1.2. Обмен данными
При обмене данными можно выделить два основных типа процедур: процедуры передачи данных по каналам связи и сетевые процедуры, позволяющие осуществить организацию компьютерной сети. Процесс обмена позволяет, с одной стороны, передавать данные между источником и получателем информации, а с другой – объединять информацию многих ее источников.
1.2.1. Процедуры передачи данных
Схема передачи данных представлена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема передачи данных
Расшифровка сокращений приведена ниже.
ИС – источник сообщения. Он регистрирует (фиксирует) информацию на каком-либо носителе, в результате чего образуется сигнал. Может выполнять в целом первую фазу обращения информации, а также криптографическое кодирование. В роли ИС могут выступать сканеры, факсимильные аппараты, клавиатуры, компьютеры и т.д.
КИ – кодер3 источника. Выполняет эффективное кодирование информации в сигнале в случае необходимости. Данный элемент может отсутствовать в схеме.
КК – кодер канала. На него возложены функции помехозащитного кодирования, если передаваемый сигнал подвержен помехам.
У – уплотнитель сигнала. Способствует передаче нескольких сигналов по одной линии связи ЛС. Может отсутствовать в схеме. Уплотнение рассмотрено далее.
М – модулятор сигнала. Изменяет информационные характеристики сигнала-носителя, накладывая на него дискретный сигнал. Модуляция рассмотрена далее.
ЛС – линия связи – физическая среда (например, воздух, электрическое или магнитное поле) и технические средства в ней, которые используются для передачи сигнала на расстояние.
ДМ – демодулятор. Выполняет выделение дискретного сигнала из сигнала-носителя. Имеет место в схеме только при наличии модулятора М.
В – устройство выделения уплотненного сигнала. Имеет место в схеме только при наличии уплотнителя У.
ДК – декодер канала. Выявляет и/или исправляет ошибки, допущенные при передаче сигнала по линии связи ЛС. Присутствует в схеме только при наличии кодера канала КК.
ДИ – декодер источника. Декодирует эффективные коды. Присутствует в схеме только при наличии кодера источника КИ.
ПС – получатель сообщения. В его роли может выступать компьютер, принтер, дисплей и т.д.
КС – канал связи.
Технически блоки модулятор (М) и демодулятор (ДМ) реализованы в одном устройстве, которое называется модем (МОдулятор-ДЕМодулятор).
Аналогично блоки кодеров (КИ и КК) и декодеров (ДИ и ДК) реализованы технически в одном устройстве, называемом кодек (КОдер-ДЕКодер).
Блоки уплотнитель У и блок выделения сигнала В образуют мультиплексор.
1.2.1.1. Модуляция и демодуляция сигнала
Модуляция - изменение информативных параметров некоторых первичных физических процессов (сигналов), рассматриваемых как носители информации, в соответствии с передаваемой (включаемой и сигнал) информацией.
Виды модуляции связаны с типом сигнала-носителя:
сигнал-носитель – фиксированный уровень, например, значение напряжения (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Сигнал-носитель – фиксированный уровень
(t – время, Uн - нормальный уровень напряжения)
В этом случае возможна только прямая модуляция, при которой изменение уровня напряжения означает передачу того или иного сигнала.
Пример 7. Выполнить прямую модуляцию дискретного сигнала 01102.
Зададимся следующими модификациями напряжения Uн для передачи двоичной цифры: при уменьшении нормального уровня напряжения на Uм передается двоичный 0, при увеличении нормального уровня на ту же величину передается двоичная 1. Для кодирования повторений цифр зададимся дискретой времени t, в течение которой передается одна цифра. Тогда получим результат, показанный на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Прямая модуляция для сигнала 01102
сигнал-носитель – колебания (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Сигнал-носитель – колебания
Этот вид сигнала характеризуется тремя информационными параметрами – амплитудой (имеет величину Uн на рис. 1.7), частотой (1/(2t) на рис. 1.7) и фазой, поэтому возможны три вида модуляции:
амплитудная. Изменение амплитуды означает передачу того или иного сигнала.
Пример 8. Выполнить амплитудную модуляцию для дискретного сигнала 01102, если сигналом-носителем является сигнал рис. 1.7.
Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды на величину Uм означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1.
Тогда получим результат, показанный на рис. 1.8.
Рис. 1.8. Амплитудная модуляция для сигнала 01102
частотная. Изменение частоты колебаний передает дискретный сигнал.
Пример 9. Выполнить частотную модуляцию для дискретного сигнала 01102. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.7.
Пусть увеличение колебаний в период времени T=2t в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1.
