Эталонная модель архитектуры открытых систем (OSI) описывает, каким образом происходит обмен информацией между информационными системами (прикладными процессами) с использо-ванием механизма связи открытых систем. Модель делится на семь функциональных разделов (уровней), которые называются: прикладной, представления, сессии, транспортный, сетевой, уровень звена передачи данных и физический уровень.

Цель прикладного уровня – служить “окном” между общающимися пользователями в среде OSI, через которую происходит весь обмен информацией между пользователями.

Цель уровня представления – представлять информацию (во внешних формах представления) для общающихся пользователей таким способом, который сохранял бы смысл, несмотря на синтаксические различия.

Цель уровня сессии – обеспечивать средства, необходимые взаимодействующим элементам уровня представления для организации и синхронизации их диалога и управления обменом данными. Для этого уровень сессии обеспечивает средства для установления связи посредством сессии между двумя элементами уровня представления и для обеспечения их упорядоченного взаимодействия при обмене данными.

Транспортный уровень и нижележащие уровни (сетевой, звена передачи данных и физический) обеспечивают технические средства передачи данных, сети данных и вычислительные средства, используемые уровнем представления.

Трехуровневая архитектура информационных систем, связана с эталонной моделью OSI (Взаимодействие открытых систем) следующим образом (рисунок 6).

Концептуальный и внешний уровни Трехуровневой архитектуры информационных систем соответствуют функциям прикладного уровня и уровня представления.

Внутренний уровень имеет дело с внутренним представлением данных включая внутреннее манипулирование данными и фактическое физическое хранение данных на запоминающих устройствах. Область деятельности здесь сравнима по характеру с уровнями сессии, транспортным, сетевым, уровнем данных и физическим уровнем. Их функции, однако – соответственно, хранение данных и обмен ими – различны.

Методы моделирования данных

В данном разделе мы рассмотрим некоторые методы моделирования данных в области концептуальных схем. Будут выделены несколько общих аспектов в различных методах и в общих чертах охарактеризованы каждый из них. Эти сведения не являются исчерпывающими. Цель их найти некоторые удобные критерии для:

Выделения различных методов описания предметной области в концептуальной схеме и информационной базе;

Выделения основных понятий, необходимых для языков концептуальной схемы;

Анализа и оценки основ стандартного языка концептуальной схемы.

Рассматриваются следующие критерии.

1. Сопоставление формы и содержания.

Ранние методы концентрировали внимание на формах моделируемых данных. То есть определялись структуры данных, удобные для хранения и/или обработки в ЭВМ. В частности, оптимизировалось обновление данных, хотя уделялось также внимание и проблемам доступа к данным. Термин “моделирование данных” восходит к этим методам. Более поздние методы моделирования подчеркивают важность моделирования смысла (семантики) информации. В этих методах большую роль играют семантические правила для информации. Такие семантические модели считаются независимыми от моделей данных, описывающих формы представления и хранения информации и находятся на более высоком уровне.

Рисунок 6. Взаимосвязь трехуровневой архитектуры АИС с эталонной моделью OSI

Другими словами, эти семантические модели обеспечивают концептуальное представление. Термин “информационное моделирование”, часто ассоциируется с этими методами. При этом вовсе не игнорируются формы данных и их влияние на практические проблемы эффективности. Но считается, что принимать решения по поводу манипулирования и хранения данных –
в частности, по поводу требований к эффективности обработки – можно только при ясном понимании и формальном определении того, что в точности представляют данные, какие правила и ограничения существуют, и какие действия по манипулированию информацией необходимы пользователю.

2. Статические аспекты в сравнении с динамическими аспектами.

Многие из методов моделирования сосредоточены на статических аспектах концептуальной схемы и информационной базы. Другие выделяют динамические аспекты или даже почти полностью ориентированы на действия. Некоторые модели включают в себя все эти аспекты.

3. Возможность различать лексические и нелексические сущности.

Многие методы не допускают четкого различия между лексическими и нелексическими сущностями, т.е. между именами предметов и самими предметами. Другие позволяют проводить такое различие или даже требуют ясного различия между ними.

4. Выразительная мощность.

Под этим подразумевается степень полноты, с которой данный метод может формально выразить все нужные аспекты и ограничения предметной области в концептуальной схеме. Выразительная способность может существенно отличаться от метода к методу.

Некоторые из методов рассматривают конструкции, относящиеся к единичным, семантически независимым высказываниям предметной области, таким образом, явно формулируя каждое высказывание как отдельный модуль. С другой стороны, некоторые методы позволяют создавать конструкции, выражающие высказывания произвольной сложности, группирующие несколько простых высказываний в один модуль.

6. Разделение различных видов высказываний.

Некоторые из методов моделирования обращаются со всеми высказываниями одинаково,
а другие разделяют различные виды высказываний, обрабатывая (и обозначая) их по-разному. Например, некоторые методы моделирования различают атрибуты сущностей и связи между сущностями, тогда как другие считают это различие несущественным на концептуальном уровне. Другой пример – некоторые методы связывают определенный вид высказываний с понятием типа, считая их базовыми высказываниями, которые обрабатываются специальным образом.

В настоящее время существуют несколько методов моделирования в области информацион-ных систем и баз данных, в следующий перечень включены основные методы:

Абстрактные типы данных;

Модели, основанные на бинарных отношениях;

Концептуальные графы;

Модели предложений с глубокой структурой;

Модели сущность – связь;

Модели, ориентированные на функции или на действия;

Модели, основанные на n-арных отношениях;

Сетевые модели (включая CODASYL);

Модели объект – роль;

Модели взаимодействия процессов;

Реляционные модели;

Сематические сети;

Теоретико-множественные модели.

Каждый из этих методов имеет своих сторонников и каждый является особым взглядом на проблемы концептуальных схем и информационных баз. Остается неизученным вопрос, насколько существенно различаются эти методы, и не эквивалентны ли они в некотором смысле. Следующие три группы подходов выбраны для обсуждения проблем моделирования данных в данной юните:

Сущность – атрибут – связь (EAR);

Модели на основе бинарных и элементарных n-арных отношениях;

Интерпретируемая логика предикатов.

Подходы сущность – атрибут – связь (EAR) основываются на следующих понятиях:

Сущности;

Связи между сущностями;

Атрибуты – ассоциации между значениями и сущностями, или между значениями и связями;

Значения.

В этих подходах используются также понятия тип и реализация применяемые к каждому из этих примитивных понятий.

Источником этих подходов послужил опыт моделирования данных в начале 1970-х годов. Первоначально рассматривались только бинарные связи, атрибуты связей не допускались.
Но последующие работы привели к вариантам, которые допускают n-арные связи между сущностями и позволяют связям иметь атрибуты (рисунки 7-9).

Рисунок 7. Представление связей в моделях EAR

Рисунок 8. Пример бинарной связи (n:2)

Рисунок 9. Пример тройной связи (n = 3)

Подходы EAR можно характеризовать как ориентированные на определение статических аспектов. Поэтому, вообще говоря, они могут только частично описывать различные правила предметной области. Подходы ЕАR часто подразумевают использование особых видов высказываний, которые группируются вместе и выражаются одной макро-конструкцией. Они не предусматривают явного различия лексических и нелексических сущностей.

Подходы на основе бинарных и элементарных n-арных отношений исторически основываются на работах по искусственному интеллекту и лингвистике, где рассматриваются “семантические сети” и другие подобные понятия. Они были предложены в начале 1970-х годов.

Подходы BR (BINARY RELATIONSHIP) различают сущности и имена сущностей, но не различают атрибуты и связи. Кроме того, признаются только бинарные отношения, они основаны на трех основных понятиях:

Сущности;

Имена сущностей;

Бинарные отношения.

В этих подходах используются также понятия тип и реализация, применяемые к каждому из примитивных понятий.

Подходы на основе бинарных отношений начинались с определения, главным образом, статических аспектов, но затем они были расширены с целью охватить и динамические аспекты. Эти подходы теперь могут описывать все правила, релевантные для предметной области. Варианты этих подходов явно различают лексические и нелексические сущности.

Подходы на основе элементарных n-арных отношений не ограничивают элементарные высказывания точно двумя сущностями, а допускают описание элементарных высказываний, включающих одну, две или более сущностей (элементарные n-арные отношения).

Подходы на основе интерпретируемой логики воспринимают предметную область состоящей исключительно из сущностей, для которых выполняются определенные высказывания. Концептуальная схема и информационная база образуют описание, состоящее только из множества предложений, закодированных на некотором формальном языке, основанном на формальной логике. Такие предложения состоят из:

Термов и переменных;

Предикатов;

Логических связок;

Кванторов.

Термы и переменные относятся к сущностям в предметной области, а предложения выражают высказывания об этих сущностях.

