Информационная безопасность
ОБЗОР СИСТЕМ И СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
А.В. Абилов
СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
Часть 1. Обзор сетей передачи данных
Глава 1. Введение
Глава 2. Многоуровневая сетевая иерархия
Передача данных (ПД) в сетях связи становится все более актуальной сферой человеческой деятельности. Например, такие продукты, как MP3 про-игрыватели и сотовые телефоны уже стали не просто обыденными и повсе-дневными, но и доступными для всех. Информационные технологии в послед-нее время развиваются стремительно. Пользователям таких технологий необхо-димо лишь базовые знания о том, как их использовать. Однако тем, кто разра-батывает и внедряет такие технологии необходимо владеть принципами их ра-боты и взаимодействия в рамках структуры связи, представленной на рис. 1.
Сетевые модели
Протоколы и стандарты
Передача Сетиданных Интернет
LAN и WAN
Система ПД
Представление данных
Режимы ПД
Распределенная обработка
Требования к сети
Структура
Рис. 1. Структура связи
Передача данных
Основная концепция передачи информации заключается в способности сетей передавать данные из одного места в другое на расстоянии. Для освоения основных принципов передачи информации необходимо знать систему связи, способы представления различных типов данных и организацию связи (режимы
Ижевск 2006 связи).
Сети
Передача информации между удаленными объектами может осуществ-ляться посредством сети, соединяющей компьютеры, мультимедиа- и сетевые
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 2
устройства. Любая сеть характеризуется тремя основными понятиями: распре-деленная обработка, критерии и структура.
Локальные и глобальные сети
Сети связи можно поделить на две основные категории: локальные (Local Area Networks – LAN) и глобальные (Wide Area Networks – WAN). Они разли-чаются по своим характеристикам и функциям. Обычно LAN включает в себя компьютеры и периферийные устройства в пределах одного здания или кампу-са (нескольких зданий). Обычно LAN обслуживает одну организацию или какое либо подразделение. WAN как правило состоит из локальных сетей удаленных друг от друга на большие расстояния и связанных между собой.
Интернет
Интернет состоит из множества локальных и глобальных сетей связанных между собой устройствами взаимодействия. Функционирование Интернет обеспечивается не только физическим соединением LAN и WAN, но и стандар-тами протоколами взаимодействия.
Протоколы и стандарты
Для передачи информации в сетях связи большое значение имеют прото-колы и стандарты. Протоколы описывают определенные правила функциони-рования, стандарты обеспечивают использование совместимых протоколов раз-личными производителями оборудования и операторами услуг связи. Протоко-лы и стандарты охватывают как область передачи информации (алгоритмы взаимодействия), так и сети (принципы построения, структуры).
Сетевые модели
Сетевые модели служат для организации, унификации и управления ап-паратными и программными средствами передачи информации в сетях связи. Хотя термин «Сетевая модель» относится к сетям связи, он также охватывает область передачи информации.
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
Передача информации и информационные сети оказывают все большее влияние на все сферы деятельности. Компьютерные сети позволяют мгновенно обмениваться информацией на любом расстоянии. Рост количества персональ-ных компьютеров меняют способы ведения бизнеса и способствует ускоренно-му развитию промышленности, науки и образования. Такое же влияние оказы-вает развитие технологий передачи данных и информационных сетей. Основ-ной целью таких сетей является обмен информацией различного вида: текст, аудио, видео и т.д. В первой главе рассматриваются основные принципы пере-дачи информации, построения сетей, основы Интернет, а также общие сведения о протоколах и стандартах.
Передача данных
Для передачи данных от источника к получателю необходима организа-ция связи между ними. Связь может осуществляться локально или удаленно. Локальная связь происходит непосредственно между людьми, например, по-средством голоса. Удаленная связь организуется с помощью средств передачи информации. Широко используемый термин «Телекоммуникации» (Telecom-munication), к которому традиционно относятся телефония, телеграфия и теле-радиовещание, означает связь на расстоянии. Передача данных (Data communi-cation) означает обмен данными, представленными в какой либо заранее огово-ренной форме, между устройствами по определенной среде.