Тогда результат модуляции представлен на рис. 1.9.
Рис. 1.9. Частотная модуляция для сигнала 01102
фазовая. Смена фазы передает дискретный сигнал.
Пример 10. Выполнить фазовую модуляцию для дискретного сигнала 01102. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.7.
Пусть сдвиг по фазе на 90 означает передачу двоичной 1, отсутствие сдвига – двоичного 0. Тогда результат модуляции представлен на рис. 1.10.
Рис. 1.10. Фазовая модуляция для сигнала 01102
сигнал-носитель – импульсы (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Сигнал-носитель – импульсы
Аналогично колебаниям этот вид сигнала позволяет выполнять три вида модуляции:
амплитудно-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением амплитуды импульсов.
Пример 11. Выполнить амплитудно-импульсную модуляцию для дискретного сигнала 01102. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.11.
Зададимся модификациями амплитуды базового сигнала-носителя: пусть уменьшение амплитуды импульса на величину Uм означает передачу двоичного 0, а увеличение на ту же величину – передачу двоичной 1. Тогда результат модуляции представлен на рис. 1.12.
Рис. 1.12. Амплитудно-импульсная модуляция для сигнала 01102
частотно-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением частоты импульсов.
Пример 12. Выполнить частотно-импульсную модуляцию для сигнала 01102. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.11.
Пусть увеличение частоты импульсов в период времени T в 2 раза означает передачу двоичного 0, а увеличение в 3 раза – двоичной 1.
Тогда результат модуляции представлен на рис. 1.13.
Рис. 1.13. Частотно-импульсная модуляция для сигнала 01102
время-импульсная. Передача дискретного сигнала связана с изменением продолжительности импульса .
Пример 13. Выполнить время-импульсную модуляцию для сигнала 01102. Сигнал-носитель представлен на рис. 1.11.
Пусть увеличение продолжительности импульса на время означает передачу двоичной 1, а уменьшение на ту же величину – передачу двоичного 0.
Тогда результат модуляции представлен на рис. 1.14.
Рис. 1.14. Время-импульсная модуляция для сигнала 01102
Демодуляция – восстановление величин, вызвавших изменение параметров носителей при модуляции. Выполняется на принимающей стороне при известных условиях модуляции на передающей стороне.
1.2.1.2. Уплотнение сигнала и выделение уплотненного сигнала
Современные средства передачи информации часто бывают многоканальными, т.е. предназначенными для передачи нескольких сигналов. Различают два подхода к организации многоканальных средств передачи:
структурный, когда сигналы разделяются пространственно, т.е. каждый сигнал передается по своей линии связи;
виртуальный, когда все сигналы передаются по общей линии связи путем уплотнения, или мультиплексирования, сигналов на передающей стороне и их последующего разделения на принимающей стороне.
Очевидно, более привлекательным является второй подход, обеспечивающий использование одного ресурса (линии связи) несколькими задачами.
Рассмотрим основные методы уплотнения и выделения сигнала:
частотный. Для уплотнения различным сигналам назначаются непересекающиеся участки частотной шкалы. Например, для передачи двух сигналов используются сигналы-носители с разными частотами (показаны на рис. 1.15 жирной и обыкновенной линиями).
Рис. 1.15. Сигналы-носители при частотном уплотнении
Тогда в простейшем случае возможны амплитудный и фазовый методы модуляции для собственно передачи дискретного сигнала. Для выделения нужного сигнала на приемной стороне полученный уплотненный сигнал разделяется частотными фильтрами, что позволяет «направить» разночастотные сигналы-носители разным получателям;
временной. Для уплотнения разные сигналы передаются только в определенные отрезки времени, например, для одного получателя сигнал передается от 6 часов утра до полудня, для другого – с полудня до 18 часов и т.д. Для синхронизации сигналов на передающей и принимающей стороне устанавливаются распределители, отсчитывающие время, отведенное под каждый сигнал, – это и есть выделение сигнала при данном методе;
кодовый. Для уплотнения каждому сигналу присваивается адрес получателя, указываемый специальным кодом. При выделении сигнала на принимающей стороне декодирующее устройство направляет сигналы согласно их адресам. Например, дискретный сигнал 01102 из предыдущих примеров при таком методе уплотнения и двух возможных получателях с адресами 0 и 1 при пересылке его первому адресату будет иметь вид 001102, а при пересылке второму – 101102, где старший разряд – код адреса получателя сигнала.
1.2.2. Процедуры организации сети
Эти процедуры связаны с использованием компьютерных сетей в качестве средств обмена данными.