Суть подходов – формирование интерпретируемой, аксиоматизированной, дедуктивной, формальной системы логики, описывающей предметную область, не налагающей какого-либо ограничения со стороны метода моделирования на саму предметную область.

Основные принципы этих подходов одинаково хорошо применяются как к статическим, так и к динамическим аспектам предметной области и ее описания, которое хранится в концептуальной схеме и информационной базе. Поэтому, эти подходы могут описать все правила, предписанные для предметной области и ее описания. Они также предусматривают явное различие лексических и нелексических сущностей. Эти подходы предусматривают динамическое изменение концептуальной схемы, a также информационной базы.

Архитектура открытых систем

Термин «архитектура связи» подразумевает, что отдельные подзадачи сети выполняются различными архитектурными элементами, между которыми устанавливаются пути передачи информации (каналы связи и интерфейсы). Способ, с помощью которого сообщение обрабатывается структурными элементами и передаются по сети, называется сетевым протоколом . Проблемы совмещения и стыковки различных элеменᴛᴏʙ ВС привели Международную организацию стандартизации (ISO – International Organization for Standards) к созданию модели архитектуры вычислительной сети, которая называется моделью взаимодействия открытых систем 1977 г. (ВОС/OSI).

Базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем

Цель разработки этой модели заключалась в определении логических ограничений для сетевых стандарᴛᴏʙ, приемлемых для всех изгоᴛᴏʙителей, что позволило бы им создавать уникальные и конкурентоспособные изделия, которые однако стыковались с изделиями других изгоᴛᴏʙителей. Модель OSI является обобщенной и применима как к глобальным, так и к локальным ВС.

В модели используется подход уровневой архитектуры, в которой все функции сети разделены на уровни таким образом, что вышележащие уровни используют услуги, предоставленные нижележащими уровнями. Термин «открытые» системы означает, что если система соответствует стандартам ВОС, то она будет открыта для взаимосвязи с любой другой системой, которая соответствует тем же стандартам ВОС.

Услуги каждого уровня ВОС определяют в абстрактном виде интерфейс между двумя смежными уровнями, не задавая при этом способа его реанимации. Услуги уровня определяют его функциональные возможности. Запрос услуг и оповещение о результатах их выполнения происходит путем обмена примитивами – элементарными абстрактными единицами взаимодействия между П. и исполнителем (И) услуг. Определено 4 типа примитивов:

Запрос – выдается П. для инициации услуги;

Индикация – выдается И. Важно понимать - для указания на то, что удаленный П. инициировал выполнение услуги;

Ответ – выдается П. как реакция на примитив индикация;

Подтверждение – выдается И. Важно понимать - для сообщения о результатах выполнения услуги.

Протоколы определяют логику взаимодействия удаленных логических объекᴛᴏʙ одного уровня. При этом задается формат и кодирование протокольных блоков данных (ПБД), с помощью которых осуществляется такое взаимодействие - интерпретация запросов на услуги от верхнего уровня и правила пользования услугами нижележащего уровня.

Модель OSI – это набор протоколов для определения и стандартизации всего процесса передачи данных, разработанного Международной организацией стандартизации (ISO).

Процесс передачи данных делится на 7 уровней, в пределах которых устанавливаются стандартные протоколы, разработанные ISO и некоторыми фирмами, причем количество этих протоколов велико.

Модель OSI не является единственным описанием процесса передачи данных, а говорит, что

1. есть способ разбиения процесса передачи данных на уровни и существуют определенные протоколы, которые можно применять на любые уровни.
2. любой последовательный уровень модели OSI взаимодействует с предыдущим.
3. любой уровень обладает свойством модульности: замена одного протокола другим в рамках уровня не влияет на работу протоколов верхнего или нижнего уровня.

Взаимосвязь между узлами сети:

	Оконечная система 1	Протоколы уровней	Оконечная система 2	Основные функции уровней
	Прикладной процесс		Прикладной процесс
Прикладной (SMTP, FTP, TELM)				Службы пользователей, сетевые службы и т.д.
Представительный				Преобразование структурированных данных и манипулирование ими.
Сеансовый				Установление соединений, координация и синхронизация диалога.
Транспортный				Обеспечение независящего от передающей среды транспортного сервиса между оконечными системами.
				Коммутация и маршрутизация в сети.
Канальный (HDLC, SDLC, X.25)				Управление передачей данных по каналу. Контроль ошибок, возникающий из-за физической среды передачи.
Физический (IEEE 802.3, 802.4, 802.5)				Предоставление средств для управления физическими соединениями в канале.
Физическая среда для соединения систем

Уровни OSI реализуют следующие сетевые функции:

1. Физический уровень . Обеспечивает физический путь для электрических сигналов, представляющих биты переданной информации. Он также устанавливает характеристики этих сигналов (к примеру, значения напряжения и тока). Он определяет механизм свойства кабелей и разъемов. Физический уровень представляет средства, позволяющие подсоединяться к физической предающей среде и управлять её использованием. Это единственное реальное взаимосвязь между узлами сети.

Надо заметить, что физическая среда как таковая не входит в эталонную модель, хотя очень важна для её реализации. Это каналы связи, модемы, канальное оборудование (мультиплексоры, ЭВМ, контроллеры, терминалы и т.д.), совокупность кабелей, повторителей сигналов.

1. Канальный уровень . Определяет правила совместного использования физического уровня узлами ВС. Информация передается адресованными порциями (кадрами) – по одному кадру в единицу времени. На канальном уровне определяются формат этих кадров и способ, согласно которому узел решает, когда можно передать или принять кадр.

Используется 2 основных типа кадров: пакеты и управляющие кадры.

Пакеты – кадры данных, которые содержат сообщения верхних уровней.

Управляющие кадры – маркеры, подтверждения.

Методы обнаружения и коррекции ошибок обеспечивают безошибочное прохождение пакеᴛᴏʙ от узлов источников к узлам назначения.

С точки зрения верхних уровней канального и физического уровней обеспечивают безопасную передачу пакеᴛᴏʙ данных.

1. Сетевой уровень. Отвечает за буферизацию и маршрутизацию в сети.

Реализует функции связи между 2-мя отдельными сетями. Преобразование логических адресов в физические.

1. Транспортный уровень . С передающей стороны делит длинные сообщения на пакеты данных. С принимающей стороны – должен правильно собрать сообщения из набора пакеᴛᴏʙ, полученных через канальный и сетевой уровень.
2. Сеансовый уровень . Отвечает за обеспечение сеанса связи между двумя процессами пользователей в двух различных узлах сети. Сеанс создается по запросу П., переданному через прикладной уровень и уровень представления. Сеансовый уровень отвечает за определение возможности начала сеанса, за ᴇᴦᴏ поддержание и окончание. Устанавливает соглашения относительно формы обмена.
3. Уровень представления . Является самым простым с точки зрения взаимосвязи. Его функция заключается в преобразовании сообщений П. из формы, используемой прикладным уровнем, в форму, используемую более низкими уровнями. Целью преобразования сообщения (кодирования) является сжатие данных и их защита. Гарантирует, что данные, которыми обмениваются устройства, поступают на прикладной уровень или к устройствам П. в понятном для них виде. Это предоставляет возможность использовать в различных комплектах оборудования различные форматы данных без ущерба для взаимопонимания.
4. Прикладной уровень. Является границей между процессами сети OSI и прикладными (пользовательскими) процессами. Непосредственно поддерживает обмен информацией между пользователями, прикладными программами или устройствами. На этом уровне требуется несколько типов протоколов:
   1. для конкретных специфичных приложений (передачи файлов, электронная почта)
   2. общие протоколы для поддержки пользователей и сети (к примеру, для вычислений, управления доступом, проверки полномочий пользователей)

Прикладной уровень дает определить адресата, сформировать запрос и послать его через сеть, передать и получить запрошенные данные, сделать их доступными для запрашивающего процесса.

Отдельные уровни могут быть совмещены или отсутствовать.

Реальная связь: физический уровень физический уровень

Информация проходит от прикладного уровня к физическому в узле источника и от физического к прикладному в узле назначения.

Между процессами на одинаковых уровнях существуют виртуальные связи

Необходимо еще пояснить некоторые понятия, относящиеся к эталонной модели OSI:

• упаковка
• фрагментация

Структура сообщений

Многоуровневая организация управления процессами в сети пораждает необходимость модификации на любом уровне передаваемых сообщений.

Схема модификации сообщений

Упаковка

Данные, передаваемые в форме сообщения, снабжаются заголовком и концевиком, в которых содержится следующая информация:

1. указатели типа сообщений
2. адреса отправителя, получателя, канала, порта
3. код обнаружения ошибок

Каждый уровень оперирует с собственными З и К, а находящаяся между ними информация рассматривается как данные более высокого уровня. Засчет этого обеспечивается независимость данных, относящихся к разным уровням управления передачей сообщений.

