Основы информатики: Учебник для вузов - Лариса Малинина

Рисунок 10.1. Семиуровневая модель взаимодействия между компьютерными системами

Каждый уровень для решения своей подзадачи должен обеспечить выполнение определенных моделью функций данного уровня, действий (услуг) для вышележащего уровня и взаимодействовать с аналогичным уровнем в другой компьютерной системе. Каждому уровню взаимодействия соответствует набор протоколов (т. е. правил взаимодействия).

Под протоколом понимается некая совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией. В частности, он определяет, как выполняется соединение, преодолевается шум на линии и обеспечивается безошибочная передача данных между модемами.

Стандарт, в свою очередь, включает в себя общепринятый протокол или набор протоколов.

Функционирование сетевого оборудования невозможно без взаимоувязанных стандартов. Согласование стандартов достигается как за счет непротиворечивых технических решений, так и за счет группирования стандартов. Каждой конкретной сети присуща своя базовая совокупность протоколов.

10.2. Каналы передачи данных

Для того чтобы компьютеры могли связаться между собой в сеть, они должны быть соединены между собой с помощью некоторой физической передающей среды. Основными типами передающих сред, используемых в компьютерных сетях, являются:

• аналоговые телефонные каналы общего пользования;

• цифровые каналы;

• узкополосные и широкополосные кабельные каналы;

• радиоканалы и спутниковые каналы связи;

• оптоволоконные каналы связи.

Аналоговые каналы связи первыми начали применяться для передачи данных в компьютерных сетях и позволили использовать уже существовавшие тогда развитые телефонные сети общего пользования. Передача данных по аналоговым каналам может выполняться двумя способами. При первом способе телефонные каналы (одна или две пары проводов) через телефонные станции физически соединяют два устройства, реализующие коммуникационные функции с подключенными к ним компьютерами. Такие соединения называют выделенными линиями или непосредственными соединениями. Второй способ – это установление соединения с помощью набора телефонного номера (с использованием коммутируемых линий).

Качество передачи данных по выделенным каналам, как правило, выше и соединение постоянное. Кроме того, для каждого выделенного канала необходимо свое коммуникационное устройство (хотя есть и многоканальные коммуникационные устройства), а при коммутируемой связи можно использовать для связи с другими узлами одно коммуникационное устройство.

Параллельно с использованием аналоговых телефонных сетей для межкомпьютерного взаимодействия начали развиваться и методы передачи данных в дискретной (цифровой) форме по ненагруженным телефонным каналам (к которым не подведено электрическое напряжение, используемое в телефонной сети) – цифровым каналам.

Следует отметить, что наряду с дискретными данными по цифровому каналу можно передавать и аналоговые информацию (голосовую, видео, факсимильную и т. д.), преобразованную в цифровую форму.

Наиболее высокие скорости на небольших расстояниях могут быть получены при использовании особым образом скрученной пары проводов (для того, чтобы избежать взаимодействия между соседними проводами), так называемой витой паре (ТР – Twisted Pair).

Кабельные каналы, или коаксиальные пары, представляют собой два цилиндрических проводника на одной оси, разделенных диэлектрическим покрытием. Один тип коаксиального кабеля (с сопротивлением 50 Ом), используется главным образом для передачи узкополосных цифровых сигналов, другой тип кабеля (с сопротивлением 75 Ом) – для передачи широкополосных аналоговых и цифровых сигналов. Узкополосные и широкополосные кабели, непосредственно связывающие между собой коммуникационные оборудования, позволяют обмениваться данными на высоких скоростях (до нескольких мегабит/c) в аналоговой или цифровой форме. Следует отметить, что на небольших расстояниях (особенно в локальных сетях) кабельные каналы все больше вытесняются каналами на витых парах, а на больших расстояниях – оптоволоконными каналами связи.

Использование в компьютерных сетях в качестве передающей среды радиоволн различной частоты является экономически эффективным либо для связи на больших и сверхбольших расстояниях (с использованием спутников), либо для связи с труднодоступными, подвижными или временно используемыми объектами.