Эффективность передачи информации зависит от трех основных характе-ристик: доставка, достоверность и своевременность. Доставка – система связи должна обеспечить передачу информации тому пользователю, для которого она предназначена. Достоверность – способность системы связи передавать ин-формацию без искажений либо с искажениями в пределах допустимого уровня. Своевременность – информация должна быть доставлена вовремя. Например, для передачи аудио- или видеоинформации необходимо обеспечить доставку в правильной последовательности (звуковых фрагментов или видеокадров) и с минимальными задержками.
Система передачи данных
В упрощенном представлении систему связи можно представить в виде совокупности пяти компонентов, которые представлены на рис. 1.1.
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 3 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 4
Рис. 1.1. Пять компонентов системы связи
Сообщение (Message) – информация (данные) для передачи. Может быть представлены как текст, числа, изображения, аудио, видео или их комбинации. Отправитель (Sender) – устройство, посылающее данные, например, компью-тер, рабочая станция, телефонный аппарат, видеокамера и т.д. Приемник (Re-ceiver) – устройство, принимающее данные, например, компьютер, работая станция, телефонный аппарат, телевизор, радиоприемник и т.д. Среда передачи (Transmission medium) – физическая среда, по которой информация передается от отправителя приемнику. Протокол (Protocol) – совокупность правил, опре-деляющих передачу информации. Эти правила едины для отправителя и при-емника. Без протокола устройства могут быть подключены друг к другу, но без возможности обмена информацией, например, аналогично как люди, пытаю-щиеся общаться на разных языках, слышат друг друга, но не понимают.
Представление данных
Информация в зависимости от вида может быть представлена в различ-ных формах: текст, числа, изображения, аудио и видео.
Текст
Текстовая информация представляется в виде последовательности дво-ичных битов (0 или 1). Количество бит в кодовом слове зависит от количества символов в языке. Например, английский язык состоит из 26 символов (A, B, C, …, Z) для представления заглавных букв, 26 символов для представления маленьких букв, 10 символов (0, 1, 2, …, 9) для представления чисел и симво-лы (., ?, :, …!) для представления знаков пунктуации. Также используются та-кие символы как пробел, табуляция для выравнивания и удобства чтения тек-ста. Набор кодовых слов представляет совокупность текстовых символов.
ASCII
Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange) разработан Американским национальным институтом стандартизации (ANSI). Этот коде ис-пользует 7 бит для каждого символа и определяет 128 различных символов.
Расширенный ASCII
Добавляется один дополнительный бит 0 в левой части кода с целью до-ведения до размера одного байта (8 бит). Например, начальный код – 00000000, последний код 01111111.
Unicode
Для поддержки символов многих других языков необходима большая длина кода. Для этой цели разработан Unicod, использующий 16 бит, который может представлять до 16536 символов. Различные группы комбинаций ис-пользуются для разных языков, определенные комбинации также используют-ся для представления графических и специальных символов.
ISO
Международная организация по стандартизации ISO разработала код длиной 32 бит, который может представлять до 4 294 967 296 символов.
Числа
Коды, подобные ASCII, не используются для представления чисел. Арифметические числа непосредственно конвертируются двоичных комбина-ций для удобства математических операций над ними.
Изображения
Изображения также представляются в виде последовательности двоич-ных комбинаций. Однако механизм представления изображений отличается от представления чисел. Изображение делится на элементы (пиксели) в виде мат-рицы точек. Размер пикселей зависит от разрешения, с увеличением количества пикселей увеличивается разрешение изображения, однако это требует большего объема памяти. Каждому пикселю ставится в соответствие двоичная комбина-ция, размер которой зависит от типа изображения. Для представления пикселя черно-белого изображения достаточно одного бита. Для полутоновых изобра-жений необходимо увеличение бит в кодовой комбинации.
Для того, чтобы представить цветное изображение, необходимо каждый пиксель разложить на три цвета: красный, зеленый и синий. Оцененная интен-сивность каждого из цветовых составляющих представляется в виде кодовой комбинации (обычно 8 бит). Таким образом каждый пиксель цветного изобра-жения кодируется тремя цветовыми кодами.
Аудио
Звук по своей природе является непрерывным и отличается от формы представления текста, чисел или изображений. Например, микрофон преобра-зует акустический аудио сигнал в непрерывный электрический.
