Модели и стандарты сетевых технологий. Семиуровневая модель взаимодействия открытых систем. Протоколы канального и физического уровня для локальных и глобальных сетей

В основу классификации ТВС положены наиболее характерные функ­циональные, информационные и структурные признаки.

По степени территориальной рассредоточенности элементов сети (абонентских систем, узлов связи) различают глобальные (государственные). региональные и локальные вычислительные сети (ГВС, РВС и ЛВС).

По характеру реализуемых функций сети делятся на вычислитель­ные (основные функции таких сетей - обработка информации), информацион­ные (для получения справочных данных по запросам пользователей), инфор­мационно-вычислительные, или смешанные, в которых в определенном, не­постоянном соотношении выполняются вычислительные и информационные функции.

По способу управления ТВС делятся на сети с централизованным (в сети имеется один или несколько управляющих органов), децентрализован­ным (каждая АС имеет средства для управления сетью) и смешанным уп­равлением, в которых в определенном сочетании реализованы принципы цен­трализованного и децентрализованного управления (например, под централи­зованным управлением решаются только задачи с высшим приоритетом, связанные с обработкой больших объемов информации).

По организации передачи информации сети делятся на сети с селек­цией информации и маршрутизацией информации. В сетях с селекцией ин­формации, строящихся на основе моноканала, взаимодействие АС производится выбором (селекцией) адресованных им блоков данных (кадров): всем АС сети доступны все передаваемые в сети кадры, но копию кадра снимают только АС, которым они предназначены. В сетях с маршрутизацией ин­формации для передачи кадров от отправителя к получателю может ис­пользоваться несколько маршрутов. Поэтому с помощью коммуникацион­ных систем сети решается задача выбора оптимального (например, крат­чайшего по времени доставки кадра адресату) маршрута.

По типу организации передачи данных сети с маршрутизацией информации делятся на сети с коммутацией цепей (каналов), коммутацией сообщений и коммутацией пакетов. В эксплуатации находятся сети, в кото­рых используются смешанные системы передачи данных.

По топологии, т.е. конфигурации элементов в ТВС, сети делятся на два класса: широковещательные (рис. 16.1) и последовательные (рис. 16.2). Широковещательные конфигурации и значительная часть последовательных конфигураций (кольцо, звезда с интеллектуальным центром, иерархическая) характерны для ЛВС. Для глобальных и региональных сетей наиболее рас­пространенной является произвольная (ячеистая топология). Нашли приме­нение также иерархическая конфигурация и «звезда».

В широковещательных конфигурациях в любой момент времени на передачу кадра может работать только одна рабочая станция (абонентная система). Остальные PC сети могут принимать этот кадр, т.е. такие кон­фигурации характерны для ЛВС с селекцией информации. Основные типы широковещательной конфигурации - общая шина, дерево, звезда с пассив­ным центром. Главные достоинства ЛВС с общей шиной - простота рас­ширения сети, простота используемых методов управления, отсутствие необходимости в централизованном управлении, минимальный расход ка­беля. ЛВС с топологией типа «дерево» - это более развитый вариант сети с шинной топологией. Дерево образуется путем соединения нескольких шин активными повторителями или пассивными размножителями («хабами»), каждая ветвь дерева представляет собой сегмент. Отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных. В ЛВС с топологией типа «звезда» в центре находится пассивный соединитель или активный повторитель -достаточно простые и надежные устройства. Для защиты от нарушений в кабеле используется центральное реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи.

В последовательных конфигурациях, характерных для сетей с маршру­тизацией информации, передача данных осуществляется последовательно от одной PC к соседней, причем на различных участках сети могут использо­ваться разные виды физической передающей среды.

К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие тре­бования, чем в широковещательных конфигурациях. К последовательным конфигурациям относятся: произвольная (ячеистая), иерархическая, кольцо, цепочка, звезда с интеллектуальным центром, снежинка. В ЛВС наибольшее распространение получили кольцо и звезда, а также смешанные конфигура­ции - звездно-кольцевая, звездно-шинная.