Обмен данными по радиоканалам может вестись как с помощью аналоговых, так и цифровых методов передачи. Цифровые методы получают в последнее время преимущественное развитие, т. к. позволяют объединить наземные участки цифровых сетей и спутниковых каналов или радиоканалов в единой сети. Новым импульсом в развитии радиосетей стало появление сотовой телефонной связи, позволяющей осуществлять голосовую связь и обмен данными с помощью радиотелефонов или специальных устройств обмена данными.

Помимо обмена данными в радиодиапазоне последнее время для связи на небольшие расстояния (обычно в пределах комнаты) используется и инфракрасное излучение.

В оптоволоконных каналах связи используется известное из физики явления полного внутреннего отражения света, что позволяет передавать потоки света внутри оптоволоконного кабеля на большие расстояния практически без потерь. В качестве источников света в оптоволоконном кабеле используются светоиспускающие диоды (LED – lightemitting diode) или лазерные диоды, а в качестве приемников – фотоэлементы.

Оптоволоконные каналы связи, несмотря на их более высокую стоимость по сравнению с другими видами связи, получают все большее распространение, причем не только для связи на небольшие расстояния, но и на внутригородских и междугородных участках.

Технические средства коммуникаций составляют кабели, коннекторы и терминаторы, сетевые адаптеры, повторители, разветвители, мосты, маршрутизаторы, шлюзы, а также модемы, позволяющие использовать различные протоколы и топологии в единой неоднородной системе.

10.3. Классификации компьютерных сетей

Объединение компьютеров и устройств в сеть может производиться различными способами и средствами. По составу своих компоненов, способам их соединения, сфере использования и другим признакам сети можно разбить на классы таким образом, чтобы принадлежность описываемой сети к тому или иному классу достаточно полно могла характеризовать свойства и качественные параметры сети.

Однако такого рода классификация сетей является довольно условной. Наибольшее распространение на сегодня получило разделение компьютерных сетей по признаку территориального размещения. По этому признаку сети делятся на три основных класса:

LAN (Local Area Networks) – локальные сети;

MAN (Metropolitan Area Networks) – региональные (городские или корпоративные) сети;

WAN (Wide Area Networks) – глобальные сети.

Локальная сеть (ЛС) – это коммуникационная система, поддерживающая в пределах здания или некоторой другой ограниченной территории один или несколько высокоскоростных каналов передачи цифровой информации, предоставляемых подключенным устройствам для кратковременного монопольного использования. Территории, охватываемые ЛС, могут существенно различаться.

Длина линий связи для некоторых сетей может быть не более 1000 м, другие же ЛС в состоянии обслужить целый город. Обслуживаемыми территориями могут быть как заводы, суда, самолеты, так и учреждения, университеты, колледжи. В качестве передающей среды, как правило, используются коаксиальные кабели, хотя все большее распространение получают сети на витой паре и оптоволокне, а в последнее время также стремительно развивается технология беспроводных локальных сетей, в которых используется один из трех видов излучений: широкополосные радиосигналы, маломощное излучение сверхвысоких частот (СВЧ излучение) и инфракрасные лучи.

Небольшие расстояния между узлами сети, используемая передающая среда и связанная с этим малая вероятность появления ошибок в передаваемых данных позволяют поддерживать высокие скорости обмена – от 1 Мбит/с до 100 Мбит/с (в настоящее время уже есть промышленные образцы ЛС со скоростями порядка 1 Гбит/с).

Региональные сети, как правило, охватывают группу зданий и реализуются на оптоволоконных или широкополосных кабелях. По своим характеристикам они являются промежуточными между локальными и глобальными сетями.

Глобальные сети, в отличие от локальных, как правило, охватывают значительно большие территории и даже большинство регионов земного шара (примером может служить сеть Internet). В настоящее время в качестве передающей среды в глобальных сетях используются аналоговые или цифровые проводные каналы, а также спутниковые каналы связи (обычно для связи между континентами). Ограничения по скорости передачи и относительно низкая надежность аналоговых каналов, требующая использования на нижних уровнях протоколов средств обнаружения и исправления ошибок, существенно снижают скорость обмена данными в глобальных сетях по сравнению с локальными.