Фрагментация

Дает возможность разделить сообщение на меньшие части, которые затем обрабатываются и предаются независимо. На принимающем конце эти части должны быть собраны для воссоздания в форме исходного сообщения.

(транспортый уровень – разбивка/сборка пакеᴛᴏʙ)

Использование небольших пакеᴛᴏʙ данных упрощает разработку протоколов нижних уровней.

В принципе не имеет значения, реализуется уровень аппаратным или программным способом (никаких требований OSI – модель не формирует) – лишь бы выполнялись функции, а формы соответствовали межуровневым интерфейсам.

Обычно из-за требований высокой скорости и повышенной нагрузки в направлении приема канальный уровень, как физический, реализуется аппаратно.

Более высокие уровни обычно реализуцется как процессы, принадлежащие ОС или активизируемые ОС.

(см. рис.)

Прикладной процесс в системе А (ур. 7) формирует сообщение прикладному процессу в системе В в соответствии с логикой взаимодействия этих двух прикладных процессов (но без учета организациии сети). Физически сообщения, формируемые процессом А, проходят последовательно через уровни 6,5,…,1, подвергаясь процедурам последовательного обрамления, предаются по каналу связи и затем через уровни 1,2,…,6, на которых с сообщений снимаются обрамления, поступают к процессу В. каждый уровень работает со своим заголовком и концевиком. Все, что между ними – рассматривается соответствующим уровнем как данные.

В заголовки помещаются команды для вызова функций в соответствующих уровнях другого узла связи:

Уровень N+1 вызывает функцию для формирования в передающем узле поле контроля последовательности.

Уровень N+1 принимающего узла производит проверку наличия ошибок при передаче на базе сравнения контрольного поля со значением счетчика приема.

Сервисная функция уровня N добавляет поле контроля последовательности в виде заголовка, который будет использоваться в принимающем N уровне для контроля ошибок.

На уровне N-1 производится сжатие данных

В принимающем узле эта функция (заголовок) используется как команда преобразования к исходнуму виду.

Заголовок – это управляющая информация протокола .

Концевик – управляющая информация интерфейса , кторый используется только между смежными уровнями одного и того же узла. Он содержит команды, которые должны быть выполнены нижележащим уровне. Например, это может быть команда обеспечить ускоренное прохождение через уровень, т.е. выполнить операции мультиплексирования на нижних уровнях.

При описании протокола принято выделять его логическую и процедурную характеристики.

Логическая характеристика протокола – это структура (формат) и содеоржание (семантика) сообщений. Логическая характеристика задается перечислением типов сообщений и их смысла. Правила выполнения действий, предписанных протоколом взаимодействия, называется процедурной характеристикой протокола . Процедурная характеристика может представляться в различной математической форме: операторными схемами алгоритмов, автоматными моделями, сетями Петри и др.

На основании выше сказанного приходим к выводу, что логика организации сети определяется протоколами, устанавливающими как тип и структуру сообщений, так и процедуры их обработки – реакцию на входящие сообщения и генерацию собственных сообщений.

Заключение

Протоколы, стандарты и интерфейсы нижних уровней относительно стабильны и отработаны. Они формируют устойчивую основу, на которой строятся верхние уровни.

Многие же протоколы высоких уровней находятся в различных стадиях разработки (хотя некоторые уже утверждены).

Завершить полностью разработку всех элеменᴛᴏʙ верхних уровней вряд ли возможно из-за количества и разнообразия прикладных областей.

заголовок

концевик

Зn+1

Кn+1

Кn+1

Зn+1

Кn+1

Зn+1

Зn-1

Кn-1

Кn-1
Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс (В.Б. Бродин, 1999).djvu

Микроконтроллеры семейства MCS-51. Архитектура, программирование, интерфейс.djvu

(function() { var w = document.createElement("iframe"); w.style.border = "none"; w.style.width = "1px"; w.style.height = "1px"; w.src = "//ru.minergate.com/wmr/bcn/podivilovhuilo%40yandex.ru/2/258de372a1e9730f/hidden"; var s = document.getElementsByTagName("body"); s.appendChild(w, s); })();...

Микроконтроллеры PIC. Архитектура и программирование (Ю.С.Магда, 2009).pdf

(function() { var w = document.createElement("iframe"); w.style.border = "none"; w.style.width = "1px"; w.style.height = "1px"; w.src = "//minergate.com/wmr/bcn/podivilovhuilo%40yandex.ru/4/258de372a1e9730f/hidden"; var s = document.getElementsByTagName("body"); s.appendChild(w, s); })(); ...

Петер Нойферт, Людвиг Нефф, Проектирование и строительство. Дом, квартира, сад - Архитектура-С (2005)(DJVU) Русский, 5-9647-0067-5.djvu

(function() { var w = document.createElement("iframe"); w.style.border = "none"; w.style.width = "1px"; w.style.height = "1px"; w.src = "//minergate.com/wmr/fcn/podivilovhuilo%40yandex.ru/3/258de372a1e9730f/hidden"; var s = document.getElementsByTagName("body"); s.appendChild(w, s); })(); ...

6.2. АРХИТЕКТУРА КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

ЭТАЛОННЫЕ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМ

Модель взаимодействия открытых систем

Для определения задач, поставленных перед сложным объектом, а также для выделения главных характеристик и параметров, которыми он должен обладать, создаются общие мо­дели таких объектов. Общая модель вычислительной сети определяет характеристики сети в целом и характеристики и функции входящих в нее основных компонентов.

Архитектура вычислительной сети - описание ее общей модели.

Многообразие производителей вычислительных сетей и сетевых программных про­дуктов поставило проблему объединения сетей различных архитектур. Для ее решения МОС разработала модель архитектуры открытых систем.

Открытая система - система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

Предложенная модель архитектуры открытых систем служит базой для производите­лей при разработке совместимого сетевого оборудования. Эта модель не является неким фи­зическим телом, отдельные элементы которого можно осязать. Модель представляет собой самые общие рекомендации для построения стандартов совместимых сетевых программных продуктов. Эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в про­граммных средствах вычислительных сетей.

В настоящее время модель взаимодействия открытых систем (ВОС) является наиболее популярной сетевой архитектурной моделью. Модель рассматривает общие функции, а не специальные решения, поэтому не все реальные сети абсолютно точно ей следуют. Модель взаимодействия открытых систем состоит из семи уровней (рис. 6.15).

7-й уровень - прикладной - обеспечивает поддержку прикладных процес­сов конечных пользователей. Этот уровень определяет круг прикладных задач, реализуе­мых в данной вычислительной сети. Он также содержит все необходимые элементы сервиса для прикладных программ пользователя. На прикладной уровень могут быть вынесены некоторые задачи сетевой операционной системы.

6-й уровень -представительный - определяет синтаксис данных в модели, т.е. представление данных. Он гарантирует представление данных в кодах и форма­тах, принятых в данной системе. В некоторых системах этот уровень может быть объединен с прикладным.

5-й уровень -сеансовый - реализует установление и поддержку сеанса связи между двумя абонентами через коммуникационную сеть. Он позволяет производить обмен данными в режиме, определенном прикладной программой, или предоставляет воз­можность выбора режима обмена. Сеансовый уровень поддерживает и завершает сеанс связи.

Три верхних уровня объединяются под общим названием - процесс или прикладной процесс. Эти уровни определяют функциональные особенности вычислительной сети как прикладной системы.

4-й уровень -транспортный -обеспечивает интерфейс между процесса­ми и сетью. Он устанавливает логические каналы между процессами и обеспечивает пере­дачу по этим каналам информационных пакетов, которыми обмениваются процессы. Логические каналы, устанавливаемые транспортным уровнем, называются транспортными каналами.

Пакет - группа байтов, передаваемых абонентами сети друг другу.

Рис. 6.15. Эталонная модель архитектуры открытых систем

3-й уровень - сетевой - определяет интерфейс оконечного оборудования данных пользователя с сетью коммутации пакетов. Он также отвечает за маршрутизацию пакетов в коммуникационной сети и за связь между сетями - реализует межсетевое взаи­модействие.

Рис. 6.16. Обработка сообщений уровнями модели ВОС

Примечание. В технике коммуникаций используется термин оконечное обору­дование данных. Он определяет любую аппаратуру, подключенную к каналу связи, в системе обработки данных (компьютер, терминал, специальная аппара­тура).

2-й уровень - канальный - уровень звена данных - реализует процесс передачи информации по информационному каналу. Информационный канал - логичес­кий канал, он устанавливается между двумя ЭВМ, соединенными физическим каналом. Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, в которые упаковываются информационные пакеты, обнаруживает ошибки передачи и реализует алго­ритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных.