Видео
Видеоинформация представляется в виде последовательности изображе-ний, которые могут изменяться. Отображает действие во времени и сопровож-дается аудио информацией.
Режимы передачи данных
Передача данных между двумя устройствами может осуществляться в одном из трех режимов: симплексный, полудуплексный или дуплексный. 
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 5 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 6
Симплексный режим
В симплексном режиме связь однонаправленная. Только одно из двух устройств может использовать канал для передачи, другой устройство только принимает информацию.
Сигналы, проходящие в обоих направлениях одновременно, разделяют общую емкость канала связи. Такое разделение может осуществляться двумя основными способами: канал должен содержать две отдельные физические ли-нии, одна для передачи и другая для приема либо общая емкость канала ис-пользуется для сигналов в обоих направлениях, например, посредством частот-ного разделения. Самым распространенным примером дуплексной связи явля-ется телефонная сеть, где абонент может одновременно говорить и слушать.
Сети
Рис. 1.2. Симплекс
Примерами симплексного режима являются клавиатура (передает) или монитор (принимает).
Полудуплексный режим
В полудуплексном режиме каждое из устройств может как передавать, так и принимать данные, но с разделением во времени. Когда одно устройство передает, другое может только принимать и наоборот.
Рис. 1.3. Полудуплекс
В один момент времени общая емкость канала связи занимается только одним передающим устройством. Примерами полудуплексного режима связи могут быть устройства связи типа walkie-talkie, рации, радиолюбительская КВ связь и др.
Дуплексныйрежим(полныйдуплекс)
В полнодуплексном режиме два взаимодействующих устройства переда-ют и принимают одновременно.
Рис. 1.4. Полный дуплекс
Сеть представляет собой совокупность устройств (часто называемых уз-лами) соединенных между собой с помощью линий связи. Узлами могут быть компьютеры, принтеры, или любые другие устройства, способные передавать и/или принимать данные.
Распределенная обработка
К большинству сетей применимо понятие распределенная обработка, где какая либо задача делится среди множества компьютеров. Вместо одного мощ-ного компьютера, выполнение всех задач, возлагается на отдельные компьюте-ры меньшей производительности.
Требования к сети
Любая сеть должна удовлетворять определенным требованиям в соответ-ствии с рядом критериев. Наиболее важными из них, как правило, являются: производительность, надежность и информационная безопасность.
Производительность
Производительность может оцениваться многими способами, например, время доставки сообщений, время отклика на запрос (реакции). Производи-тельность сети также зависит от ряда факторов, включая количество пользова-телей, среды передачи, пропускной способности устройств и каналов связи и эффективности программного обеспечения.
Надежность
Надежность сети можно оценить интенсивностью отказов, временем, ко-торое затрачивается на восстановление сети или его элементов после отказов и отказоустойчивостью в экстремальных условиях, например, удары молнии.
Информационная безопасность
Информационная безопасность подразумевает защиту данных от неавто-ризованного доступа.
Физические структуры
В простейшем случае любой канал можно представить на рисунке в виде линии, соединяющей два узла. Существует два основных типа соединений: со-единение “точка-точка” (point-to-point) и многоточечное соединение (multipoint).
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 7 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 8
Типы соединений
Соединение “точка-точка” обеспечивает выделенный канал между дву-мя узлами связи. Общая пропускная способность канала используется для пе-редачи данных только между этими двумя узлами и никакими другими более. Возможно применение как проводных линий, непосредственно соединяющих узлы, так и, например, радиорелейные или спутниковые каналы (рис. 1.5). При-мером может служить система инфракрасного удаленного управления “пульт-телевизор”.
руют сетевую топологию. Сетевая топология – это геометрическое представле-ние взаимосвязи всех линий и взаимодействующих друг с другом узлов. Суще-ствует 4 основные сетевые топологии (рис. 1.7): полносвязная (mesh), звездооб-разная (star), шинная (bus), кольцевая (ring).
|
|
Рис. 1.7. Сетевые топологии
Рис. 1.5. Соединение “точка-точка”
Многоточечное соединение предоставляет каналы, используемые более чем двумя узлами (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Многоточечное соединение
При таком соединении емкость одного канала совместно используется более чем двумя устройствами путем пространственного и/или временного раз-деления.