1.2.2.1. Компьютерные сети
Если источником и получателем сообщения являются компьютеры, то такая система передачи информации формирует компьютерную сеть. В общем случае, для создания компьютерных сетей необходимо специальное аппаратное обеспечение - сетевое оборудование и специальное программное обеспечение - сетевые программные средства.
Компьютеры сети, на которых пользователями сети реализуются прикладные задачи, называются рабочими станциями. Серверы сети - это аппаратно-программные системы, выполняющие функции управления распределением сетевых ресурсов общего доступа. Сервером может быть любой подключенный к сети компьютер, на котором находятся ресурсы, используемые другими устройствами локальной сети. В качестве аппаратной части сервера используются достаточно мощные компьютеры.
Компьютерные сети обладают следующими возможностями, что делает их привлекательными для пользователей:
обеспечивают параллельную обработку данных несколькими ЭВМ;
поддерживают распределенные базы информации, когда данные, требуемые для решения прикладных задач, а также программы обработки этих данных распределяются по сети, разгружая ресурсы отдельных компьютеров и приближаясь к тем точкам сети, где они наиболее актуальны;
обеспечивают возможность специализации отдельных ЭВМ для решения определенных задач;
автоматизируют обмен информацией между компьютерами сети;
вычислительные мощности и средства передачи информации резервируются на случай выхода из строя отдельных из них;
обеспечивают перераспределение вычислительных мощностей между пользователями сети в зависимости от изменения их потребностей и сложности решаемых задач;
повышают уровень загрузки отдельных компьютеров и дорогостоящего оборудования.
Выполним фасетную классификацию компьютерных сетей (далее – просто сетей), сведя ее в табл. 1.4 (заголовки столбцов таблицы – признаки классификации, данные в графах – их значения).
Таблица 1.4
Фасетная классификация компьютерных сетей
Функциональное назначение
|
Способы размещения информации в сети
|
Степень территориальной рассредоточенности
|
Тип используемых ЭВМ
|
Метод передачи данных
|
Топология
|
Информационные
|
С централизованным хранением данных и программ
|
Глобальные
|
Однородные
|
С коммутацией каналов
|
Радиальная
|
Региональные
|
С коммутацией сообщений
|
Кольцевая
|
Вычислительные
|
Многосвязная
|
Информационно-вычислительные
|
С распределенным хранением данных и программ
|
Локальные
|
Неоднородные
|
С коммутацией пакетов
|
Иерархическая
|
Общая шина
|
Рассмотрим отдельные классификационные признаки и их значения.
Информационные сети обеспечивают лишь обмен информацией любого рода; вычислительные сети решают задачи обработки данных, сопровождаемые обменом данными и программами между компьютерами сети; информационно-вычислительные совмещают обе функции.
Централизованное хранение данных и программ предполагает использование одного, наиболее мощного компьютера для хранения информации. Этот компьютер называется сервером – server (англ.) - в отличие от остальных ЭВМ сети, называемых рабочими станциями – workstations (англ.). При распределенном хранении информация распределяется по компьютерам сети.
Глобальные (WAN – Wide Area Network) сети охватывают территорию одной или нескольких стран, а также континентов. Расстояние между узлами сети достигает тысяч километров. Взаимодействие осуществляется на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Региональные (MAN – Metroрolian Area Network) соответствуют городу, району. Узлы сети отдалены на десятки и сотни километров. Локальные (LAN – Local Area Network) распространяются в рамках одного здания, их элементы удалены максимально на несколько километров.
В состав однородных сетей входят компьютеры одного типа, неоднородные сети такого ограничения не имеют.
1.2.2.2. Топология сетей
Этот классификационный признак определяет схемы соединения компьютеров в сети.
Радиальная топология представлена на рис. 1.16 (УК – устройство коммутации – техническое устройство, возможно, компьютер, для сопряжения каналов связи). Используется в учрежденческих системах управления с централизованным хранением информации, которое выполняет УК (в этом случае в его роли выступает ЭВМ). Эта топология ненадежна, так как выход из строя УК разрушает всю сеть. Кроме того, она характеризуется значительным потреблением кабеля, что повышает ее стоимость.
Рис. 1.16. Схема радиальной топологии (УК – устройство коммутации)
Кольцевая топология (рис. 1.17) обеспечивает передачу информации по кольцу только в одном направлении, что уменьшает надежность сети. Для повышения надежности при неисправности кабеля вводят дополнительное кольцо, что приводит к удорожанию сети.
Рис. 1.17. Схема кольцевой топологии
Многосвязная топология (рис. 1.18) наиболее сложная и дорогая, применяется очень редко для обеспечения высокой скорости и надежности.