В ЛВС с кольцевой топологией сигналы передаются только в одном на­правлении, обычно против часовой стрелки. Каждая PC имеет память объе­мом до целого кадра. При перемещении кадра по кольцу каждая PC прини­мает кадр, анализирует его адресное поле, снимает копию кадра, если он адресован данной PC, ретранслирует кадр. Естественно, что все это замед­ляет передачу данных в кольце, причем длительность задержки определяет­ся числом PC. Удаление кадра из кольца производится обычно станцией-отправителем. В этом случае кадр совершает по кольцу полный круг и возвращается к станции-отправителю, который воспринимает его как кви­танцию - подтверждение получения кадра адресатом. Удаление кадра из кольца может осуществляться и станцией-получателем, тогда кадр не со­вершает полного круга, а станция-отправитель не получает квитанции-подтверждения.

Кольцевая структура обеспечивает довольно широкие функциональные возможности ЛВС при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости, простоте методов управления, возможности контроля ра­ботоспособности моноканала.

В широковещательных и большинстве последовательных конфигураций (за исключением кольца) каждый сегмент кабеля должен обеспечивать пе­редачу сигналов в обоих направлениях, что достигается: в полудуплексных сетях связи - использованием одного кабеля для поочередной передачи в двух направлениях; в дуплексных сетях - с помощью двух однонаправлен­ных кабелей; в широкополосных системах - применением различной несу­щей частоты для одновременной передачи сигналов в двух направлениях.

Глобальные и региональные сети, как и локальные, в принципе могут быть однородными (гомогенными), в которых применяются программно-совмес­тимые ЭВМ, и неоднородными (гетерогенными), включающими програм­мно-несовместимые ЭВМ. Однако, учитывая протяженность ГВС и РВС и большое количество используемых в них ЭВМ, такие сети чаще бывают неоднородными.

Практика создания и развития ТВС привела к необходимости разработки стандартов по всему комплексу вопросов организации сетевых систем. В 1978 г. Международная организация по стандартизации (МОС) предложила семиуровневую эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС), которая получила широкое распространение и признание. Она созда­ет основу для анализа существующих ТВС и определения новых сетей и стандартов.

В соответствии с эталонной моделью ВОС абонентская система пред­ставляется прикладными процессами и процессами взаимодействия АС (рис. 16.3). Последние разбиваются на семь функциональных уровней. Функ­ции и процедуры, выполняемые в рамках одного функционального уровня, составляют соответствующий уровневый протокол. Нумерация уровневых протоколов идет снизу вверх, а их названия указаны на рис. 16.3. Функци­ональные уровни взаимодействуют на строго иерархической основе: каж­дый уровень пользуется услугами нижнего уровня и, в свою очередь, об­служивает уровень, расположенный выше. Стандартизация распространя­ется на протоколы связи одноименных уровней взаимодействующих АС. Создание ТВС в соответствии с эталонной моделью ВОС открывает воз­можность использования сети ЭВМ различных классов и типов. Поэтому сеть, удовлетворяющая требованиям эталонной модели, называется от­крытой.

Функциональные уровни рассматриваются как составные независимые части процессов взаимодействия АС. Основные функции, реализуемые в рам­ках уровневых протоколов, состоят в следующем.

Физический уровень - непосредственно связан с каналом передачи дан­ных, обеспечивает физический путь для электрических сигналов, несущих информацию. На этом уровне осуществляются установление, поддержка и расторжение соединения с физическим каналом, определение электрических и функциональных параметров взаимодействия ЭВМ с коммуникационной подсетью.

Канальный уровень - определяет правила совместного использования физического уровня узлами связи. Главные его функции: управление переда­чей данных по информационному каналу (генерация стартового сигнала и организация начала передачи информации, передача информации по каналу, проверка получаемой информации и исправление ошибок, отключение канала при его неисправности и восстановление передачи после ремонта, генерация сигнала окончания передачи и перевода канала в пассивное состояние) и управление доступом к передающей среде, т.е. реализация выбранного ме­тода доступа к общесетевым ресурсам. Физический и канальный уровни оп­ределяют характеристики физического канала и процедуру передачи по нему кадров, являющихся контейнерами, в которых транспортируются пакеты.

Сетевой уровень - реализует функции буферизации и маршрутизации, т.е. прокладывает путь между отправителем информации и адресатом через всю сеть. Основная задача сетевого протокола - прокладка в каждом физи­ческом канале совокупности логических каналов. Два пользователя, соеди­ненные логическим каналом, работают так, как будто только в их распоря­жении имеется физический канал.

Рис. 16.3. Семиуровневая модель протоколов взаимодействия открытых систем