Физическая топология сети
Термин “физическая топология” подразумевает представление сетевой структуры, отражающей физические взаимосвязи узлов. Два или более взаимо-связанных узла образуют одну или более линии, две и более линии уже форми-
В полносвязной топологии (mesh) каждый узел имеет выделенную линию «точка-точка» ко всем другим узлам сети. Термин «выделенная линия» означа-ет, что такая линия пропускает трафик только
между двумя конкретными устройствами со-единенными друг с другом. В полносвязной сети имеется n(n–1)/2 физических линий для n узлов, при этом каждый узел должен иметь n– 1 портов ввода-вывода (I/O).
Полносвязная топология имеет сле-дующие достоинства. Применение выделен-ных линий гарантирует отсутствие перегрузок вследствие совместного использования кана-лов многими узлами при ряде других тополо-
гий. Полносвязная топология обладает повы- Рис.1.8.Полносвязнаятопологияшенной живучестью сети, т.е. неисправности
на одних линиях не влияют на работу других вследствие их независимости. Та-кая независимость обеспечивает информационную безопасность, так как физи-ческие границы предотвращают для сторонних пользователей доступ к переда-ваемой информации. Это также облегчает процедуры определения мест повре-ждений на участках связи. Средства сетевого управления позволяют обнаружи-вать точные участки повреждений и их причины.
Основными недостатками полносвязной топологии являются большое количество кабелей и портов ввода-вывода каждого узла. Это приводит к слож-ности инсталляции сети и ее физической реконфигурации и, как следствие, к относительной дороговизне. По этим причинам такая топология используется ограниченно, преимущественно на магистральном уровне.
При звездообразной топологии (star) каждый узел имеет выделенную ли-нию «точка-точка» только к центральному контроллеру, обычно называемому «hub». Узлы не соединяются друг с другом непосредственно и hub действует как посредник, транслирующий передаваемые данные от одного узла к друго-му.
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 9 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 10
В звездообразной топологии каждый узел имеет лишь одну линию и один порт ввода-вывода, что значительно сокращает затраты на оборудование и построение се-ти, а также облегчает ее инсталляцию и ре-конфигурацию. Например, удаление из се-
ти одного узла повлечет за собой удаление Рис.1.9.Звездообразнаятопологиялишь одной линии. Повреждения на одном
из участков сети также не влияют на работу остальных участков, что свиде-тельствует о высокой живучести сети со звездообразной топологией. Устройст-во «Hub» может использоваться для мониторинга неисправностей сетевого оборудования. Однако количество кабелей в этом случае больше чем в шинной и кольцевой топологиях.
Шинная топология (bus) использует многоточечный тип соединения, где для связи всех узлов в сети применяется один кабель в качестве магистрали пе-редачи данных. Узлы подключаются к общей шине с помощью распредели-тельных линий (drop lines) и соединителей (tap). Места соединения в кабеле вы-зывают затухания сигнала. Это накладывает определенные ограничения на ко-личество соединителей и длину кабеля.
К преимуществам шинной топологии относится легкость инсталляции оборудования и разводки кабеля, где узлы могут подключаться к общей шине линиями различной длины. Общая протяженность кабеля значительно меньше, чем при полносвязной и
звездообразной тополо-гиях.
Недостатки вклю-чают сложность при пе-
реключениях, перестано- Рис.1.10.Шиннаятопология
узлов. Отражения сигнала от переходников может быть причиной ухудшения качества связи. Добавление новых узлов может потребовать коренной модифи-кации сети или замены шинного кабеля. Обрывы и потеря физических контак-тов на шинной линии приводит к утрате работоспособности всей сети.
В сетях с кольцевой топологией каждый узел подключается по принципу «точка-точка» лишь с двумя соседними узлами. Сигнал передается (циркулиру-ет) в одном направлении от узла к
узлу до тех пор, пока не достигнет приемника. Каждый узел в кольце выполняет функции повторителя, т.е. если узел принимает сообщение, предназначенное для другого узла,
он выполняет функции регенерации Рис.1.11.Кольцеваятопология
К преимуществам такой сети относится простота инсталляции и реконфи-гурации. Каждый узел соединяется только с его соседними узлами (физически
или логически). Добавление новых узлов или удаление существующих требует изменений на двух участках сети. К ограничениям относятся длина кольцевой линии и количество узлов. Сигнал постоянно циркулирует по кольцу и если узел не принимает предназначенный ему сигнал в течение определенного вре-мени, то это свидетельствует о неполадках в сети и может индицироваться про-граммными средствами.