Рис. 1.18. Схема многосвязной топологии
Топология типа общая шина (рис. 1.19) использует в качестве обслуживающего устройства одну из ЭВМ, которая обеспечивает централизованный доступ к общей информации и ресурсам. Эта топология характеризуется низкой стоимостью, высокой гибкостью и скоростью передачи данных.
Рис. 1.19. Схема топологии «общая шина»
Иерархическая топология (рис. 1.20) образуется с помощью нескольких топологий типа «общая шина»: они объединяются в дерево с корнем в виде ЭВМ, где размещаются самые важные компоненты сети. Эта топология используется в сложных системах с десятками и сотнями пользователей.
Рис. 1.20. Схема иерархической топологии
1.2.2.3. Методы передачи данных в сетях
Метод коммутации каналов требует предварительного установления прямого физического соединения между источником и получателем сообщения на все время передачи сообщения, что является недостатком данного метода. Схема передачи данных представлена на рис. 1.21.
Рис. 1.21. Схема передачи данных методом коммутации каналов
На этом рисунке представлены четыре узла сети (ЭВМ), между которыми передается сообщение. Его источник – узел А, получатель – узел Д. Между А и Д сообщение проходит узлы В и С.
В отрезки времени (t0–t1), (t2–t3), (t4–t5) служебный сигнал перемещается между соответствующими узлами. Назначение этого сигнала – занять пройденный канал, т.е. заблокировать его от других сигналов. В общем случае последующие каналы оказываются занятыми в моменты прихода в узел служебного сигнала, поэтому в отрезки времени (t1–t2), (t3–t4) сигнал ожидает освобождения канала.
В момент времени t5 служебный сигнал достигает получателя, а все пройденные каналы являются заблокированными. В этот момент сигнал возвращается к источнику сообщения за отрезок времени (t5–t6).
В момент времени t6 начинается передача нужного сообщения (передача сообщения показана жирными линиями). В соответствии с объемом сообщения и пропускной способностью канала связи это занимает в источнике отрезок времени (t6–t7). В момент времени t8 получатель сообщения принял его целиком. Передача закончена, и заблокированные каналы высвобождаются для последующего использования.
Метод коммутации сообщений (рис. 1.22) требует последовательное физическое соединение лишь между двумя соседними узлами. Таким образом, часть каналов может использоваться для передачи других сообщений.
Чистое время передачи всего сообщения (передача показана жирными линиями) в схеме рис. 1.21 - отрезок (t6–t8), в схеме рис. 1.22 – сумма отрезков (t0–t2), (t3–t5), (t6–t8). При всех равных прочих условиях значения этих периодов равны между собой. Если предположить, что время занятости канала между соседними узлами в обеих схемах совпадает, т.е. отрезки времени (t1–t2) и (t3–t4) на рис. 1.21 равны, соответственно, отрезкам (t2–t3) и (t5–t6) на рис. 1.22, то общее время передачи сигнала по схеме рис. 1.22 меньше времени передачи сигнала по схеме рис. 1.21 на величину (t0–t1) + (t2–t3) + (t4–t6).
Рис. 1.22. Схема передачи данных методом коммутации сообщений
Метод коммутации пакетов предполагает разбиение сообщения на части – пакеты – фиксированной длины, снабжаемые адресом получателя. После прихода на место назначения из пакетов формируется сообщение. Достоинством этого метода является то, что разные пакеты могут передаваться между узлами разными каналами связи (если позволяет топология сети). Это приводит к сокращению общего времени передачи всего сообщения.
Пусть, например, есть многосвязная топология, ЭВМ в которой обозначены символами А, В, С, Д (см. рис. 1.23).
Рис. 1.23. Многосвязная топология
Жирными линиями показаны направления передачи сообщения в соответствии с рис. 1.21 и 1.22. Пусть требуется передать сообщение из узла А в узел Д методом коммутации пакетов. При этом исходное сообщение разбивается на три пакета, которые параллельно передаются по следующим направлениям:
а) А – Д,
б) А – С – Д,
в) А – В – Д.
Тогда имеем схему передачи пакетов между узлами А и Д, представленную на рис. 1.24. Чтобы показать параллельную передачу пакетов, исходная схема декомпозирована на три схемы, показывающие передачу пакетов по направлениям, перечисленным выше.
