архитектура компьютерных систем и сетей. – М, 2003
   

Наибольшее распространение для построения составных сетей в последнее время получил стек TCP/IP. Стек TCP/IP имеет 4 уровня: прикладной, основной, уровень межсетевого взаимодействия и уровень сетевых интерфейсов. Соответствие уровней стека TCP/IP уровням модели OSI достаточно условно.

Протоколы уровня сетевых интерфейсов обеспечивают интеграцию в составную сеть других сетей. Этот уровень не регламентируется, но поддерживает все популярные стандарты физического и канального уровней: для локальных сетей — Ethernet, Token Ring, FDDI и т. д., для глобальных сетей — Х.25, frame relay, PPP, ISDN и т. д.

В стеке TCP/IP для именования единиц передаваемых данных на разных уровнях используют разные названия: поток, сегмент, дейтаграмма, пакет, кадр.

В стеке TCP/IP используются три типа адресов: локальные (называемые также аппаратными), IP-адреса и символьные доменные имена. Все эти типы адресов присваиваются узлам составной сети независимо друг от друга.

IP-адрес имеет длину 4 байта и состоит из номера сети и номера узла. Для определения границы, отделяющей номер сети от номера узла, реализуются два подхода. Первый основан на понятии класса адреса, второй — на использовании масок.

Класс адреса определяется значениями нескольких первых бит адреса. В адресах класса А под номер сети отводится один байт, а остальные три байта — под номер узла, поэтому они используются в самых больших сетях. Для небольших сетей больше подходят адреса класса С, в которых номер сети занимает три байта, а для нумерации узлов может быть использован только один байт. Промежуточное положение занимают адреса класса В.

Другой способ определения, какая часть адреса является номером сети, а какая номером узла, основан на использовании маски. Маска — это число, которое используется в паре с IP-адресом; двоичная запись маски содержит единицы в тех разрядах, которые в IP-адресе должны интерпретироваться как номер сети.

Номера сетей назначаются либо централизованно, если сеть является частью Internet, либо произвольно, если сеть работает автономно.

Процесс распределения IP-адресов по узлам сети может быть автоматизирован с помощью протокола DHCP.

Установление соответствия между IP-адресом и аппаратным адресом (чаще всего МАС-адресом) осуществляется протоколом разрешения адресов ARP, который для этой цели просматривает ARP-таблицы. Если нужный адрес отсутствует, то выполняется широковещательный ARP-запрос.

В стеке TCP/IP применяется доменная система символьных имен, которая имеет иерархическую древовидную структуру, допускающую использование в имени произвольного количества составных частей. Совокупность имен, у которых несколько старших составных частей совпадают, образуют домен имен. Доменные имена назначаются централизованно, если сеть является частью Internet, в противном случае — локально.

Соответствие между доменными именами и IP-адресами может устанавливаться как средствами локального хоста с использованием файла hosts, так и с помощью централизованной службы DNS, основанной на распределенной базе отображений «доменное имя — IP-адрес».

1. 
   Сколько уровней имеет стек протоколов TCP/IP? Каковы их функции? Какие особенности этого стека обусловливают его лидирующее положение в мире сетевых технологий?
   
2. 
   Какие протоколы стека TCP/IP относятся к уровню Internet (уровню межсетевого взаимодействия)?
   
3. 
   В чем проявляется ненадежность протокола IP?
   
4. 
   Могут ли быть обнаружены ошибки на уровне Internet? Могут ли они быть исправлены средствами этого уровня?
   
5. 
   В чем особенности реализации алгоритма скользящего окна в протоколе TCP?
   

1. 
   Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы /В.Г. Олифер, Н.А.Олифер. -СПб: Издательство «Питер», 2000. Элетронный учебник
   
2. 
   Никифоров С.В. Введение в сетевые технологии. 0 М, 2993
   
3. 
   Барановская Т.П. Архитектура компьютерных систем и сетей. – М, 2003
   

Даже в результате достаточно поверхностного рассмотрения работы в сети становится ясно, что вычислительная сеть — это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов:

• 
  компьютеров;
  
• 
  коммуникационного оборудования;
  
• 
  операционных систем;
  
• 
  сетевых приложений.
  

Второй слой — это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количеством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях.