Передача сигнала в одном направлении может оказаться недостатком, т.к. в случае неисправности на каком либо участке вся сеть может потерять работо-способность. Эту проблему возможно решить применением двойного кольца либо способности сети менять направление передачи.
Типы сетей
Одним из признаков классификации сетей является их размер. Чаще все-го рассматриваются три основных типа: локальные (Local-area network – LAN), муниципальные (Metropolitan-area network – MAN) и глобальные (Wide-area network – WAN) сети (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Типы сетей
Локальныесети (LAN)
Являются частными сетями, которые, как правило, соединяют узлы в пределах офиса, здания или кампуса. В зависимости от нужд организации и ис-пользуемых технологий локальная сеть может в простейшем случае, например, состоять из двух компьютеров и одного принтера с общим доступом, либо включать множество компьютеров и периферийных устройств. Чаще всего ло-кальные сети охватывают территорию от нескольких метров до 1 км. Их ис-пользуют для объединения компьютеров и рабочих станций с общим доступом к ресурсам. Ресурсы могут включать как аппаратные, так и программные сред-ства либо данные.
Примером может быть использование одного компьютера с диском памя-ти большой емкости в качестве сервера. На этом сервере могут храниться необ-ходимые программные средства и использоваться всей рабочей группой. Раз-мер локальной сети может определяться лицензионными ограничениями по ко-личеству пользователей на одну копию установленного на сервере программно-го обеспечения.
Чаще всего локальные сети отличаются от других типов сетей использо-ванием одного типа среды передачи. Если LAN занимает одно здание или ком-нату и состоит из небольшого количества компьютеров, то используется одна
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 11 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 12
топология (рис. 1.13a). При большом количестве компьютеров и протяженно-сти LAN может быть разделена на сегменты с различной топологией, которые соединены магистральной линией (рис. 1.13b).
Примерно до конца 90-х годов сети кабельного телевидения использова-лись исключительного приема. Когда Интернет стал привлекать к себе массо-вую аудиторию, множество кабельных сетей стали постепенно превращаться в муниципальную компьютерную сеть, где по тем же линиям в неиспользуемой части спектра передаются цифровые данные (в обоих направлениях).
MAN может либо полностью принадлежать частной компании, которая владеет всем оборудованием и линиями. В другом случае линии и узлы, соеди-няющие локальные сети, могут принадлежать другой компании. Недавние раз-работки, связанные с высокоскоростным беспроводным доступом в Интернет, привели к созданию нового типа муниципальных сетей по стандарту IEEE 802.16, широко известному как стандарт WiMAX.
Глобальныесети (WAN)
Обеспечивают обмен информацией на территориях большой протя-женности и могут охватывать территорию страны, континента или всего мира (рис. 1.15). 
Рис. 1.13. Локальная сеть: а) одна топология; б) несколько топологий
Возможно использование шинной, кольцевой и звездообразной тополо-гии. Скорость передачи определяется используемым стандартом локальной се-ти.
Муниципальныесети (MAN)
Объединяют узлы в пределах города. Самым распространенным приме-ром MAN является сеть кабельного телевидения. Другим примером может быть сеть, связывающая несколько локальных сетей. Например, одна компания, имеющая несколько офисов (подразделений) в городе, может использовать MAN для связи локальных сетей (рис. 1.14).
Рис. 1.15. Глобальная сеть
В отличие от локальных сетей глобальные чаще всего могут использовать как оборудование и каналы других компаний и организаций (аренда), так и соб-ственное. Глобальная сеть, принадлежащая одной компании, является корпора-тивной сетью и используется исключительно для обеспечения собственных нужд. Самым известным примером глобальной сети является сеть Интернет.
Интернет
Интернет стал одним из основных средств получения информации в на-ши дни. Он повлиял на способы ведения бизнеса, а также отдыха и развлече-ний. Обмен электронными письмами, оплата счетов, чтение газет, заказ биле-тов, бронирование мест в отелях, покупки и многое другое – все это теперь воз-можно благодаря Интернет.