а) б) в)
Рис. 1.24. Схема передачи данных методом коммутации пакетов
В моменты времени t0 из пункта А одновременно начинается передача пакетов в направлениях Д, С, В. В моменты времени t2 пакеты получены в указанных пунктах назначения (для простоты время передачи во все три пункта одинаково). Если в пунктах С и В последующие каналы заняты (на схеме они заняты одинаковое время), пакет ожидает освобождения канала (отрезок времени от t2 до t3). В течение времени (t4–t3) пакет передается в пункт назначения, где из полученных пакетов собирается цельное сообщение.
Рассмотренные методы передачи данных в сетях сталкиваются с проблемой маршрутизации, которая возникает из-за разветвленности связей узлов сети. В этом случае передаваемые данные должны «знать», как добраться до получателя сообщения. При этом в реальных сетях ставятся две дополнительные задачи: минимизация маршрута, а также равномерная загруженность сети, т.е. никакие каналы связи не должны простаивать или нагружаться недостаточно интенсивно. Выделяются следующие виды маршрутизации:
централизованная. Выбор пути осуществляется центром управления сети – одним из компьютеров, специально выделенным в сети для решения, в частности, задачи маршрутизации (такие компьютеры называют роутерами4 или маршрутизаторами). При этом роутер поддерживает таблицы маршрутов, в которых для каждого компьютера сети отражаются возможные направления передачи данных в порядке убывания их предпочтительности;
распределенная. Решение принимается каждым узлом сети независимо на основании аналогичных таблиц, которые касаются только маршрутов, исходящих из данного узла.
1.2.2.4. Организация обмена информацией в сети
Вследствие сложности процесса передачи данных в сети и из-за широкого развития сетей по инициативе Международной организации по стандартизации - ISO (International Standard Organization) - приняты международные соглашения, регламентирующие различные вопросы взаимодействия узлов в сети. При этом определены следующие уровни взаимодействия в сети:
физический:
обеспечивает электрические, механические и функциональные характеристики подключения к каналам связи,
преобразует сигналы из аналоговых в дискретные и обратно,
определяет скорость передачи и топологию сети;
канальный:
генерирует стартовый сигнал и организует начало передачи данных,
разбивает передаваемую информацию на несколько пакетов, причем каждый пакет содержит адреса источника и места назначения, а также средства обнаружения ошибок,
эффективно кодирует данные,
проверяет полученную информацию и исправляет ошибки или запрашивает перепередачу искаженного сигнала,
отключает канал при его неисправности и восстанавливает передачу после ремонта,
генерирует сигнал окончания передачи и переводит канал в пассивное состояние;
сетевой:
определяет маршрут передачи информации между сетями (это основная задача) и адресацию информации, управляет потоками данных,
организует передачу данных от нескольких источников по одному каналу,
обеспечивает обработку ошибок;
транспортный:
управляет в целом передачей данных от источника сообщения к получателю,
отвечает за стандартизацию обмена данными между программами, находящимися на разных компьютерах сети,
связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами;
сеансовый:
организует и проводит сеанс связи между прикладными процессами, выполняемыми на компьютерах сети, путем определения начала и окончания сеанса связи, длительности, точек синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных,
определяет правила диалога прикладных программ, рестарта, проверки прав доступа к сетевым ресурсам,
восстанавливает соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных;
представительский:
интерпретирует и преобразует передаваемые между прикладными процессами данные к виду, удобному для прикладных процессов, путем определения форматов данных, алфавитов, кодов представления специальных и графических символов,
производит сжатие и разжатие данных;
прикладной:
выполняет прикладные программы и административное управление сетью,
взаимодействует с прикладными сетевыми программами, обслуживающими файлы,
выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации, передачу почтовых сообщений и т.п.,
обеспечивает удобный интерфейс для пользователя.
На разных уровнях обмен происходит различными единицами информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения.
Уровни 1 и 2 составляют нижнюю группу, непосредственно связанную с каналами связи. Уровни 3 и 4 прокладывают путь данным между отправителем и получателем сообщения и управляют передачей по этому пути. Уровни 5 – 7 связаны с организацией взаимодействия прикладных программ, с вводом, хранением, обработкой данных и выдачей результатов.
Каждый из уровней выполняет «указания» уровня с большим порядковым номером, т.е. более высокого уровня. Каждый из уровней, помимо выполнения собственных функций, «подстраховывает» работу более низких уровней. Так, если канальный уровень пропустит ошибку, ее исправит транспортный.
Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. По своей реализации они могут быть: аппаратными - определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети, программными – определяют характер взаимодействия программ и данных.
Каждый уровень подразделяется на две части: спецификация услуг определяет, что делает уровень; спецификация протокола определяет, как он это делает, причем каждый конкретный уровень может иметь более одного протокола.
|