Третьим слоем, образующим программную платформу сети, являются операционные системы (ОС). От того, какие концепции управления локальными и распределенными ресурсами положены в основу сетевой ОС, зависит эффективность работы всей сети. При проектировании сети важно учитывать, насколько просто данная операционная система может взаимодействовать с другими ОС сети, насколько она обеспечивает безопасность и защищенность данных, до какой степени она позволяет наращивать число пользователей, можно ли перенести ее на компьютер другого типа и многие другие соображения.

средства архивирования данных, системы автоматизации коллективной работы и др. Очень важно представлять диапазон возможностей, предоставляемых приложениями для различных областей применения, а также знать, насколько они совместимы с другими сетевыми приложениями и операционными системами.

1. 
   Если в предыдущем упражнении изменить условия и считать, что все коммуникационные устройства являются коммутаторами, то на каких портах появится кадр, посланный компьютером А компьютеру В? Компьютеру С? Компьютеру D?
   
2. 
   Если все коммуникационные устройства в приведенном ниже фрагменте сети (рис. 1.34) являются концентраторами, то на каких портах появится кадр, если его отправил компьютер А компьютеру В? Компьютеру С? Компьютеру D?
   

3. 
   Всякое ли приложение, выполняемое в сети, можно назвать сетевым?
   
4. 
   Что общего и в чем отличие между взаимодействием компьютеров в сети и взаимодействием компьютера с периферийным устройством?
   
5. 
   Как распределяются функции между сетевым адаптером и его драйвером?
   

1. 
   Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы /В.Г. Олифер, Н.А.Олифер. -СПб: Издательство «Питер», 2000. Элетронный учебник
   
2. 
   Никифоров С.В. Введение в сетевые технологии. 0 М, 2993
   
3. 
   Барановская Т.П. Архитектура компьютерных систем и сетей. – М, 2003
   

От производительности сетевых адаптеров зависит производительность любой сложной сети, так как данные всегда проходят не только через коммутаторы и маршрутизаторы сети, но и через адаптеры компьютеров, а результирующая производительность последовательно соединенных устройств определяется производительностью самого медленного устройства.

Сетевые адаптеры характеризуются типом поддерживаемого протокола, производительностью, шиной компьютера, к которой они могут присоединяться, типом приемопередатчика, а также наличием собственного процессора, разгружающего центральный процессор компьютера от рутинной работы.

Сетевые адаптеры для серверов обычно имеют собственный процессор, а клиентские сетевые адаптеры — нет.

Современные адаптеры умеют адаптироваться к временным параметрам шины и оперативной памяти компьютера для повышения производительности обмена «сеть—компьютер».

Концентраторы, кроме основной функции протокола (побитного повторения кадра на всех или последующем порту), всегда выполняют ряд полезных дополнительных функций, определяемых производителем концентратора.

Автосегментация — одна из важнейших дополнительных функций, с помощью которой концентратор отключает порт при обнаружении разнообразных проблем с кабелем и конечным узлом, подключенным к данному порту.

В число дополнительных функций входят функции защиты сети от несанкционированного доступа, запрещающие подключение к концентратору компьютеров с неизвестными МАС-адресами, а также заполняющие нулями поля данных кадров, поступающих не к станции назначения.

Стековые концентраторы сочетают преимущества модульных концентраторов и концентраторов с фиксированным количеством портов.

Многосегментные концентраторы позволяют делить сеть на сегменты программным способом, без физической перекоммутации устройств.

Сложные концентраторы, выполняющие дополнительные функции, обычно могут управляться централизованно по сети по протоколу SNMP.

Вопросы для самопроверки

1. 
   Как влияет на производительность сети пропускная способность сетевого адаптера и пропускная способность порта концентратора?
   
2. 
   Имеются ли отличия в работе сетевых адаптеров, соединяющих компьютер с коммутатором или с мостом, или с концентратором?
   
3. 
   Как концентратор поддерживает резервные связи?
   
4. 
   В соответствии с основной функцией концентратора — повторением сигнала — его относят к устройствам, работающим на физическом уровне модели OSI. Приведите примеры дополнительных функций концентратора, для выполнения которых концентратору требуется информация протоколов более высоких уровней?
   
5. 
   Чем модульный концентратор отличается от стекового?
   
6. 
   Почему для соединения концентраторов между собой используются специальные порты?
   