Рис.1.14.Муниципальнаясеть История Интернет
Сеть представляет собой группу взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом узлов (компьютеры, принтеры и др.). Две и более взаимосвязан-ных сети образуют интернет (с маленькой буквой и). Совокупность множества
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 13 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 14
взаимодействующих сетей, разбросанных по всему миру, образуют глобальную сеть Интернет (с большой буквы И). В наши дни Интернетом пользуются как частные лица, так и различные организации в большинстве стран мира. Коли-чество пользователей составляет сотни миллионов и непрерывно растет.
В середине 60-х годов многие университеты и промышленные компании США уже обзавелись достаточно мощными на то время компьютерами, однако все они были обособлены. Возникла необходимость их соединения для опера-тивного обмена результатами исследований. Для этого была создана единая на-учная организация под покровительством Министерства обороны США, ARPA (Advanced Research Projects Agency – Управление перспективного планирова-ния научно-исследовательских работ). Эта организация не имела ни ученых, ни лабораторий в своем штате и занималось тем, что выбирало из множества пред-лагаемых университетами и компаниями проектов наиболее перспективные и организовывало выделение грантов под эти проекты. Соединение компьютеров в сеть потребовалось для того, что бы ученые могли более эффективно обмени-ваться результатами исследований, тем самым, уменьшая стоимость исследова-тельских работ и исключая их дублирование.
В 1967 году ARPA представило свой проект (ARPANET) небольшой сети для связи нескольких компьютеров. Идея заключалась в том, что каждый ком-пьютер (хост-компьютер), принадлежащий какой-либо организации, подключа-ется к специализированному компьютеру, называемому IMP (Interface Message Processor). Несколько таких IMP компьютеров соединялись друг с другом ли-ниями связи, обеспечивающими передачу информации со скоростью 56 кбит/с., и образовывали сеть. Для повышения надежности каждый IMP должен был со-единяться как минимум с двумя IMP. Каждый узел связи фактически должен был состоять из IMP и хост-компьютера.
К 1969 году сеть ARPANET стала реальностью. В декабре этого года уда-лось запустить экспериментальную сеть, состоящую из четырех узлов, которые располагались в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA), Ка-лифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB), Исследовательском ин-ституте Стэнфорда (SRI. Stanford Research Institute) и Университете штата Юта. В этих университетах имелись в то время различные и совершенно несовмес-тимые хост-компьютеры. Сеть быстро росла по мере создания новых IMP и подключения к ним новых организаций и вскоре охватила все штаты. Связь между хост-компьютерами обеспечивалась посредством специально разрабо-танного программного обеспечения, называемого NCP – Network Control Proto-col (протокол управления сетью).
По мере роста сети стало ясно, что имеющиеся протоколы сети ARPANET малопригодны для работы с объединенными сетями. В результате дополнительных исследований в 1973 году был предложен новый протокол доставки пакетов от узла к узлу, названный Transmission Control Protocol (TCP). Он был специально разработан для управления обменом данными по интерсе-тям, что становилось все более актуальным по мере подключения новых сетей к ARPANET. В 1974 году было решено разделить TCP на два отдельных прото-кола: TCP – Transmission Control Protocol (протокол управления передачей) и
IP – Internetworking Protocol (протокол межсетевого взаимодействия). IP отве-чает за маршрутизацию пакетов, в то время как TCP выполняет функции более высокого уровня – сегментация пакетов, их транспортировка и обнаружение ошибок. Общий протокол передачи и взаимодействия известен в настоящее время как TCP/IP.
К концу 70-х годов стало ясно, что сеть ARPANET оказывает большое влияние на исследовательские работы университетов, позволяя ученым обме-ниваться информацией и совместно работать над проектами, но она принадле-жала Министерству обороны и имела ограничения к доступу. Национальный научный фонд США (NSF. National Science Foundation) создал правительствен-ную сеть, состоящую из магистрали и региональных сетей. Эта сеть получила имя NSFNET, имела связь с ARPANET и с самого начала использовала прото-кол TCP/IP. Сеть развивалась высокими темпами и в 1990 году была передана во владение некоммерческой корпорации ANS (Advanced Networks and Services, Inc.).