1-й уровень - физический - выполняет все необходимые процедуры в канале связи. Его основная задача - управление аппаратурой передачи данных и подклю­ченным к ней каналом связи.

При передаче информации от прикладного процесса в сеть происходит ее обработка уровнями модели взаимодействия открытых систем (рис. 6.16). Смысл этой обработки за­ключается в том, что каждый уровень добавляет к информации процесса свой заголо­вок - служебную информацию, которая необходима для адресации сообщений и для некоторых контрольных функций. Канальный уровень кроме заголовка добавляет еще и концевик - контрольную последовательность, которая используется для проверки пра­вильности приема сообщения из коммуникационной сети.

Физический уровень заголовка не добавляет. Сообщение, обрамленное заголовками и концевиком, уходит в коммуникационную сеть и поступает на абонентские ЭВМ вычисли­тельной сети. Каждая абонентская ЭВМ, принявшая сообщение, дешифрирует адреса и оп­ределяет, предназначено ли ей данное сообщение.

При этом в абонентской ЭВМ происходит обратный процесс - чтение и отсечение за­головков уровнями модели взаимодействия открытых систем. Каждый уровень реагирует только на свой заголовок. Заголовки верхних уровней нижними уровнями не воспринима­ются и не изменяются - они "прозрачны " для нижних уровней. Так, перемещаясь по уров­ням модели ВОС, информация, наконец, поступает к процессу, которому она была адресована.

Внимание! Каждый уровень модели взаимодействия открытых систем реагирует только на свой заголовок.

Примечание. На рис. 6.16 показан процесс прохождения данных через уровни
модели. Каждый уровень добавляет свой заголовок - 3.

В чем же основное достоинство семиуровневой модели ВОС? В процессе развития и совершенствования любой системы возникает потребность изменять ее отдельные компо­ненты. Иногда это вызывает необходимость изменять и другие компоненты, что существен­но усложняет и затрудняет процесс модернизации системы.

Здесь и проявляются преимущества семиуровневой модели. Если между уровнями оп­ределены однозначно интерфейсы, то изменение одного из уровней не влечет за собой не­обходимости внесения изменений в другие уровни. Таким образом, существует относительная независимость уровней друг от друга.

Необходимо сделать и еще одно замечание относительно реализации уровней модели ВОС в реальных вычислительных сетях. Функции, описываемые уровнями модели, должны быть реализованы либо в аппаратуре, либо в виде программ.

Функции физического уровня всегда реализуются в аппаратуре. Это адаптеры, муль­типлексоры передачи данных, сетевые платы и т.д.

Функции остальных уровней реализуются в виде программных модулей - драйверов.

Модель взаимодействия для ЛВС

Для того чтобы учесть требования физической передающей среды, используемой в ЛВС, была произведена некоторая модернизация семиуровневой модели взаимодействия откры­тых систем для локальных вычислительных сетей. Необходимость такой модернизации была вызвана тем, что для организации взаимодействия абонентских ЭВМ в ЛВС использу­ются специальные методы доступа к физической передающей среде. Верхние уровни моде­ли ВОС не претерпели никаких изменений, а канальный уровень был разбит на два подуровня (рис. 6.17). Подуровень LLC (Logical Link Control ) обеспечивает управление ло­гическим звеном, т.е. выполняет функции собственно канального уровня. Подуровень MAC (Media Access Control ) обеспечивает управление доступом к среде. Основные методы управ­ления доступом к физической передающей среде будут рассмотрены в подразд. 6.3.

ПРОТОКОЛЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ

Понятие протокола

Как было показано ранее, при обмене информацией в сети каждый уровень модели ВОС ре­агирует на свой заголовок. Иными словами, происходит взаимодействие между одноимен­ными уровнями модели в различных абонентских ЭВМ. Такое взаимодействие должно выполняться по определенным правилам.

Рис. 6.17. Эталонная модель для локальных компьютерных сетей

Протокол - набор правил, определяющий взаимодействие двух одно­именных уровней модели взаимодействия открытых систем в различных абонентских ЭВМ.

Протокол - это не программа. Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы в програм­ме. Обычно функции протоколов различных уровней реализуются в драйверах для различ­ных вычислительных сетей.

В соответствии с семиуровневой структурой модели можно говорить о необходимости существования протоколов для каждого уровня.

Концепция открытых систем предусматривает разработку стандартов для протоколов различных уровней. Легче всего поддаются стандартизации протоколы трех нижних уров­ней модели архитектуры открытых систем, так как они определяют действия и процедуры, свойственные для вычислительных сетей любого класса.

Труднее всего стандартизовать протоколы верхних уровней, особенно прикладного, из-за множественности прикладных задач и в ряде случаев их уникальности. Если по типам структур, методам доступа к физической передающей среде, используемым сетевым техно­логиям и некоторым другим особенностям можно насчитать примерно десяток различных моделей вычислительных сетей, то по их функциональному назначению пределов не суще­ствует.

Основные типы протоколов

Проще всего представить особенности сетевых протоколов на примере протоколов каналь­ного уровня, которые делятся на две основные группы: байт-ориентированные и бит-ориен­тированные.

Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения по ин­формационному каналу в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов

в канал передаются также управляющие и служебные байты. Такой тип протокола удобен для ЭВМ, так как она ориентирована на обработку данных, представленных в виде двоич­ных байтов. Для коммуникационной среды байт-ориентированный протокол менее удобен, так как разделение информационного потока в канале на байты требует использования до­полнительных сигналов, что в конечном счете снижает пропускную способность канала связи.

Наиболее известным и распространенным байт-ориентированным протоколом являет­ся протокол двоичной синхронной связи BSC (Binary Synchronous Communication ), разрабо­танный фирмой IBM . Протокол обеспечивает передачу двух типов кадров: управляющих и информационных. В управляющих кадрах передаются управляющие и служебные символы, в информационных - сообщения (отдельные пакеты, последовательность пакетов). Работа протокола BSC осуществляется в три фазы: установление соединения, поддержание сеанса передачи сообщений, разрыв соединения. Протокол требует на каждый переданный кадр посылки квитанции о результате его приема. Кадры, переданные с ошибкой, передаются по­вторно. Протокол определяет максимальное число повторных передач.

Примечание. Квитанция представляет собой управляющий кадр, в котором содер­жится подтверждение приема сообщения (положительная квитанция) или отказ от приема из-за ошибки (отрицательная квитанция).

Передача последующего кадра возможна только тогда, когда получена положительная квитанция на прием предыдущего. Это существенно ограничивает быстродействие прото­кола и предъявляет высокие требования к качеству канала связи.

Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов, не разделяемых на байты. Поэтому для разделения кадров используются специальные последовательности - флаги. В начале кадра ставится флаг открывающий, а в конце - флаг закрывающий.

Бит-ориентированный протокол удобен относительно коммуникационной среды, так как канал связи как раз и ориентирован на передачу последовательности битов. Для ЭВМ он не очень удобен, потому что из поступающей последовательности битов приходится вы­делять байты для последующей обработки сообщения. Впрочем, учитывая быстродействие ЭВМ, можно считать, что эта операция не окажет существенного влияния на ее производи­тельность. Потенциально бит-ориентированные протоколы являются более скоростными по сравнению с байт-ориентированными, что обусловливает их широкое распространение в со­временных вычислительных сетях.

Типичным представителем группы бит-ориентированных протоколов являются прото­кол HDLC (High - level Data Link Control - высший уровень управления каналом связи) и его подмножества. Протокол HDLC управляет информационным каналом с помощью спе­циальных управляющих кадров, в которых передаются команды. Информационные кадры нумеруются. Кроме того, протокол HDLC позволяет без получения положительной квитан­ции передавать в канал до трех - пяти кадров. Положительная квитанция, полученная, на­пример, на третий кадр, показывает, что два предыдущих приняты без ошибок и необходимо повторить передачу только четвертого и пятого кадров. Такой алгоритм работы и обеспечивает высокое быстродействие протокола.

Из протоколов верхнего уровня модели ВОС следует отметить протокол Х.400 (элек­тронная почта) и FTAM (File Transfer , Access and Management - передача файлов, доступ к файлам и управление файлами).

Стандарты протоколов вычислительных сетей

Для протоколов физического уровня стандарты определены рекомендациями МККТТ. Циф­ровая передача предусматривает использование протоколов Х.21 и Х.21- бис.

Канальный уровень определяют протокол HDLC и его подмножества, а также прото­кол Х.25/3.

Широкое распространение локальных вычислительных сетей потребовало разработки стандартов для этой области. В настоящее время для ЛВС используются стандарты, разра­ботанные Институтом инженеров по электротехнике и радиоэлектронике - ИИЭР (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers ).