1. 
   Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы /В.Г. Олифер, Н.А.Олифер. -СПб: Издательство «Питер», 2000. Элетронный учебник
   
2. 
   Никифоров С.В. Введение в сетевые технологии. 0 М, 2993
   
3. 
   Барановская Т.П. Архитектура компьютерных систем и сетей. – М, 2003
   

Потенциально высокая производительность - это одно из основных свойств распределенных систем, к которым относятся компьютерные сети. Это свойство обеспечивается возможностью распараллеливания работ между несколькими компьютерами сети. К сожалению, эту возможность не всегда удается реализовать. Существует несколько основных характеристик производительности сети:

• 
  время реакции;
  
• 
  пропускная способность;
  
• 
  задержка передачи и вариация задержки передачи.
  

В общем случае время реакции определяется как интервал времени между возникновением запроса пользователя к какой-либо сетевой службе и получением ответа на этот запрос.

Пропускная способность измеряется либо в битах в секунду, либо в пакетах в секунду. Пропускная способность может быть мгновенной, максимальной и средней.

Чаще всего при проектировании, настройке и оптимизации сети используются такие показатели, как средняя и максимальная пропускные способности. Средняя пропускная способность отдельного элемента или всей сети позволяет оценить работу сети на большом промежутке времени, в течение которого в силу закона больших чисел пики и спады интенсивности трафика компенсируют друг друга. Максимальная пропускная способность позволяет оценить возможности сети справляться с пиковыми нагрузками, характерными для особых периодов работы сети, например утренних часов, когда сотрудники предприятия почти одновременно регистрируются в сети и обращаются к разделяемым файлам и базам данных.

Важно отметить, что из-за последовательного характера передачи пакетов различными элементами сети общая пропускная способность сети любого составного пути в сети будет равна минимальной из пропускных способностей составляющих элементов маршрута. Для повышения пропускной способности составного пути необходимо в первую очередь обратить внимание на самые медленные элементы ? в данном случае таким элементом, скорее всего, будет маршрутизатор. Следует подчеркнуть, что если передаваемый по составному пути трафик будет иметь среднюю интенсивность, превосходящую среднюю пропускную способность самого медленного элемента пути, то очередь пакетов к этому элементу будет расти теоретически до бесконечности, а практически ? до тех пор, пока не заполниться его буферная память, а затем пакеты просто начнут отбрасываться и теряться.

Иногда полезно оперировать с общей пропускной способностью сети, которая определяется как среднее количество информации, переданной между всеми узлами сети в единицу времени. Этот показатель характеризует качество сети в целом, не дифференцируя его по отдельным сегментам или устройствам.

2. Надежность

Одной из первоначальных целей создания распределенных систем, к которым относятся и вычислительные сети, являлось достижение большей надежности по сравнению с отдельными вычислительными машинами.

Важно различать несколько аспектов надежности. Для технических устройств используются такие показатели надежности, как среднее время наработки на отказ, вероятность отказа, интенсивность отказов. Однако эти показатели пригодны для оценки надежности простых элементов и устройств, которые могут находиться только в двух состояниях ? работоспособном или неработоспособном. Сложные системы, состоящие из многих элементов, кроме состояний работоспособности и неработоспособности, могут иметь и другие промежуточные состояния, которые эти характеристики не учитывают. В связи с этим для оценки надежности сложных систем применяется другой набор характеристик.

Готовность или коэффициент готовности (availability) означает долю времени, в течение которого система может быть использована. Готовность может быть улучшена путем введения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие.

Чтобы систему можно было отнести к высоконадежным, она должна как минимум обладать высокой готовностью, но этого недостаточно. Необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений. Кроме этого, должна поддерживаться согласованность (непротиворечивость) данных, например, если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность.

Так как сеть работает на основе механизма передачи пакетов между конечными узлами, то одной из характерных характеристик надежности является вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений. Наряду с этой характеристикой могут использоваться и другие показатели: вероятность потери пакета (по любой из причин ? из-за переполнения буфера маршрутизатора, из-за несовпадения контрольной суммы, из-за отсутствия работоспособного пути к узлу назначения и т. д.), вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, отношение потерянных пакетов к доставленным.

Вопросы для самопроверки

1. 
   Назовите наиболее часто используемые характеристики производительности сети?
   
2. 
   Что важнее для передачи мультимедийного трафика: надежность или синхронность?
   

1. 
   Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы /В.Г. Олифер, Н.А.Олифер. -СПб: Издательство «Питер», 2000. Элетронный учебник
   
2. 
   Никифоров С.В. Введение в сетевые технологии. 0 М, 2993
   
3. 
   Барановская Т.П. Архитектура компьютерных систем и сетей. – М, 2003