После того как TCP/IP стал единственным официальным протоколом и сети NSFNET и ARPANET объединились, рост стал экспоненциальным. К сети стали присоединяться множество региональных сетей, сети разных стран и кон-тинентов стали объединяться. Примерно с середины 80-х годов множество се-тей стали называть интерсетью (internet), а впоследствии Интернетом (Internet).
В конце 1991 года Конгресс США утвердил закон о создании сети NREN (National Research and Education Network – государственная научно-исследовательская и образовательная сеть). Для облегчения перехода с одних сетей на другие и обеспечения взаимоувязанности различных сетей заключил контракт с четырьмя различными сетевыми операторами об организации пунк-тов доступа к сети (NAP, Network Access Point). В результате концепция единой магистрали была заменена коммерчески управляемой конкурентной инфра-структурой. В других странах и регионах в 90-х годах также были построены сети, сравнимые с NSFNET.
В период примерно с 1970 по 1990 год у Интернета были четыре основ-ные сферы применения: электронная почта, новости (конференции, форумы), удаленный доступ, перенос файлов. Вплоть до 1990-х годов Интернет был по-пулярен среди академических, государственных и промышленных организаций. Новое приложение, WWW (World Wide Web – всемирная паутина) позволило размещать в сети в виде страниц для общего доступа информацию в виде тек-ста, изображения, звука и видео, со встроенными ссылками на другие страни-цы. Это привело к массовому распространению Интернета по всему миру. Та-ким образом, Интернет из закрытой сети для военных и ученых превратился в услугу общего доступа. Точное количество пользователей сети Интернет опре-делить уже невозможно, но оно исчисляется сотнями миллионов.
Архитектура Интернет
Сегодня Интернет представляет собой совокупность множества глобаль-ных, муниципальных и локальных сетей, соединенных друг с другом линиями связи и узлами коммутации. Состав Интернет постоянно меняется, добавляются
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 15 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 16
новые сети и технологии, удаляются устаревшие сегменты и сети организаций, прекративших свое существование. Интернет не управляется одной компанией и его работа обеспечивается множеством частных компаний. Пользователи Ин-тернет получают доступ к сети через Интернет-провайдеров (ISP, Internet Ser-vice Provider). Существуют провайдеры международного, национального, ре-гионального и локального уровней. Общая концепция построения сети Интер-нет представлена на рис 1.16.
МеждународныеИнтернет-провайдеры (InternationalISP)
Находятся на верхнем уровне иерархии сети и связывают друг с другом различные национальные сети.
НациональныеИнтернет-провайдеры (NationalISP)
Обеспечивают магистральные сети, создаваемые и поддерживае-мые крупными коммерческими компаниями. Для обеспечения взаимодействия пользователей раз-ных сетей, магистральные сети раз-ных компаний соединяются друг с другом с помощью мощных мар-шрутизаторов, называемых пункта-ми доступа к сети (NAP, Network
Access Point). Каждую магистраль Рис.1.16.АрхитектурасетиИнтернет
мере один маршрутизатор. Такие маршрутизаторы объединяются в локальную сеть, благодаря чему пакеты могут передаваться с маршрутизатора на маршру-тизатор, то есть, фактически, с магистрали на магистраль. Кроме того, наиболее крупные магистрали могут быть связаны друг с другом на прямую, образую равноранговую сеть.
РегиональныеИнтернет-провайдеры (RegionalISP)
Сети региональных провайдеров подключаются к одному или более NSP и находятся на третьем уровне иерархии. Обеспечивают меньшие по сравнению с NSP скорости передачи.
ЛокальныеИнтернет-провайдеры (LocalISP)
Обеспечивают непосредственный доступ пользователей к услугам сети Интернет. Локальные ISP могут быть соединены к региональным ISP либо не-посредственно к национальным. Примером локального ISP может выступать провайдер предоставляющий услуги Интернет общего пользования; компания, обеспечивающая услуги Интернет для своих сотрудников, а также непрофиль-ные организации, такие как университеты, школы и др.
Протоколы и стандарты
В этом разделе рассматриваются два широко используемых термина: протоколы и стандарты.