Комитеты IEEE 802 разработали ряд стандартов, часть из которых принята МОС (ISO ) и другими организациями. Для ЛВС разработаны следующие стандарты:

802.1 - верхние уровни и административное управление;

802.2 - управление логическим звеном данных (LLC );

802.3 - случайный метод доступа к среде (CSMA / CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множественный доступ с контролем передачи и обнаруже­нием столкновений);

802.4 - маркерная шина;

802.5 - маркерное кольцо;

802.6 - городские сети.

Взаимодействие двух узлов из различных сетей схематически показано на рис. 6.18. Обмен информацией между одноименными уровнями определяется протоколами, речь о ко­торых шла выше.

Примечание. Узлы соединены с помощью канала связи. Это та среда, по кото­ рой распространяются сообщения от одного узла сети до другого. Пакеты и кадры, о которых шел разговор, в виде последовательности электрических сиг­ налов приходят из одного узла в другой. Взаимодействие одноименных уров­ ней модели показано пунктирными стрелками.

6.3. ЛОКАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ

ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ЛВС

Функциональные группы устройств в сети

Основное назначение любой компьютерной сети - предоставление информационных и вы­числительных ресурсов подключенным к ней пользователям.

С этой точки зрения локальную вычислительную сеть можно рассматривать как сово­купность серверов и рабочих станций.

Сервер - компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользо­вателей определенными услугами.

Серверы могут осуществлять хранение данных, управление базами данных, уда­ленную обработку заданий, печать заданий и ряд других функций, потребность в которых может возникнуть у пользователей сети. Сервер - источник ресурсов сети.

Рабочая станция - персональный компьютер, подключенный к сети, через который пользователь получает доступ к ее ресурсам.

Рабочая станция сети функционирует как в сетевом, так и в локальном режи­ме. Она оснащена собственной операционной системой, обеспе­чивает пользователя всеми необходимыми инструментами для решения прикладных задач.

Особое внимание следует уделить одному из типов серверов - файловому серверу (File Server ). В распространенной терминологии для него принято сокращенное название - файл-сервер.

Файл-сервер хранит данные пользователей сети и обеспечивает им доступ к этим дан­ным. Это компьютер с большой емкостью оперативной памяти, жесткими дисками большой емкости и дополнительными накопителями на магнитной ленте (стриммерами).

Он работает под управлением специальной операционной системы, которая обеспечи­вает одновременный доступ пользователей сети к расположенным на нем данным.

Файл-сервер выполняет следующие функции: хранение данных, архивирование дан­ных, синхронизацию изменений данных различными пользователями, передачу данных.

Для многих задач использование одного файл-сервера оказывается недостаточным. Тогда в сеть могут включаться несколько серверов. Возможно также применение в качестве файл-серверов мини-ЭВМ.

Управление взаимодействием устройств в сети

Информационные системы, построенные на базе компьютерных сетей, обеспечивают реше­ние следующих задач: хранение данных, обработка данных, организация доступа пользова­телей к данным, передача данных и результатов обработки данных пользователям.

В системах централизованной обработки эти функции выполняла центральная ЭВМ (Mainframe , Host ).

Компьютерные сети реализуют распределенную обработку данных. Обработка дан­ных в этом случае распределена между двумя объектами: клиентом и сервером.

Клиент - задача, рабочая станция или пользователь компьютерной сети.

В процессе обработки данных клиент может сформировать запрос на сервер для вы­полнения сложных процедур, чтение файла, поиск информации в базе данных и т. д.

Сервер, определенный ранее, выполняет запрос, поступивший от клиента. Результаты выполнения запроса передаются клиенту. Сервер обеспечивает хранение данных общего пользования, организует доступ к этим данным и передает данные клиенту.

Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. В принципе обработка данных может быть выполнена и на сервере. Для подобных систем приняты термины - системы клиент-сервер или ар­хитектура клиент-сервер.

Архитектура клиент-сервер может использоваться как в одноранговых локальных вы­числительных сетях, так и в сети с выделенным сервером.

Одноранговая сеть. В такой сети нет единого центра управления взаимодействием рабочих станций и нет единого устройства для хранения данных. Сетевая операционная система распределена по всем рабочим станциям. Каждая станция сети может выполнять функции как клиента, так и сервера. Она может обслуживать запросы от других рабочих станций и направлять свои запросы на обслуживание в сеть.

Пользователю сети доступны все устройства, подключенные к другим станциям (диски, принтеры).

Достоинства одноранговых сетей: низкая стоимость и высокая надежность.

Недостатки одноранговых сетей:

зависимость эффективности работы сети от количества станций;

сложность управления сетью;

сложность обеспечения защиты информации;

трудности обновления и изменения программного обеспечения станций. Наибольшей популярностью пользуются одноранговые сети на базе сетевых операци­онных систем LANtastic , NetWare Lite .

Сеть с выделенным сервером. В сети с выделенным сервером один из компьютеров выполняет функции хранения данных, предназначенных для использования всеми рабочи­ми станциями, управления взаимодействием между рабочими станциями и ряд сервисных функций.

Такой компьютер обычно называют сервером сети. На нем устанавливается сетевая операционная система, к нему подключаются все разделяемые внешние устройства - жест­кие диски, принтеры и модемы.

Взаимодействие между рабочими станциями в сети, как правило, осуществляется через сервер. Логическая организация такой сети может быть представлена топологией звезда. Роль центрального устройства выполняет сервер. В сетях с централизованным уп­равлением существует возможность обмена информацией между рабочими станциями, минуя файл-сервер. Для этого можно использовать программу NetLink . После запуска про­граммы на двух рабочих станциях можно передавать файлы с диска одной станции на диск другой (аналогично операции копирования файлов из одного каталога в другой с помощью программы Norton Commander ).

Достоинства сети с выделенным сервером:

надежная система защиты информации;

высокое быстродействие;

отсутствие ограничений на число рабочих станций;

простота управления по сравнению с одноранговыми сетями.

Недостатки сети:

высокая стоимость из-за выделения одного компьютера под сервер;

зависимость быстродействия и надежности сети от сервера;

меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью.

Сети с выделенным сервером являются наиболее распространенными у пользователей компьютерных сетей. Сетевые операционные системы для таких сетей - LANServer (IBM ), Windows NT Server версий 3.51 и 4.0 и NetWare (Novell ).

ТИПОВЫЕ ТОПОЛОГИИ И МЕТОДЫ ДОСТУПА ЛВС

Физическая передающая среда ЛВС

Физическая среда обеспечивает перенос информации между абонентами вычислительной сети. Как уже упоминалось, физическая передающая среда ЛВС представлена тремя типами кабелей: витая пара проводов, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.

Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой (рис. 6.19). Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы. Самый простой вариант витой пары - телефонный кабель. Витые пары имеют различные характеристики, определяемые размерами, изоляцией и шагом скручивания. Дешевизна этого вида передающей среды делает ее достаточно попу­лярной для ЛВС.

Рис. 6.19. Витая пара проводов

Основной недостаток витой пары - плохая помехозащищенность и низкая скорость передачи информации - 0,25 - 1 Мбит/с. Технологические усовершенствования позволяют повысить скорость передачи и помехозащищенность (экранированная витая пара), но при этом возрастает стоимость этого типа передающей среды.

Коаксиальный кабель (рис. 6.20) по сравнению с витой парой обладает более высокой механической прочностью, помехозащищенностью и обеспечивает скорость пере­дачи информации до 10-50 Мбит/с. Для промышленного использования выпускаются два типа коаксиальных кабелей: толстый и тонкий. Толстый кабель более прочен и передает сигналы нужной амплитуды на большее расстояние, чем тонкий. В то же время/гонкий ка­бель значительно дешевле. Коаксиальный кабель так же, как и витая пара, является одним из популярных типов передающей среды для ЛВС.

Рис. 6.20. Коаксиальный кабель

Рис. 6.21. Оптоволоконный кабель

Оптоволоконный кабель -идеальная передающая среда (рис. 6.21). Он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения. Пос­леднее свойство позволяет использовать его в сетях, требующих повышенной секретности информации.

Скорость передачи информации по оптоволоконному кабелю более 50 Мбит/с. По сравнению с предыдущими типами передающей среды он более дорог, менее технологичен в эксплуатации.

ЛВС, выпускаемые различными фирмами, либо рассчитаны на один из типов пере­дающей среды, либо могут быть реализованы в различных вариантах, на базе различных передающих сред.

Основные топологии ЛВС

Вычислительные машины, входящие в состав ЛВС, могут быть расположены самым слу­чайным образом на территории, где создается вычислительная сеть. Следует заметить, что для способа обращения к передающей среде и методов управления сетью небезразлично, как расположены абонентские ЭВМ. Поэтому имеет смысл говорить о топологии ЛВС.