Протоколы
В компьютерных сетях передача данных осуществляется между объекта-ми разных систем. Здесь под понятием объект подразумевается устройство, способное принимать и передавать информацию. Однако два объекта разных систем не в состоянии понимать друг друга. Для решения этой проблемы два объекта должны взаимодействовать по заранее определенному протоколу.
Процедура взаимодействия двух узлов может быть описана в виде набора правил. Протоколом это набор формализованных правил, определяющих по-следовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые ком-поненты. Ключевыми элементами протокола являются синтаксис, семантика и синхронизация.
Синтаксис
Описывает структуру или формат данных, определяющих порядок, в ко-тором они представляются. Например, простой протокол мог бы подразумевать первые 8 бит данных как адрес источника, следующие 8 бит как адрес прием-ника и остальные биты блока данных – само сообщение.
Семантика
Характеризует значение каждого блока данных. Как интерпретируется конкретная комбинация, и какие действия должны быть предприняты на основе этой интерпретации? Например, означает ли адрес в блоке данных маршрут пе-редачи или конечный пункт доставки сообщения.
Синхронизация
Дает ответы на вопросы: когда и на какой скорости должны посылаться данные. Например, если источник посылает данные на скорости 100 Мбит/с, а приемник способен обрабатывать данные лишь на скорости 1 Мбит/с, то это приведет к перегрузке приемника и большая часть данных будет потеряна.
Стандарты
Так как все компоненты сети должны работать согласованно, важным яв-ляется принятие многочисленных стандартов, которые, если не во всех, то хотя бы в большинстве случаев, гарантировали бы совместимость оборудования и программ различных фирм-изготовителей. Большинство стандартов, прини-маемых сегодня, носят открытый характер, так как возможность легкого взаи-модействия с продуктами конкурентов не снижает, а наоборот, повышает цен-ность изделия, так как его можно применить в большем количестве работаю-щих сетей, построенных на продуктах разных производителей.
Работы по стандартизации вычислительных сетей ведутся большим коли-чеством организаций. В зависимости от статуса организаций различают сле-дующие виды стандартов:
|
Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 17 Абилов А.В. Сети передачи данных. Часть 1 18
· стандарты отдельных фирм (например, стек протоколов DECnet фир-мы Digital Equipment или графический интерфейс OPEN LOOK для Unix-систем фирмы Sun);
· стандарты специальных комитетов и объединений, создаваемых не-сколькими фирмами, например стандарты технологии АТМ, разрабатываемые специально созданным объединением АТМ Forum, насчитывающем около 100 коллективных участников, или стандарты союза Fast Ethernet Alliance по разра-ботке стандартов 100 Мбит Ethernet;
· национальные стандарты, например, стандарт FDDI, представляющий один из многочисленных стандартов, разработанных Американским нацио-нальным институтом стандартов (ANSI), или стандарты безопасности для опе-рационных систем, разработанные Национальным центром компьютерной безопасности (NCSC) Министерства обороны США;
· международные стандарты, например, модель и стек коммуникаци-онных протоколов Международной организации по стандартам (ISO), много-численные стандарты Международного союза электросвязи (ITU), в том числе стандарты на сети с коммутацией пакетов Х.25, сети Frame Relay, ISDN, моде-мы и многие другие.
Некоторые стандарты, непрерывно развиваясь, могут переходить из од-ной категории в другую. В частности, фирменные стандарты на продукцию, получившую широкое распространение, обычно становятся международными стандартами де-факто, так как вынуждают производителей из разных стран следовать фирменным стандартам, чтобы обеспечить совместимость своих из-делий с этими популярными продуктами. Например, из-за феноменального ус-пеха персонального компьютера компании IBM фирменный стандарт на архи-тектуру IBM PC стал международным стандартом де-факто.
Более того, ввиду широкого распространения некоторые фирменные стандарты становятся основой для национальных и международных стандартов де-юре. Например, стандарт Ethernet, первоначально разработанный компания-ми Digital Equipment, Intel и Xerox, через некоторое время и в несколько изме-ненном виде был принят как национальный стандарт IEEE 802.3, а затем орга-низация ISO утвердила его в качестве международного стандарта ISO 8802.3.
Организации по стандартизации в сфере передачи данных Ниже приводятся краткие сведения об организациях, наиболее активно и
успешно занимающихся разработкой стандартов в области вычислительных се-тей.