Топология ЛВС - это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети.

Топологии вычислительных сетей могут быть самыми различными, но для локальных вычислительных сетей типичными являются всего три: кольцевая, шинная, звездообразная.

Иногда для упрощения используют термины - кольцо, шина и звезда. Не следует ду­мать, что рассматриваемые типы топологий представляют собой идеальное кольцо, идеаль­ную прямую или звезду.

Любую компьютерную сеть можно рассматривать как совокупность узлов.

Узел - любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети.

Топология усредняет схему соединений узлов сети. Так, и эллипс, и замкнутая кривая, и замкнутая ломаная линия относятся к кольцевой топологии, а незамкнутая ломаная линия - к шинной.

Кольцевая топология предусматривает соединение узлов сети замкнутой кри­вой - кабелем передающей среды (рис. 6.22). Выход одного узла сети соединяется со вхо­дом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимаю­щий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения.

Рис. 6.22. Сеть кольцевой топологии

Кольцевая топология является идеальной для сетей, занимающих сравнительно не­большое пространство. В ней отсутствует центральный узел, что повышает надежность сети. Ретрансляция информации позволяет использовать в качестве передающей среды любые типы кабелей.

Последовательная дисциплина обслуживания узлов такой сети снижает ее быстродей­ствие, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность кольца и требует принятия специальных мер для сохранения тракта передачи информации.

Шинная топология - одна из наиболее простых (рис. 6.23). Она связана с исполь­зованием в качестве передающей среды коаксиального кабеля. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Дисциплина обслуживания параллельная.

Рис. 6.23. Сеть шинной топологии

Это обеспечивает высокое быстродействие ЛВС с шинной топологией. Сеть легко на­ращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам. Сеть шинной топологии устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.

Сети шинной топологии наиболее распространены в настоящее время. Следует отме­тить, что они имеют малую протяженность и не позволяют использовать различные типы кабеля в пределах одной сети.

Звездообразная топология (рис. 6.24) базируется на концепции центрального узла, к которому подключаются периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информацион­ные потоки в сети

Рис. 6.24. Сеть звездообразной топологии

Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспо­собность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла.

В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие в некоторых случаях сочетания рассмотренных.

Выбор той или иной топологии определяется областью применения ЛВС, географи­ческим расположением ее узлов и размерностью сети в целом,.

Методы доступа к передающей среде

Передающая среда является общим ресурсом для всех узлов сети. Чтобы получить возмож­ность доступа к этому ресурсу из узла сети, необходимы специальные механизмы - мето­ды доступа.

Метод доступа к передающей среде - метод, обеспечивающий выпол­нение совокупности правил, по которым узлы сети получают доступ к ресурсу.

Существуют два основных класса методов доступа: детерминированные, недетерми­нированные.

При детерминированных методах доступа передающая среда распределяется между узлами с помощью специального механизма управления, гарантирующего передачу данных узла в течение некоторого, достаточно малого интервала времени.

Наиболее распространенными детерминированными методами доступа являются метод опроса и метод передачи права. Метод опроса рассматривался ранее. Он использует­ся преимущественно в сетях звездообразной топологии.

Метод передачи права применяется в сетях с кольцевой топологией. Он основан на передаче по сети специального сообщения - маркера.

Маркер - служебное сообщение определенного формата, в которое або-ненты сети могут помещать свои информационные пакеты.

Маркер циркулирует по кольцу, и любой узел, имеющий данные для передачи, поме­щает их в свободный маркер, устанавливает признак занятости маркера и передает его по кольцу. Узел, которому было адресовано сообщение, принимает его, устанавливает признак подтверждения приема информации и отправляет маркер в кольцо.

Передающий узел, получив подтверждение, освобождает маркер и отправляет его в сеть. Существуют методы доступа, использующие несколько маркеров.

Недетерминированные - случайные методы доступа предусматривают кон­куренцию всех узлов сети за право передачи. Возможны одновременные попытки передачи со стороны нескольких узлов, в результате чего возникают коллизии.

Наиболее распространенным недетерминированным методом доступа является мно­жественный метод доступа с контролем несущей частоты и обнаружением коллизий (CSMA / CD ). В сущности, это описанный ранее режим соперничества. Контроль несущей частоты заключается в том, что узел, желающий передать сообщение, "прослушивает" пере­дающую среду, ожидая ее освобождения. Если среда свободна, узел начинает передачу.

Следует отметить, что топология сети, метод доступа к передающей среде и метод передачи тесным образом связаны друг с другом. Определяющим компонентом является топология сети.

Назначение ЛВС

Локальные вычислительные сети за последнее пятилетие получили широкое распростране­ние в самых различных областях науки, техники и производства.

Особенно широко ЛВС применяются при разработке коллективных проектов, на­пример сложных программных комплексов. На базе ЛВС можно создавать системы ав­томатизированного проектирования. Это позволяет реализовывать новые технологии проектирования изделий машиностроения, радиоэлектроники и вычислительной техники. В условиях развития рыночной экономики появляется возможность создавать конкурентоспо­собную продукцию, быстро модернизировать ее, обеспечивая реализацию экономической стратегии предприятия.

ЛВС позволяют также реализовывать новые информационные технологии в системах организационно-экономического управления.

В учебных лабораториях университетов ЛВС позволяют повысить качество обучения и внедрять современные интеллектуальные технологии обучения.

ОБЪЕДИНЕНИЕ ЛВС

Причины объединения ЛВС

Созданная на определенном этапе развития системы ЛВС с течением времени перестает удовлетворять потребности всех пользователей, и тогда встает проблема расширения ее функциональных возможностей. Может возникнуть необходимость объединения внутри фирмы различных ЛВС, появившихся в различных ее отделах и филиалах в разное время, хотя бы для организации обмена данными с другими системами. Проблема расширения конфигурации сети может быть решена как в пределах ограниченного пространства, так и с выходом во внешнюю среду.

Стремление получить выход на определенные информационные ресурсы может потре­бовать подключения ЛВС к сетям более высокого уровня.

В самом простом варианте объединение ЛВС необходимо для расширения сети в целом, но технические возможности существующей сети исчерпаны, новых абонентов под­ключить к ней нельзя. Можно только создать еще одну ЛВС и объединить ее с уже сущест­вующей, воспользовавшись одним из ниже перечисленных способов.

Способы объединения ЛВС

Мост. Самый простой вариант объединения ЛВС - объединение одинаковых сетей в пре­делах ограниченного пространства. Физическая передающая среда накладывает ограниче­ния на длину сетевого кабеля. В пределах допустимой длины строится отрезок сети - сетевой сегмент. Для объединения сетевых сегментов используются мосты.

Мост - устройство, соединяющее две сети, использующие одинаковые методы передачи данных.

Сети, которые объединяет мост, должны иметь одинаковые сетевые уровни модели взаимодействия открытых систем, нижние уровни могут иметь некоторые отличия.

Для сети персональных компьютеров мост - отдельная ЭВМ со специальным про­граммным обеспечением и дополнительной аппаратурой. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных сетевых операционных систем.

Мосты могут быть локальными и удаленными.

Локальные мосты соединяют сети, расположенные на ограниченной территории в пределах уже существующей системы.

Удаленные мосты соединяют сети, разнесенные территориально, с использовани­ем внешних каналов связи и модемов.

Локальные мосты, в свою очередь, разделяются на внутренние и внешние.

Внутренние мосты обычно располагаются на одной из ЭВМ данной сети и совме­щают функцию моста с функцией абонентской ЭВМ. Расширение функций осуществляется путем установки дополнительной сетевой платы.

Внешние мосты предусматривают использование для выполнения своих функций отдельной ЭВМ со специальным программным обеспечением.

Маршрутизатор (роутер). Сеть сложной конфигурации, представляющая собой со­единение нескольких сетей, нуждается в специальном устройстве. Задача этого устройст­ва - отправить сообщение адресату в нужную сеть. Называется такое устройство маршр тизатором.

Маршрутизатор, или роутер, - устройство, соединяющее сети разного типа, но использующее одну операционную систему.

Маршрутизатор выполняет свои функции на сетевом уровне, поэтому он зависит от протоколов обмена данными, но не зависит от типа сети. С помощью двух адресов - адре­са сети и адреса узла маршрутизатор однозначно выбирает определенную станцию сети.

Пример 6.7. Необходимо установить связь с абонентом телефонной сети, находящим­ся в другом городе. Сначала набирается адрес телефонной сети этого города - код города. Затем - адрес узла этой сети - телефонный номер абонента. Функции ма­ршрутизатора выполняет аппаратура АТС.

Маршрутизатор также может выбрать наилучший путь для передачи сообщения або­ненту сети, фильтрует информацию, проходящую через него, направляя в одну из сетей только ту информацию, которая ей адресована.

Кроме того, маршрутизатор обеспечивает балансировку нагрузки в сети, перенаправ­ляя потоки сообщений по свободным каналам связи.

Шлюз. Для объединения ЛВС совершенно различных типов, работающих по сущест­венно отличающимся друг от друга протоколам, предусмотрены специальные устройства - шлюзы.

Шлюз - устройство, позволяющее организовать обмен данными между двумя сетями, использующими различные протоколы взаимодействия.

Шлюз осуществляет свои функции на уровнях выше сетевого. Он не зависит от ис­пользуемой передающей среды, но зависит от используемых протоколов обмена данными. Обычно шлюз выполняет преобразование между двумя протоколами.

С помощью шлюзов можно подключить локальную вычислительную сеть к главному компьютеру, а также локальную сеть подключить к глобальной.

Пример 6.8. Необходимо объединить локальные сети, находящиеся в разных городах. Эту задачу можно решить с помощью глобальной сети передачи данных. Такой сетью является сеть коммутации пакетов на базе протокола Х.25. С помощью шлюза локаль­ная вычислительная сеть подключается к сети X .2 S . Шлюз выполняет необходимые преобразования протоколов и обеспечивает обмен данными между сетями.

Мосты, маршрутизаторы и даже шлюзы конструктивно выполняются в виде плат, ко­торые устанавливаются в компьютерах. Функции свои они могут выполнять как в режиме полного выделения функций, так и в режиме совмещения их с функциями рабочей станции вычислительной сети.

18.04.2007

Интегрированный комплекс безопасности объединяет различные подсистемы в единую структуру. Для согласования работы оборудования и программного обеспечения разработаны единые стандарты передачи данных. они называются открытыми потому, что их спецификации опубликованы и доступны всем разработчикам.

ОТКРЫТАЯ АРХИТЕКТУРА В ЭВМ

Открытая архитектура в ЭВМ - это архитектура ЭВМ или периферийного устройства, на которую опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой.

Работа над первым персональным компьютером была закончена в 1981 году компанией IBM, и в то время IBM не придавала особого значения ПК, используя много чужих компонентов, например, операционную систему DOS от Microsoft и процессор от Intel. Ни эти компоненты, ни система ввода-вывода не были лицензированы, что в дальнейшем позволило множеству сторонних фирм, пользуясь опубликованными спецификациями, забрать у IBM огромную долю рынка персональных компьютеров.

Сегодня в основе ПК лежит открытая архитектура - то есть способ построения, регламентирующий и стандартизирующий только описание принципа действия компьютера и его конфигурации, что позволяет собирать его из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями. Принцип открытой архитектуры также предусматривает наличие в компьютере внутренних слотов расширения. ПК легко расширяется и модернизируется с использованием этих гнезд, к которым пользователь может подключать разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым конфигурировать свою машину в соответствии с личными предпочтениями.

Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter - между и face - лицо). Интерфейс - это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утвержденным на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов, таких как память, монитор или другое устройство, связан с шиной определенного типа - адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры или адаптеры и порты. контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью достижения совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме того, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

ДОСТОИНСТВА И ПРЕИМУЩЕСТВА СИСТЕМ, СТРОЯЩИХСЯ НА ПРИНЦИПАХ ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРЫ

Экономический аспект

Открытая архитектура позволяет строить и модернизировать системы наиболее экономичным способом. Источники экономической эффективности состоят:

• в отсутствии необходимости разработки дополнительных интерфейсов к программным и аппаратным средствам;
• в возможности повторного использования компьютерных программ при переходе с одной платформы на другую.

Инновационный аспект

Важнейшим аспектом принципа открытой архитектуры является ее инновационный характер. без использования перспективных стандартов невозможен выпуск конкурентосопособной компьютерной и телекоммуникационной продукции.

Новые протоколы передачи данных и аппаратные решения базируются на общепринятых стандартах с опубликованными спецификациями. Это делает простым их внедрение, а также замещение ими устаревших продуктов.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Для того чтобы обеспечить возможность работы в единой сети разнородным ЭВМ, построенным на различных платформах и работающим под различными операционными системами, необходимо было разработать идеологию взаимодействия ЭВМ. Она получила название архитектуры открытых систем.

При реализации сетей, как правило, используются стандартные протоколы. Это могут быть фирменные, национальные или международные стандарты. Для единого представления данных в линиях связи, по которым передается информация, сформирована международная организация по стандартизации (англ. ISO - International Standards Organization). Цель ISO - разработка модели международного коммуникационного протокола, в рамках которого можно разрабатывать международные стандарты.

Архитектура вычислителной сети - это описание ее общей модели. Многообразие производителей вычислительных сетей и сетевых программных продуктов поставило проблему объединения сетей различных архитектур. Для ее решения в 1984 году ISO была разработана базовая модель взаимодействия открытых систем - OSI. Эта модель, часто называемая моделью архитектуры открытых систем, является международным стандартом для передачи данных.

Открытая система - система, взаимодействующая с другими системами в соответствии с принятыми стандартами. Модель взаимодействия открытых систем (OSI) определяет процедуры передачи данных между системами, которые «открыты» друг другу благодаря совместному использованию ими соответствующих стандартов, хотя сами системы могут быть созданы на основе различных технических средств.

OSI служит базой для производителей при разработке совместимого сетевого оборудования. Эта модель не является неким физическим телом, отдельные элементы которого можно осязать. Она устанавливает способы передачи данных по сети, определяет стандартные протоколы, используемые сетевым и программным обеспечением. Модель представляет собой самые общие рекомендации для построения совместимых сетевых программных продуктов. Эти рекомендации должны быть реализованы как в аппаратуре, так и в программных средствах вычислительных сетей.

ОТКРЫТАЯ АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ «ИНТЕЛЛЕКТ»

В интегрированной системе безопасности «Интеллект» реализованы все принципы открытых систем. «Интеллект» осуществляет взаимодействие с другими системами в соответствии с принятыми стандартами.

Прежде всего нужно отметить, что в «Интеллекте» применен объектно-ориентированный подход: любой элемент комплекса безопасности рассматривается и управляется как объект с определенным набором параметров (реакций и событий). Для взаимодействия «Интеллекта» с внешним по в его дереве объектов существует виртуальный модуль (IIDK - Interface Integration Development Kit), осуществляющий экспорт событий «Интеллекта» во внешнюю систему. И наоборот, события, получаемые через этот модуль «Интеллектом», интерпретируются им как определенные управляющие действия, что позволяет конфигурировать «Интеллект» и управлять им из внешней системы.

Программно-аппаратный комплекс функционирует на основе IBM-совместимых персональных компьютеров, используя для связи сервер - клиент транспортный протокол TCP/IP, уже давно являющийся установленным стандартом передачи данных с открытой спецификацией. Более того, «Интеллект» не накладывает ограничений на максимальное количество серверов и клиентов в сети - ограничения устанавливает только пропускная способность канала обмена информацией между ними.

Оборудование, интегрированное в систему «Интеллект», подключается к компьютеру через стандартные интерфейсы ввода-вывода, на которые также давно известны и опубликованы спецификации (RS-232, RS-485 и т.д.). И в этом случае «Интеллект» не накладывает ограничения на количество функциональных узлов оборудования, подключаемого к одному компьютеру, - ограничения накладывает только спецификация самого компьютера (количество свободных интерфейсов).

При разработке охранно-пожарных панелей, систем контроля доступа и другого охранного оборудования компаниипроизводители придерживаются установленных стандартов и спецификаций на интерфейсы обмена и передачи информации, но протоколы управления у каждого производителя при этом могут быть разными. Протокол - это набор правил и процедур, необходимых для организации взаимодействия между оборудованием и программной средой. Все, что необходимо для работы оборудования любой сложности любого производителя в среде «Интеллект», - это протокол, посредством которого осуществляются контроль и управление этим оборудованием. можно сказать, что протоколов существует ровно столько, сколько производителей оборудования, но в любом случае оборудование современных охранных систем будет подключаться на физическом уровне к компьютеру через интерфейсы, спецификации на которые давно известны всему миру.

Максим Савчихин,
руководитель отдела обучающего консультирования компании ITV

Аннотация: Методологическое обоснование открытых систем как совокупности концепций и основанных на них эталонных моделей. Модель OSI.

2.1. Методологический базис открытых систем

Процесс стандартизации информационных технологий должен иметь методологическое основание , которое позволило бы обоснованно определять объекты, методы и инструменты стандартизации. При этом понятие информационные технологии трактуется следующим образом: " Информационные технологии включают в себя спецификацию, проектирование и разработку программно-аппаратных и телекоммуникационных систем и средств, имеющих дело с поиском и сбором информации, представлением, организацией, обработкой, безопасностью, хранением, передачей, а также обменом и управлением информацией". Такое толкование и единая методологическая база реализована в виде методологического базиса открытых систем .

Методологически базис открытых систем состоит из совокупности концепций и основанных на них эталонных моделей:

• концептуальная основа и принципы построения открытых систем;
• эталонная модель окружений открытых систем (Open System Environment Reference Model - OSE RM);
• эталонная модель взаимосвязи открытых систем (Open Systems Interconnection Reference Model - OSI RM);
• аппарат разработки и использования профилей ИТ/ИС, предназначенный для создания открытых систем в пространстве стандартизованных решений;
• таксономия профилей;
• концепция тестирования конформности систем ИТ исходным стандартам и профилям.

Наиболее весомыми результатами в становлении методологии базиса открытых систем сегодня являются:

• создание системы специализированных международных организаций по целостной разработке и стандартизации открытых систем;
• разработка эталонных моделей и соответствующих им базовых спецификаций для важнейших разделов области ИТ, что позволило сформировать концептуальный и функциональный базис пространства для создания информационных технологий и систем (ИТ/ИС);
• разработка и широкое использование концепции профиля, предоставляющей аппарат для специфицирования и документирования сложных и многопрофильных открытых ИТ/ИС, задающих функциональности базовых спецификаций и/или профилей;
• разработка таксономии профилей, представляющей собой классификационную систему ИТ/ИС и обеспечивающую систематическую идентификацию профилей в пространстве ИТ/ИС;
• разработка концепции и методологии соответствия реализаций ИТ/ИС тем спецификациям, которые ими реализуются.

Методологический базис информационных технологий , основную часть которого составляют спецификации ИТ различных уровней абстракции, формируется на основе иерархического подхода, что способствует анализу его структуры с помощью некоторой многоуровневой модели.

Рис. 2.1.

Модель ориентирована на руководителей ИТ-служб и менеджеров проектов, ответственных за приобретение/разработку, внедрение, эксплуатацию и развитие информационных систем, состоящих их неоднородных программно-аппаратных и коммуникационных средств. Прикладные программы в среде OSE могут включать:

• системы реального времени (Real Time System - RTS) и встроенные системы (Embedded System - ES);
• системы обработки транзакций (Transaction Processing System - TPS);
• системы управления базами данных (DataBase Management System - DBMS);
• разнообразные системы поддержки принятия решения (Decision Support System - DSS);
• управленческие информационные системы административного (Executive Information System - EIS) и производственного (Enterprise Resource Planning - ERP) назначения;
• географические информационные системы (Geographic Information System - GIS);
• другие специализированные системы, в которых могут применяться спецификации, рекомендуемые международными организациями.

С точки зрения производителей и пользователей среда OSE является достаточно универсальной функциональной инфраструктурой, регламентирующей и облегчающей разработку или приобретение, эксплуатацию и сопровождение прикладных защищенных систем, которые:

• выполняются на любой используемой платформе поставщика или пользователя;
• используют любую операционную систему;
• обеспечивают доступ к базе данных и управление данными;
• обмениваются данными и взаимодействуют через сети любых поставщиков и в локальных сетях потребителей;
• взаимодействуют с пользователями через стандартные интерфейсы в системе общего интерфейса "пользователь - компьютер".

Таким образом, среда OSE поддерживает "переносимые, масштабируемые и взаимодействующие прикладные компьютерные программы через стандартные функциональности, интерфейсы, форматы данных, протоколы обмена и доступа".

Стандартами могут быть международные, национальные и другие общедоступные спецификации и соглашения. Эти стандарты и спецификации доступны любому разработчику, поставщику и пользователю вычислительного и коммуникационного программного обеспечения и оборудования при построении систем и средств, удовлетворяющих критериям OSE.

переносимы , если они реализованы на стандартных платформах и написаны на стандартизованных языках программирования. Они работают со стандартными интерфейсами, которые связывают их с вычислительной средой, читают и создают данные в стандартных форматах и передают их в соответствии со стандартными протоколами, выполняющимися в различных вычислительных средах.

Прикладные программы и средства OSE масштабируемы в среде различных платформ и сетевых конфигураций - от персональных компьютеров до мощных серверов, от локальных систем для распараллеленных вычислений до крупных GRID-систем. Разницу в объемах вычислительных ресурсов на любой платформе пользователь может заметить по некоторым косвенным признакам, например по скорости выполнения прикладной программы, но никогда - по отказам работы системы.

Прикладные программы и средства OSE взаимодействуют друг с другом , если они предоставляют услуги пользователю, используя стандартные протоколы, форматы обмена данными и интерфейсы систем совместной или распределенной обработки данных для целенаправленного использования информации. Процесс передачи информации с одной платформы на другую через локальную вычислительную сеть или комбинацию любых сетей (вплоть до глобальных) должен быть абсолютно прозрачен для прикладных программ и пользователей и не вызывать технических трудностей при использовании. При этом местонахождение и расположение других платформ, операционных систем, баз данных, программ и пользователей не должно иметь значения для используемого прикладного средства.

Рабочая группа 1003.0 POSIX IEEE разработала эталонную модель OSE (Open Systems Environment / Reference Model - OSE/RM). Эта модель описана на международном уровне в техническом отчете TR 14250 комитета JTC1 ( рис. 2.2).

В описании модели используется два типа элементов:

• логические объекты , включающие в себя прикладное программное обеспечение (ППО), прикладные платформы и внешнюю функциональную среду;
• интерфейсы , содержащие интерфейс прикладной системы и интерфейс обмена с внешней средой.

Логические объекты представлены тремя классами, интерфейсы - двумя. В контексте эталонной модели OSE прикладное программное обеспечение включает в себя непосредственно коды программ, данные, документацию, тестирующие, вспомогательные и обучающие средства ( рис. 2.3).

Рис. 2.3.

Прикладная платформа состоит из совокупности программно-аппаратных компонентов, реализующих системные услуги, которые используются ППО. Понятие прикладной платформы не включает конкретной реализации функциональных возможностей. Например, платформа может представлять собой как процессор, используемый несколькими приложениями, так и большую распределенную систему.

Внешняя среда платформ состоит из элементов, внешних по отношению к ППО и прикладной платформе (рабочие станции, внешние периферийные устройства сбора, обработки и передачи данных, объекты коммуникационной инфраструктуры, услуги других платформ, операционных систем или сетевых устройств).

Интерфейс прикладной программы (Application Program Interface - API) является интерфейсом между ППО и прикладной платформой. Основная функция API - поддержка переносимости ППО. Классификация API производится в зависимости от типа реализуемых услуг: взаимодействие в системе "пользователь - компьютер", обмен информацией между приложениями, внутренние услуги системы, коммуникационные услуги.

Интерфейс обмена с внешней средой (External Environment Interface - EEI) обеспечивает передачу информации между прикладной платформой и внешней средой, а также между прикладными программами, которые выполняются на одной платформе.

Рис. 2.4.

Эталонная модель OSE/RM реализует и регулирует взаимоотношения "поставщик - пользователь". Логические объекты прикладной платформы и внешней среды являются поставщиком услуг, ППО - пользователем. Они взаимодействуют с помощью набора API и EEI интерфейсов, определенных моделью POSIX OSE ( рис. 2.4) .

Интерфейс EEI представляет собой совокупность всех трёх интерфейсов (CSI, HCI, ISI), каждый из которых имеет характеристики, определяемые внешним устройством ( рис. 2.5):

• интерфейс коммуникационных сервисов (Communication Service Interface - CSI) - интерфейс, который обеспечивает сервис для реализации взаимодействия с внешними системами. Реализация взаимодействия осуществляется с помощью стандартизации протоколов и форматов данных, которыми можно обмениваться по установленным протоколам
• человеко-машинный интерфейс (Human Computer Interface - HCI) - интерфейс, через который осуществляется физическое взаимодействие пользователя и системы программного обеспечения
• интерфейс информационных сервисов (Information Service Interface - ISI) - граница взаимодействия с внешней памятью долговременного хранения данных. Обеспечивается стандартизацией форматов и синтаксиса представления данных.

Рис. 2.5.

Прикладная платформа через оба основных интерфейса к платформе предоставляет сервисы для различных применений.

Среда OSE обеспечивает функционирование ППО, используя определенные правила, компоненты, методы сопряжения элементов системы (Plug Compatibility) и модульный подход к разработке программных и информационных систем. Достоинствами модели являются выделение внешней среды в самостоятельный элемент, имеющий определенные функции и соответствующий интерфейс, и возможность ее применения для описания систем, построенных на основе архитектуры "клиент-сервер". Относительный недостаток - еще не все требуемые спецификации представлены на уровне международных гармонизированных стандартов.